基于虛擬現(xiàn)實技術的電子束聚焦與偏轉

邢紅宏， 梁承紅， 張紀磊， 牟 青

(海軍航空工程學院a.基礎實驗部;b.研究生管理大隊，山東 煙臺 264001)

0 引言

總參軍訓和兵種部在《軍隊院?；A實驗室建設標準》中要求:實驗室應具備開展虛擬實驗的條件，把虛擬實驗列為實驗教學的重要組成部分。尤其是功能強大的軟件技術像3Ds Max、Virtools的出現(xiàn)為虛擬實驗提供了可靠的技術支持，虛擬實驗作為一種新的教學模式被引入到實驗教學中，改變了實驗系統(tǒng)的構建模式，突破實驗教學的時空限制，在提高實驗教學質量、緩解實驗教學壓力等方面發(fā)揮著積極的作用，因其廣泛的應用前景而日益得到人們的重視[1]。

1 虛擬實驗設計指導思想

1.1 構建原則

虛擬實驗的開發(fā)，最終的使用者是教師和學生，軟件的各功能的實現(xiàn)也應滿足他們的需求，所以了解教師與學生對虛擬實驗的認識以及他們對軟件的需求是開發(fā)者應考慮的首要問題[2-4]，總的說來應遵循以下幾個原則:

(1)數(shù)學模擬。實驗內容并非簡單的逐幀動畫，而是滿足相關物理原理和數(shù)學公式的數(shù)字式交互，使實驗數(shù)據(jù)更具真實性。

(2)功能完善。為了讓使用者有真實的感覺，在保證虛擬實驗與實物實驗在視覺上一致的前提下，要實現(xiàn)實物儀器的全部觀察和測量功能，能夠完成實物實驗的所有實驗內容。

(3)內容詳實。軟件應包含了相關實驗所需的大量參考數(shù)據(jù)，例如各個測量內容的實驗原理、實驗目的、實驗步驟、儀器參數(shù)和數(shù)據(jù)表格等。用戶不需要再去查閱其他資料就可完成對相關實驗內容的學習。

1.2 軟件選擇

虛擬實驗采用的開發(fā)技術主要有Java、VRML、Virtools等，Java技術能夠完成復雜人機交互功能，但是實驗場景和儀器不夠逼真，且開發(fā)比較復雜，需專業(yè)的編程人員;VRML技術能夠模擬真實的實驗場景和儀器，沉浸感和真實感強，但人機交互性能差，不能完成復雜的交互功能。Virtools技術采用3D界面，能模擬真實的場景和儀器，且采用模塊化的編程語言，能實現(xiàn)復雜的人機交互功能，降低了開發(fā)難度。采用Virtools技術開發(fā)三維虛擬實驗，能夠模擬真實的實驗場景和真實的實驗儀器，讓用戶產生強烈的現(xiàn)場感，提供的復雜的交互功能，開發(fā)難度小，易于實現(xiàn)[5-7]。

Virtools是一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環(huán)境虛擬實境編輯軟件。它可以將現(xiàn)有的檔案格式整合在一起，如三維模型、二維圖形、視頻或是音頻文件等。只要在Virtools環(huán)境下進行相應的編程，就能達到預期的交互式操作目的[8]，并為開發(fā)者提供了大約500個行為功能模塊(簡稱BB)，每個BB都封裝了行為功能函數(shù)，開發(fā)者只需仔細閱讀幫助文件中的相關文檔，弄清楚這些模塊的功能和使用方式，就可以按照自己的需要進行開發(fā)。此外，開發(fā)者也可以通過VSL自己編制 BB，并保存到 Virtools的模塊庫中。VSL是類似于C語言的編程語言，功能強大且操作簡便[9-11]。

2 電子束聚焦與偏轉虛擬實驗的建立過程

電子束聚焦與偏轉虛擬實驗利用3Ds MAX和Photoshop制作了效果逼真的虛擬儀器模型;借助Virtools的三維交互式軟件平臺，實現(xiàn)了實驗儀器的全方位任意觀察、縮放功能;利用軟件內部的 BB和Script語言編譯完成了實驗儀器的調節(jié)和測量功能，實現(xiàn)了實物實驗的全部觀察和測量功能。

2.1 建模與渲染

Virtools本身不具備三維實體建模的能力，所以要借助其他建模軟件。Virtools中提供了3Ds MAX的文件格式轉換插件，因此采用3ds MAX建模[12-14]。建模前需對實物儀器進行測量和拍照，根據(jù)測量數(shù)據(jù)和儀器相片在3Ds Max中完成實驗模型的建立，在建模過程中，根據(jù)儀器所需交互效果、儀器各部分間的聯(lián)動關系，對實驗儀器進行模塊劃分，設置好各模塊的位置、轉軸、組合和命名等，便于之后在Virtools中設計虛擬實驗儀器的交互，使其可以模擬真實儀器的調節(jié)和測量。然后再將建好的模型在3Ds Max中導出為Virtools支持的*.nmo文件格式。虛擬實驗系統(tǒng)中模型構建的好與壞是決定整個實驗系統(tǒng)能否流暢運行的關鍵，為了簡化模型節(jié)點數(shù)，降低系統(tǒng)內存的使用率，避免因模型的節(jié)點數(shù)過多而占用過多的系統(tǒng)內存，在構建過程中只對需要進行交互控制的模型進行建模[15]。

