專利名稱：一種虛擬實(shí)驗(yàn)信息表示模型的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信息表示模型的構(gòu)建方法，特別是關(guān)于一種以互聯(lián)網(wǎng)為依托，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的虛擬實(shí)驗(yàn)信息表示模型的構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)是一項(xiàng)正在發(fā)展的且具有深遠(yuǎn)潛在應(yīng)用方向的新技術(shù)，它綜合利用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要應(yīng)用在工業(yè)、制造業(yè)和旅游業(yè)等特定領(lǐng)域，平民化應(yīng)用的距離尚遠(yuǎn)。虛擬實(shí)驗(yàn)以互聯(lián)網(wǎng)為依托，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，提供可操作的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，使用戶在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可以通過瀏覽器的人-機(jī)交互虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)提供了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一體化管理功能。虛擬實(shí)驗(yàn)中的虛擬實(shí)驗(yàn)器件的通用型構(gòu)建、虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景搭建的描述、虛擬器件參數(shù)的操作和修改、虛擬實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果的表示和處理等是解決虛擬實(shí)驗(yàn)問題的關(guān)鍵和難點(diǎn)。現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)解決方案大都為單機(jī)版實(shí)現(xiàn)技術(shù)，缺乏統(tǒng)一的模型構(gòu)建描述方式，部分網(wǎng)絡(luò)版的虛擬實(shí)驗(yàn)解決方案，則存在接口和規(guī)范描述不靈活、不統(tǒng)一的問題，在對(duì)實(shí)際物理器件的表示、仿真和繪制方面缺乏統(tǒng)一的構(gòu)建和描述方法，無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的、多課程環(huán)境下的虛擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，而且現(xiàn)有虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)操作環(huán)境差距較大，實(shí)驗(yàn)操作人員在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下不能學(xué)習(xí)和掌握實(shí)際物理器件的操作和使用方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種建模速度快、使用方便、能夠有效解決虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)中的現(xiàn)實(shí)感問題、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下人-機(jī)交互以及通信、數(shù)據(jù)處理、仿真運(yùn)算的虛擬實(shí)驗(yàn)信息表示模型的構(gòu)建方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種虛擬實(shí)驗(yàn)信息表示模型的構(gòu)建方法，其包括以下步驟1)針對(duì)某一學(xué)科實(shí)驗(yàn)所需要使用的實(shí)際物理器件，客戶端構(gòu)建虛擬器件列表和虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)；2)用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需要使用的實(shí)際物理器件，在虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)上的器件列表中選擇實(shí)驗(yàn)用虛擬器件，客戶端提取所選取虛擬器件的關(guān)鍵詞， 