虚拟现实物理模拟实验系统设计研究

　　摘要：传统物理模拟实验系统中的图形碰撞检测算法存在一定的局限，计算量巨大，导致人机交互响应时间长，影响上课体验，因此设计一种基于虚拟现实的物理模拟实验系统。系统从硬件和软件两部分进行设计。硬件设计中，主要对数据采集过程中应用到的数据采集卡进行选型与设计。通过对采样速率、数据精度等参数进行综合考量，选择PCI⁃6009DAQ型号数据采集卡，并对接线端子进行分配说明。软件设计中，主要研究二维图形与三维图形的几何变换，分别分析变换矩阵与子矩阵的功能，优化碰撞检测算法，改变包围盒的类型与整体的层次包围盒结构树，增强对物体的紧密性且减少计算量。为了验证该文设计系统在性能上具有一定优越性，设计对比实验，实验结果表明，该文设计的系统与原有系统相比，人机交互响应时间平均能够缩短69.4%。

　　关键词：模拟实验；系统设计；虚拟现实；数据采集；碰撞检测；信号输入；对比实验

　　虚拟实验系统的发展推进了教育信息化的进程，为教学改革提供了新的思路和方法。在物理实验中，很多实验资源或器材的短缺造成了物理实验教学存在的问题，虚拟实验系统由于具有开放性、综合性及共享性的特征，成为物理实验教学中的优质数字教育资源[1⁃2]。在教学过程中使用这种模拟实验系统，对学生来说更容易获取到资源，有效解决实验设备少、试剂成本高、实验耗时较长等问题，对于完成自主式探究学习，加深学生对实验原理的认知与学习兴趣有一定的辅助作用，更是学生探知世界与提高创新能力的有效途径[3⁃4]。但对于传统的物理模拟实验系统，在实验过程中，碰撞检测算法存在一定的局限，计算量巨大，导致人机交互响应时间过长，对于学生来说有一定的延迟感，因此设计一种基于虚拟现实的物理模拟实验系统。

　　1基于虚拟现实的物理模拟实验系统设计

　　1.1硬件设计

　　在本文设计的物理模拟实验系统中，经常会涉及一些测试验证型实验，需要对信号进行输入或测量工作，因此在模拟实验系统中，会涉及一些虚拟仪器，经过数据采集卡完成信号测量[5⁃6]。数据采集主要是将被测对象通过传感器转换为系统可以接收的电信号，电信号经过调理后，得到模拟信号，经过数据采集卡转换成数字信号后传送至计算机端。实际数据采集过程使用的数据采集卡根据放置位置的不同可分为内插式和外挂式，根据采集频率的高低可以分为高速型和低速型。内插式板卡的主要优点是采集速度较快，但是在实际应用的情况下，还需要考虑到数据分辨率、数据精度、采样速度、传输通道数量、接线口类型等参数，根据实际需求的不同来选择数据采集卡的型号[7⁃8]。本文系统中，数据采集卡通过PCI插槽与PC机相连，本文选择的数据采集卡类型为PCI⁃6009DAQ，内部结构如图1所示。图1数据采集卡内部结构图1中，该型号采集卡的主要特征是8模拟输入通道，12/14位ADC，48KB/s采样速率。此外，还具备一个32位计数器。该数据采集卡具有3个接口，分别为MicIn，WaveOut，LineIn接口，可以根据外观颜色的不同进行分辨。应用在本文设计的系统中时，一般选择LineIn接口，能够接收最大为2.5V的模拟电信号，在传输过程中选择立体声双声道，稳定性比较好，且两声道互不干扰，能够同时完成两路信号的采集传输。当使用采集卡对模拟信号进行抽样采集时，时间间隔可以设置为Δt，即抽样采集周期，采集频率可以表示为1Δt，那么数据采集卡采集到的信号可以用一组离散抽样值表示：{x}(0),xΔt,x(2Δt),…,x(kΔt),…（1）式（1）数列可以称为数字化显示或抽样显示，在此过程中需要遵守抽样定理，否则会发生信号畸变。将数据采集卡安装完成后，可以对其进行任务分配，其接线端子的分配如表1所示表1中，通过GND单端模拟输入测量的参考点；在差分模式中，偏置电流通过GND返回点模拟输出电压；在I/O端子连接点数字信号提供一个5V的直流电源，AI<>表示模拟电压的差分输入通道；A/O表示模拟输出通道电压；P表示数字信号的输入/输出通道；PFI0表示计数器的输入端子。至此完成系统的硬件设计。

