专利名称：一种虚拟实验信息表示模型的构建方法
技术领域：
本发明涉及一种信息表示模型的构建方法，特别是关于一种以互联网为依托，运用虚拟现实技术建立虚拟教学实验环境的虚拟实验信息表示模型的构建方法。
背景技术：
虚拟现实技术(Virtual Reality)是一项正在发展的且具有深远潜在应用方向的新技术，它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术。目前虚拟现实技术主要应用在工业、制造业和旅游业等特定领域，平民化应用的距离尚远。虚拟实验以互联网为依托，运用虚拟现实技术建立虚拟实验室环境，提供可操作的虚拟实验仪器，使用户在网络环境下可以通过浏览器的人-机交互虚拟实验操作平台完成相关实验，同时提供了网络实验教学的一体化管理功能。虚拟实验中的虚拟实验器件的通用型构建、虚拟实验场景搭建的描述、虚拟器件参数的操作和修改、虚拟实验仿真结果的表示和处理等是解决虚拟实验问题的关键和难点。现有的虚拟实验解决方案大都为单机版实现技术，缺乏统一的模型构建描述方式，部分网络版的虚拟实验解决方案，则存在接口和规范描述不灵活、不统一的问题，在对实际物理器件的表示、仿真和绘制方面缺乏统一的构建和描述方法，无法实现统一的、多课程环境下的虚拟实验室的网络化应用，而且现有虚拟实验环境与真实操作环境差距较大，实验操作人员在虚拟实验环境下不能学习和掌握实际物理器件的操作和使用方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种建模速度快、使用方便、能够有效解决虚拟实验技术中的现实感问题、网络环境下人-机交互以及通信、数据处理、仿真运算的虚拟实验信息表示模型的构建方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种虚拟实验信息表示模型的构建方法，其包括以下步骤1)针对某一学科实验所需要使用的实际物理器件，客户端构建虚拟器件列表和虚拟实验操作平台；2)用户根据实验所需要使用的实际物理器件，在虚拟实验操作平台上的器件列表中选择实验用虚拟器件，客户端提取所选取虚拟器件的关键词， 获取虚拟器件的信息描述，构建与实际物理器件对应的器件对象模型，然后将虚拟器件以图形的形式添加到虚拟实验操作平台的界面上；3)用户根据实验要求，设置所构建的器件对象模型的物理属性和显示属性，并连接器件对象模型的管脚，生成与连线对应的连线模型，器件对象模型与相应的连线模型搭建形成实验场景；4)客户端进行相关的仿真参数设置并设置对应的网络传输接口，启动仿真，将实验场景发送到服务器端力)服务器端将实验场景中的器件对象模型映射成相应的仿真器件对象模型，并转换相应的连线模型，生成仿真场景；6)服务器端调用仿真模块，对仿真场景进行解析和运算，根据仿真要求对仿真结果进行处理构建仿真结果模型，并将仿真结果模型回传到客户端；7)客户端对接收到的仿真结果模型进行解析，并将数据在相应的测量用仪器仪表上进行图形展示，用户在测量用仪器仪表上查看实验结果。所述步骤3)的具体过程包括①构建器件对象模型；②构建连线模型；③生成实验场景。所述步骤5)的具体过程如下①构建仿真器件对象模型；②构建连线模型；③转换生成仿真场景。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明根据实际物理器件的特性和功能构建器件对象模型，根据采用的具体仿真算法构建仿真器件对象模型，有效地解决了互联网环境下的实验器件表示和仿真实现问题，实验时根据需要，可以很方便地从虚拟实验操作平台的器件列表中选择器件，并利用连线模型完成实验场景和仿真场景搭建进而完成相关实验。