三维虚拟实验系统研究探讨

马本源　李占利　马天　靳红梅

【摘 要】虚拟实验系统侧重于实验操作的规划、判断以及实验数据的验证，具有仿真性、开放性和交互性等特点，要在效果和操作上尽可能的接近实际操作，才能达到实验训练的目的。本文分析了三维虚拟实验系统的典型类型，总结了其标准的实现流程，以及三维建模、实时仿真和实验交互操作等关键技术。本文工作对于三维虚拟实验系统的研究和开发具有一定的指导意义。

【关键词】虚拟实验；三维仿真；交互操作；渲染引擎

0 引言

虚拟现实技术[1]是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，是能够生成多种感官刺激的人机交互系统，具有想象性、交互性和沉浸感等特点。对于一些比较危险的课程实验，稍微的操作不慎就可能会对操作人员构成严重的伤害；受到实际教学空间和实验仪器数量限制，也很难保证每个学生都能进行充分训练。因此，迫切需要将虚拟现实技术引入到实验教学过程中。三维虚拟实验系统利用计算机仿真来模拟整个实验环境和过程，对传统的实验方法进行了彻底改革，让学生通过计算机操作来做实验，以代替或加强传统的真实实验[2]。其扩大了人们的认识领域，得到了普遍的应用。

三维虚拟实验系统侧重于实验操作的规划、判断以及实验数据的验证，具有仿真性、开放性和交互性[3]等特点，要在效果和操作上尽可能的接近实际操作，才能达到实验训练的目的。本文从系统分类、实现流程和关键技术研究两个层面对三维虚拟实验系统进行探讨，详细分析了三维虚拟实验系统的典型类型，总结了其标准的实现流程，以及三维建模、实时仿真和实验交互操作等关键技术。

1 系统分类

目前，关于三维虚拟实验的研究越来越多，被广泛应用到从初中到大学的化学、物理、电气工程、力学、计算机硬件等教学实验，以及人体解剖、交通驾驶教学实验等众多领域。从实现平台来看，大致可划分为这样两类：

（1）以Virtools、Unity3D、VR-Platform等商业三维渲染引擎平台为基础实现。华中师范大学的朱柱[3]基于Unity3D平台，开发了一套三维金属燃烧实验系统，可交互展示不同金属的三维燃烧效果；北京理工大学的陈岩等[4]基于Virtools平台，开发了一套三维虚拟液力变矩器性能试验台，可在三维虚拟场景中进行油路管道连接等交互操作；山东师范大学的冀巧玲[5]基于3dMax建立场景三维模型和实验演示动画，基于VR-Platform平台的纹理烘培和脚本编辑等功能开发了一套中学物理实验平台，并对操作流程和使用效果进行了分析。该类系统的优点是商业软件一般都提供比较完善的功能模块，开发周期短，不需要花费太多精力在技术细节，可以专注于实验的设计和规划。但是，由于商业软件功能和接口限制，显示效果和再开发自由度受到一定限制。

（2）以OpenGL、OpenSceneGraph、Orge等开源三维渲染引擎平台为基础实现。华中科技大学的冯清秀等[6]基于VisualC++和OpenGL平台，建立了真实可控的三维虚拟PLC实验系统，实现了PLC运动过程的控制仿真。西安科技大学的马天[7]等基于OpenSceneGraph平台，开发了一套三维虚拟高压实验系统，设计了一种通用的实验数据格式和操作处理方法。安徽工业大学的谢圣学[8]基于Orge平台，开发了一套建筑钢筋构件仿真学习平台，实现了三维建筑钢筋模型的动态生成、三维立体文字生成等功能。该类系统的优点是开发平台完全免费和开放，开发自由度不受限制，可拥有完全的自主知识产权，推广应用方便。但是，开源软件功能模块不完善，需花费很多精力在技术细节实现上。

从系统结构来看，大致可划分为这样两类：

（1）单机结构系统。文献[3-6]都是这种结构，该类系统专注于个人的实验训练，只需设计独立的三维实验场景和交互操作，系统之间不存在数据交换，系统部署简单，一般安装在实验室的电脑上。但是，这种封闭结构切断了师生之间的指导交流，使得教师不能实时掌握学生的练习情况；学生也只能在实验室才能使用系统进行实验练习。

