自助式多媒體仿真系統的開發

趙大田 宗 波

使用Delphi+GLScene，開發出三維場景的多媒體教學輔助軟件。使用該軟件，教師可以根據自己的需要，方便的設定要顯示的三維場景的內容以及運動規律，并在課堂上動態演示出該場景。

隨著信息技術的發展，多媒體在高校物理教學中發揮著越來越大的作用。在課堂上，為了幫助學生理解物體的運動規律和復雜的場景，需要開發出多媒體教學軟件，將其形象的描述出來。對于大多數教師而言，自行開發出符合自己需要的課件是很難的，在網上雖然可以找到大量的資源，但很難找到正好符合自己需要的課件。因此，筆者使用開發工具Delphi+OpenGL 開發出一種用于展示自定義多媒體場景的軟件，教師不需要掌握任何計算機開發技術，只需輸入要顯示的物體的類型、參數和運動規律，即可在屏幕上準確、形象的顯示出教師所想要表現的物理場景。

開發工具和開發原理簡介

Delphi是Borland公司開發的可視化軟件開發工具，為我們提供了一種方便、快捷的Windows 應用程序開發工具。擁有簡潔高效的語言，功能強大的控件庫，直觀的開發環境，可以用很少的代碼實現很強大的功能。Delphi程序員們開發出了成千上萬的第三方控件，大幅度擴展了Delphi 的功能。

OpenGL 是行業領域中最為廣泛使用的 2D/3D 圖形接口函數庫，它使用簡便，效率高，可以對二維/三維物體進行建模、變換、顏色設置、光照和材質設置、紋理映射等功能，方便的在屏幕上顯示出各種二維/三維物體的形象。開發者可以使用多種開發工具直接調用OpenGL 的功能，但開發難度較大，Delphi 開發者可以使用GLScene 控件庫來解決問題，它將OpenGL 的功能封裝成一個個簡單易用的組件，你只需要掌握這些基類的簡單操作，就可以迅速地進行程序開發。

大學物理教學中的各種場景，其實絕大部分都是一些常見的物體（或幾何形狀），其位置隨時間不斷變化的過程。對于一個教師而言，知道自己所要設置的物理場景中各個物體的運動規律，但無法將其在計算機上表現出來。筆者可以利用Delphi+OpenGl 的功能，開發出多個多媒體軟件，在屏幕上顯示出各種不同的物理場景。但這些顯示特定場景的多媒體軟件無法滿足廣大教師的教學需求。

因此，筆者開發出的這個軟件，并不是用來顯示某種特定場景的，而是由教師先定制出符合自己要求的場景，并將其具體信息（物體種類、大小、位置函數）輸入到程序中。該軟件則根據這些信息生成相應的圖像，并不斷刷新，形成運動場景。

開發實例：生成場景文件

下面以生成一個圓錐擺運動場景為例來分析介紹該軟件的功能。首先，要輸入圓錐擺運動場景的相關信息，保存為場景文件。其功能界面如圖1 所示，你可以生成一個全新的場景文件，也可以讀取一個已有的場景文件后往里面增加新物體。可選的物體暫時包括：球體、立方體、圓錐、圓柱體、圓盤、直線、平面、圓環、文字。以后還會增加。

一個圓錐擺運動場景由頂、線和小球三個物體組成。其中，線和小球的位置參數是隨時間變化的。

首先輸入頂部的信息：其顏色選擇黃色；中心坐標為x=0，y=0，z=3；長度為1，寬度為1，繞xyz 軸轉動的角度均為0，繞y 軸旋轉180 度。

然后輸入線的信息：顏色為綠色；線寬度為2 個像素；起點坐標為0，0，3；終點坐標為0.8＊cos（2＊t），0.8＊sin（2＊t），0。

最后輸入小球的信息：顏色為藍色，中心坐標為x=0.8＊cos（2＊t），y=0.8＊sin（2＊t），z=0；小球半徑為0.2。

可以看出，線和小球的位置參數中包含了其位置隨時間變化的規律。

每個物體都有起止時間兩個參數，設置物體顯示的時間范圍。超出時間范圍，物體將不顯示。這是針對一些物體的運動規律發生變化的情況而設置的，比如一個小球在t=2.3s 時與其他物體發生碰撞，運動規律發生變化，這時可以加入兩個小球，其中一個小球的運動起止時間為0～2.3s，另一個小球的起止時間為2.3～20s，這樣就可以顯示出一個小球碰撞的場景。

信息輸入完成后，將其保存為一文本文件，文件名為“圓錐擺.txt”。每一行包含了一個物體的類型和各種相關參數，用分號作為分隔符，內容如下所示：

平 面；0 ；1000；65535；0；0；3；1；1；0；180；0

直 線；0 ；1000；32768；2；0；0；3；0.8＊cos（2＊t）；0.8＊sin（2＊t）；0

球；0；1000；1 6 7 1 1 6 8 0 ；0.8＊cos（2＊t）；0.8＊sin（2＊t）；0；0.2。

圖1 場景設置界面

顯示動態場景

教師在課前做好圓錐擺的場景文件，在課堂上就可以使用軟件來展示該場景。首先選擇場景文件，程序會分析每一行的信息，將其分解為若干個小字符串。其中第一個字符串是物體的種類，解析后動態生成相應的類實例，后面的字符串則包含了物體的各個參數的信息，有些參數的值是常量，使用strtofloat 函數可將其轉化為數值，有些參數是時間的表達式，需要每次重繪圖像時用控件TcalcExpress 來解析參數，獲得數值。這些數值都保存在Parameters 數組中。部分代碼如下所示：

載入場景文件并解析后，點擊“開始”按鈕，程序開始不斷的計算運動參數，重繪圖像，在屏幕上顯示出物體運動的效果。如圖2 所示。

部分代碼如下：

圖2 動態場景展示效果

可以看出，繪制一個物體所需的代碼很少而且很簡單，基本上只要寫入幾個參數，就可以在屏幕上繪制出相應的三維圖像。

結語

使用該軟件，廣大物理教師可以根據自己的需要，方便的設計出各種三維動態的物理場景，并用多媒體展現出來，使學生能夠直觀的理解物理規律和現象，提高教學效果。