2、本发明通过将客户端搭建的实验场景(包含由器件对象模型和连线模型生成的实体对象参数信息)转换成服务器端仿真场景(包含转换后的仿真器件对象模型和连线模型生成的仿真对象参数信息)，服务器端启动仿真模块对仿真场景进行运算生成仿真结果模型对象，并回传到客户端，客户端根据用户对具体实验器件(如示波器、电压表等)的操作要求，对仿真结果进行处理，以符合器件规范的方式显示(如示波器按电压幅值和时基要求显示图形，万用表按有效值显示电压或电流值等)，因此客户端可以很方便实现实时、可视的人-机交互虚拟实验。3、本发明提出一种分层次构建信息表示模型的方法， 面向应用层面的器件对象模型，封装和实际物理器件相应的属性参数和操作参数，面向仿真运算层面的仿真器件对象模型，结合仿真模块的具体实现要求，封装仿真器件参数，通过器件对象模型和仿真器件对象模型的映射与转换，有效解决了数据接口不规范、不统一的问题。4、本发明采用统一的信息表示模型规范，当学科应用发生改变或选用仿真器件发生变化时，只需更改对应的器件对象模型和仿真器件对象模型的参数，即可构成面向新学科的虚拟实验操作平台，有效解决了跨学科和跨地域的虚拟实验的网络化应用，由此构建的虚拟实验操作平台，可以整合多学科的虚拟实验教学环境，解决了各类实验资源统一运营在虚拟实验操作平台上的跨学科统一实验平台的问题，有效地提高虚拟实验技术在实践教学上的应用效果。5、本发明由于根据实际物理器件构建器件对象模型，可以在器件对象模型中，包含器件图形外观、位置、尺寸和放置方向的描述参数，以及仪器仪表器件的操作参数，提供了具有真实感的快速图形显示、器件的可实时编辑的属性约束和交互、以及虚拟仪器仪表器件操作描述等信息表示方法，不仅方便用户选择虚拟器件，减少对虚拟器件的学习和查找的时间，而且有效解决了虚拟器件的真实显示、与真实实验相似的交互式仪器操作等问题，由于属性的交互式设置，可以避免真实实验中误操作等导致的器件损坏等问题， 减少实际物理器件的消耗。本发明可以广泛应用于多学科的虚拟实验中。
图1是本发明虚拟实验信息表示模型的构建方法流程示意图；图2是本发明实施例中器件列表使用状态示意图；图3是本发明实施例中构建器件对象模型状态示意图；图4是本发明实施例中生成实验场景状态示意图；图5 7是本发明实施例中示波器显示的波形示意图，同一个仿真结果数据，在不
4同的测量量程、时基设置下，显示波形呈不同的效果。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明以互联网为依托，运用虚拟现实技术建立虚拟实验室环境，提供可供操作的相关学科的虚拟实验器件，使用户在网络环境下可以通过浏览器上人-机交互的虚拟实验操作平台界面完成相关实验。如图1所示，本发明以电工电子类实验为实施例说明虚拟实验中虚拟实验信息表示模型的构建方法，其包括以下步骤1、针对电工电子类实验所需要使用的实际物理器件，客户端构建虚拟器件列表和虚拟实验操作平台。实际物理器件主要是指电工电子类实验用器件和仪器仪表设备，根据具体应用的需要可以通过多个虚拟器件组合构建虚拟的器件列表。2、用户根据实验要求，在虚拟实验操作平台上的器件列表中选择实验用虚拟器件，客户端提取所选取器件的关键词，获取器件的信息描述，构建与实际物理器件对应的器件对象模型，最后将虚拟器件以图形的形式添加(复制)到虚拟实验操作平台的界面上。在进行实验时，需要按照具体的实验要求为实验中的器件生成描述对象即构建器件对象模型。器件对象模型包含与显示相关的参数信息，以及物理性能和与操作相关的参数信息，器件对象模型中封装有图形显示、物理量、参数设置等内容，描述器件对象模型的参数主要包括器件.归属类别-表示基本器件、仪器仪表、电源等不同分类信息；器件.名称-表示实际物理器件的名称、显示物理符号等信息；器件.id-表示构建器件对象模型后，实际物理器件对象的id标识，id为唯一值；器件.管脚数-表示实际物理器件的管脚数量；器件.管脚信息-表示管脚id标识、管脚物理特征信息、在器件显示图的相对位置等，该器件.管脚信息可以重复使用；器件.显示信息-表示器件显示的图像信息、位置、尺寸、旋转方向等；器件.参数属性-表示器件对应物理参数信息、参数名称、参数显示提示、量纲单位、取值范围、具体值等，该器件.