導語：虛擬現實物理模擬實驗系統設計研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：傳統物理模擬實驗系統中的圖形碰撞檢測算法存在一定的局限，計算量巨大，導致人機交互響應時間長，影響上課體驗，因此設計一種基于虛擬現實的物理模擬實驗系統。系統從硬件和軟件兩部分進行設計。硬件設計中，主要對數據采集過程中應用到的數據采集卡進行選型與設計。通過對采樣速率、數據精度等參數進行綜合考量，選擇PCI⁃6009DAQ型號數據采集卡，并對接線端子進行分配說明。軟件設計中，主要研究二維圖形與三維圖形的幾何變換，分別分析變換矩陣與子矩陣的功能，優化碰撞檢測算法，改變包圍盒的類型與整體的層次包圍盒結構樹，增強對物體的緊密性且減少計算量。為了驗證該文設計系統在性能上具有一定優越性，設計對比實驗，實驗結果表明，該文設計的系統與原有系統相比，人機交互響應時間平均能夠縮短69.4%。

關鍵詞：模擬實驗；系統設計；虛擬現實；數據采集；碰撞檢測；信號輸入；對比實驗

虛擬實驗系統的發展推進了教育信息化的進程，為教學改革提供了新的思路和方法。在物理實驗中，很多實驗資源或器材的短缺造成了物理實驗教學存在的問題，虛擬實驗系統由于具有開放性、綜合性及共享性的特征，成為物理實驗教學中的優質數字教育資源[1⁃2]。在教學過程中使用這種模擬實驗系統，對學生來說更容易獲取到資源，有效解決實驗設備少、試劑成本高、實驗耗時較長等問題，對于完成自主式探究學習，加深學生對實驗原理的認知與學習興趣有一定的輔助作用，更是學生探知世界與提高創新能力的有效途徑[3⁃4]。但對于傳統的物理模擬實驗系統，在實驗過程中，碰撞檢測算法存在一定的局限，計算量巨大，導致人機交互響應時間過長，對于學生來說有一定的延遲感，因此設計一種基于虛擬現實的物理模擬實驗系統。

1基于虛擬現實的物理模擬實驗系統設計

1.1硬件設計

在本文設計的物理模擬實驗系統中，經常會涉及一些測試驗證型實驗，需要對信號進行輸入或測量工作，因此在模擬實驗系統中，會涉及一些虛擬儀器，經過數據采集卡完成信號測量[5⁃6]。數據采集主要是將被測對象通過傳感器轉換為系統可以接收的電信號，電信號經過調理后，得到模擬信號，經過數據采集卡轉換成數字信號后傳送至計算機端。實際數據采集過程使用的數據采集卡根據放置位置的不同可分為內插式和外掛式，根據采集頻率的高低可以分為高速型和低速型。內插式板卡的主要優點是采集速度較快，但是在實際應用的情況下，還需要考慮到數據分辨率、數據精度、采樣速度、傳輸通道數量、接線口類型等參數，根據實際需求的不同來選擇數據采集卡的型號[7⁃8]。本文系統中，數據采集卡通過PCI插槽與PC機相連，本文選擇的數據采集卡類型為PCI⁃6009DAQ，內部結構如圖1所示。圖1數據采集卡內部結構圖1中，該型號采集卡的主要特征是8模擬輸入通道，12/14位ADC，48KB/s采樣速率。此外，還具備一個32位計數器。該數據采集卡具有3個接口，分別為MicIn，WaveOut，LineIn接口，可以根據外觀顏色的不同進行分辨。應用在本文設計的系統中時，一般選擇LineIn接口，能夠接收最大為2.5V的模擬電信號，在傳輸過程中選擇立體聲雙聲道，穩定性比較好，且兩聲道互不干擾，能夠同時完成兩路信號的采集傳輸。當使用采集卡對模擬信號進行抽樣采集時，時間間隔可以設置為Δt，即抽樣采集周期，采集頻率可以表示為1Δt，那么數據采集卡采集到的信號可以用一組離散抽樣值表示：{x}(0),x()Δt,x(2Δt),…,x(kΔt),…（1）式（1）數列可以稱為數字化顯示或抽樣顯示，在此過程中需要遵守抽樣定理，否則會發生信號畸變。將數據采集卡安裝完成后，可以對其進行任務分配，其接線端子的分配如表1所示表1中，通過GND單端模擬輸入測量的參考點；在差分模式中，偏置電流通過GND返回點模擬輸出電壓；在I/O端子連接點數字信號提供一個5V的直流電源，AI<>表示模擬電壓的差分輸入通道；A/O表示模擬輸出通道電壓；P表示數字信號的輸入/輸出通道；PFI0表示計數器的輸入端子。至此完成系統的硬件設計。

