VR技术在计算机虚拟仿真系统设计中的应用.pdf

2 0 2 4年3期2 4 7 2 0 2 4年第4 6卷第3期V R技术在计算机虚拟仿真系统设计中的应用余 丹 张武洪 袁 慧作者简介:余丹(1 9 8 1-),硕士,副教授,研究方向为计算机科学与技术;张武洪(1 9 7 4-),本科,副教授,研究方向为计算机应用、高校人事政策;袁慧(1 9 8 2-),本科,讲师,研究方向为计算机软件技术。(咸宁职业技术学院 湖北 咸宁4 3 7 1 0 0)摘 要 计算机虚拟仿真系统是当代多个专业教育教学工作中的重点,若能将V R技术应用其中,则可构建起更加真实的虚拟仿真实验环境,以提升教学效果,发挥V R技术的应用价值。文中分析了V R技术在计算机虚拟仿真系统设计中的应用,旨在优化计算机虚拟仿真系统的设计工作,提升相关专业的教学效果,以供参考。关键词:V R技术;计算机虚拟仿真系统;设计中图分类号 T P 3 9 1A p p l i c a t i o no fV RT e c h n o l o g y i nt h eD e s i g no fC o m p u t e rV i r t u a l S i m u l a t i o nS y s t e m sYUD a n,Z HAN G W u h o n ga n dYUAN H u i(X i a n n i n gV o c a t i o n a lT e c h n i c a lC o l l e g e,X i a n n i n g,H u b e i 4 3 7 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t T h ec o m p u t e rv i r t u a l s i m u l a t i o ns y s t e mi s t h e f o c u so fm a n yc o n t e m p o r a r yp r o f e s s i o n a l e d u c a t i o na n d t e a c h i n gw o r k.I fV Rt e c h n o l o g yc a nb ea p p l i e d,am o r er e a l i s t i cv i r t u a l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a l e n v i r o n m e n tc a nb eb u i l t t o i m-p r o v e t h e t e a c h i n ge f f e c t a n dg i v e f u l l p l a y t o t h e a p p l i c a t i o nv a l u e o fV Rt e c h n o l o g y.T h i s p a p e r a n a l y z e s t h e a p p l i c a t i o no fV Rt e c h n o l o g y i nt h ed e s i g no f c o m p u t e rv i r t u a l s i m u l a t i o ns y s t e m,a i m i n gt oo p t i m i z e t h ed e s i g no f c o m p u t e rv i r t u a l s i-m u l a t i o ns y s t e ma n d i m p r o v e t h e t e a c h i n ge f f e c to f r e l a t e dm a j o r s f o r r e f e r e n c e.K e y w o r d s V Rt e c h n o l o g y,C o m p u t e rv i r t u a l s i m u l a t i o ns y s t e m,D e s i g n0 引言虚拟仿真技术(V i r t u a lR e a l i t y,V R)是一种新型仿真技术,其以虚拟现实技术、媒体技术、通信网络技术等多项先进技术为基础,可以在虚拟环境下对现实进行仿真1。