参数属性可以重复使用。本发明构建器件对象模型的具体过程为用户从器件列表中将所要使用的器件拖拽(添加)到虚拟实验操作平台的界面上，按照实验要求对器件的相关参数进行设置完成后即构建了一个器件对象模型。在虚拟实验操作平台上搭建实验场景的过程中，客户端添加一个虚拟器件，完成器件相关属性设置后即构建了一个器件对象模型，每一个器件对象模型具有唯一的id标识。根据具体操作，修改器件对象模型中的属性值和外观显示有关的信息，同时根据器件对象模型的属性值上、下限的设置，约束客户端对器件对象模型的修改，使其满足实验的需要。在实验中，用户对器件进行的修改，如变化位置、改变大小、修改参数属性值时，都会在器件对象模型中进行相应的调整。3、用户根据实验要求，在客户端设置所构建的器件对象模型的物理属性，并连接器件对象模型的管脚，生成与连线对应的连线模型，实验场景由器件对象模型与连线模型搭建构成。1)构建连线模型用户可以根据实验要求，选择器件对象模型的管脚，将其连接到相对应的管脚 (如其它虚拟器件对象模型的管脚，或本器件的其它管脚位置)，客户端构建相应的连线模型。连线模型表示器件对象模型之间的连接关系，其参数主要包括连线.id-表示连线id标识，id为唯一值；连线.接出器件id-表示接出器件的id标识；连线.接出器件管脚id-表示接出器件管脚的id标识；连线.接入器件id-表示接入器件的id标识；连线.接入器件管脚id-表示接入器件管脚的id标识；连线.连线颜色-表示设置的连线颜色。2)生成实验场景器件对象模型和连线模型即构成实验场景。通过虚拟实验，用户可以设置器件对象模型的物理属性，了解和掌握与器件对象模型相对应的实际物理器件的使用和相应特性，如电阻色环随阻值大小的变化、数字示波器的操作、信号发生器的使用等。客户端可以按照需要，变动器件对象模型的放置位置、放置方向、尺寸大小、修改连线模型的颜色等，提高虚拟实验的可视性。客户端可以捕获用户在虚拟实验操作平台上的各种操作，包括实验场景的存取操作，器件对象模型的缩放操作，拖拽操作，管脚间连线的删改操作，器件物理属性的修改操作等。4、客户端进行相关的仿真参数设置并设置对应的网络传输接口后，启动仿真，将实验场景发送到服务器端。客户端支持用户根据实验要求对仿真参数进行设置，包括设置仿真时间、仿真步长、仿真数据处理结果的返回要求等。5、服务器端将实验场景中的器件对象模型映射成相应的仿真器件对象模型，并转换相应的连线模型，生成仿真场景。1)构建仿真器件对象模型仿真器件对象模型是用于描述和仿真模块紧密联系的，具有仿真意义的器件特性，封装了仿真器件的物理参数、管脚信息等内容，描述仿真器件对象模型的参数主要包括仿真器件.名称-表示仿真器件的名称、显示物理符号等信息；仿真器件.id-表示创建器件后，器件对象模型的id标识，为唯一值；仿真器件.回传标识-表示器件的物理属性测量值是否回传；仿真器件.管脚-包括管脚相应信息，可重复；仿真器件.管脚.名称-表示管脚名称，为唯一值；仿真器件.管脚.类型-表示管脚的物理特征意义；仿真器件.参数，可重复；仿真器件.参数.id-表示属性id标识，为唯一值；仿真器件.参数.物理符号-表示属性物理符号；
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仿真器件.参数.值-表示属性物理值；仿真器件.参数.量纲单位-表示属性物理量纲单位信息；仿真器件.参数.最大值-表示属性上限，即可以选取的最大值；仿真器件.参数.最小值-表示属性下限，即可以选取的最小值；仿真器件.参数.回传标识-表示属性值是否需要输出；仿真器件.模型位置-表示仿真对象模型在仿真模块包中的信息。按实验场景中的器件对象模型映射并构建仿真器件对象模型。器件对象模型和仿真器件对象模型反映了相同的物理特征量，但由于面向应用层次的不同，两者不是一一对应的关系。