專利名稱：一種虛擬實驗信息表示模型的構建方法
技術領域：
本發明涉及一種信息表示模型的構建方法，特別是關于一種以互聯網為依托，運用虛擬現實技術建立虛擬教學實驗環境的虛擬實驗信息表示模型的構建方法。
背景技術：
虛擬現實技術(Virtual Reality)是一項正在發展的且具有深遠潛在應用方向的新技術，它綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術。目前虛擬現實技術主要應用在工業、制造業和旅游業等特定領域，平民化應用的距離尚遠。虛擬實驗以互聯網為依托，運用虛擬現實技術建立虛擬實驗室環境，提供可操作的虛擬實驗儀器，使用戶在網絡環境下可以通過瀏覽器的人-機交互虛擬實驗操作平臺完成相關實驗，同時提供了網絡實驗教學的一體化管理功能。虛擬實驗中的虛擬實驗器件的通用型構建、虛擬實驗場景搭建的描述、虛擬器件參數的操作和修改、虛擬實驗仿真結果的表示和處理等是解決虛擬實驗問題的關鍵和難點。現有的虛擬實驗解決方案大都為單機版實現技術，缺乏統一的模型構建描述方式，部分網絡版的虛擬實驗解決方案，則存在接口和規范描述不靈活、不統一的問題，在對實際物理器件的表示、仿真和繪制方面缺乏統一的構建和描述方法，無法實現統一的、多課程環境下的虛擬實驗室的網絡化應用，而且現有虛擬實驗環境與真實操作環境差距較大，實驗操作人員在虛擬實驗環境下不能學習和掌握實際物理器件的操作和使用方法。

發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種建模速度快、使用方便、能夠有效解決虛擬實驗技術中的現實感問題、網絡環境下人-機交互以及通信、數據處理、仿真運算的虛擬實驗信息表示模型的構建方法。為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種虛擬實驗信息表示模型的構建方法，其包括以下步驟1)針對某一學科實驗所需要使用的實際物理器件，客戶端構建虛擬器件列表和虛擬實驗操作平臺；2)用戶根據實驗所需要使用的實際物理器件，在虛擬實驗操作平臺上的器件列表中選擇實驗用虛擬器件，客戶端提取所選取虛擬器件的關鍵詞， 獲取虛擬器件的信息描述，構建與實際物理器件對應的器件對象模型，然后將虛擬器件以圖形的形式添加到虛擬實驗操作平臺的界面上；3)用戶根據實驗要求，設置所構建的器件對象模型的物理屬性和顯示屬性，并連接器件對象模型的管腳，生成與連線對應的連線模型，器件對象模型與相應的連線模型搭建形成實驗場景；4)客戶端進行相關的仿真參數設置并設置對應的網絡傳輸接口，啟動仿真，將實驗場景發送到服務器端力)服務器端將實驗場景中的器件對象模型映射成相應的仿真器件對象模型，并轉換相應的連線模型，生成仿真場景；6)服務器端調用仿真模塊，對仿真場景進行解析和運算，根據仿真要求對仿真結果進行處理構建仿真結果模型，并將仿真結果模型回傳到客戶端；7)客戶端對接收到的仿真結果模型進行解析，并將數據在相應的測量用儀器儀表上進行圖形展示，用戶在測量用儀器儀表上查看實驗結果。所述步驟3)的具體過程包括①構建器件對象模型；②構建連線模型；③生成實驗場景。所述步驟5)的具體過程如下①構建仿真器件對象模型；②構建連線模型；③轉換生成仿真場景。本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明根據實際物理器件的特性和功能構建器件對象模型，根據采用的具體仿真算法構建仿真器件對象模型，有效地解決了互聯網環境下的實驗器件表示和仿真實現問題，實驗時根據需要，可以很方便地從虛擬實驗操作平臺的器件列表中選擇器件，并利用連線模型完成實驗場景和仿真場景搭建進而完成相關實驗。