獲取虛擬器件的信息描述，構(gòu)建與實(shí)際物理器件對(duì)應(yīng)的器件對(duì)象模型，然后將虛擬器件以圖形的形式添加到虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)的界面上；3)用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)置所構(gòu)建的器件對(duì)象模型的物理屬性和顯示屬性，并連接器件對(duì)象模型的管腳，生成與連線對(duì)應(yīng)的連線模型，器件對(duì)象模型與相應(yīng)的連線模型搭建形成實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景；4)客戶端進(jìn)行相關(guān)的仿真參數(shù)設(shè)置并設(shè)置對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸接口，啟動(dòng)仿真，將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景發(fā)送到服務(wù)器端力)服務(wù)器端將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的器件對(duì)象模型映射成相應(yīng)的仿真器件對(duì)象模型，并轉(zhuǎn)換相應(yīng)的連線模型，生成仿真場(chǎng)景；6)服務(wù)器端調(diào)用仿真模塊，對(duì)仿真場(chǎng)景進(jìn)行解析和運(yùn)算，根據(jù)仿真要求對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理構(gòu)建仿真結(jié)果模型，并將仿真結(jié)果模型回傳到客戶端；7)客戶端對(duì)接收到的仿真結(jié)果模型進(jìn)行解析，并將數(shù)據(jù)在相應(yīng)的測(cè)量用儀器儀表上進(jìn)行圖形展示，用戶在測(cè)量用儀器儀表上查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所述步驟3)的具體過程包括①構(gòu)建器件對(duì)象模型；②構(gòu)建連線模型；③生成實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。所述步驟5)的具體過程如下①構(gòu)建仿真器件對(duì)象模型；②構(gòu)建連線模型；③轉(zhuǎn)換生成仿真場(chǎng)景。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明根據(jù)實(shí)際物理器件的特性和功能構(gòu)建器件對(duì)象模型，根據(jù)采用的具體仿真算法構(gòu)建仿真器件對(duì)象模型，有效地解決了互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)器件表示和仿真實(shí)現(xiàn)問題，實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要，可以很方便地從虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)的器件列表中選擇器件，并利用連線模型完成實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和仿真場(chǎng)景搭建進(jìn)而完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。2、本發(fā)明通過將客戶端搭建的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景(包含由器件對(duì)象模型和連線模型生成的實(shí)體對(duì)象參數(shù)信息)轉(zhuǎn)換成服務(wù)器端仿真場(chǎng)景(包含轉(zhuǎn)換后的仿真器件對(duì)象模型和連線模型生成的仿真對(duì)象參數(shù)信息)，服務(wù)器端啟動(dòng)仿真模塊對(duì)仿真場(chǎng)景進(jìn)行運(yùn)算生成仿真結(jié)果模型對(duì)象，并回傳到客戶端，客戶端根據(jù)用戶對(duì)具體實(shí)驗(yàn)器件(如示波器、電壓表等)的操作要求，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理，以符合器件規(guī)范的方式顯示(如示波器按電壓幅值和時(shí)基要求顯示圖形，萬用表按有效值顯示電壓或電流值等)，因此客戶端可以很方便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可視的人-機(jī)交互虛擬實(shí)驗(yàn)。3、本發(fā)明提出一種分層次構(gòu)建信息表示模型的方法， 面向應(yīng)用層面的器件對(duì)象模型，封裝和實(shí)際物理器件相應(yīng)的屬性參數(shù)和操作參數(shù)，面向仿真運(yùn)算層面的仿真器件對(duì)象模型，結(jié)合仿真模塊的具體實(shí)現(xiàn)要求，封裝仿真器件參數(shù)，通過器件對(duì)象模型和仿真器件對(duì)象模型的映射與轉(zhuǎn)換，有效解決了數(shù)據(jù)接口不規(guī)范、不統(tǒng)一的問題。4、本發(fā)明采用統(tǒng)一的信息表示模型規(guī)范，當(dāng)學(xué)科應(yīng)用發(fā)生改變或選用仿真器件發(fā)生變化時(shí)，只需更改對(duì)應(yīng)的器件對(duì)象模型和仿真器件對(duì)象模型的參數(shù)，即可構(gòu)成面向新學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)，有效解決了跨學(xué)科和跨地域的虛擬實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，由此構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)，可以整合多學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，解決了各類實(shí)驗(yàn)資源統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)在虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)上的跨學(xué)科統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的問題，有效地提高虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)上的應(yīng)用效果。