　　1.2软件设计

　　1.2.1虚拟成像的几何变换在设计模拟实验系统的过程中，会涉及到虚拟实验仪器。在实验中，这些仪器会发生一些位置、大小及旋转上的变化，因此主要依据几何数学模型完成变换。图形的几何信息经过几何变换后产生新的图形，坐标也发生变化[9⁃10]。几何变换主要包括二维与三维图形变换。在二维图形几何变换中，包括平移变换、比例变换、对称变换和旋转变换；三维图形的几何变换中，主要包括平移变换、比例变换、xyz三轴的旋转变换。图形一般会采用齐次坐标表示，因此二维图形几何变换可以用矩阵表示：式（2）中的变换矩阵可以分为功能不同的几个子矩阵，子矩阵éëùûadbe能够完成图形的缩放、旋转等变换；子矩阵[cf]负责图像平移；子矩阵éëêùûúgh负责投影变换；[i]负责整体的伸缩变换。三维图形几何变换中，变换矩阵为：负责整体比例变换。图形在坐标系中的变换过程中，将坐标系的原点平移到参考点F，再以F点作为原点的新坐标系下进行缩放、旋转等变换，坐标会发生变化，再将坐标系平移回原点[11⁃12]。至此完成虚拟成像的几何变换。1.2.2优化碰撞检测算法在传统物理模拟实验系统中，使用的碰撞检测算法是一种传统的混合层次包围盒结构树，包围盒算法是常用的算法之一。传统的包围盒结构树中，每一个节点中都采取了AABB形式的包围盒，导致相交测试过程中存在大量冗余数据，因此本文将这种混合层次包围盒结构树进行改进优化，利用OBB包围盒进行替代。层次包围盒算法主要是针对两个由N个图元组成的物体对象进行碰撞检测，利用包围盒代替复杂的虚拟几何实体，判断包围盒的相交情况[13⁃15]。但是传统的AABB包围盒碰撞检测中，如果长形物体是沿着对角线方向放置的，那么其紧密性就会受到影响。因此本文选择用OBB包围盒配合Sphere包围盒构建混合层次包围盒结构树，如图2所示。经改进后的基于Sphere与OBB包围盒的混合层次包围盒主要分为三层，其中，X层由2个Sphere包围盒构成，Y层由Sphere与OBB包围盒各4个混合层构成，Z层由8个OBB包围盒构成。OBB包围盒相对于传统的AABB包围盒来说，对物体的紧密性更好。OBB包围盒的相交测试如图3所示。图3中，AB均代表OBB包围盒，L表示单位向量，该向量与分离轴存在平行关系，向量D是AB中心间距离，DL为投影后距离。至此完成基于虚拟现实的物理模拟实验系统设计。

　　2实验

　　为了验证本文设计的基于虚拟现实物理模拟实验系统的有效性，需要设计对比实验进行验证。

　　2.1实验准备以及系统调试

　　在实验开始之前建立一个基于实验系统的数字化实验室，需要确定实验配置正确，选择的开发环境为WindowsXP，开发工具的软件为MyEclipse6.0.1，服务器是ApacheTomcat5.5，系统编程语言为Java，数据库选用MySQL5.0.67。在控制机器上运行物理实验的暂停仿真程序EDSTAC，截取的系统调试界面如图4所示。在系统调试完成后，在实验终端上运行实验的三维虚拟场景，根据实验内容和操作步骤进行实验。为了验证本文系统的性能优越性，在相同的实验环境下，搭载传统的物理模拟实验系统共同进行测试，并将实验结果进行分析和对比。

　　2.2实验结果

　　在上述实验环境下，选择多个不同的实验项目对两个实验系统人机交互的响应时间进行多次测试，得到最终的测试结果平均值如表2所示。本文测试的响应时间测量方法是从点击鼠标开始计时，直到所对应的操作步骤有所响应。以上5组不同的实验中，每个实验在不同模拟实验系统中进行500次的测试，表2为500次实验的平均结果。由表2可以看出，在选择的5个实验中，本文系统的人机交互响应时间平均要比传统的系统缩短69.4%，表明本文系统性能具有一定的优越性。

　　3结语

　　本文针对原有物理实验模拟系统的缺陷，对硬件与软件部分均进行了改进，力求减少人机交互的响应时间。在基于虚拟现实的物理模拟实验系统设计完成后，搭建实验环境对该系统的性能进行测试，实验结果表明，本文设计的系统能明显缩短人机交互响应时间，其性能优于传统的实验模拟系统，说明了本文设计的系统具有一定的可行性和合理性。本文在取得研究成果的同时，也存在一些不足之处，在一些实验的设计中，缺少对关键细节的放大功能，因此在接下来的研究过程中，还需要不断地完善脚本，使实验过程和结果具有更高的观测性。

　　作者：高礼静 单位：南京航空航天大学金城学院