2、本發明通過將客戶端搭建的實驗場景(包含由器件對象模型和連線模型生成的實體對象參數信息)轉換成服務器端仿真場景(包含轉換后的仿真器件對象模型和連線模型生成的仿真對象參數信息)，服務器端啟動仿真模塊對仿真場景進行運算生成仿真結果模型對象，并回傳到客戶端，客戶端根據用戶對具體實驗器件(如示波器、電壓表等)的操作要求，對仿真結果進行處理，以符合器件規范的方式顯示(如示波器按電壓幅值和時基要求顯示圖形，萬用表按有效值顯示電壓或電流值等)，因此客戶端可以很方便實現實時、可視的人-機交互虛擬實驗。3、本發明提出一種分層次構建信息表示模型的方法， 面向應用層面的器件對象模型，封裝和實際物理器件相應的屬性參數和操作參數，面向仿真運算層面的仿真器件對象模型，結合仿真模塊的具體實現要求，封裝仿真器件參數，通過器件對象模型和仿真器件對象模型的映射與轉換，有效解決了數據接口不規范、不統一的問題。4、本發明采用統一的信息表示模型規范，當學科應用發生改變或選用仿真器件發生變化時，只需更改對應的器件對象模型和仿真器件對象模型的參數，即可構成面向新學科的虛擬實驗操作平臺，有效解決了跨學科和跨地域的虛擬實驗的網絡化應用，由此構建的虛擬實驗操作平臺，可以整合多學科的虛擬實驗教學環境，解決了各類實驗資源統一運營在虛擬實驗操作平臺上的跨學科統一實驗平臺的問題，有效地提高虛擬實驗技術在實踐教學上的應用效果。5、本發明由于根據實際物理器件構建器件對象模型，可以在器件對象模型中，包含器件圖形外觀、位置、尺寸和放置方向的描述參數，以及儀器儀表器件的操作參數，提供了具有真實感的快速圖形顯示、器件的可實時編輯的屬性約束和交互、以及虛擬儀器儀表器件操作描述等信息表示方法，不僅方便用戶選擇虛擬器件，減少對虛擬器件的學習和查找的時間，而且有效解決了虛擬器件的真實顯示、與真實實驗相似的交互式儀器操作等問題，由于屬性的交互式設置，可以避免真實實驗中誤操作等導致的器件損壞等問題， 減少實際物理器件的消耗。本發明可以廣泛應用于多學科的虛擬實驗中。


圖1是本發明虛擬實驗信息表示模型的構建方法流程示意圖；圖2是本發明實施例中器件列表使用狀態示意圖；圖3是本發明實施例中構建器件對象模型狀態示意圖；圖4是本發明實施例中生成實驗場景狀態示意圖；圖5 7是本發明實施例中示波器顯示的波形示意圖，同一個仿真結果數據，在不
4同的測量量程、時基設置下，顯示波形呈不同的效果。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。本發明以互聯網為依托，運用虛擬現實技術建立虛擬實驗室環境，提供可供操作的相關學科的虛擬實驗器件，使用戶在網絡環境下可以通過瀏覽器上人-機交互的虛擬實驗操作平臺界面完成相關實驗。如圖1所示，本發明以電工電子類實驗為實施例說明虛擬實驗中虛擬實驗信息表示模型的構建方法，其包括以下步驟1、針對電工電子類實驗所需要使用的實際物理器件，客戶端構建虛擬器件列表和虛擬實驗操作平臺。實際物理器件主要是指電工電子類實驗用器件和儀器儀表設備，根據具體應用的需要可以通過多個虛擬器件組合構建虛擬的器件列表。2、用戶根據實驗要求，在虛擬實驗操作平臺上的器件列表中選擇實驗用虛擬器件，客戶端提取所選取器件的關鍵詞，獲取器件的信息描述，構建與實際物理器件對應的器件對象模型，最后將虛擬器件以圖形的形式添加(復制)到虛擬實驗操作平臺的界面上。在進行實驗時，需要按照具體的實驗要求為實驗中的器件生成描述對象即構建器件對象模型。器件對象模型包含與顯示相關的參數信息，以及物理性能和與操作相關的參數信息，器件對象模型中封裝有圖形顯示、物理量、參數設置等內容，描述器件對象模型的參數主要包括器件.歸屬類別-表示基本器件、儀器儀表、電源等不同分類信息；器件.名稱-表示實際物理器件的名稱、顯示物理符號等信息；器件.id-表示構建器件對象模型后，實際物理器件對象的id標識，id為唯一值；器件.管腳數-表示實際物理器件的管腳數量；器件.管腳信息-表示管腳id標識、管腳物理特征信息、在器件顯示圖的相對位置等，該器件.管腳信息可以重復使用；器件.顯示信息-表示器件顯示的圖像信息、位置、尺寸、旋轉方向等；器件.參數屬性-表示器件對應物理參數信息、參數名稱、參數顯示提示、量綱單位、取值范圍、具體值等，該器件.