5、本發(fā)明由于根據(jù)實(shí)際物理器件構(gòu)建器件對(duì)象模型，可以在器件對(duì)象模型中，包含器件圖形外觀、位置、尺寸和放置方向的描述參數(shù)，以及儀器儀表器件的操作參數(shù)，提供了具有真實(shí)感的快速圖形顯示、器件的可實(shí)時(shí)編輯的屬性約束和交互、以及虛擬儀器儀表器件操作描述等信息表示方法，不僅方便用戶選擇虛擬器件，減少對(duì)虛擬器件的學(xué)習(xí)和查找的時(shí)間，而且有效解決了虛擬器件的真實(shí)顯示、與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的交互式儀器操作等問題，由于屬性的交互式設(shè)置，可以避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)中誤操作等導(dǎo)致的器件損壞等問題， 減少實(shí)際物理器件的消耗。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于多學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)中。


圖1是本發(fā)明虛擬實(shí)驗(yàn)信息表示模型的構(gòu)建方法流程示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例中器件列表使用狀態(tài)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例中構(gòu)建器件對(duì)象模型狀態(tài)示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例中生成實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景狀態(tài)示意圖；圖5 7是本發(fā)明實(shí)施例中示波器顯示的波形示意圖，同一個(gè)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，在不
4同的測(cè)量量程、時(shí)基設(shè)置下，顯示波形呈不同的效果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。本發(fā)明以互聯(lián)網(wǎng)為依托，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，提供可供操作的相關(guān)學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)器件，使用戶在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可以通過瀏覽器上人-機(jī)交互的虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)界面完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。如圖1所示，本發(fā)明以電工電子類實(shí)驗(yàn)為實(shí)施例說明虛擬實(shí)驗(yàn)中虛擬實(shí)驗(yàn)信息表示模型的構(gòu)建方法，其包括以下步驟1、針對(duì)電工電子類實(shí)驗(yàn)所需要使用的實(shí)際物理器件，客戶端構(gòu)建虛擬器件列表和虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)。實(shí)際物理器件主要是指電工電子類實(shí)驗(yàn)用器件和儀器儀表設(shè)備，根據(jù)具體應(yīng)用的需要可以通過多個(gè)虛擬器件組合構(gòu)建虛擬的器件列表。2、用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，在虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)上的器件列表中選擇實(shí)驗(yàn)用虛擬器件，客戶端提取所選取器件的關(guān)鍵詞，獲取器件的信息描述，構(gòu)建與實(shí)際物理器件對(duì)應(yīng)的器件對(duì)象模型，最后將虛擬器件以圖形的形式添加(復(fù)制)到虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)的界面上。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要按照具體的實(shí)驗(yàn)要求為實(shí)驗(yàn)中的器件生成描述對(duì)象即構(gòu)建器件對(duì)象模型。