基于VRML技术的虚拟物理实验

【摘 要】 首先介绍了基于VRML技术构建虚拟物理实验的选用,其次阐述了利用VRML虚拟实验的构成,再次是介绍了VRML虚拟实验的制作,最后说明了VRML虚拟实验的优势.

【关 键 词 】 VRML 3Dmax 虚拟模型 虚拟物理实验

基于Web的网上虚拟实验室可以很好的解决场地不足、仪器不够、辅导教员缺乏等问题,利用互联网实验交互式实验教学是实验教学改革与发展的重要方向,为培养高素质人才创造了十分有利的条件[1].我们针对物理实验范围大、人员多、场地有限、辅导教员工作量大等特点,构建虚拟物理实验室,使学员可以方便地进行实验预习,既提高了学员对物理实验的学习兴趣,又培养了学员的自主学习能力、创新意识和动手能力,收到了很好的实验教学效果.

1.VRML虚拟实验室的选用

虚拟实验包括两类,一种是演示型的实验,针对实验现象进行有关演示,实验者相当于充当观众的角色；还有一种是操作型的实验,实验者要亲自参与,实验者相当于充当演员的角色,要亲自实践、参与实验.有多种方法可以进行演示型实验,例如,可以用Flash、Author ware软件进行演示,这种类型交互性差,效果不佳[2].操作型试验的制作难度要更大一些,但也更有意义,教学演示与交互式是基于Web的操作型虚拟实验的核心,须让客户在不同的终端平台上得到完全一样的效果,且取得较好的逼真的仿真效果和三维立体感.Flash、Author ware等虚拟技术可以用于制作虚拟实验,但经过研究、对比,我们发现VRML更能实现虚拟实验[3].

VRML是以虚拟现实为特征的3DWeb技术的核心,是一种描述交互式三维对象的文件格式,它允许描述一个现有的或虚拟的景物并将它放入三维环境中,通过Inter共享3D实体和场景.VRML同HTML一样,同样是一种ASCII语言,也支持超链接,只是HTML不支持立体声音文本和三维图像显示.随着国际互联网的普及,VRML技术将成为今后网络多媒体发展方向的主流.VRML作为一种ISO国际标准将得到越来越广泛的发展[4].

真正的动态交互图形渲染是实时的,这种实时性导致了虚拟场景中的人机动态交互性.用VRML语言生成的场景却具有变量特征.因此,不仅能感受虚拟环境,还能通过自己的行为影响虚拟环境.因此VRML是制作虚拟实验室的不二选择.

2.VRML虚拟实验室的构成

虚拟实验室建设按照突出重点、特色、效能的原则,将虚拟实验室分为：实验课程、实验设备、虚拟实验、实验预约等几个重要模块.

（1）实验课程.主要描述实验目的、实验原理、实验设备、实验步骤、实验内容、实验提示、注意事项等信息.同时在网页内建立了虚拟实验、仪器的超级链接,便于学员自主学习.

（2）实验设备.如示波器、万用表、光具座、分光计、望远镜及各类实验箱和控制对象.详细介绍相关设备的功能以及操作方法.学员做实验前或做实验过程中可以随时熟悉实验仪器设备,提高实验效果.

（3）虚拟实验.利用VRML技术开发设计一些典型的虚拟实验,学员在网络上预习、熟悉实验内容、学习试验方法,再到实验室实际动手实践实验,起到良好的效果.

（4）实验预约.学员根据自己的实际情况结合实验室开放时间,在网上预约实验项目,这样就打破了全班学员必须在规定时间内作同样内容的实验的教学理念,科学地利用实验室资源,有利于调动学员的学习积极性,提高实验教学质量.

3.VRML虚拟实验室的制作

3.1 系统构架

基于Web的虚拟实验系统的基本结构如（图1）所示.其中,Web的怎么写作器是Server部分,用来存放虚拟实验系统所需要的用户资料数据、VRML脚本数据和翻译分析系统等数据.

交互系统,就是通过论坛来交流经验,搭建学员与教员自由交流的平台,与此同时它还能够收集学员完成的汇编语言程序、实验报告、实验数据等,这样实验教员可以直接获取学员学习情况的第一手资料并及时给出反馈,帮助学员解决学习上困难.

3.2 模型建立

用VRML语言制作虚拟模型有两种方法.一是编写源代码、生成文本文件、转化生成以.wrl为拓展名的网页文件,但此方法源代码过于复杂,文件占空间比较大.另一种方法是通过辅助建模软件,先建三维物体,再在虚拟世界中进行组合,这一方法文件占空间相对小.构建虚拟实验平台时,我们通常采用第二种方法.先在三维CAD设计软件中建立各种三维物体,再将这些物体以.wrl格式导入VRML程序中,确定它们在虚拟世界中的位置关系,从而完成虚拟实验的构建[3].具体说,分以下三个步骤实现.

（1） 构建虚拟模型.对简单形体,直接创建三维模型；对可剖分实体,以剖切面为界分两个部分处理；对复杂组合形体、装配形体,分别创建组成部分.（2）制作虚拟模型.可借助3DstudioMax、SolidworkS、Pro/ENGINEER等三维CAD设计软件准确构造虚拟模型的各部分.（3）赋予虚拟模型动态组合、动态分离以及其他虚拟现实特性.按照VRML语言国际标准,利用其拥有的多种功能,在文本编辑工具中编辑上面生成的.wrl文件,反复多次调试,完成虚拟模型的制作.

3.3 编写程序

用RVML语言编写程序分为四个基本步骤[3]：

（1）借助3DstudioMax、SolidworkS、Pro/ENGINEER等三维设计软件准确构造虚拟模型.

（2）进行格式转换,生成以.wrl为后缀的VRML文件.

（3）修改.wrl文件形成动态效果,建立事件路由形成控制流,然后根据设计要求加入动画、声音、光学性质、传感性能等.

（4）自定义按钮传感器和位置插入器进行实验现象的演示[3].

4.VRML虚拟实验室的优势

基于网络的虚拟实验作为一种新的实验类型具有突出的优势：

（1）打破了传统实验对时空的限制.随着网上教学的开展和日益普及,网上实验的要求亦愈来愈迫切,网上虚拟实验室建成后,学员和教员都可以自由地随时通过互联网进入虚拟实验平台,操作仪器,进行各种实验.

（2）实现了实验组数无限扩展和实验设备的“零”维护.上网的计算机无需添加其他硬件设备和做专门的维护工作,就可以通过网上虚拟实验教学系统任意选择实验项目进行实验操作,为实验顺利实施提供方便.

（3）实现了实验教学的一体化.网上虚拟实验平台除能进行实验外,在教学上还能够同时满足实验预习环节、教员讲授环节、实验数据检验与分析环节、教学考核与教学评价环节、实验中的相互交流与讨论环节等.整个实验教学的过程均可在网上实现.这种类型实验内容新颖、应用性较强,传统实验室往往无法及时实现.

（4）易于开设新型实验项目.比如开设反映新技术、新成果的发展应用以及其他新型实验室网上虚拟实验平台.