參數屬性可以重復使用。本發明構建器件對象模型的具體過程為用戶從器件列表中將所要使用的器件拖拽(添加)到虛擬實驗操作平臺的界面上，按照實驗要求對器件的相關參數進行設置完成后即構建了一個器件對象模型。在虛擬實驗操作平臺上搭建實驗場景的過程中，客戶端添加一個虛擬器件，完成器件相關屬性設置后即構建了一個器件對象模型，每一個器件對象模型具有唯一的id標識。根據具體操作，修改器件對象模型中的屬性值和外觀顯示有關的信息，同時根據器件對象模型的屬性值上、下限的設置，約束客戶端對器件對象模型的修改，使其滿足實驗的需要。在實驗中，用戶對器件進行的修改，如變化位置、改變大小、修改參數屬性值時，都會在器件對象模型中進行相應的調整。3、用戶根據實驗要求，在客戶端設置所構建的器件對象模型的物理屬性，并連接器件對象模型的管腳，生成與連線對應的連線模型，實驗場景由器件對象模型與連線模型搭建構成。1)構建連線模型用戶可以根據實驗要求，選擇器件對象模型的管腳，將其連接到相對應的管腳 (如其它虛擬器件對象模型的管腳，或本器件的其它管腳位置)，客戶端構建相應的連線模型。連線模型表示器件對象模型之間的連接關系，其參數主要包括連線.id-表示連線id標識，id為唯一值；連線.接出器件id-表示接出器件的id標識；連線.接出器件管腳id-表示接出器件管腳的id標識；連線.接入器件id-表示接入器件的id標識；連線.接入器件管腳id-表示接入器件管腳的id標識；連線.連線顏色-表示設置的連線顏色。2)生成實驗場景器件對象模型和連線模型即構成實驗場景。通過虛擬實驗，用戶可以設置器件對象模型的物理屬性，了解和掌握與器件對象模型相對應的實際物理器件的使用和相應特性，如電阻色環隨阻值大小的變化、數字示波器的操作、信號發生器的使用等。客戶端可以按照需要，變動器件對象模型的放置位置、放置方向、尺寸大小、修改連線模型的顏色等，提高虛擬實驗的可視性。客戶端可以捕獲用戶在虛擬實驗操作平臺上的各種操作，包括實驗場景的存取操作，器件對象模型的縮放操作，拖拽操作，管腳間連線的刪改操作，器件物理屬性的修改操作等。4、客戶端進行相關的仿真參數設置并設置對應的網絡傳輸接口后，啟動仿真，將實驗場景發送到服務器端。客戶端支持用戶根據實驗要求對仿真參數進行設置，包括設置仿真時間、仿真步長、仿真數據處理結果的返回要求等。5、服務器端將實驗場景中的器件對象模型映射成相應的仿真器件對象模型，并轉換相應的連線模型，生成仿真場景。1)構建仿真器件對象模型仿真器件對象模型是用于描述和仿真模塊緊密聯系的，具有仿真意義的器件特性，封裝了仿真器件的物理參數、管腳信息等內容，描述仿真器件對象模型的參數主要包括仿真器件.名稱-表示仿真器件的名稱、顯示物理符號等信息；仿真器件.id-表示創建器件后，器件對象模型的id標識，為唯一值；仿真器件.回傳標識-表示器件的物理屬性測量值是否回傳；仿真器件.管腳-包括管腳相應信息，可重復；仿真器件.管腳.名稱-表示管腳名稱，為唯一值；仿真器件.管腳.類型-表示管腳的物理特征意義；仿真器件.參數，可重復；仿真器件.參數.id-表示屬性id標識，為唯一值；仿真器件.參數.物理符號-表示屬性物理符號；
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仿真器件.參數.值-表示屬性物理值；仿真器件.參數.量綱單位-表示屬性物理量綱單位信息；仿真器件.參數.最大值-表示屬性上限，即可以選取的最大值；仿真器件.參數.最小值-表示屬性下限，即可以選取的最小值；仿真器件.參數.回傳標識-表示屬性值是否需要輸出；仿真器件.模型位置-表示仿真對象模型在仿真模塊包中的信息。按實驗場景中的器件對象模型映射并構建仿真器件對象模型。器件對象模型和仿真器件對象模型反映了相同的物理特征量，但由于面向應用層次的不同，兩者不是一一對應的關系。器件對象模型包括了器件的外觀信息等重要內容，相應的物理屬性也體現出實際物理器件的物理特征量。