虚拟实验的场景建模和可视化技术研究

论文摘要

虚拟实验室是指采用虚拟现实、多媒体、仿真等技术在计算机系统中建立的虚拟环境,与在真实的环境中进行实体实验一样,实验者可以在其中完成各种预定的实验项目,所取得的学习或训练效果等价甚至优于在真实环境中所取得的效果。与实体实验教学相比,基于虚拟实验的教学具有使用方便、成本低廉、干扰少、容易实现相同条件下的重复实验、不受时空限制、受益面广等优点。因此,当前虚拟实验一直是研究和开发的热点。论文介绍了国内外虚拟实验研究的现状,并给出了虚拟实验场景的通用模型和可视化技术的设计与研发,最后从仿真逼真性和高交互性为出发点,设计并实现了基于ActiveX的虚拟实验仿真软件,并进行了部署。论文的主要研究内容及贡献包括以下几个方面：首先,针对虚拟实验在可扩展性和重用性方面存在的不足,提出了虚拟实验的通用模型。将实验元件的物理信息、可视信息和仿真计算等模块相互独立,基于XML和SVG标准,采用统一建模的方式对实验元件、实验场景、前后台通信分别进行建模,给出了一种统一的规范化描述方法,增强了虚拟实验的可扩展性和重用性。然后,采用多技术相融合,以充分发挥各种可视化技术的优势,对上述模型进行可视化。利用QT在制作图形交互系统上的优势和QWT中丰富的二维图形组件,给出了基于SVG的渲染引擎和QWT的组件式渲染相接合的方式,并在此基础上给出实验元件和实验场景的可视化方法,并以数据驱动的方式实现实验仿真过程。这种可视化技术提高了实验仿真的逼真性、丰富了交互功能,并实时的给出了信息的反馈。最后,基于上述模型和可视化技术设计了虚拟实验平台可视化插件,并对软件进行了部署,给出了一个电路的仿真实例。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 虚拟实验教学模式
• 1.2.2 虚拟实验关键技术
• 1.2.3 当前存在问题及发展趋势
• 1.3 本文的工作与创新
• 1.4 本文的组织与结构
• 第二章 虚拟实验场景的建模技术
• 2.1 SVG简介
• 2.2 实验元件的多状态建模
• 2.2.1 实验元件的数据模型
• 2.2.2 实验元件的多状态描述
• 2.2.3 实验元件的状态切换算法
• 2.3 基于数据驱动的实验场景建模
• 2.3.1 实验场景的数据模型
• 2.3.2 场景的拓扑关系
• 2.3.3 组合元件的设计
• 2.4 实验数据的通信模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 虚拟实验场景的可视化技术
• 3.1 相关技术
• 3.1.1 QT简介
• 3.1.2 QWT简介
• 3.2 基于SVG的渲染引擎
• 3.2.1 XML解析器的选择
• 3.2.2 渲染规则
• 3.2.3 关键类的设计
• 3.3 元件的可视化
• 3.4 场景的可视化
• 3.5 实验结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 虚拟实验仿真软件的设计
• 4.1 虚拟实验仿真系统的架构
• 4.2 虚拟实验客户端主要功能的设计
• 4.2.1 前后台通信模块
• 4.2.2 实验元件编辑与组装模块
• 4.2.3 异常检测模块
• 4.2.4 控制中心模块
• 4.3 软件部署
• 4.4 实验结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 攻读学位期间参与的科研项目
• 学位论文评阅及答辩情况表