基于VRP技術(shù)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊延杰

摘 要 隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸進(jìn)入了我們的生活和學(xué)習(xí)之中。本文主要將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和大學(xué)枯燥的物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過三維建模軟件進(jìn)行各種物理儀器的構(gòu)建，利用圖像處理軟件對(duì)紋理材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化操作，然后導(dǎo)入虛擬交互平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的交互功能，希望能通過這個(gè)平臺(tái)來幫助學(xué)生更好的了解掌握部分物理實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí) VRP 物理實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)儀器是以硬件為基礎(chǔ)，儀器的功能非常有限，而且由于使用次數(shù)的增多和使用方法不當(dāng)，會(huì)對(duì)儀器造成一定的損耗，使得測(cè)量結(jié)果和理論結(jié)果出現(xiàn)很大的誤差。近幾年，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域都受到其帶來的深刻影響。本文以3d Max和VRP為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)開發(fā)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)，不僅可以使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得生動(dòng)，而且可以讓學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)充滿積極性和趣味性。虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)備的損耗幾乎沒有，而且不用受到時(shí)間和場(chǎng)地的限制。

1三維模型動(dòng)畫導(dǎo)入到VRP編輯器

在3d max建造模型以及一定的剛體動(dòng)畫后，將其導(dǎo)入到VRP編輯器中，在3d max2009中，單擊右側(cè)的屬性欄“工具”選項(xiàng)卡中的“VRPlatform”按鈕，向下拖動(dòng)面板，勾選“全部”確保所有的動(dòng)畫以及貼圖能正常的導(dǎo)入，然后單擊“調(diào)入VRP編輯器”按鈕，在彈出的窗口中單擊“保存場(chǎng)景”按鈕將其導(dǎo)入VRP編輯器中， 若不確定導(dǎo)出場(chǎng)景效果， 可以先單擊“快速預(yù)覽”按鈕確認(rèn)效果無誤后， 再調(diào)入VRP中， 并保存該場(chǎng)景。如圖1。

2模型位置的調(diào)整

通過合理的操作將實(shí)驗(yàn)涉及到的物理儀器調(diào)節(jié)到合適的位置，由于物理儀器的模型大多很散而且VRP本身框選困難，建議在頁面左側(cè)的三維模型欄目中將對(duì)應(yīng)物理儀器的名稱改為容易區(qū)分的物理儀器的專業(yè)名稱，方便多選或者對(duì)每個(gè)儀器進(jìn)行成集處理，這樣為這個(gè)場(chǎng)景的后續(xù)操作帶來了極大的方便。以光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)為例，位置調(diào)整如圖1。

3貼圖調(diào)整

以演示廳的物理學(xué)家照片的演示圖版為例，選擇待貼圖的模型，在右側(cè)的材質(zhì)庫中設(shè)置待貼模型的第一層貼圖，設(shè)置UV通道和過濾模式，以及結(jié)合透明和色彩調(diào)控實(shí)現(xiàn)展板類物體的貼圖展示，如圖2。

4相機(jī)調(diào)整與交互設(shè)計(jì)

VRP中相機(jī)的類型有6種，包括行走相機(jī)、飛行相機(jī)、繞物旋轉(zhuǎn)相機(jī)、定點(diǎn)觀察相機(jī)、角色控制相機(jī)和動(dòng)畫相機(jī)，該系統(tǒng)中主要用到了定點(diǎn)觀察相機(jī)，繞物旋轉(zhuǎn)相機(jī)以及角色控制相機(jī)，定點(diǎn)觀察相機(jī)用來聚焦觀察整個(gè)的物理實(shí)驗(yàn)，繞物旋轉(zhuǎn)相機(jī)主要負(fù)責(zé)整個(gè)場(chǎng)景的整體觀察，角色控制相機(jī)則主要負(fù)責(zé)控制人物的漫游，通過骨骼動(dòng)畫人物和角色控制相機(jī)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)完美的漫游第一體驗(yàn)。

項(xiàng)目中的主要交互有鼠標(biāo)點(diǎn)擊交互、范圍觸發(fā)器交互、以及文字顯示等VRP腳本，這些主要通過設(shè)計(jì)交互的按鈕來實(shí)現(xiàn)，不僅能告訴界面使用者如何實(shí)現(xiàn)漫游效果，同時(shí)還能表達(dá)出該漫游動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)的特色與眾不同之處。這里以選擇對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)預(yù)加載部分為例，實(shí)現(xiàn)腳本如圖3所示。該部分主要是運(yùn)于全體變量的定義，動(dòng)畫音樂的加載以及定時(shí)器等關(guān)鍵工具的創(chuàng)建。

5結(jié)論

此虛擬物理演示廳的制作中，以成熟化的3d Max模型為對(duì)象，借助VRP軟件平臺(tái)，描繪了整個(gè)物理實(shí)驗(yàn)室包括儀器、基礎(chǔ)設(shè)施以及整個(gè)環(huán)境，不僅展現(xiàn)了物理演示大廳的全貌，同時(shí)也為學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)做了典范性示范。通過本套系統(tǒng)的自主實(shí)驗(yàn)操作，不僅可以激發(fā)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣與積極主動(dòng)性而且改變了學(xué)生由被動(dòng)的知識(shí)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的建構(gòu)知識(shí)者。因此本套系為統(tǒng)為提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)都提供了一個(gè)很好的途徑。

（通訊作者：李冰）

參考文獻(xiàn)

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