而仿真器件對象模型面向仿真運算模塊，主要包括在仿真模塊建模實現時所需要的物理特征量，但是兩者之間有明確的映射轉換方式。仿真器件可能和實際物理器件沒有直接的對應關系，例如選擇采用Modelica電路仿真模塊，在電工電子類實驗中常用的雙蹤示波器儀器，就不存在對應的仿真器件。可以采用的處理方法是，器件對象模型向仿真器件對象模型轉換時，將雙蹤示波器轉換成兩個電壓傳感器；反過來，仿真器件對象模型向器件對象模型轉換時，將兩個電壓傳感器輸出的電壓值轉換成示波器所需的兩路信號。2)構建連線模型在仿真場景的搭建中，同樣要使用連線模型描述仿真器件對象模型間的連接關系，在仿真場景搭建中，與實驗場景搭建類似，連線模型描述需要反映出連線id、接出器件 id、接出器件管腳id、接入器件id、接入器件管腳id。3)轉換生成仿真場景在實驗場景和仿真場景的轉換過程中，器件對象模型和仿真器件對象模型的不一致性，導致實驗場景和仿真場景的不一致性。例如雙蹤示波器器件在仿真模型的器件中表示為兩個電壓傳感器；信號發生器在仿真模器件中，可以按客戶端選擇類型，分別轉換成方波信號源、鋸齒波信號源、正弦波信號源等。因而在仿真場景搭建中，需要完成器件對象模型到仿真器件對象模型的映射，也要進一步實現連線模型的映射，以完成仿真器件管腳間連線的轉換。仿真場景包含仿真器件對象模型、連線模型和仿真參數信息。描述了仿真器件的屬性和連接關系，同時為保證能實現正常的仿真，最小化執行結果，需要設置相關的仿真參數信息，包括仿真步長、仿真時間、是否返回信息、仿真啟動時間、停止時間、仿真結果點數設置等。6、服務器端調用仿真模塊，對仿真場景進行解析和運算，根據仿真要求對仿真結果進行處理，構建仿真結果模型，并將仿真結果模型回傳到客戶端。服務器端實現實驗場景和仿真場景的相互轉換，調用仿真模塊運算后，構建仿真結果模型并回傳到客戶端，客戶端接收數據并進行解析顯示。如依據“數字示波器”的關鍵詞，在仿真結果模型中提取相應的信息，按器件對象模型的相關操作參數要求，實現相應的圖形展示。仿真結果模型描述了測量用器件對象模型對應的仿真運算結果。如采用Modelica 仿真模塊進行仿真運算，所有的仿真器件對象模型都可以輸出仿真結果。但針對電工電子類虛擬實驗而言，一般通過使用示波器、萬用表等測量用儀器儀表獲取測量結果信息，因而在虛擬實驗中，構建仿真結果模型時，只需包含相應測量用器件對象模型對應的仿真結果集，仿真結果模型主要參數包含仿真-可重復，表示器件對象模型名稱(為實驗場景中測量用器件對象模型)；仿真.值-可重復，包含時間點和仿真值二維數值。通過構建仿真結果模型，極大地降低了仿真結果數據量，也減少了網絡傳輸的負擔，有效保證了虛擬實驗的實時性要求。7、客戶端對接收的仿真結果模型進行解析，并將數據在相應的測量用儀器儀表上進行圖形展示，用戶可依此查看實驗結果。通過計算仿真結果模型中仿真器件模型對應的仿真值對的時間點變化，可以計算出仿真結果最大值和最小值、周期等。按照器件對象模型的操作參數要求，進行對應的圖形化顯示。如萬用表顯示相應的直流電壓或直流電流值、交流電壓或交流電流的有效值，數字示波器根據幅值和時基的要求，顯示對應的波形。如圖2 7所示，本發明將通過電工電子學科電路分析課程中的虛擬電路實驗為實施例，進一步說明構建虛擬實驗信息表示模型的方法，具體過程如下①客戶端根據具體的電路圖，構建虛擬器件列表和虛擬實驗操作平臺。②客戶端根據用戶選擇的器件，構建器件對象模型，并將虛擬器件添加到虛擬實驗操作平臺界面上(如圖2所示)。客戶端對于電工電子學科RLC串聯諧振電路實驗，從器件列表中選取“電阻”、“電容”、“數字萬用表”、“函數發生器”、“數字示波器”等器件，并根據實驗要求對相關器件的屬性進行設置，構建對應的器件對象模型(如圖3所示)。③利用器件對象模型和連線模型搭建實驗場景。