基于VRP技術的虛擬物理實驗的設計與實現

楊延杰

摘 要 隨著科技的發展和社會的不斷進步，虛擬現實技術逐漸進入了我們的生活和學習之中。本文主要將虛擬現實技術和大學枯燥的物理實驗相結合，通過三維建模軟件進行各種物理儀器的構建，利用圖像處理軟件對紋理材質進行優化操作，然后導入虛擬交互平臺中實現物理實驗的交互功能，希望能通過這個平臺來幫助學生更好的了解掌握部分物理實驗。

關鍵詞 虛擬現實 VRP 物理實驗

傳統的物理實驗儀器是以硬件為基礎，儀器的功能非常有限，而且由于使用次數的增多和使用方法不當，會對儀器造成一定的損耗，使得測量結果和理論結果出現很大的誤差。近幾年，隨著虛擬現實技術的迅速發展，越來越多的應用領域都受到其帶來的深刻影響。本文以3d Max和VRP為基礎設計開發的虛擬物理實驗，不僅可以使物理實驗教學變得生動，而且可以讓學生對物理實驗的學習充滿積極性和趣味性。虛擬實驗對設備的損耗幾乎沒有，而且不用受到時間和場地的限制。

1三維模型動畫導入到VRP編輯器

在3d max建造模型以及一定的剛體動畫后，將其導入到VRP編輯器中，在3d max2009中，單擊右側的屬性欄“工具”選項卡中的“VRPlatform”按鈕，向下拖動面板，勾選“全部”確保所有的動畫以及貼圖能正常的導入，然后單擊“調入VRP編輯器”按鈕，在彈出的窗口中單擊“保存場景”按鈕將其導入VRP編輯器中， 若不確定導出場景效果， 可以先單擊“快速預覽”按鈕確認效果無誤后， 再調入VRP中， 并保存該場景。如圖1。

2模型位置的調整

通過合理的操作將實驗涉及到的物理儀器調節到合適的位置，由于物理儀器的模型大多很散而且VRP本身框選困難，建議在頁面左側的三維模型欄目中將對應物理儀器的名稱改為容易區分的物理儀器的專業名稱，方便多選或者對每個儀器進行成集處理，這樣為這個場景的后續操作帶來了極大的方便。以光電效應的實驗為例，位置調整如圖1。

3貼圖調整

以演示廳的物理學家照片的演示圖版為例，選擇待貼圖的模型，在右側的材質庫中設置待貼模型的第一層貼圖，設置UV通道和過濾模式，以及結合透明和色彩調控實現展板類物體的貼圖展示，如圖2。

4相機調整與交互設計

VRP中相機的類型有6種，包括行走相機、飛行相機、繞物旋轉相機、定點觀察相機、角色控制相機和動畫相機，該系統中主要用到了定點觀察相機，繞物旋轉相機以及角色控制相機，定點觀察相機用來聚焦觀察整個的物理實驗，繞物旋轉相機主要負責整個場景的整體觀察，角色控制相機則主要負責控制人物的漫游，通過骨骼動畫人物和角色控制相機的結合，實現完美的漫游第一體驗。

項目中的主要交互有鼠標點擊交互、范圍觸發器交互、以及文字顯示等VRP腳本，這些主要通過設計交互的按鈕來實現，不僅能告訴界面使用者如何實現漫游效果，同時還能表達出該漫游動畫實現的特色與眾不同之處。這里以選擇對應實驗實現預加載部分為例，實現腳本如圖3所示。該部分主要是運于全體變量的定義，動畫音樂的加載以及定時器等關鍵工具的創建。

5結論

此虛擬物理演示廳的制作中，以成熟化的3d Max模型為對象，借助VRP軟件平臺，描繪了整個物理實驗室包括儀器、基礎設施以及整個環境，不僅展現了物理演示大廳的全貌，同時也為學生的專業學習做了典范性示范。通過本套系統的自主實驗操作，不僅可以激發學生對物理實驗學習的興趣與積極主動性而且改變了學生由被動的知識接受者轉變為主動的建構知識者。因此本套系為統為提高學生的動手能力和創新意識都提供了一個很好的途徑。

（通訊作者：李冰）

參考文獻

[1] 李美娜.初中物理力學虛擬實驗系統的設計與實現[D].吉林：東北師范大學，2011.

[2] 冀巧玲.基于VR-Platform的中學物理虛擬實驗的設計與開發[D].濟南：山東師范大學，2011.

[3] 李琨.虛擬實驗室在中學物理實驗中的應用[J]中國教育技術裝備，2012.