基于虚拟仿真技术的实验教学系统设计研究①

刘 涛, 杨亚军, 李广鹏

(1.安徽电子信息职业技术学院,安徽 蚌埠233060;2.北京智造易科技有限公司,北京102600;3.安徽宝信信息科技有限公司,安徽 合肥230091)

0 引 言

互联网技术的飞速发展为各行各业都带来了发展的契机,“互联网+”便是互联网技术与传统行业相结合到的产物,教育行业同样如此,互联网技术与教育结合后成为了当前火热的互联网远程教学行业[1-3]。但是互联网远程教学行业存在很大的弊端,即教学环境较为单一,一些需要特殊器具的教学环节不能开展,学生仅通过看教师示范并不能彻底理解[4]。而虚拟现实技术则为这个问题的解决提供了契机,虚拟现实技术能够为教师和学生提供一个较为真实、多样的教学环境,有利于学生实现知识从掌握到运用的跨越[5-6]。本次研究将在虚拟现实技术的基础上对实验教学系统进行研究,希望通过研究,能够为新时代背景下的教育进一步发展提供一定的参考。

1 虚拟现实与本体理论

虚拟现实技术(Virtual Reality)指通过计算机技术创造世界,从而让使用者能够在其中获得接近真实世界的体验[7]。而虚拟现实系统的实现离不开软件、硬件一体的系统平台,其系统组成框架如图1所示。通过组成框图可以看出传感阵列将用户计算机系统连接起来,用户则可对计算机系统进行间接控制并实现虚拟现实,这4个部分共同构成了虚拟系统。

图2 为虚拟实验碰撞分析的示意图,其中网格碰撞体,是在进行静态干涉检测时用以检测各个区域是否存在重叠的检测示意图。碰撞体三维解剖示意图,用以对动态碰撞的检测。在本次研究中为了降低数据冗余,提升虚拟现实技术的效果引入的本体理论,即用以描述问题本质的一种方法。

图2 虚拟实验碰撞分析示意图

稀疏表征可以有效地减少元素的表达,进而对表达效率有极大的提升。可用以下公式对基于图像的稀疏编码模型进行表示。

上述式子(1)中I(x,y)为三维模型中的灰度函数,或者是已经经过白化处理的三维图像信息字块,φ(x,y)表示第i个基函数,a Ti表示三维模型中的灰度函数I(x,y)在第i个基函数上的投影值,而对于图像表征贡献的大小则可以通过该数据看出。通过稀疏表征可以对图像中的纹理、色彩、形状等特征进行联系,进而根据物体各个特征之间的关联来对图像进行分类[8]。

2 基于本体的虚拟实验室构建

完整的三维模型元素复杂,建模过程困难,本次研究通过引入本体理论以期望能够降低虚拟实验室本体关系建模难度,通过对表征元素、元素操作以及元素属性之间进行整体聚类,并利用3DMAX与Unity软件进行基于本体的虚拟实验室搭建。设六元组o为虚拟实验室的本体结构,且,其中C表示在虚拟实验室中的元素概念,实验室中的所有元素可表示为C1,C2,…,C n∈C,R表示元素间的关系算子,Rel表示元素间的非聚类关系,H c表示概念层次,A O代表本体公理,A tri表示各个元素的内在属性。

在进行虚拟实验的过程中,让参与虚拟实验的用户到达其本质是带有泊松特征的一种排队进程,而当做出实验操作的用户在进行实验时具备一定的平稳性。设Sensitivetime为敏感性指数,则可用属性算子、作用算子以及时间相关的各个参数对其就进行表示。

为了提高虚拟实验室的准确度以及时效性,将实验室中的元素进行聚类分析,对表征元素及元素属性之间的关系进行模型构建操作,并建立相应的约束条件。设教学实验室中的元素集合种类及敏感度如下表1所示。

表1 集合C元素分类及其敏感度分析

表1 为本次研究中实验室集合C元素分类及敏感度分析表,其中属于聚类关系H c的元素可以分为H c1(从属)类。属于作用关系Rel的元素则可分为Rel1(控制)类与Rel2(影响)类。其中A tri(属性)类为属性关系A tri类元素中的一种。研究对上述元素进行模型构建并对模型进行公式(3)收敛,最终便可得到显性关联关系。