器件对象模型包括了器件的外观信息等重要内容，相应的物理属性也体现出实际物理器件的物理特征量。而仿真器件对象模型面向仿真运算模块，主要包括在仿真模块建模实现时所需要的物理特征量，但是两者之间有明确的映射转换方式。仿真器件可能和实际物理器件没有直接的对应关系，例如选择采用Modelica电路仿真模块，在电工电子类实验中常用的双踪示波器仪器，就不存在对应的仿真器件。可以采用的处理方法是，器件对象模型向仿真器件对象模型转换时，将双踪示波器转换成两个电压传感器；反过来，仿真器件对象模型向器件对象模型转换时，将两个电压传感器输出的电压值转换成示波器所需的两路信号。2)构建连线模型在仿真场景的搭建中，同样要使用连线模型描述仿真器件对象模型间的连接关系，在仿真场景搭建中，与实验场景搭建类似，连线模型描述需要反映出连线id、接出器件 id、接出器件管脚id、接入器件id、接入器件管脚id。3)转换生成仿真场景在实验场景和仿真场景的转换过程中，器件对象模型和仿真器件对象模型的不一致性，导致实验场景和仿真场景的不一致性。例如双踪示波器器件在仿真模型的器件中表示为两个电压传感器；信号发生器在仿真模器件中，可以按客户端选择类型，分别转换成方波信号源、锯齿波信号源、正弦波信号源等。因而在仿真场景搭建中，需要完成器件对象模型到仿真器件对象模型的映射，也要进一步实现连线模型的映射，以完成仿真器件管脚间连线的转换。仿真场景包含仿真器件对象模型、连线模型和仿真参数信息。描述了仿真器件的属性和连接关系，同时为保证能实现正常的仿真，最小化执行结果，需要设置相关的仿真参数信息，包括仿真步长、仿真时间、是否返回信息、仿真启动时间、停止时间、仿真结果点数设置等。6、服务器端调用仿真模块，对仿真场景进行解析和运算，根据仿真要求对仿真结果进行处理，构建仿真结果模型，并将仿真结果模型回传到客户端。服务器端实现实验场景和仿真场景的相互转换，调用仿真模块运算后，构建仿真结果模型并回传到客户端，客户端接收数据并进行解析显示。如依据“数字示波器”的关键词，在仿真结果模型中提取相应的信息，按器件对象模型的相关操作参数要求，实现相应的图形展示。仿真结果模型描述了测量用器件对象模型对应的仿真运算结果。如采用Modelica 仿真模块进行仿真运算，所有的仿真器件对象模型都可以输出仿真结果。但针对电工电子类虚拟实验而言，一般通过使用示波器、万用表等测量用仪器仪表获取测量结果信息，因而在虚拟实验中，构建仿真结果模型时，只需包含相应测量用器件对象模型对应的仿真结果集，仿真结果模型主要参数包含仿真-可重复，表示器件对象模型名称(为实验场景中测量用器件对象模型)；仿真.值-可重复，包含时间点和仿真值二维数值。通过构建仿真结果模型，极大地降低了仿真结果数据量，也减少了网络传输的负担，有效保证了虚拟实验的实时性要求。7、客户端对接收的仿真结果模型进行解析，并将数据在相应的测量用仪器仪表上进行图形展示，用户可依此查看实验结果。通过计算仿真结果模型中仿真器件模型对应的仿真值对的时间点变化，可以计算出仿真结果最大值和最小值、周期等。按照器件对象模型的操作参数要求，进行对应的图形化显示。如万用表显示相应的直流电压或直流电流值、交流电压或交流电流的有效值，数字示波器根据幅值和时基的要求，显示对应的波形。如图2 7所示，本发明将通过电工电子学科电路分析课程中的虚拟电路实验为实施例，进一步说明构建虚拟实验信息表示模型的方法，具体过程如下①客户端根据具体的电路图，构建虚拟器件列表和虚拟实验操作平台。②客户端根据用户选择的器件，构建器件对象模型，并将虚拟器件添加到虚拟实验操作平台界面上(如图2所示)。客户端对于电工电子学科RLC串联谐振电路实验，从器件列表中选取“电阻”、“电容”、“数字万用表”、“函数发生器”、“数字示波器”等器件，并根据实验要求对相关器件的属性进行设置，构建对应的器件对象模型(如图3所示)。③利用器件对象模型和连线模型搭建实验场景。