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虚拟部件和过程建模及实验训练仿真系统研究与开发

发布时间:2019-01-14 09:01
【摘要】:由于传统实验受空间、时间、实验硬件条件和学生安全等诸多因素的影响,传统实验教学方式很难满足实验教学和学生自主实验的要求。结合理化(物理和化学)实验训练仿真系统的需求分析和实验教学要求以及VR(Virtual Reality)中虚实结合的思想,依据视觉上要有真实性,关键过程和机理要呈现,操作训练要突出的设计理念和开放性、高交互性、智能性和严谨性的设计原则,实现了集实验教学、自主训练和智能测评功能于一体的实验训练仿真系统。本文通过对虚拟实验室架构的研究、分析和VR系统的形式化描述提出针对理化实验中基于建模技术的现实目标抽象过程:通过采用层次化结构几何建模方法和面向对象和组件技术的物理特性建模方法,完成现实实验部件的外形和物理特性的抽象;按照真实实验中部件的功能关系和操作规范,采用基于建立关系规则库的方法,抽象出虚拟部件关系建立和解除的模型,完成现实部件间逻辑关系的映射;依据现实实验的过程和原理,采用基于建立知识库和数学建模的方法,构建出物体反应过程和物体相互作用等过程模型,完成实验原理和过程的真实呈现。本文在虚拟实验设计中,首先结合真实实验规律和操作要点设计实验情景动作脚本的编写要求和规范,它是目标抽象所用方法的依据。然后,按照现实目标抽象过程,采用建模和渲染软件分别对理化实验中常用部件进行外形建模和渲染;根据理化实验中部件的逻辑功能关系,设计控制虚拟部件相互作用条件的部件关系模型;理化实验中涉及过程模型众多,设计了可以根据预置化学方程式信息自动推断和进行化学计算的化学反应过程模型,捕获用户实验动作并能做出智能分析的动作测评模型和实现平台化学方程式书写和测评的模型。
[Abstract]:Because the traditional experiment is influenced by many factors, such as space, time, hardware condition and student safety, the traditional experimental teaching method is difficult to meet the requirements of experimental teaching and students' independent experiment. Combining the requirement analysis of physical and chemical experiment training simulation system and the requirement of experiment teaching and the idea of combining reality and reality in VR (Virtual Reality), according to the visual reality, the key process and mechanism should be presented. The operation training should emphasize the design principle of opening, high interactivity, intelligence and preciseness, and realize the experiment training simulation system which integrates the function of experiment teaching, independent training and intelligent evaluation. Based on the research of virtual laboratory architecture, Based on the analysis and formal description of VR system, the abstract process of realistic object based on modeling technology in physical and chemical experiments is proposed: by adopting hierarchical structure geometric modeling method and physical characteristic modeling method based on object oriented and component technology. The abstract of the shape and physical characteristics of the real experimental parts is completed. According to the functional relationship and operation specification of components in real experiments, the model of virtual component relationship establishment and resolution is abstracted by using the method of establishing relation rule base, and the mapping of logic relation between real parts is completed. According to the process and principle of the real experiment, the process model of the reaction process and the interaction of the object is constructed by using the method of building the knowledge base and the mathematical modeling, and the real presentation of the experiment principle and process is completed. In the virtual experiment design, the author first designs the writing requirements and specifications of the experimental scene action script, which is the basis of the method of objective abstraction. Then, according to the abstract process of realistic object, modeling and rendering software are used to model and render the common parts in physical and chemical experiments. According to the logical functional relationship of components in physical and chemical experiments, a component relation model is designed to control the interaction conditions of virtual components. There are many process models involved in physical and chemical experiments. A chemical reaction process model which can be automatically inferred and calculated according to the information of preset chemical equations is designed. The action evaluation model which captures the user's experimental action and can make intelligent analysis and the model that realizes the writing and evaluation of the chemical equation of the platform.
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP391.9

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本文编号:2408546

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