计算机方面有关学年毕业论文,与基于VRML的虚拟实验的构建探究相关论文格式模板

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摘 要：在各级学校的教学过程中,理论教学和实验教学是相辅相成的两种教学方式,但是,传统意义上的实验室容易受到各种控件和时间等因素的限制,且建设专门的实验室环境投入较大,且效费比较低,所以,采用虚拟现实技术来构建虚拟实验平台也就逐渐发展起来.在此背景下,本位以计算机组成原理的实验需求为例进行开发,设计了基于VRML（Virtual Reality Model Language）的虚拟实验室系统,通过采用一种新的虚拟模型实现与网站的连接,可以在一定程度上解决传统方式的缺陷.

关 键 词 ：虚拟实验室；虚拟实验；虚拟现实建模语言

中图分类号：TP391.9

在学校教学环节中,为了实现教学目标,需要将理论教学和实验教学相结合才可以.而对于大学教学中的理工科教学,由于各类课程更具有较高的实践性,也就使得实验教学更成为不可缺少的环节.通过实验教学环节,可以有效提供学生的动手能力,也可以更好的掌握和理解教学内容,深入理解教学知识.不过,传统的实验教学容易受到多种因素的限制,比如时间和空间层面的限制等.

作为实现与虚拟环境进行交互的重要手段,虚拟现实技术已经成为一种丰富人类科研方式、提高技术水平和拓宽生产实践领域的一种重要手段和方式.构建虚拟实验室,其根本出发点就是采用虚拟实验环境中的一体化平台,让参与者能够体验到真实的实验环境.所以,文中才对基于VR技术的虚拟实验室进行研究.

1.虚拟实验室工具

在技术发展的推动下,诞生了基于计算机屏幕的桌面虚拟现实技术,可以为用户提供观察虚拟环境的窗口,利用计算机外部设备,比如键盘和鼠标实现对虚拟环境对象的操控.虽然这种基于桌面的虚拟现实技术的真实感低于沉浸虚拟现实,但是具有技术简单、成本较低的特点,所以,可以很好的满足教学过程中的实验教学环节,成为虚拟实验室开发的主要工具.

现在,能够用于虚拟现实开发的技术有多种,比较主流的包括VRML、Cuh3D、Java3D、OpenGL等,这些技术和平台,可以根据其自身的特点,有针对性的应用在多种虚拟现实领域中.而文中所重点研究的虚拟现实建模语言VRML,作为一种三维造型和渲染的图形描述语言,具有多种特性和优点,比如交互性、平台无关性以及可扩展性等.尽管VRML平台所构建的三维造型,其视觉感官性比不上专业三维软件的性能,但是,采用VRML语言所构建的模型文件更小,模型的灵活性更高,易于在网络环境中采用,也适合在网络平台下传输.

所以,文中所研发系统就是采用VRML技术.现在,能够使用的VRML开发工具也比较多,比如基于可视化的Inter Space、基于文本的VrmlPad,以及三维建模软件3DSMAX等,不过,考虑到实验室虚拟环境构建的方便性和通用性,文中主要采用基于VrmlPad的VRML集成环境来完成具体开发过程,该集成环境能够为开发人员提供制作三维模型的可视化编程界面,大幅减少程序代码的输入量,提供整个虚拟环境的开发效率.

2.虚拟实验室体系结构与原理

在虚拟实验的开发之初,就考虑到通过学校的校园网络来完成虚拟实验的需要,制定了构建Web环境下的虚拟实验室开发方案.采用这种形式的虚拟实验室构造方式,根本上属于基于Web的软件仿真实验,需要采用基于C/S模式的多层体系结构来构建.这种软件架构以Web应用为核心,主要包括客户端、Web服务器和数据库等3个不同的层.采用这种软件模式,也与VRML的访问方式符合,其中,Web服务器能够为系统提供VRML文件和资源,客户端则支持VRML通过网络浏览器实现文件下载,从而为本地虚拟场景的生成提供支持.具体结果如图1中所示.

图1 系统所采用体系结构模型图

采用此类型的结构,其具体工作过程是先由客户终端向Web服务器发起服务请求,然后在通过Web服务器向数据库服务器提供请求,在服务器接收到数据库服务器的响应后,向客户终端返回服务请求结果.这样,就可以在客户端与数据库服务器不进行直接联系的情况下,完成数据传输和共享,保证了数据的安全性.在网络环境搭建中,采用基于.NET平台来完成,该平台能够提供集成的、无缝的连接组件库,为用户提供动态虚拟网站的快速开发支持.

3.建立实验室虚拟对象

通过虚拟实验室来完成实验过程,需要对实验器件进行操作.所以,就应该针对实验中所采用的各种器件进行模型构建.此处以计算机组成原理的课程实验为例,对一系列的芯片模型进行构建,其中包括了电源、开关、LED等多种元器件,这些元器件的模型构建则参考Prote 99SE中元器件的构造和外观来进行.具体过程为：

首先,对各种元器件的基本结构和框架图进行绘制,选择和确定每个元器件的物理外观和外形特征；接着,在VrmlPad文本编辑器中完成代码编辑,充分发挥可视化编程的特点,对模型进行实时调整,以实现与真实元器件相似的效果；最后,生成模型文件.

在虚拟实验室中,需要进行建模的对象通常会有多种,所以,对于外观和造型相似的对象,就应该设计通用的模型文件来表示,而其他模型只要在通用模型上增加或者改变一些特性即可.此处以计算机组成原理教学过程中的实验芯片74LS181为例,阐述其几个建模过程,构建起外形.脚本如下：

Background{skyColor 1.0 1.0 1.0} #这设置芯片的背景颜色

Shape{appearance Appearance{Material Material{} geometry Box{}}#构造芯片形状

Transform { geometry Text{ string 74LS181 maxExtent 2.0}}#设置芯片坐标和坐标转换

利用上述脚本,基本可以完成该芯片的实体构建,如果还想对其他74LS系列芯片进行构建,则只需要在这些脚本的基础上改变相应的语句值即可,或者添加一些特殊性质的语句,避免了重新构造过程.这样,就可以大大减少工作量,提高模型构建的效率. 完成了元器件模型的构建后,采用*.wrl格式进行存储.不过,在大量文件模型存在的情况下,难以对想要的模型进行快速查找,所以,还需要将每个模型文件的存储地址都保存到数据库表中.这样,就可以在需要调用某个模型文件时,通过数据库对其进行调用即可,如果需要进行