虛擬計算機硬件實驗平臺設計

邊紅軍

(陜西財經職業技術學院 國有資產管理處, 咸陽 712000)

0 引言

受到資源及教學經費等的限制，目前高校硬件教學課堂普遍存在著實驗同理論教學分離、教學方式單一及實驗教學設備不足等問題，為彌補傳統實驗教學的不足，虛擬實驗平臺成為研究的重點之一，采用計算機技術仿真處理現實中的部分實驗或操作，通過虛擬計算機實驗平臺完成高難度及成本的操作或實驗，通過虛擬平臺的開發和應用，可使學生在學習完理論知識的基礎上掌握更多的實驗知識，設計和開發虛擬實驗平臺使教師能夠不受時間地點限制運用教學演示完成實際的實驗操作，更好的滿足硬件課程的教學需求。

1 虛擬計算機硬件實驗平臺現狀分析

目前高校的硬件課程教學大多同實驗教學難以結合起來，偏向以單一理論教學為主的課堂教學，并且受到實驗經費的限制，實驗設備短缺老化等難以和理論教學同步更新，以更好掌握理論知識為目的的實驗教學無論質量還是數量都難以滿足實際需求，阻礙了人才的培養。虛擬實驗平臺的設計和應用能夠有效解決上述問題，通過虛擬實驗平臺的構建使老師能夠進行課堂教學演示，并且學生在進行實驗操作時不受時空的限制，有效的解決了傳統硬件課程教學資源不足、質量不高等問題，將成為硬件課程教學與實驗中的有效工具[1]。

隨著信息化的發展和完善，計算機虛擬現實技術得以快速進步和廣泛應用，通過依托計算機技術能夠進行復雜煩瑣的實驗操作，對現實中的部分實驗或操作完成仿真處理過程，如測試、開發計算機硬件及相關知識學習等，虛擬計算機硬件實驗平臺的構建將實驗畫面更加直觀的呈現出來(采用現代化計算機方式完成)，實現虛擬環境的創造使人們直接進入實驗環境完成真實的實驗操作步驟。本文設計虛擬計算機硬件實驗平臺的目的在于結合虛擬技術加強計算機硬件的開發，以直觀的方式呈現出計算機硬件的功能，達到仿真效果，提高計算機硬件實驗的效率。

2 虛擬計算機硬件實驗平臺的設計

需完成虛擬現實開發平臺、顯示系統、交互系統、集成控制系統的設計，以保證虛擬系統的完整。

(1) 虛擬現實開發平臺

虛擬現實開發平臺作為虛擬現實系統的基礎需先進行設計，虛擬現實開發平臺是實現虛擬計算機硬件實驗平臺構建的重要支撐，主要負責為平臺提供動力，構建開發平臺需基于高性能的設備與系統，虛擬現實開發平臺的設計能夠對硬件實驗平臺構建的處理系統做進一步完善，對圖像生成與細節進行詳細處理，硬件虛擬開發平臺構建期間需負責虛擬計算機硬件實驗場景的各項處理工作(包括VR 場景設計、開發、運算、構建、生成等)，形成完整的虛擬系統模式，并負責整體系統與子系統的連接與協調，從而為構建硬件實驗平臺打下良好的物理基礎，保證系統功能的有效實現。

(2) 虛擬仿真交互系統

為了實現以直觀的形式在虛擬環境中呈現出現實中的實驗過程，需嚴格要求多自由度空間，即以實時交互為條件，在結合本質特征、構建要求的基礎上，需以虛擬現實技術作為基礎，掌握虛擬現實技術的核心所在，通過虛擬現實交互技術的應用實現更多實驗價值的挖掘，從而有效滿足實時交互這一條件。不同于三維動畫及多媒體應用等技術，虛擬現實技術不受實時交互的限制，能夠在虛擬環境下完成虛擬實驗的設計，具體需先完成科學的虛擬環境的設定，在充分利用虛擬環境所提供各項條件的基礎上，結合使用包含多個自由度虛擬交互系統的特定虛擬設置，從而使實驗的交互需求(包括數據手套、位置追蹤、觸覺反饋系統、操縱桿等)得以有效滿足，本文以某化學虛擬仿真交互系統所設計的實驗模式為例，對該系統的實現效果進行展示，具體如圖1所示[2]。

圖1 虛擬仿真交互系統設計的某化學實驗模式

(3) 虛擬三維顯示系統

保證科學交替現實同虛擬間的元素是虛擬計算機硬件實驗平臺(尤其是虛擬現實應用系統)功能實現的基本保障，顯示系統與顯示設備是實驗平臺必不可少的配置，具體可采用虛擬三維投影顯示系統、大屏幕監測器、立體顯示器等，作為虛擬計算機硬件實驗設計中普遍使用的系統，虛擬三維顯示系統具有沉浸性特征，是一種比較常用且相對成熟的仿真設計手段，可將所有元素根據實際需要通過顯示系統實現清晰的展示過程，同時還具備構建虛擬計算機硬件實驗平臺所需的各項關鍵點及具體功能，能夠使得以臨場感、參與度有效提高，實現對設計畫面的高度還原，畫面逼真滿足設計的仿真需求，相互的信息交流同樣可通過虛擬三維顯示系統實現從而有效滿足最終的實驗需求[3]。