对“电阻”、“电容”、“数字万用表”、“函数发生器”、“数字示波器”等器件对象模型的属性进行设置(如改变位置、设置器件物理属性信息)，即改变器件对象模型中的信息， 并利用连线模型描述器件对象模型管脚间的连接关系，搭建出实验场景(如图4所示)。在搭建实验场景的过程中，客户端根据虚拟器件的位置、角度和大小设置相应的器件对象模型的参数信息，如果电路图中虚拟器件间的连线数量较多时，用户还可以调整连线的颜色，以提高虚拟器件连接的可视化效果。④客户端根据用户选择的操作，将搭建完成的实验场景发送到服务器端。⑤服务器端完成实验场景到仿真场景的转换，调用仿真模块进行仿真计算，将仿真结果数据构建仿真结果模型，并将其回传到客户端，客户端对接收到的仿真结果数据进行解析，实现可视化的图形显示，如数字示波器可以对同一个仿真结果数据，在不同的测量量程、时基设置下，显示出不同的波形图(如图5 7所示)。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和实施方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
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权利要求
1.一种虚拟实验信息表示模型的构建方法，其包括以下步骤1)针对某一学科实验所需要使用的实际物理器件，客户端构建虚拟器件列表和虚拟实验操作平台；2)用户根据实验所需要使用的实际物理器件，在虚拟实验操作平台上的器件列表中选择实验用虚拟器件，客户端提取所选取虚拟器件的关键词，获取虚拟器件的信息描述，构建与实际物理器件对应的器件对象模型，然后将虚拟器件以图形的形式添加到虚拟实验操作平台的界面上；3)用户根据实验要求，设置所构建的器件对象模型的物理属性和显示属性，并连接器件对象模型的管脚，生成与连线对应的连线模型，器件对象模型与相应的连线模型搭建形成实验场景；4)客户端进行相关的仿真参数设置并设置对应的网络传输接口，启动仿真，将实验场景发送到服务器端；5)服务器端将实验场景中的器件对象模型映射成相应的仿真器件对象模型，并转换相应的连线模型，生成仿真场景；6)服务器端调用仿真模块，对仿真场景进行解析和运算，根据仿真要求对仿真结果进行处理构建仿真结果模型，并将仿真结果模型回传到客户端；7)客户端对接收到的仿真结果模型进行解析，并将数据在相应的测量用仪器仪表上进行图形展示，用户在测量用仪器仪表上查看实验结果。
2.如权利要求1所述的一种虚拟实验信息表示模型的构建方法，其特征在于所述步骤3)的具体过程包括①构建器件对象模型；②构建连线模型；③生成实验场景。
3.如权利要求1或2所述的一种虚拟实验信息表示模型的构建方法，其特征在于所述步骤5)的具体过程如下①构建仿真器件对象模型；②构建连线模型；③转换生成仿真场景。
全文摘要
本发明涉及一种虚拟实验信息表示模型的构建方法，其包括以下步骤1)客户端构建虚拟器件列表和虚拟实验操作平台；2)构建与实际物理器件对应的器件对象模型，然后将虚拟器件以图形的形式添加到虚拟实验操作平台的界面上；3)设置所构建的器件对象模型的物理属性和显示属性，并连接器件对象模型的管脚，生成与连线对应的连线模型，器件对象模型与相应的连线模型搭建形成实验场景；4)启动仿真，将实验场景发送到服务器端；5)服务器端将实验场景中的器件对象模型映射成相应的仿真器件对象模型，生成仿真场景；6)服务器端调用仿真模块，对仿真场景进行解析和运算，并将仿真结果模型回传到客户端；7)客户端对接收到的仿真结果模型进行解析，并将数据进行图形展示。本发明可以广泛应用于多学科的虚拟实验中。
文档编号G09B9/00GK102509485SQ201110366628
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者刘元盛, 姜余祥, 张姝, 张敬尊, 李金平, 沈辉, 王郁昕, 鲍泓, 黄静华 申请人:北京联合大学