虛擬現(xiàn)實(shí)物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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摘要：傳統(tǒng)物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的圖形碰撞檢測算法存在一定的局限，計(jì)算量巨大，導(dǎo)致人機(jī)交互響應(yīng)時(shí)間長，影響上課體驗(yàn)，因此設(shè)計(jì)一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)從硬件和軟件兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)中，主要對(duì)數(shù)據(jù)采集過程中應(yīng)用到的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行選型與設(shè)計(jì)。通過對(duì)采樣速率、數(shù)據(jù)精度等參數(shù)進(jìn)行綜合考量，選擇PCI⁃6009DAQ型號(hào)數(shù)據(jù)采集卡，并對(duì)接線端子進(jìn)行分配說明。軟件設(shè)計(jì)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(yōu)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(jié)構(gòu)樹，增強(qiáng)對(duì)物體的緊密性且減少計(jì)算量。為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)在性能上具有一定優(yōu)越性，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與原有系統(tǒng)相比，人機(jī)交互響應(yīng)時(shí)間平均能夠縮短69.4%。

關(guān)鍵詞：模擬實(shí)驗(yàn)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；虛擬現(xiàn)實(shí)；數(shù)據(jù)采集；碰撞檢測；信號(hào)輸入；對(duì)比實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展推進(jìn)了教育信息化的進(jìn)程，為教學(xué)改革提供了新的思路和方法。在物理實(shí)驗(yàn)中，很多實(shí)驗(yàn)資源或器材的短缺造成了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由于具有開放性、綜合性及共享性的特征，成為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源[1⁃2]。在教學(xué)過程中使用這種模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)學(xué)生來說更容易獲取到資源，有效解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備少、試劑成本高、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長等問題，對(duì)于完成自主式探究學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)知與學(xué)習(xí)興趣有一定的輔助作用，更是學(xué)生探知世界與提高創(chuàng)新能力的有效途徑[3⁃4]。但對(duì)于傳統(tǒng)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)過程中，碰撞檢測算法存在一定的局限，計(jì)算量巨大，導(dǎo)致人機(jī)交互響應(yīng)時(shí)間過長，對(duì)于學(xué)生來說有一定的延遲感，因此設(shè)計(jì)一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1基于虛擬現(xiàn)實(shí)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1硬件設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)涉及一些測試驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行輸入或測量工作，因此在模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，會(huì)涉及一些虛擬儀器，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡完成信號(hào)測量[5⁃6]。數(shù)據(jù)采集主要是將被測對(duì)象通過傳感器轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可以接收的電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后，得到模擬信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳送至計(jì)算機(jī)端。實(shí)際數(shù)據(jù)采集過程使用的數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)放置位置的不同可分為內(nèi)插式和外掛式，根據(jù)采集頻率的高低可以分為高速型和低速型。內(nèi)插式板卡的主要優(yōu)點(diǎn)是采集速度較快，但是在實(shí)際應(yīng)用的情況下，還需要考慮到數(shù)據(jù)分辨率、數(shù)據(jù)精度、采樣速度、傳輸通道數(shù)量、接線口類型等參數(shù)，根據(jù)實(shí)際需求的不同來選擇數(shù)據(jù)采集卡的型號(hào)[7⁃8]。本文系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集卡通過PCI插槽與PC機(jī)相連，本文選擇的數(shù)據(jù)采集卡類型為PCI⁃6009DAQ，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1中，該型號(hào)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(gè)32位計(jì)數(shù)器。該數(shù)據(jù)采集卡具有3個(gè)接口，分別為MicIn，WaveOut，LineIn接口，可以根據(jù)外觀顏色的不同進(jìn)行分辨。應(yīng)用在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中時(shí)，一般選擇LineIn接口，能夠接收最大為2.5V的模擬電信號(hào)，在傳輸過程中選擇立體聲雙聲道，穩(wěn)定性比較好，且兩聲道互不干擾，能夠同時(shí)完成兩路信號(hào)的采集傳輸。當(dāng)使用采集卡對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣采集時(shí)，時(shí)間間隔可以設(shè)置為Δt，即抽樣采集周期，采集頻率可以表示為1Δt，那么數(shù)據(jù)采集卡采集到的信號(hào)可以用一組離散抽樣值表示：{x}(0),x()Δt,x(2Δt),…,x(kΔt),…（1）式（1）數(shù)列可以稱為數(shù)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(huì)發(fā)生信號(hào)畸變。將數(shù)據(jù)采集卡安裝完成后，可以對(duì)其進(jìn)行任務(wù)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(diǎn)；在差分模式中，偏置電流通過GND返回點(diǎn)模擬輸出電壓；在I/O端子連接點(diǎn)數(shù)字信號(hào)提供一個(gè)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(shù)字信號(hào)的輸入/輸出通道；PFI0表示計(jì)數(shù)器的輸入端子。至此完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

1.2軟件設(shè)計(jì)

