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虚拟仿真技术在物理实验中的应用_物理论文

时间:2015-12-16 10:56 来源:第一论文网 作者:论文网 点击:
利用虚拟仿真技术。Vega是MultiGen-Paradigm公司开发的一个面向对象的著名的虚拟现实平台。本文提供了一种使用3DMAX、GL Studio和Vega进行虚拟仿真系统开发的方案。
  1.概述
 
  大学物理实验是物理教学中的一个重要组成部分,由于有些物理实验,特别是近代物理实验其实验仪器集成度高,操作步骤复杂,往往成为物理实验中的难点,再加上条件的限制,除实验课外,学员很难直接面对设备进行预习或复习,同时在预习中由于操作不善而损坏仪器的现象也时有发生,因此利用虚拟仿真技术,在计算机上仿真物理实验,来提高学员对物理实验的学习是十分必要的。采用这种技术,具有方便性、无破坏性、经济性以及高仿真性等特点,对学员掌握物理实验具有重要的意义。
 
  对物理实验的仿真我们首先是对各个独立的物理实验进行仿真,然后再把他们集成到一个系统环境下。以下我们以夫兰克—赫兹实验为例来说明单个物理实验的仿真过程。实验仪器如下图所示:

 

  由于原子能级的存在,当电子与原子发生碰撞并进行能量交换时,每次交换的能量就会受到原子能级的制约,因此我们就可以通过测量碰撞后电子能量的变化来验证原子能级的存在。由于本实验的集成化高,属于验证性实验,通过虚拟仿真几乎可以真实再现实验的整个过程。
 
  虚拟仿真作为一种新型人机接口,不仅使参与者沉浸于计算机产生的虚拟世界,而且还还提供用户和虚拟世界之间的直接通信手段。它具备3个基本特征:
 
  (1)沉浸:这是VR系统的核心,指使用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力。用户在虚拟操作训练场景中有“身临其境”之感。
 
  (2)交互:指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力。它是人机和谐的关键因素。交互性包含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度、虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等,以用户的视点变化进行虚拟交换。这个过程中最重要的因素是实时性。实时性是指计算机能够响应用户的输入并立即改变虚拟场景的状态。
 
  (3)构想:虚拟现实不仅是一个用户与终端的接口,而且可使用户沉浸于此环境中获取新知识,提高感性和理性认识,从而产生新的构思。把这种构思结果输入到系统中去,系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。
 
  虚拟仿真的核心是建模与仿真。就建模与仿真本质而言,它是对真实物理系统在某一层次上的抽象。与实际的物理系统相比,用户在这个抽象模型上可以更高效、更节省、更灵活、更安全地对物理系统进行了解和设计。
 
  2.系统分析与模型的建立
 
   模型的建立分三维立体模型的建立和仿真面板的制作。对模型的建立本系统采用3D MAX建模工具对模型进行几何建模和行为建模。利用3D MAX软件来进行三维建模和纹理贴图,生成一个高逼真度的所需模型。首先我们用3D MAX建立夫兰克—赫兹实验仪、示波器、微机以及实验室模型,并在3D MAX中进行贴图,使所做仪器仿真度更高。

 
 对于仪器面板,本系统采用的是GL Studio软件进行建模制作,比如夫兰克—赫兹实验仪的面板、示波器面板和微机显示屏上的显示画面都是用GL Studio来制作完成的,制作流程如图所示:
 
  在第二个过程中,图片处理的结果是面板美观形象的决定性阶段;第三个阶段则是本实验仿真的决定性阶段,因为实验的操作响应、交互实现、实验现象的再现都是在这个过程完成的。这一过程又可分为三个部分来完成:(1)是夫兰克—赫兹实验的手动操作,这在GL Studio中一个面板内既可完成;(2)是利用微机采集数据来自动完成实验,得到实验数据并在V—I图中自动绘制数据曲线,在这个过程当中,可以在GL Studio中分别生成夫兰克—赫兹实验仪的面板和微机显示器面板的动态库,把它们作为元件在导入到另一个GL Studio中进行互联;(3)是将数据输出到示波器形成V—I曲线,这个过程的制作方式与第二部分相似。在第四个过程中主要是集成过程,Vega是MultiGen-Paradigm公司开发的一个面向对象的著名的虚拟现实平台,它包括图形环境Lynx,一套可以提供最充分的软件控制和最大程度灵活性的完整的应用编程接口,一系列相关的库和Audio Work2实时多通道音响系统。Lynx是Vega提供的带有图形用户界面工具集,并通过设定参数与相互间关系,可以实现简单的仿真应用程序,同时为虚拟系统的开发提供必要的支持,如模型、场景和交互设备等。
 
  3.实验的最终集成
 
  在单个物理实验完成之后,要把它们集成到统一的系统当中,我们的系统是用Visual C++作为软件平台进行集成。在VC中完成操作界面和目录,点击各个目录进入各个独立的物理仿真实验当中由于各个实验是独立的,因此过程的制作相对简单。
 
  结束语
 
  本文提供了一种使用3DMAX、GL Studio和Vega进行虚拟仿真系统开发的方案,这个方案是基于微机平台设计的,具有较好的通用性,它不受实验仪器的限制,给学员提供了一种较好的练习和复习的手段,其仿真度高,是其他预习和复习手段所不能代替的。
 
参考文献:
[1] 张秀山. 虚拟现实技术及编程技巧.国防科技大学出版社.1999
[2] 曾芬芳. 虚拟现实技术.上海交通大学出版社.1997

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