（VR虚拟现实）虚拟现实作业

虚拟现实在电子信息科学与技术专业上的应用 电气与电子工程学院科学技术的发展提高了人与信息之间接口的能力，及人对信息处理的理解能力，人们不仅要求以打印输出、屏幕显示这样的方式观察信息处理的结果，而且希望能通过人的视觉、听觉、触觉，以及形体、手势或口令参与到信息处理的环境中去，获得身临其境的体验8 这种信息处理方法不再是建立在一个单维的数字化的信息空间上，而是建立在一个多维化的信息空间中，一个定性和定量相结合、感性认识和理性认识相结合的综合集成环境中， 虚拟现实技术将是支撑这个多维信息空间的关键技术. 虚拟现实是指利用计算机和一系列传感辅助设施来实现的使人能有置身于真正现实世界中的感觉的环境，是一个看似真实的模拟环境。 通过传感设备，用户根据自身的感觉，使用人的自然技能考察和操作虚拟世界中的物体，获得相应看似真实的体验.具体含义为：（1）虚拟现实是一种基于计算机图形学的多视点、实时动态的三维环境，这个环境可以是现实世界的真实再现，也可以是超越现实的虚构世界；（2）操作者可以通过人的视、听、触等多种感官，直接以人的自然技能和思维方式与所投入的环境交互；（3）在操作过程中，人是以一种实时数据源的形式沉浸在虚拟环境中的行为主体，而不仅仅是窗口外部的观察者.由此可见，虚拟现实的出现为人们提供了一种全新的人机交互方式. 虚拟现实是在计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等信息技术的基础上发展起来，是这些技更高层次的集成和渗透".虚拟现实技术的应用前景非常广阔，它开始于军事领域的需求，目前，遍及到商业、医疗、工程设计、娱乐、教育和通信等诸多领域.当然虚拟现实在电子信息科学技术方面也有很多应用：一在教学方面。1.电工电子网络虚拟实验室系统的构建。电工电子网络虚拟实验室系统之构建，由于虚拟技术与基于网络的远程遥控技术的发展，使以虚拟实境电工电子实验技术取代传统的硬件实验室用于实验教学成为可能，对基于校园网的虚拟电工电子实验所涉及的一些关键技术进行了讨论。实验教学作为高校教学过程的重要环节，对于深化学生对所学知识的理解和掌握，培养学生分析问题和解决问题的能力具有重要作用。但是，无论采用传统的硬件实验方式，还是把EDA软件引入电工电子实验教学，都有其明显的弊端：前者主要依靠硬件设备，投资大、效率低、运行成本高，又受课时安排的制约，教学效果受限；后者虽可在一定程度上缓解硬件实验教学模式面临的困难，但目前著名的EDA软件均来自国外，并非专为我国大专院校的实验教学而设计，因而针对性不强无法取代硬件实验模式，只能作为传统实验教学的辅助手段。因此进行基于校园网的虚拟电工电子实验相关技术的研究。开发符合我国大专院校实验教学特点并能取代传统硬件实验的网络虚拟电工电子实验教学平台，具有重要意义。真实性。一是元件的真实性，系统所提供的电子元件均由实物扫描而成，市面上能买到什么元件，系统就“提供”什么元件；二是电路的真实性用户在客户端搭建了什么电路，服务器就“指挥”硬件设备搭建什么电路，用户搭建的每一个电路，都是有真实电路与之对应的：三是仪器的真实性，系统采用NIfNational Instruments)公司的虚拟仪器直接与服务器相连并从服务器中获得所需的电路参数进行分析处理，用户在哪个位置放置了仪表，服务器就控制虚拟仪器对哪部分进行测量，客户得到的结果，都是仪器测出的实际结果(这与Edison等软件采取公式计算的方式有本质区别。经济性。系统仅需一套硬件设备，其余均以软件实现，因而大大节省了成本。先进性。系统依托计算机网络，以虚拟现实为主要技术手段，实现了实验方式的重大变革，是先进教学理念与先进实验技术的集中体现。实用性。