虚拟实验场景建模和可视化技术探讨

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,所取得的学习或练习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、轻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门。论文先容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、前后台通讯分别进行建模,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上风,对上述模型进行可视化。利用QT在制作图形交互系统上的上风和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。【关键词】：虚拟实验SVGActiveX数据驱动
【论文提纲】：摘要8-9ABSTRACT9-10第一章绪论10-191.1研究背景与意义10-111.2国内外相关研究现状11-171.2.1虚拟实验教学模式12-131.2.2虚拟实验关键技术13-161.2.3当前存在问题及发展趋势16-171.3本文的工作与创新17-181.4本文的组织与结构18-19第二章虚拟实验场景的建模技术19-342.1SVG简介19-212.2实验元件的多状态建模21-272.2.1实验元件的数据模型21-232.2.2实验元件的多状态描述23-272.2.3实验元件的状态切换算法272.3基于数据驱动的实验场景建模27-322.3.1实验场景的数据模型27-292.3.2场景的拓扑关系29-312.3.3组合元件的设计31-322.4实验数据的通讯模型322.5本章小结32-34第三章虚拟实验场景的可视化技术34-513.1相关技术34-373.1.1QT简介34-363.1.2QWT简介36-373.2基于SVG的渲染引擎37-423.2.1XML解析器的选择373.2.2渲染规则37-403.2.3关键类的设计40-423.3元件的可视化42-443.4场景的可视化44-483.5实验结果48-503.6本章小结50-51第四章虚拟实验仿真软件的设计51-604.1虚拟实验仿真系统的架构51-534.2虚拟实验客户端主要功能的设计53-564.2.1前后台通讯模块544.2.2实验元件编辑与组装模块54-554.2.3异常检测模块554.2.4控制中心模块55-564.3软件部署564.4实验结果56-594.5本章小结59-60第五章总结和展望60-61参考文献61-65致谢65-66攻读学位期间发表的学术论文目录66-67攻读学位期间介入的科研项目67-68学位论文评阅及答辩情况表68