模型真實感的好壞很大程度取決于材質和紋理貼圖的質量，為了增加模型的真實感，用3Ds MAX、Photoshop對模型材質和貼圖進行處理，首先為建好的模型賦予材質，為模型實現(xiàn)高光反射、漫反射、光澤度、柔化等效果，對模型不同部位貼圖進行進一步調節(jié)，再通過UVW通道回帖給模型，使模型的視覺效果更加逼真，見圖1-3。

圖1 實驗儀器照片

圖2 儀器模型

圖3 虛擬儀器效果圖

2.2 交互功能實現(xiàn)

電子束的聚焦和偏轉實驗所涉及到的交互主要分為三大類:觀察視角調節(jié)、實驗儀器調節(jié)和測量、測量數(shù)據(jù)處理。

2.2.1 用戶界面設計

為了便于使用，軟件界面上方設置了“幫助”、“實驗目的”、“實驗裝置”、“實驗原理”、“實驗步驟”、“實驗表格”、“實驗內容”七個快捷鍵。單擊鼠標會彈出對應的說明，幫助使用者熟悉相關內容，在提示下完成實驗操作(腳本流程見圖4)。

2.2.2 視角控制功能

Virtools中實驗儀器和實驗現(xiàn)象的三維觀察主要是通過攝像機視角的控制來實現(xiàn)的。利用Switch On Key和Generic Camera Orbit可實現(xiàn)鍵盤對攝像機鏡頭的旋轉。通過Switch On Key中設置好的鍵盤按鍵，控制攝像機旋轉和縮放，通過鍵盤的A、D、S、W鍵控制攝像機鏡頭的旋轉，通過鍵盤Q、E控制鏡頭的放大和縮小(見圖5)。

圖4 屏幕顯示的腳本流程

2.2.3 儀器調節(jié)功能

該實驗的儀器調節(jié)主要是物體的平移、旋轉、伸縮等，這些簡單的交互通過Virtools已有的BB就可以實現(xiàn)。例如通過Translate、Scale和Set Ambient這三個BB分別實現(xiàn)光點上、下、左、右的移動、放縮和亮度變化，通過Rotate實現(xiàn)儀器旋鈕的轉動。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理功能

為了方便使用者對實驗的數(shù)據(jù)記錄，我們設計了數(shù)據(jù)處理模塊，記錄測量的各個物理量。數(shù)據(jù)輸入功能的實現(xiàn)主要通過Send Message和Wait Message兩個BB控制各個數(shù)據(jù)輸入框的激活與關閉，通過Input String和2D Text實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和顯示。

2.3 軟件優(yōu)化處理

精細的模型和靈活的視角很好的提高了虛擬實驗的逼真程度，但也會帶來一定的操作不便。為了方便實驗過程中對實驗數(shù)據(jù)的讀取，我們利用Additional View實現(xiàn)了畫中畫的功能，實時的真實展示了亮點的移動。并且可通過屏幕上方的控制鍵對畫中畫界面進行縮放，使實驗數(shù)據(jù)的讀取更為方便(見圖6)。

圖6 儀器調節(jié)

2.4 具體實驗操作舉例

以電子束聚焦與偏轉實驗中的電偏轉為例說明實驗操作過程:開啟電源開關，將“電子束——荷質比”選擇開關置于電子束位置，適當調節(jié)輝度與聚焦旋鈕，使屏上光點聚成一細點。光點調零，調節(jié)“調節(jié)”旋鈕，使電壓表的指示為零，再調節(jié)調零的X旋鈕，使光點位于示波管垂直中線上，同X調零一樣，將Y調零后光點位于示波管的中心原點。測量D隨Vd(Y軸)變化。調節(jié)陽極電壓旋鈕，給定陽極電壓Vd(700 V)。改變電偏轉電壓Vd，每隔3 V測一組D值，將測量數(shù)據(jù)記錄表格內。過程如圖7所示。

圖7 電偏轉實驗操作過程示意圖

3 結語

從電子束的聚焦與偏轉虛擬實驗可以看出虛擬實驗實現(xiàn)了良好的可視化實時交互功能，使用者看到的儀器和真實的實驗儀器完全一樣，并且能對儀器進行操作，虛擬儀器實時反映相應的操作結果，和真實實驗結果一致，使用者可觀察現(xiàn)象，記錄并處理數(shù)據(jù)，整個實驗過程具有強烈的真實感。在虛擬場景中還能通過上下菜單在實驗過程中隨時調出實驗相關材料進行查閱。3D虛擬實驗有著更優(yōu)的實驗效果，更低的實驗成本，更強的實驗互動，更方便的實驗使用，更有趣的實驗方式和更廣泛的實驗影響，虛擬實驗將在實驗教學中發(fā)揮重要的作用。

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