器件對(duì)象模型包含與顯示相關(guān)的參數(shù)信息，以及物理性能和與操作相關(guān)的參數(shù)信息，器件對(duì)象模型中封裝有圖形顯示、物理量、參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容，描述器件對(duì)象模型的參數(shù)主要包括器件.歸屬類別-表示基本器件、儀器儀表、電源等不同分類信息；器件.名稱-表示實(shí)際物理器件的名稱、顯示物理符號(hào)等信息；器件.id-表示構(gòu)建器件對(duì)象模型后，實(shí)際物理器件對(duì)象的id標(biāo)識(shí)，id為唯一值；器件.管腳數(shù)-表示實(shí)際物理器件的管腳數(shù)量；器件.管腳信息-表示管腳id標(biāo)識(shí)、管腳物理特征信息、在器件顯示圖的相對(duì)位置等，該器件.管腳信息可以重復(fù)使用；器件.顯示信息-表示器件顯示的圖像信息、位置、尺寸、旋轉(zhuǎn)方向等；器件.參數(shù)屬性-表示器件對(duì)應(yīng)物理參數(shù)信息、參數(shù)名稱、參數(shù)顯示提示、量綱單位、取值范圍、具體值等，該器件.參數(shù)屬性可以重復(fù)使用。本發(fā)明構(gòu)建器件對(duì)象模型的具體過程為用戶從器件列表中將所要使用的器件拖拽(添加)到虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)的界面上，按照實(shí)驗(yàn)要求對(duì)器件的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置完成后即構(gòu)建了一個(gè)器件對(duì)象模型。在虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)上搭建實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的過程中，客戶端添加一個(gè)虛擬器件，完成器件相關(guān)屬性設(shè)置后即構(gòu)建了一個(gè)器件對(duì)象模型，每一個(gè)器件對(duì)象模型具有唯一的id標(biāo)識(shí)。根據(jù)具體操作，修改器件對(duì)象模型中的屬性值和外觀顯示有關(guān)的信息，同時(shí)根據(jù)器件對(duì)象模型的屬性值上、下限的設(shè)置，約束客戶端對(duì)器件對(duì)象模型的修改，使其滿足實(shí)驗(yàn)的需要。在實(shí)驗(yàn)中，用戶對(duì)器件進(jìn)行的修改，如變化位置、改變大小、修改參數(shù)屬性值時(shí)，都會(huì)在器件對(duì)象模型中進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。3、用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，在客戶端設(shè)置所構(gòu)建的器件對(duì)象模型的物理屬性，并連接器件對(duì)象模型的管腳，生成與連線對(duì)應(yīng)的連線模型，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景由器件對(duì)象模型與連線模型搭建構(gòu)成。1)構(gòu)建連線模型用戶可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選擇器件對(duì)象模型的管腳，將其連接到相對(duì)應(yīng)的管腳 (如其它虛擬器件對(duì)象模型的管腳，或本器件的其它管腳位置)，客戶端構(gòu)建相應(yīng)的連線模型。連線模型表示器件對(duì)象模型之間的連接關(guān)系，其參數(shù)主要包括連線.id-表示連線id標(biāo)識(shí)，id為唯一值；連線.接出器件id-表示接出器件的id標(biāo)識(shí)；連線.接出器件管腳id-表示接出器件管腳的id標(biāo)識(shí)；連線.接入器件id-表示接入器件的id標(biāo)識(shí)；連線.接入器件管腳id-表示接入器件管腳的id標(biāo)識(shí)；連線.連線顏色-表示設(shè)置的連線顏色。2)生成實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景器件對(duì)象模型和連線模型即構(gòu)成實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。通過虛擬實(shí)驗(yàn)，用戶可以設(shè)置器件對(duì)象模型的物理屬性，了解和掌握與器件對(duì)象模型相對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理器件的使用和相應(yīng)特性，如電阻色環(huán)隨阻值大小的變化、數(shù)字示波器的操作、信號(hào)發(fā)生器的使用等。客戶端可以按照需要，變動(dòng)器件對(duì)象模型的放置位置、放置方向、尺寸大小、修改連線模型的顏色等，提高虛擬實(shí)驗(yàn)的可視性?？蛻舳丝梢圆东@用戶在虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)上的各種操作，包括實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的存取操作，器件對(duì)象模型的縮放操作，拖拽操作，管腳間連線的刪改操作，器件物理屬性的修改操作等。