（2）C/S或B/S网络结构系统。文献[7]采用C/S模式的网络架构，实验设备零件三维模型本机存储，实验操作数据文件和成绩信息数据库放在服务器端。西安电子科技大学的苗晓锋[9]采用B/S模式的网络架构，基于HTML和VRML技术，构建了三层体系结构的远程教育网络虚拟实验系统，可进行电路分析课程二维连线实验和三维实验模型展示。该类系统部署和维护复杂，需要专门的服务器管理实验数据。但是，其弥补了单机系统的不足，客户端位置可不仅局限于实验室，学生可通过网络在任何电脑进入实验系统进行练习，教师也可通过网络实时掌握学生的练习情况。三维虚拟实验系统开放性特点决定其更适合采用网络结构。

2 实现流程与关键技术

根据以上文献的分析，三维虚拟实验系统的实现流程与关键技术总结如下：

（1）开发平台选择，根据开发周期和技术水平选择合适的三维渲染引擎。为了系统后续升级、维护和推广方便，推荐选择开源引擎。

（2）系统结构选择与设计，根据系统部署情况进行系统结构设计。如果只是部署在实验室电脑，可设计成单机结构或者C/S结构；如果希望能够通过网络开放使用，可设计成B/S结构或者C/S结构，需要配置专门的外网服务器支持。

（3）三维实验场景建模与实时渲染管理，一般是通过3DMax、Maya等主流三维建模工具制作高品质的设备模型，然后采用选择的三维渲染引擎平台进行场景模型导入、绘制和管理。为了保证系统实时交互的性能，模型的几何复杂度可通关纹理映射的技术简化；高级光照效果可通过纹理烘培的技术预先渲染成图片，以避免实时渲染计算。如果场景对象多而复杂，可采用场景图的技术来管理和绘制三维场景，即采用自顶向下的分层树形结构来组织场景对象，以提升渲染的效率。

（4）实验步骤数据管理，为了实现控制实验操作和判断正误的程序逻辑，需要设计合适的方式来管理操作步骤等信息。一种方式是直接将信息放在程序判断逻辑或模型文件中，这可以满足单一实验的需求；对于实验对象不同的多种复杂实验，另一种方式是将这些信息写在单独的数据文件中，在程序中取出需要信息，然后采用通用逻辑进行操作控制判断。

（5）实验交互操作，首先需要分析归纳实验操作类型，然后为每种类型设计交互方式。对于传统的桌面式三维虚拟实验系统，一般是通过鼠标和键盘来交互，需要细分鼠标的三个按键的每一种操作方式。对于沉浸式的系统，可配合立体眼镜，通过数据手套等更直观的方式进行交互，需要为每种操作类型设计合理的手势动作。

3 结语

三维虚拟实验系统利用计算机仿真来模拟整个实验环境和过程，对传统的实验方法进行了彻底改革，让学生通过计算机操作来做实验，以代替或加强传统的真实实验。其扩大了人们的认识领域，得到了普遍的应用。三维虚拟实验系统侧重于实验操作的规划、判断以及实验数据的验证，具有仿真性、开放性和交互性等特点。本文从系统类型、实现流程和关键技术研究两个层面对三维虚拟实验系统进行探讨，详细分析了三维虚拟实验系统的典型类型，总结了其标准的实现流程，以及三维建模、实时仿真和实验交互操作等关键技术。本文工作对于三维虚拟实验系统的研究和开发具有一定的指导意义。

【参考文献】

[1]苗志宏，马金强.虚拟现实技术基础与应用[M].北京：清华大学出版社，2014.5.

[2]李耀麟，张吕彦.虚拟实验的研究现状及其发展前景[J].陇东学院学报，2009，2（20）：118-121.

[3]朱柱.基于Unity3D的虚拟实验系统设计与应用研究[D].武汉：华中师范大学，2012.

[4]陈岩，姚寿文，刘树成，等.Virtools底层开发技术在虚拟实验中的应用[J].机械设计与制造，2013，3：70-73.

[5]冀巧玲.基于VR_Platform的中学物理虚拟实验的设计与开发[D].济南：山东师范大学，2011.

[6]冯清秀，夏俊力.基于OpenGL的交互式PLC虚拟实验系统[J].实验室研究与探索，2011，2（30）：47-50.

[7]Tian Ma， Hongmei Jin， Benyuan Ma， etc. Study on 3D virtual experiment teaching system[C].ICSPCC 2015，Ningbo，2015.9：1-5.

[8]谢圣学.基于OGRE的建筑钢筋构件仿真学习平台技术研究[D].合肥：安徽工业大学，2014.

[9]苗晓锋.远程教育网络虚拟实验系统的研究与设计[D].西安：西安电子科技大学，2008.

[责任编辑：王楠]