基于OSG的虚拟化学实验平台的研究

论文摘要

虚拟实验是根据现代教育理念的需求而产生的,具有智能指导和教学管理的作用。随着虚拟现实技术的发展和教学模式的不断变革,目前化学实验教学的要求和现有的化学实验中由于客观条件的限制导致的实验环节不足之间的矛盾越来越大。然而,目前现有的虚拟化学实验室都是基于平面的二维设计,实验效果不够直观形象；三维虚拟化学实验系统的研究仅停留在框架探索和关键技术的实现层次上。因此,设计与实现一个智能的、可扩展的三维虚拟化学实验平台对中学化学实验的教学和学习具有重要作用。论文客观地分析了现有的虚拟化学实验平台,基于开源场景图工具OSG(OpenSceneGraph)的技术特点,并结合虚拟实验的多种关键技术,研究并设计了三维虚拟化学实验平台。该实验平台突破了以前化学实验平台在智能性和可扩展性方面的限制,在灵活操作以及实验结果方面取得了很好的效果,为化学实验学习提供了及时、有效的支持。论文的主要研究工作有：(1)给出了利用OSG实现虚拟实验平台的框架、实现过程和功能模块。研究了虚拟实验的关键技术,并应用在虚拟化学实验平台上。(2)研究了化学反应的实验现象和过程,在虚拟元器件建模方面提出了化学建模。提出了虚拟化学实验的智能识别机制,综合判别仪器组合、实验药品、反应条件和与之匹配的化学反应方程式,实现了智能识别实验类型和渲染实验结果。特别研究了模糊数学的评价机制,提供了对虚拟实验操作结果进行综合模糊评价的功能。(3)在虚拟实验平台上进行操作时,能够在不同的视图下操作实验和观察实验结果。能够以灵活的操纵方法,包括拾取、拖动和组合来操纵场景中的虚拟实体,并实现了以装配的方式组合虚拟实验场景中的仪器和药品。最后通过一些实例证明了该实验平台的可行性,并将该实验平台与其它实验平台进行比较,证明了该实验平台操作的灵活性和设计的优越性。最后对虚拟化学实验的发展进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.2 论文的研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文的研究内容
• 1.5 论文的组织结构
• 2 虚拟化学实验平台的总体设计
• 2.1 虚拟化学实验平台的需求分析
• 2.2 基于OSG的系统功能设计
• 2.2.1 系统设计目标
• 2.2.2 系统功能模块
• 2.3 系统核心流程图
• 2.4 基于OSG的系统架构
• 2.5 本章小结
• 3 OSG及虚拟实验相关的关键技术
• 3.1 OSG场景图原理及构建
• 3.1.1 OSG场景图基本原理
• 3.1.2 OSG的构建技术
• 3.1.3 OSG渲染过程
• 3.2 虚拟实验相关的关键技术
• 3.2.1 虚拟场景建模技术
• 3.2.2 虚拟实验的人机交互技术
• 3.2.3 实验平台的装配机制
• 3.2.4 数据存储机制
• 3.3 本章小结
• 4 基于OSG的虚拟实验平台的关键技术研究
• 4.1 基于OSG实验平台的建模部分
• 4.1.1 几何建模
• 4.1.2 物理建模
• 4.1.3 行为建模
• 4.1.4 基于OSG的化学建模
• 4.1.5 构建虚拟化学仪器
• 4.2 外部三维模型导入
• 4.3 虚拟实验的人机交互操作
• 4.3.1 场景漫游
• 4.3.2 实体对象的拾取、拖动和组合
• 4.3.3 仪器及仪器中药品的添加和删除
• 4.3.4 实验的智能识别机制
• 4.3.5 实验控制
• 4.4 虚拟实验中的碰撞检测技术
• 4.5 实验数据的保存
• 4.6 虚拟实验平台的模糊评价机制
• 4.6.1 化学实验平台模糊评价的研究意义
• 4.6.2 化学实验成绩评价的原则
• 4.6.3 建立评价体系
• 4.6.4 建立虚拟化学实验平台的评价数学模型
• 4.6.5 虚拟实验平台综合评价实例
• 4.7 本章小结
• 5 基于OSG的虚拟实验平台的实现
• 5.1 实验的具体实现
• 5.1.1 读入模型
• 5.1.2 添加药品
• 5.1.3 仪器之间的组合装配
• 5.1.4 场景视图的操作及观察
• 5.1.5 智能识别反应
• 5.1.6 渲染结果
• 5.1.7 进行评价
• 5.2 实验结果及分析
• 5.2.1 实验结果
• 5.2.2 实验分析
• 5.3 与其它实验平台进行功能与效果比较
• 5.4 在中学化学实验中的应用
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果