应用该技术来模拟环境,用户可以在操作时产生身临其境之感,更有利于提升用户与环境之间的交互感。将该技术应用于计算机虚拟仿真系统设计,有利于提升设计效果和效率,进一步凸显V R技术的应用效果和应用价值。因此,对V R技术在计算机虚拟仿真系统设计中的应用模式进行分析,具有重要的现实意义。1 V R技术的应用1.1 V R技术的基本情况1.1.1 虚拟环境V R技术的主要作用是创建虚拟环境。在应用该技术时,应使用非接触式视觉模型技术来构建虚拟环境模型,也可以借助C A D技术获取三维数据,再根据三维数据构建虚拟环境模型,或将两种模式结合起来,提升获取数据的速度,以提升构建虚拟环境模型的效率。1.1.2 三维图形通过应用3 D扫描系统等,可以构建三维图形,且当代技术已经可以满足“实时生成”的需求。另外,仿真技术、计算机图形技术、图形生成硬件体系结构等还可进一步提升虚拟现实的真实感。在图形生成过程中,也可采用加速技术提升生成效率2。1.1.3 立体显示和传感器技术V R需要在三维空间中进行人机交流,为快速、准确地获取动作信息,人机交互设备及传感设备需要具备较高的精度和可靠性。也就是说,传感器技术及立体显示技术的发展能提升V R交互能力。目前,应用效果较好的立体显示技术包括头盔式三维立体显示器、数据衣、数据手套等,也包括较为先进的环幕系统、裸眼3 D成像系统等。在传感器技术方面,其主要涉及视、听、动各项高级的人机交互技术,如在抓取物体时,传感器可以即时感应动作变化,实时调整虚拟环境。1.2 V R技术在专业教学中的应用优势(1)在进行计算机虚拟仿真系统设计之前,应先了解其需要的各类原件组装、程序设计语言等专业知识。但通过应用V R技术,将其与计算机技术结合,可以搭建计算机虚拟仿真系统环境,为学生的学习提供虚拟环境,使学生的操2 4 8 2 0 2 4年3期作更具真实感,从而提升学生的学习兴趣和思维能力,提升学生的学习效果。(2)将V R技术应用于专业教学中,教师可以构建起虚拟实践平台,并通过其掌握学生的学习情况及实践操作能力,若学生在学习过程中存在疑问,教师可及时了解并给予正确指导,提升教学过程的交互性3。2 基于V R技术的计算机虚拟仿真系统设计2.1 系统技术框架设计计算机虚拟仿真系统必须以通信技术为基础,因此在进行系统设计时,应选用带宽高、时延低、连接范围广的5 G通信技术,以保障应用V R技术时的数据传输效率。在V R技术中应用可靠的通信技术,不仅可以有效缓解云端虚拟仿真实验系统的业务处理压力,也可促使计算机虚拟仿真系统的终端设备向便捷化和轻量化的方向发展。因此,系统整体框架需要以5 G通信技术及B/S结构构成。第一个层次为内容层,其中主要包含内容提供方和聚合方,如V R教育直播、V R教育交互可见以及其他V R内容。第二层是平台层,其可以为V R提供云平台渲染、转码、存储、编码等操作。第三层是网络层,其可以在计算机虚拟仿真系统中实现骨干网、区域网、接入网等各项功能,让V R技术的应用更加稳定。第四层是终端层,学生可以通过应用V R设备进行虚拟仿真交互,同时其具有用户设备鉴权等多项功能4。2.2 数据库操作设计传统数据库的操作存在一定的局限性。一方面,开展数据库操作时需要先搭建专门的服务器,不具备良好的通用性;另一方面,数据库组件仅可使用O D B C源实施数据连接,但O D B C源为手工构建,其部署过程无法实现自动化,因此使用者必须了解O D B C源。为改善这一情况,应借助S D K包进行二次开发工作,更新数据库操作模块。基于此,可选择 使 用A D O接 口,实 现 对 非 关 系 数 据 库 的 访 问。