系统专为大专院校电工电子实验而设计，兼具硬件真实实验与EDA软件辅助模拟实验的优点涵盖电路、模拟电子技术、数字电路、高频电子线路课程等全部实验内容，够实现自动接线、自动测量实验数据、自动实例演示、自动生成电路原理图等多种功能，并可反复操作，元件无损坏，使用不限时。具有与实验教学要求相适应的辅助功能，如自主学习和预习功能、实验指导和演示功能、实验报告提交和评阅功能、考核和评价功能、实验资料检索功能。电工电子网络虚拟实验室的系统结构网络实验室的物理拓扑结构如图l所示，它由客户端、服务器端和控制器端三部分组成。用户无论在何时何地只要使自己的计算机联人Intemet就可以通过浏览器访问网络实验室服务器。和用户直接打交道的是客户端，多个客户端可以同时登录到服务器上，同时进行不同的实验。服务器和所有的实验控制端同处于实验室的高速局域网中，每一个实验控制端在正常情况下登录到服务器上，即可随时进行实验。如果控制器端需要维护、修改或更换时，可以随时从服务器上注销。因此，控制器端的地位对于服务器而言，也就是一种客户端，所以，可以把网络实验室系统的物理拓扑结构称之为双CS(ClientServer，即客户端月艮务器)结构。构建虚拟实验的网络系统主要涉及到以下方面的技术问题：(1)数据共享。需开发与各虚拟实验相关的智能检索系统信息数据库，制定数据库格式与检索系统协议来实现各数据库系统的连接。为使学生利用远程软件处理本地数据需开多维数据处理软件和标准化规则，建立共享操作系统。(2)远程设备控制。目前，诸如示波器、频谱仪等许多仪器设备具备GPIB接口，这些智能化仪器可以通过计算机网络连接为虚拟仪器系统；另一方面，DCS、FCS等计算机控制实验室都具备完善的计算机测控网络系统，具有自身的组态控制方式，并且是可进行的远程控制的。因此，需要进行远程设备驱动登录控制软件协议与接口设计以便将这些设备组建为网络虚拟实验室，包括：用于控制与数据采集的远程图形用户界面GUI、由GUI驱动的远程客户程序、安全接口与安全控制协议、开放的本地务程序开发等。虚拟实验室作为一个仪器设备和数据等资源的交互共享以及可交互控制平台，通过设计一个管理平台对所有用户实现统一用户管理，包括对用户数据信息操作管理、虚拟实验室内的虚拟仪器进行的虚拟设备层管理等从而形成具备集成数据、存储器、因特网访问、报表生成工具和其它应用的虚拟工作平台。系统设计中容许那些能够访问客户端全部源的用户通过LAN与整个系统进行联接访问，并可通过下载的客户端程序对实验室系统中的各种电工电子仿真应用程序进行访问。4 软件系统的实现方法与技术41 交互界面和应用环境的设计知识的获取依赖于具体的情境。真实、生动、形象、主题突出的情景环境对学生来说是具有强大吸引力的因此教学软件的交互界面和应用环境的设计好坏将直接影响到学生的学习效果。对此我们根据实际情况采用了VRML技术设计 VRML是一种三维场景的描述语言它的基本原理是用文本信息描述三维场景，在Internet网上传输，在本地机上由VRML的浏览器解释生成三维场景，解释生成的标准规范即是VRML规范。用VRML实现与Internet虚拟现实交互渲染了一个真实的实验环境，使得学生身临其境，如同在现实情形之中，大大提高了学生的学习兴趣和积极性。42 实验背景知识的实现实验原理、目的、内容讲解以及实验器材和实验过程的描述，均采用了多媒体技术，在开发设计中使用了包括文本、图形、图像、动画、视频、音频等多媒体制作技术，经精心制作使软件界面清晰、美观，更能充分地展示内容。同时将一些典型实验的操作过程拍摄成视频信号，经过剪辑、优化和效果处理并采用同步流媒体技术发布，使用户可以随时在线学习。43 仿真实验的构建对于模拟电路的仿真采用电路仿真程序SPICE的3F5版作为仿真内核，并对SPICE进行改造，通过Activex技术将电路仿真有机地融合到多媒体环境之中。通过VC编程，将逼真的元器件所构成的实际电路，转换成SPICE修改后的输入模块能识别的信息，送人SPICE进行分析计算，仿真后的结果再送人虚拟的电子仪器进行显示，可以使SPICE识别在多媒体环境中搭接的立体电路，达到与真实实验相近的效果。