3 虛擬計算機硬件實驗平臺的開發

3.1 主要模塊設計

虛擬現實開發平臺是構建虛擬計算機硬件實驗平臺的基礎，具有較高性能的生成和處理圖象系統，主要負責開發、運算、生成整個VR場景，他各子系統的工作和運轉需通過其進行連接和協調整，構成完整的虛擬現實系統。多自由度實時交互是虛擬現實技術的精髓，不同于三維動畫和多媒體應用，虛擬現實交互應用需借助特殊虛擬外設，如數據手套、力或觸覺反饋系統、位置跟蹤器等。虛擬計算機硬件實驗平臺的模塊設計主要由兩部分構成：實驗演示模塊(負責播放硬件組裝視頻)，由于觀看視頻需反復進行，尤其是應用MediaTexture Command 等信道建設Quest 3D期間需發揮演示功能，同時對路徑、視頻位置、攝像頭等進行保存，以供后期查找；自主實驗模塊，在確定設計思路的基礎上，根據主板插槽坐標位置，同具體模型位置進行對比，通過鍵盤變化的使用完成坐標位置的移動，完成其中存在誤差的確定。

3.2 模型構建

模型構建是開發虛擬計算機硬件實驗平臺的基礎和關鍵步驟，具體需使用專用軟件(SketchUp)完成模型的構建，具體步驟為：(1)使用實驗軟件以具體的設計要求為依據，實驗所需材料的勾畫通過使用系統中的畫筆工具實現，具體需完成硬件模型的勾勒從而獲取合格形狀；(2)將硬件模型同計算機硬件實物進行比對及分析，在確保貼圖合適的基礎上，完成實物圖片的采集與掃描，進而使模型進入貼圖操作中，在有效呈現出模型的真實特點的同時，使模型構建的整個過程中的工作量得以顯著降低；(3)針對模型設計中需交互的部進行單獨建模處理，以在主板插槽建模為例，需將主板插槽進行獨立建模，以實現最終虛擬實驗物體相互間密切交互[4]。

3.3 模型的優化

為保證虛擬計算機硬件實驗平臺的順利運行及功能的實現，提高虛擬裝機系統交互性、實時性，需對模型構建過程(作為主要優化對象)進行優化，優化模型時需先以近實遠虛的原理為依據，對虛擬模型構建過程中將近景作為重點渲染對象，對近景進行較高精細程度的繪制，而對于遠景通過粗略勾畫的方式即可，無需對遠景進行精細的材質貼圖處理，只需為其上色，某場地模型優化結構如圖2所示。

圖2 模型優化結構圖

在元素設計、顏色等方面上近景相比遠景都更為細致，模型構建后的優化過程可通過結合使用模型優化技術(包括紋理映射、紋理壓縮等)，從而縮短加載時間，使建模所需的時間顯著降低[5]。

3.4 模型的動態導入

為保證構建虛擬計算機硬件實驗系統各部分功能的統一，為確保安全、及時的信息存儲的實現，需同數據庫進行緊密連接，便于實驗設計根據實際需求進行相關調用，本文采用Quest3D系統用于存儲用戶信息，具體可選擇系統中的DB Driver MySQL、DB Source/Query信道，作為信息存儲的主要途徑，通過DB DriverMySQL完成數據庫的連接后，用戶在登錄前需輸入用戶名與驗證密碼，從而確保數據庫的安全性，與此同時還能夠對數據庫服務器地址進行更新和保存，為設計并實現虛擬計算機硬件實驗平臺提供重要的技術支撐；相關信息在被DB DriverMySQL接收到后，存儲過程通過使用DB Source信道即可實現，需注意對文件別名進行及時設置，根據文件名實驗人員即可對數據信息進行查詢，查詢之后能夠返回主頁面，從而簡化數據綁定及查詢過程；系統SQL語言命令的輸入通過DB Query即可實現。作為構建虛擬計算機硬件實驗平臺的關鍵步驟，模型動態導入對于硬件模型是必不可少的環節，實驗腳本的制作必須通過動態導入完成，通過采用Quest 3D渠道中的 Lua作為基本腳本，使處于二次開發環境中的該腳本能夠為用戶提供更多所需信道，此外還可通過部分模塊的調用作為設計基礎，整體設計過程為：(1)將合格的硬件模型在完成及時構建的基礎上導入Quest 3D系統中，其導入存儲狀態用.cgr 表示；(2)對已導入的硬件模型以Lua腳本為依據完成加載，將其調用轉換為硬件信道組，使用q .LoadChanelgroup(“yingjian.Cgr”,“yingjian”,0)作為具體的腳本語言，0主要表示導入模型實例[6]。

4 總結

在對虛擬計算機平臺進行詳細分析的基礎上，本文主要對虛擬計算機硬件實驗平臺進行了研究和設計，介紹了虛擬仿真交互系統的原理，完成了虛擬現實開發平臺及虛擬三維顯示系統的設計，并對該實驗平臺的開發及主要模塊的設計進行詳細闡述，包括模型的建立、優化、動態導入及數據庫連接等模塊，從而使平臺的開發效率得以提升，為虛擬計算機硬件實驗平臺的優化提供參考。