對“電阻”、“電容”、“數字萬用表”、“函數發生器”、“數字示波器”等器件對象模型的屬性進行設置(如改變位置、設置器件物理屬性信息)，即改變器件對象模型中的信息， 并利用連線模型描述器件對象模型管腳間的連接關系，搭建出實驗場景(如圖4所示)。在搭建實驗場景的過程中，客戶端根據虛擬器件的位置、角度和大小設置相應的器件對象模型的參數信息，如果電路圖中虛擬器件間的連線數量較多時，用戶還可以調整連線的顏色，以提高虛擬器件連接的可視化效果。④客戶端根據用戶選擇的操作，將搭建完成的實驗場景發送到服務器端。⑤服務器端完成實驗場景到仿真場景的轉換，調用仿真模塊進行仿真計算，將仿真結果數據構建仿真結果模型，并將其回傳到客戶端，客戶端對接收到的仿真結果數據進行解析，實現可視化的圖形顯示，如數字示波器可以對同一個仿真結果數據，在不同的測量量程、時基設置下，顯示出不同的波形圖(如圖5 7所示)。上述各實施例僅用于說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和實施方式等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護范圍之外。
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權利要求
1.一種虛擬實驗信息表示模型的構建方法，其包括以下步驟1)針對某一學科實驗所需要使用的實際物理器件，客戶端構建虛擬器件列表和虛擬實驗操作平臺；2)用戶根據實驗所需要使用的實際物理器件，在虛擬實驗操作平臺上的器件列表中選擇實驗用虛擬器件，客戶端提取所選取虛擬器件的關鍵詞，獲取虛擬器件的信息描述，構建與實際物理器件對應的器件對象模型，然后將虛擬器件以圖形的形式添加到虛擬實驗操作平臺的界面上；3)用戶根據實驗要求，設置所構建的器件對象模型的物理屬性和顯示屬性，并連接器件對象模型的管腳，生成與連線對應的連線模型，器件對象模型與相應的連線模型搭建形成實驗場景；4)客戶端進行相關的仿真參數設置并設置對應的網絡傳輸接口，啟動仿真，將實驗場景發送到服務器端；5)服務器端將實驗場景中的器件對象模型映射成相應的仿真器件對象模型，并轉換相應的連線模型，生成仿真場景；6)服務器端調用仿真模塊，對仿真場景進行解析和運算，根據仿真要求對仿真結果進行處理構建仿真結果模型，并將仿真結果模型回傳到客戶端；7)客戶端對接收到的仿真結果模型進行解析，并將數據在相應的測量用儀器儀表上進行圖形展示，用戶在測量用儀器儀表上查看實驗結果。
2.如權利要求1所述的一種虛擬實驗信息表示模型的構建方法，其特征在于所述步驟3)的具體過程包括①構建器件對象模型；②構建連線模型；③生成實驗場景。
3.如權利要求1或2所述的一種虛擬實驗信息表示模型的構建方法，其特征在于所述步驟5)的具體過程如下①構建仿真器件對象模型；②構建連線模型；③轉換生成仿真場景。
全文摘要
本發明涉及一種虛擬實驗信息表示模型的構建方法，其包括以下步驟1)客戶端構建虛擬器件列表和虛擬實驗操作平臺；2)構建與實際物理器件對應的器件對象模型，然后將虛擬器件以圖形的形式添加到虛擬實驗操作平臺的界面上；3)設置所構建的器件對象模型的物理屬性和顯示屬性，并連接器件對象模型的管腳，生成與連線對應的連線模型，器件對象模型與相應的連線模型搭建形成實驗場景；4)啟動仿真，將實驗場景發送到服務器端；5)服務器端將實驗場景中的器件對象模型映射成相應的仿真器件對象模型，生成仿真場景；6)服務器端調用仿真模塊，對仿真場景進行解析和運算，并將仿真結果模型回傳到客戶端；7)客戶端對接收到的仿真結果模型進行解析，并將數據進行圖形展示。本發明可以廣泛應用于多學科的虛擬實驗中。
文檔編號G09B9/00GK102509485SQ201110366628
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者劉元盛, 姜余祥, 張姝, 張敬尊, 李金平, 沈輝, 王郁昕, 鮑泓, 黃靜華 申請人:北京聯合大學