1.2.1虛擬成像的幾何變換在設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的過程中，會(huì)涉及到虛擬實(shí)驗(yàn)儀器。在實(shí)驗(yàn)中，這些儀器會(huì)發(fā)生一些位置、大小及旋轉(zhuǎn)上的變化，因此主要依據(jù)幾何數(shù)學(xué)模型完成變換。圖形的幾何信息經(jīng)過幾何變換后產(chǎn)生新的圖形，坐標(biāo)也發(fā)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(duì)稱變換和旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變換。圖形一般會(huì)采用齊次坐標(biāo)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(gè)子矩陣，子矩陣éëùûadbe能夠完成圖形的縮放、旋轉(zhuǎn)等變換；子矩陣[cf]負(fù)責(zé)圖像平移；子矩陣éëêùûúgh負(fù)責(zé)投影變換；[i]負(fù)責(zé)整體的伸縮變換。三維圖形幾何變換中，變換矩陣為：負(fù)責(zé)整體比例變換。圖形在坐標(biāo)系中的變換過程中，將坐標(biāo)系的原點(diǎn)平移到參考點(diǎn)F，再以F點(diǎn)作為原點(diǎn)的新坐標(biāo)系下進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)等變換，坐標(biāo)會(huì)發(fā)生變化，再將坐標(biāo)系平移回原點(diǎn)[11⁃12]。至此完成虛擬成像的幾何變換。1.2.2優(yōu)化碰撞檢測算法在傳統(tǒng)物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，使用的碰撞檢測算法是一種傳統(tǒng)的混合層次包圍盒結(jié)構(gòu)樹，包圍盒算法是常用的算法之一。傳統(tǒng)的包圍盒結(jié)構(gòu)樹中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)中都采取了AABB形式的包圍盒，導(dǎo)致相交測試過程中存在大量冗余數(shù)據(jù)，因此本文將這種混合層次包圍盒結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，利用OBB包圍盒進(jìn)行替代。層次包圍盒算法主要是針對(duì)兩個(gè)由N個(gè)圖元組成的物體對(duì)象進(jìn)行碰撞檢測，利用包圍盒代替復(fù)雜的虛擬幾何實(shí)體，判斷包圍盒的相交情況[13⁃15]。但是傳統(tǒng)的AABB包圍盒碰撞檢測中，如果長形物體是沿著對(duì)角線方向放置的，那么其緊密性就會(huì)受到影響。因此本文選擇用OBB包圍盒配合Sphere包圍盒構(gòu)建混合層次包圍盒結(jié)構(gòu)樹，如圖2所示。經(jīng)改進(jìn)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(gè)Sphere包圍盒構(gòu)成，Y層由Sphere與OBB包圍盒各4個(gè)混合層構(gòu)成，Z層由8個(gè)OBB包圍盒構(gòu)成。OBB包圍盒相對(duì)于傳統(tǒng)的AABB包圍盒來說，對(duì)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(guān)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(xiàn)實(shí)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有效性，需要設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備以及系統(tǒng)調(diào)試

在實(shí)驗(yàn)開始之前建立一個(gè)基于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，需要確定實(shí)驗(yàn)配置正確，選擇的開發(fā)環(huán)境為WindowsXP，開發(fā)工具的軟件為MyEclipse6.0.1，服務(wù)器是ApacheTomcat5.5，系統(tǒng)編程語言為Java，數(shù)據(jù)庫選用MySQL5.0.67。在控制機(jī)器上運(yùn)行物理實(shí)驗(yàn)的暫停仿真程序EDSTAC，截取的系統(tǒng)調(diào)試界面如圖4所示。在系統(tǒng)調(diào)試完成后，在實(shí)驗(yàn)終端上運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的三維虛擬場景，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的性能優(yōu)越性，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，搭載傳統(tǒng)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共同進(jìn)行測試，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和對(duì)比。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，選擇多個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)人機(jī)交互的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行多次測試，得到最終的測試結(jié)果平均值如表2所示。本文測試的響應(yīng)時(shí)間測量方法是從點(diǎn)擊鼠標(biāo)開始計(jì)時(shí)，直到所對(duì)應(yīng)的操作步驟有所響應(yīng)。以上5組不同的實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)在不同模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行500次的測試，表2為500次實(shí)驗(yàn)的平均結(jié)果。由表2可以看出，在選擇的5個(gè)實(shí)驗(yàn)中，本文系統(tǒng)的人機(jī)交互響應(yīng)時(shí)間平均要比傳統(tǒng)的系統(tǒng)縮短69.4%，表明本文系統(tǒng)性能具有一定的優(yōu)越性。

3結(jié)語

本文針對(duì)原有物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)的缺陷，對(duì)硬件與軟件部分均進(jìn)行了改進(jìn)，力求減少人機(jī)交互的響應(yīng)時(shí)間。在基于虛擬現(xiàn)實(shí)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能明顯縮短人機(jī)交互響應(yīng)時(shí)間，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，說明了本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有一定的可行性和合理性。本文在取得研究成果的同時(shí)，也存在一些不足之處，在一些實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，缺少對(duì)關(guān)鍵細(xì)節(jié)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(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果具有更高的觀測性。

作者：高禮靜 單位：南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院