将敏感性指数代入其中,便可得最终的显现关联表达式。

上述式子中Sensitivetime是由Threshold_Sensitive time决定,且通过对最大均方误差的推导可以得出Threshold_Sensitive time=0.15。研究使用了相关度作为检验算法正确度的指标,并在对其正确度进行检查之后使用时延性分析作为检查模型的用户体验程度。其中相关度具体是指两个元素之间存在的一定程度的关联关系,如果元素之间的关联度越大,则说明元素之间的关系还可以进行进一步的简化运算。在此次研究中将元素之间的距离作为了相关度的分析指标。图3为此次研究中以距离作为相关度分析指标的示意图,元素A和元素B之间的距离为SD(A,B)=1,而元素B与元素F之间的距离为SD(B,F)=2。将距离的概念代入到原始模型与基于本体的模型之后,可以得到原始模型平均距离和本体模型平均距离。

图3 基于距离的相关度分析

3 实验研究与分析

3.1 实验测试环境及可行性测试

基于虚拟仿真技术的实验教学系统的作用对象是普通学生,因此其必须保证能够满足普通学生的实际需求,因此在本次研究中采用了配置较为一般的PC硬件平台作为支撑,并以普通软件进行了配置,而为了提高研究的测试效率,研究选用了4台PC进行并行测试。本研究所进行的实验软、硬件配置情况如下表所示。

表2 为此次研究的实验环境配置参数。在此次研究的模拟实验中,主要通过两个仿真实验对虚拟仿真实验教学系统的可用性进行了测试,这两个实验分别为学生用例测试以及在线答疑测试。在进行学生用例测试时主要是测试学生能否对老师的指令做出相应操作的实验,其实验流程和结果如表3所示。

表3 学生用例测试

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表3 为本次研究中对于虚拟系统学生端是否具有可操作性的测试及测试结果,通过表3可以认为此次研究所提出的基于虚拟仿真技术的实验教学系统在实际虚拟教学过程中,学生端具有可操作性。综上所述,此次研究提出的基于虚拟仿真技术的实验教学系统在教学工作中具有可行性。

3.2 系统性能实验测试结果

在验证了虚拟系统对于实验教学的可行性之后,研究为了对其性能进行了更进一步的测试,分别对虚拟系统到的元素丢失情况以及表征时延情况进行了测试。研究设观察时间间隔T abs=1h,记录基于本体虚拟实验室的元素丢失情况,测试结果如图4所示。在此次研究的50个时间间隔中,所有的元素丢失率均在5%以下,且丢失率位于1%在整个时间段中占了50%,而观察间隔等于3%的有且仅有5个。因此可以计算得出本次实验的与元素平均丢失率为0.61%,且标准差为0.30%,其中最长的稳定间隔为9。综上所述,此次研究设计的基于虚拟仿真技术实验教学系统的元素丢失率较低,能够满足通过虚拟实验室进行虚拟教学的需求。本次研究除了对虚拟实验室的元素丢失情况进行测试之外,还对对实验教学有极大影响的表征时延进行了测试。

图4 虚拟实验室测试观测时间内元素丢失百分比

对于表征时延的测试同样设观察间隔T abs=1h,并将一周内每个时间间隔的元素表征延时数据进行记录,其结果如图5所示。基于本体模型的所有的元素表征时延都在5s以下,其平均时延为2.14s,标准差为0.214s。而从基于原始模型的表征时延变化曲线可以看到其最大时延达到了8s,其平均时延为4.57s,标准差为0.521。因此可以看出相较于原始模型的建模时延,基于本体模型性能能高,更能够满足在虚拟实验室中进行教学实验的需求。通过对基于本次研究提出方法的实验教学系统测试,无论是元素丢失还是表征时延都能够满足虚拟实验教学的进行。

图5 虚拟实验室测试观察时间内表征时延结果

4 结 论

互联网远程教育具有不真实性、教学环境受到极大的约束等缺点,为了解决这些问题,本次研究提出将虚拟现实技术用于实验教学中。研究以虚拟仿真技术为基础,建立了基于本体的虚拟实验室,以使教学工作在虚拟实验室中进行,并通过实验仿真的方式对该方法进行了验证。研究结果表明该方法具有较强的可操作性,且虚拟系统的元素丢失与表征时延控制较好的优点。