1.2軟件設計

1.2.1虛擬成像的幾何變換在設計模擬實驗系統的過程中，會涉及到虛擬實驗儀器。在實驗中，這些儀器會發生一些位置、大小及旋轉上的變化，因此主要依據幾何數學模型完成變換。圖形的幾何信息經過幾何變換后產生新的圖形，坐標也發生變化[9⁃10]。幾何變換主要包括二維與三維圖形變換。在二維圖形幾何變換中，包括平移變換、比例變換、對稱變換和旋轉變換；三維圖形的幾何變換中，主要包括平移變換、比例變換、xyz三軸的旋轉變換。圖形一般會采用齊次坐標表示，因此二維圖形幾何變換可以用矩陣表示：式（2）中的變換矩陣可以分為功能不同的幾個子矩陣，子矩陣éëùûadbe能夠完成圖形的縮放、旋轉等變換；子矩陣[cf]負責圖像平移；子矩陣éëêùûúgh負責投影變換；[i]負責整體的伸縮變換。三維圖形幾何變換中，變換矩陣為：負責整體比例變換。圖形在坐標系中的變換過程中，將坐標系的原點平移到參考點F，再以F點作為原點的新坐標系下進行縮放、旋轉等變換，坐標會發生變化，再將坐標系平移回原點[11⁃12]。至此完成虛擬成像的幾何變換。1.2.2優化碰撞檢測算法在傳統物理模擬實驗系統中，使用的碰撞檢測算法是一種傳統的混合層次包圍盒結構樹，包圍盒算法是常用的算法之一。傳統的包圍盒結構樹中，每一個節點中都采取了AABB形式的包圍盒，導致相交測試過程中存在大量冗余數據，因此本文將這種混合層次包圍盒結構樹進行改進優化，利用OBB包圍盒進行替代。層次包圍盒算法主要是針對兩個由N個圖元組成的物體對象進行碰撞檢測，利用包圍盒代替復雜的虛擬幾何實體，判斷包圍盒的相交情況[13⁃15]。但是傳統的AABB包圍盒碰撞檢測中，如果長形物體是沿著對角線方向放置的，那么其緊密性就會受到影響。因此本文選擇用OBB包圍盒配合Sphere包圍盒構建混合層次包圍盒結構樹，如圖2所示。經改進后的基于Sphere與OBB包圍盒的混合層次包圍盒主要分為三層，其中，X層由2個Sphere包圍盒構成，Y層由Sphere與OBB包圍盒各4個混合層構成，Z層由8個OBB包圍盒構成。OBB包圍盒相對于傳統的AABB包圍盒來說，對物體的緊密性更好。OBB包圍盒的相交測試如圖3所示。圖3中，AB均代表OBB包圍盒，L表示單位向量，該向量與分離軸存在平行關系，向量D是AB中心間距離，DL為投影后距離。至此完成基于虛擬現實的物理模擬實驗系統設計。

2實驗

為了驗證本文設計的基于虛擬現實物理模擬實驗系統的有效性，需要設計對比實驗進行驗證。

2.1實驗準備以及系統調試

在實驗開始之前建立一個基于實驗系統的數字化實驗室，需要確定實驗配置正確，選擇的開發環境為WindowsXP，開發工具的軟件為MyEclipse6.0.1，服務器是ApacheTomcat5.5，系統編程語言為Java，數據庫選用MySQL5.0.67。在控制機器上運行物理實驗的暫停仿真程序EDSTAC，截取的系統調試界面如圖4所示。在系統調試完成后，在實驗終端上運行實驗的三維虛擬場景，根據實驗內容和操作步驟進行實驗。為了驗證本文系統的性能優越性，在相同的實驗環境下，搭載傳統的物理模擬實驗系統共同進行測試，并將實驗結果進行分析和對比。

2.2實驗結果

在上述實驗環境下，選擇多個不同的實驗項目對兩個實驗系統人機交互的響應時間進行多次測試，得到最終的測試結果平均值如表2所示。本文測試的響應時間測量方法是從點擊鼠標開始計時，直到所對應的操作步驟有所響應。以上5組不同的實驗中，每個實驗在不同模擬實驗系統中進行500次的測試，表2為500次實驗的平均結果。由表2可以看出，在選擇的5個實驗中，本文系統的人機交互響應時間平均要比傳統的系統縮短69.4%，表明本文系統性能具有一定的優越性。

3結語

本文針對原有物理實驗模擬系統的缺陷，對硬件與軟件部分均進行了改進，力求減少人機交互的響應時間。在基于虛擬現實的物理模擬實驗系統設計完成后，搭建實驗環境對該系統的性能進行測試，實驗結果表明，本文設計的系統能明顯縮短人機交互響應時間，其性能優于傳統的實驗模擬系統，說明了本文設計的系統具有一定的可行性和合理性。本文在取得研究成果的同時，也存在一些不足之處，在一些實驗的設計中，缺少對關鍵細節的放大功能，因此在接下來的研究過程中，還需要不斷地完善腳本，使實驗過程和結果具有更高的觀測性。

作者：高禮靜 單位：南京航空航天大學金城學院