对于数字电路仿真则一方面对常用数字逻辑芯片建立相应的逻辑运算模型软件包用于对其逻辑功能的仿真；另一方面是对实验平台和操作进行仿真，通过选调提供的各型号芯片和任意搭接连线，实现各类数字电路的搭接。系统将根据面包板上元件之间的连接关系，通过运算程序模块实现数字电路的逻辑运算并通过发光二极管、数码管等给出逼真的显示。5 高校电工电子网络虚拟实验教学的实践51 实行“虚实并存与优化整合”的原则虚拟实验尽管有诸多优点，但毕竟是“虚拟”的，学生实验时接触的仅仅是大小有限的计算机屏幕在真实实验中通过对故障的产生、分析及排除等培养学生能力的情景在虚拟实验中是不可能完全做到的。因此虚拟实验只能是实物实验的一种补充、完善和扩展，而不能完全替代实物实验两者只能相辅相成。我们在运用中采用了“虚实并存，优化整合”的原则，具体包含两方面内容：一是适量进行虚实项目上的交替对理论性较强的验证性实验以观察实验现象为主，采集数据较困难的实验、受实验设备和生均实验资源限制的实验、学生容易出错、对仪器损坏严重的实验等采用网上虚拟实验，而对实用性较强、设计性实验一定要最终采用实物实验；二是适时进行实验内容上的虚实交替，即在一个实验项目内，根据实际内容进行虚实交替，优势互补。52 构建网络虚拟电工电子实验的基本要求(1)认真规划教学过程。课件使用的操作步骤，是多媒体课堂教学的重要组成部分。教师要根据本节课的实际教学需要合理分配课件的使用时间，理清思路，使课件真正起到化难为易、化繁为简、寓教为乐的作用，一切以服务教学为出发点。(2)充分利用各种媒体手段，使教学过程丰富多彩。多媒体教室除了有多媒体计算机、投影仪外，还有实物展示台以及各种视频、音频设备等。综合应用这些设备能使课堂教学手段丰富多彩。2.基于X3 D的虚拟现实技术在集成电路教学中的应用。虚拟现实技术应用于集成电路教学领域的优势目前大多数院校都建立了校园网，基于Web的虚拟现实技术在集成电路课程的网络教学方面，相户便可以做各种各样的实验，获得模拟真实实验的体验，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。 避免了真实操作带来的各种危险集成电路实验涉及毒性、安全问题，部分实验学生无法直接参与以获得感性认识。利用虚拟现实技术，则可以放心地去做各种危险I生大的实验，避免了由于学生的误操作而造成的安全事故。 打破了时间与空间的限制利用虚拟现实技术，可以打破空间的限制。利用虚拟现实技术，学生还可以观察到部分因为反应速度过慢而造成时间浪费的实验现象。对于传统的教学手段，有着不可替代的优势。 能弥补教学条件的不足利用虚拟现实技术，可以弥补传统教学中因为实验仪器、实验场地、教学经费等原因而造成应该开设的教学实验无法进行等方面的不足。 应用X3D创建集成电路反应机理虚拟仿真环境的方法与步骤31 X3D标准可扩展3D(extensible 3D，X3D)是由Web3D联盟于1998年底提出的。X3D是互联网3D图形国际通用软件标准，定义了如何在网络多媒体中整合基于网络传播的交互三维内容_4 J，它是VRML的继承。VRML是原来的网络3D图形的ISO标准(ISOIEC 14772) j。X3D规范使用可扩展标记语言(extensible markup language，XML)，体现了对VRML几何造型和实体行为的描述能力，缩写成X3D就是为了突出新规范中VRML与XML集成 。X3D文件结构包含文件头、主程序概貌；在主程序概貌中包括头文档、场景等 。在场景中利用基本几何造型节点、复杂节点、组节点、文理节点、效果节点及动态感知节点等创建虚拟现实三维立体场X3D定义了一系列用来生成和修饰三维形体的对象，这些对象成为节点，节点是X3D的基本元素