4、客戶端進(jìn)行相關(guān)的仿真參數(shù)設(shè)置并設(shè)置對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸接口后，啟動(dòng)仿真，將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景發(fā)送到服務(wù)器端。客戶端支持用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括設(shè)置仿真時(shí)間、仿真步長(zhǎng)、仿真數(shù)據(jù)處理結(jié)果的返回要求等。5、服務(wù)器端將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的器件對(duì)象模型映射成相應(yīng)的仿真器件對(duì)象模型，并轉(zhuǎn)換相應(yīng)的連線模型，生成仿真場(chǎng)景。1)構(gòu)建仿真器件對(duì)象模型仿真器件對(duì)象模型是用于描述和仿真模塊緊密聯(lián)系的，具有仿真意義的器件特性，封裝了仿真器件的物理參數(shù)、管腳信息等內(nèi)容，描述仿真器件對(duì)象模型的參數(shù)主要包括仿真器件.名稱-表示仿真器件的名稱、顯示物理符號(hào)等信息；仿真器件.id-表示創(chuàng)建器件后，器件對(duì)象模型的id標(biāo)識(shí)，為唯一值；仿真器件.回傳標(biāo)識(shí)-表示器件的物理屬性測(cè)量值是否回傳；仿真器件.管腳-包括管腳相應(yīng)信息，可重復(fù)；仿真器件.管腳.名稱-表示管腳名稱，為唯一值；仿真器件.管腳.類型-表示管腳的物理特征意義；仿真器件.參數(shù)，可重復(fù)；仿真器件.參數(shù).id-表示屬性id標(biāo)識(shí)，為唯一值；仿真器件.參數(shù).物理符號(hào)-表示屬性物理符號(hào)；
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仿真器件.參數(shù).值-表示屬性物理值；仿真器件.參數(shù).量綱單位-表示屬性物理量綱單位信息；仿真器件.參數(shù).最大值-表示屬性上限，即可以選取的最大值；仿真器件.參數(shù).最小值-表示屬性下限，即可以選取的最小值；仿真器件.參數(shù).回傳標(biāo)識(shí)-表示屬性值是否需要輸出；仿真器件.模型位置-表示仿真對(duì)象模型在仿真模塊包中的信息。按實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的器件對(duì)象模型映射并構(gòu)建仿真器件對(duì)象模型。器件對(duì)象模型和仿真器件對(duì)象模型反映了相同的物理特征量，但由于面向應(yīng)用層次的不同，兩者不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。器件對(duì)象模型包括了器件的外觀信息等重要內(nèi)容，相應(yīng)的物理屬性也體現(xiàn)出實(shí)際物理器件的物理特征量。而仿真器件對(duì)象模型面向仿真運(yùn)算模塊，主要包括在仿真模塊建模實(shí)現(xiàn)時(shí)所需要的物理特征量，但是兩者之間有明確的映射轉(zhuǎn)換方式。仿真器件可能和實(shí)際物理器件沒有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，例如選擇采用Modelica電路仿真模塊，在電工電子類實(shí)驗(yàn)中常用的雙蹤示波器儀器，就不存在對(duì)應(yīng)的仿真器件?？梢圆捎玫奶幚矸椒ㄊ牵骷?duì)象模型向仿真器件對(duì)象模型轉(zhuǎn)換時(shí)，將雙蹤示波器轉(zhuǎn)換成兩個(gè)電壓傳感器；反過來，仿真器件對(duì)象模型向器件對(duì)象模型轉(zhuǎn)換時(shí)，將兩個(gè)電壓傳感器輸出的電壓值轉(zhuǎn)換成示波器所需的兩路信號(hào)。2)構(gòu)建連線模型在仿真場(chǎng)景的搭建中，同樣要使用連線模型描述仿真器件對(duì)象模型間的連接關(guān)系，在仿真場(chǎng)景搭建中，與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景搭建類似，連線模型描述需要反映出連線id、接出器件 id、接出器件管腳id、接入器件id、接入器件管腳id。3)轉(zhuǎn)換生成仿真場(chǎng)景在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和仿真場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換過程中，器件對(duì)象模型和仿真器件對(duì)象模型的不一致性，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和仿真場(chǎng)景的不一致性。例如雙蹤示波器器件在仿真模型的器件中表示為兩個(gè)電壓傳感器；信號(hào)發(fā)生器在仿真模器件中，可以按客戶端選擇類型，分別轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)源、鋸齒波信號(hào)源、正弦波信號(hào)源等。因而在仿真場(chǎng)景搭建中，需要完成器件對(duì)象模型到仿真器件對(duì)象模型的映射，也要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)連線模型的映射，以完成仿真器件管腳間連線的轉(zhuǎn)換。仿真場(chǎng)景包含仿真器件對(duì)象模型、連線模型和仿真參數(shù)信息。