基于虚拟现实的智能实验仿真系统

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1、基于虚拟现实的智能实验仿真系统张锐张鑫宇孙树森浙江理工大学启新学院浙江理工大学信息学院摘要：针对日常实验教学中的实际需求，在需求分析和系统架构设计的基础上，实现了一套基于虚拟现实技术的科普实验仿真系统。系统具有精准示教、实时纠错并判分、基于手势交互的自由操作和多角度观看等特点。仿真效果表明，虚拟现实技术在教学实验智能仿真中具有广阔的应用前景和现实意义。关键词：虚拟现实;手势交互;实验仿真;智能;收稿日期：2017.5.10基金：Google支持教育部国家大学生创新创业训练计划联合基金项目“基于安卓和AR技术的探索型智慧景区应用(201601

2、005099)";教冇部国家级大学生创新创业训练计划“基于AR技术的探索型智慧景区应用(201610338012)”资助IntelligentExperimentSimulationSystemBasedonVirtualRealityAbstract：Accordingtoactualdemandofclassroomexperiments,avirtualrealitybasedexperimentsimulationsystemisdesignedandimplementedinthispaper.Thesystemletsthele

3、arncrobservethedemonstrationoftheexperimentprocessfromalldifferentviewsandmakeexperimentswithvirtualequipmentinteractively.Thelearnercanoperatetheequipmentwithgestureandtheoperationcanbejudgedandgradedreal-timely.Thetrialfeedbackshowsthatthisexperimentsimulationsystemispro

4、mising-Keyword：virtualreality;gestureinteraction;experimentsimulation;Intelligence;Received：2017.5.10目前，国内教学软件或课件多以釆用图解、视频和二维动画等形式进行顺序演示,本系统利用手势识别交互等虚拟现实技术，除了提供精准的示教功能外，还具有实时纠错判分功能，并支持手势交互和全方位操作观察。另外，基于虚拟现实技术的实验仿真，有助于解决实验原材料短缺、设备折旧、实验条件苛刻等问题，降低实验成本，同时提高教学质量［1］。1系统分析为了方便教师演

5、示实验过程和学生观察实验效果，通过良好的交互更好地理解实验原理，系统要做到示教精准、观察方便，且交互灵活。精准示教体现在系统能够实时响应用户的输入（如更改参数、重置等），并保证场景中显示的实验结果符实验逻辑和自然规则;观察方便体现在全视角、可缩放的场景展示上;灵活交互就要求系统支持手势和鼠标交互，手势交互自然顺畅，鼠标交互传统精确。欢迎界面演示教程实验内容介绍观测模块匚示教模块基于虚拟现实的智能实脸仿真系统模式选择一厂書聲健盘操控电学实验二电磁学实验天体演示判分模块最终成绩错误清单实验用时历史记录系统设買背景音乐设曽音效开关设置多角度观察2

6、亠P—连接器件显示电路通断多角度观察更改模模型交石二厂壬空X更改参显示磁感线与磁针动画展示模型交互订播放与暂更改参数文字介%2系统设计2.1功能模块设计如图1所示，本系统由示教、判分、观察三个核心功能模块和引导、系统设置两个服务模块组成。各模块逻辑上相互独立，但在功能上相辅相成。首先，示教模块的核心案例为伏安法测小灯泡电阻仿真实验，该案例支持手势识别交互。在示教模块中，任意元件在任意时刻均可产生操作正误反馈，进而使用户进行较高自由度的操作，体验非流水线实验操作;其次，手势识别则基于LeapMotion设备，该硬件使用高级的动作感应专利技术进

7、行人机互动宜，根据手势定义来操作角色与视角，同时与场景中的三维UI进行交互，完成菜单选择;再次，判分模块中系统可实时反馈用户操作，根据检测结果显示操作错误清单;最后，由于该系统基于拥有强大的图形绘制功能的虚幻4(UnrealEngine4,UE4)游戏引擎开发RL该引擎使用的中央凹点渲染技术使其能够达到低延迟、高仿真的模拟效果［4］。故用户在观察模块屮能够流畅地观察实验过程。开始图2寻路算法流程图下载原图2.2寻路算法设计为了实现实时检测电路连通性的功能，我们设计了一套算法，其基本思路如图2所示。电路中所有的元器件均继承自SParent类。

8、当两个元器件互相相连时，二者会分别将连接对象的信息载入到内部的SideStruct中，以实现可双向遍历性。二者断开时，则将SideStruct清空。电池元器件每隔0.1s,从正负