A D O技术是一种较为简单、有效的数据操作方法,不需以人工形式对数据源进行配制,可以在多个不同的数据库平台中应用,只需在其中安装与之对应的数据驱动程序便可。2.3 数据库管理设计数据库管理部分主要包含虚拟元件库、虚拟设备、系统文件等。其中,虚拟元件库由虚拟存储芯片、微型计算机C P U芯片、集成电路芯片共同组成;设备库中包含虚拟电源、模拟信号发生器、示波器、虚拟电路、显示器等多项相关的虚拟仿真实验设备,虚拟电源可以为集成电路芯片直接提供直流电源信号,发生器能发出脉冲信号以供时序逻辑电路应用;系统文件模块可采用类别表的形式整理实验信息、学生信息、资源信息、教师评语等,以提升师生应用计算机虚拟仿真系统的便捷性5。2.4 虚拟训练仿真设计实体模型在仿真系统中占据着重要地位,可以直接使用C r e a t o r构建对象建模。在建模时,可以通过调整材质,提升场景的真实程度,并注意修饰细节,提高实体模型的细节要求,以优化仿真系统。若想提升系统的运行速度,还应适当减少实体面的数量。如果系统对显示应用的要求较高,可以采用灵活的方式进行调整,即借助其他软件构建更加复杂的模型,并进行适当的渲染,以优化场景内的视觉效果,进一步提升其真实性。为更加有效地控制模型自由度和D O F节点,即对场景中的设备进行控制,需要首先在模型上设置D O F节点,在其属性设置中确定不同设备的操作范围。还应在C r e a t o r中设置设备运行的自由度,保证各相关参数的变化均在合理范围之内,在保持计算机虚拟仿真系统的真实性的同时,帮助学生养成正确的操作习惯。2.5 虚拟实验平台设计在设计计算机虚拟仿真系统的过程中,对虚拟实验进行仿真运行的基本环境即为虚拟实验平台,其主要涉及虚拟元件设置、电路连线设计、电路纠错、实验仿真控制、虚拟仿真实验、项目存储等,但这些功能的实现,均需以相应的设备为基础。虚拟实验平台是整个系统的核心,主要包含逻辑状态和实景状态两个场景,在运行虚拟实验平台时,首先需要根据实验项目,合理地选择虚拟实验设备、芯片,之后根据实验的基本内容及虚拟电路之间的逻辑关系,对设备、芯片、元器件进行接线处理,再根据相关要求和实验内容,将控制逻辑信号输入平台,并接通虚拟电源,即可开展模拟实验。还可结合数据分析虚拟仿真实验结果,以提升学生的操作能力和理解分析能力6。如果在虚拟实验过程中出现了异常情况,平台可自动报警,并引导学生发现和解决问题,提升学生的理论知识和实践能力。学生可以在学习过程中更加直观地学习和理解实验原理,提升学生的学习效果和效率。2.6 框架内嵌V i r t o o l s功能设计计算机虚拟仿真系统的框架以MF C的W i n d o w s应用程序为基础,且每个训练项目的实现过程均需以V i r t o o l s交互动画为基础。以上两个方面在前期已经完成了独立开发,但在计算机虚拟仿真系统发展到后期时,需要结合两者,此时可以采用两种方法,如在框架中增加一个播放器,或在框架中增加一个浏览器。如果选择使用增加播放器的方法,可以直接使用S D K提供的已经完成封装的C u s t o m-P l a y e r,将其视为对V i r t o o l s引擎进行访问的入口。如果选择使用增加浏览器的方法,则可使用A c t i v e X类可行网页插件(即3 DL i f eP l a y e r),以顺利播放虚拟现实的画面,也可将该插件作为内嵌于框架中的浏览器对象,再采用操控浏览器的方式呈现虚拟现实画面。2.7 虚拟仿真资源库设计以V R技术为基础开展计算机虚拟仿真系统的设计工作,虚拟仿真资源库是必须的组成部分之一。保障资源库部分设计的科学性,不仅能为学生提供充分的数据支持,还移动信息2 0 2 4年3期2 4 9 可引导学生更加全面地了解计算机专业的相关知识。因此,在设计虚拟仿真数据库时,应合理选择资源类型,并根据实验性质搭建不同的板块资源库。应注意的是,在搭建虚拟仿真资源库时,必须充分结合课程案例及学生的基本情况、学习需求、发展需求等,并根据专业发展情况尽快更新数据库内的资源信息,以保障计算机虚拟仿真实验平台的操作性,提升其实验分析能力。虚拟资源库应能为不同类型的实验提供支持,因此应根据实验内容合理调整虚拟资源库中的内容。另外,因为计算机虚拟实验平台可以在大数据技术、互联网技术等先进技术的基础上实现资源共享,所以虚拟实验平台中的操作数据也可实时共享,使虚拟仿真资源库的内容更加丰富7。通过应用云计算及云平台,还可在计算机虚拟仿真系统中构建起更具层次性的虚拟数据库,如基础知识层、实践操作层、技能优化提升层等,遵循循序渐进的原则逐渐提升内容的难度和深度,帮助学生梳理专业知识,同时根据学生专业能力的提升情况,逐渐深化训练,在实现资源整合的同时,提升学生的学习效果。在搭建计算机虚拟仿真资源库的过程中,必须充分落实“强基础、重实践”的基本原则,对虚拟数据库的框架进行全面、细致的分析,保障其基础知识的完善性和整体结构的合理性。通过应用虚拟仿真平台,学生在进行实践操作时,可以充分利用已经掌握的理论知识,在锻炼学生实践能力的同时,提升其对理论知识的应用能力。同时,也需要教师与学生或学生之间共同探究操作过程,分析现有操作的不足之处,并及时改正。后续,教师可以将实验操作过程中存在的不足之处转移至更高的层次中,引导学生反复练习,以深化其对知识的掌握程度,鼓励其他学生借鉴相关问题的解决思路,起到提升学生能力、拓展学生思维的作用。需要注意的是,在构建虚拟资源库时,需要在其中配置网络攻防系统、应用层协议、相关应用程序等,以保障虚拟仿真资源库的安全性。3 V R技术在计算机实验教学中的应用当前,多数关于实验教学的专业更加重视应用软件,但从实际来看,诸多基础性课程与硬件息息相关,如汇编语言、微机原理、电子技术基础、单片机、嵌入式系统等,但如果各院系之间不能高度共享资源,将出现硬件投入成本过高的情况,且实验过程极易造成较大的材料损耗,还可能出现实验效率过低等现象,导致实际的实验效果和教学效果受到严重影响。在其中应用V R技术,不仅可以在教学过程中应用更加丰富的资源,且投入成本更低,也更有利于激发学生的学习兴趣,同时可起到节约实验时间、提高学习效率的作用。例如,在进行数字电路实验时应用双列直插式芯片,通常会因为学生操作不规范或实验过程电压不稳等,导致设备使用23次便无法继续使用。因此,在整个专业开展实验教学,会造成大量的损耗。而将V R技术应用其中,由于全部设备和操作均为虚拟,有利于学生更加直观地了解实验过程,也可大幅度节约教育成本。4 结语当前,计算机虚拟仿真系统已经在多个专业的教学中得到了广泛应用,且应用效果良好。为进一步提升其应用效果,可以将V R技术融于其中,更好地开展计算机虚拟仿真系统设计工作,使系统中的技术框架、数据库操作、虚拟训练、虚拟实验平台等得到优化,充分凸显V R技术的应用价值,提升教育教学工作的质量和效率。参考文献1李梅,张江伟,刘永庆,等.基于V R虚拟技术的体育动作仿真训练系统设计J.信息技术,2 0 2 3(2):5 2-5 7.2秦勇,秦勤.构建基于“一带一路”沿线区域经济发展特色的虚拟仿真口译实训系统 以“渝新欧沿线区域国家商贸联络及会议口译虚拟仿真实验教学项目”为例J.外国语文,2 0 2 2,3 8(2):1 2 4-1 3 1.3乔先达,柏平,侯玲,等.基于V R/A R的虚拟仿真实验系统开发以大学“分析化学实验课程”为例J.中国医学教育技术,2 0 2 0,3 4(4):4 7 1-4 7 5.4杨彩霖.V R虚拟仿真实验系统的设计与实现J.现代电子技术,2 0 2 1,4 4(1 5):1 2 4-1 2 8.5陈科,彭五四,张红旗,等.基于V R技术的虚拟维修仿真系统设计与应用J.工程图学学报,2 0 1 0,3 1(6):1 2 5-1 3 2.6王丽霞,陈礼辉,黄森慰,等.虚拟仿真技术(V R)在“光伏系统原理与技术”教学中的应用研究J.电子测试,2 0 1 9(1 8):1 3 5-1 3 6.7李晓波.基于虚拟现实技术的运动训练仿真模拟系统J.自动化技术与应用,2 0 2 3,4 2(1):7 7-8 1.移动信息