描述了仿真器件的屬性和連接關(guān)系，同時(shí)為保證能實(shí)現(xiàn)正常的仿真，最小化執(zhí)行結(jié)果，需要設(shè)置相關(guān)的仿真參數(shù)信息，包括仿真步長(zhǎng)、仿真時(shí)間、是否返回信息、仿真啟動(dòng)時(shí)間、停止時(shí)間、仿真結(jié)果點(diǎn)數(shù)設(shè)置等。6、服務(wù)器端調(diào)用仿真模塊，對(duì)仿真場(chǎng)景進(jìn)行解析和運(yùn)算，根據(jù)仿真要求對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理，構(gòu)建仿真結(jié)果模型，并將仿真結(jié)果模型回傳到客戶端。服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和仿真場(chǎng)景的相互轉(zhuǎn)換，調(diào)用仿真模塊運(yùn)算后，構(gòu)建仿真結(jié)果模型并回傳到客戶端，客戶端接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析顯示。如依據(jù)“數(shù)字示波器”的關(guān)鍵詞，在仿真結(jié)果模型中提取相應(yīng)的信息，按器件對(duì)象模型的相關(guān)操作參數(shù)要求，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的圖形展示。仿真結(jié)果模型描述了測(cè)量用器件對(duì)象模型對(duì)應(yīng)的仿真運(yùn)算結(jié)果。如采用Modelica 仿真模塊進(jìn)行仿真運(yùn)算，所有的仿真器件對(duì)象模型都可以輸出仿真結(jié)果。但針對(duì)電工電子類虛擬實(shí)驗(yàn)而言，一般通過使用示波器、萬用表等測(cè)量用儀器儀表獲取測(cè)量結(jié)果信息，因而在虛擬實(shí)驗(yàn)中，構(gòu)建仿真結(jié)果模型時(shí)，只需包含相應(yīng)測(cè)量用器件對(duì)象模型對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果集，仿真結(jié)果模型主要參數(shù)包含仿真-可重復(fù)，表示器件對(duì)象模型名稱(為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中測(cè)量用器件對(duì)象模型)；仿真.值-可重復(fù)，包含時(shí)間點(diǎn)和仿真值二維數(shù)值。通過構(gòu)建仿真結(jié)果模型，極大地降低了仿真結(jié)果數(shù)據(jù)量，也減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)，有效保證了虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)性要求。7、客戶端對(duì)接收的仿真結(jié)果模型進(jìn)行解析，并將數(shù)據(jù)在相應(yīng)的測(cè)量用儀器儀表上進(jìn)行圖形展示，用戶可依此查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過計(jì)算仿真結(jié)果模型中仿真器件模型對(duì)應(yīng)的仿真值對(duì)的時(shí)間點(diǎn)變化，可以計(jì)算出仿真結(jié)果最大值和最小值、周期等。按照器件對(duì)象模型的操作參數(shù)要求，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的圖形化顯示。如萬用表顯示相應(yīng)的直流電壓或直流電流值、交流電壓或交流電流的有效值，數(shù)字示波器根據(jù)幅值和時(shí)基的要求，顯示對(duì)應(yīng)的波形。如圖2 7所示，本發(fā)明將通過電工電子學(xué)科電路分析課程中的虛擬電路實(shí)驗(yàn)為實(shí)施例，進(jìn)一步說明構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)信息表示模型的方法，具體過程如下①客戶端根據(jù)具體的電路圖，構(gòu)建虛擬器件列表和虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)。②客戶端根據(jù)用戶選擇的器件，構(gòu)建器件對(duì)象模型，并將虛擬器件添加到虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)界面上(如圖2所示)?？蛻舳藢?duì)于電工電子學(xué)科RLC串聯(lián)諧振電路實(shí)驗(yàn)，從器件列表中選取“電阻”、“電容”、“數(shù)字萬用表”、“函數(shù)發(fā)生器”、“數(shù)字示波器”等器件，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求對(duì)相關(guān)器件的屬性進(jìn)行設(shè)置，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的器件對(duì)象模型(如圖3所示)。③利用器件對(duì)象模型和連線模型搭建實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。對(duì)“電阻”、“電容”、“數(shù)字萬用表”、“函數(shù)發(fā)生器”、“數(shù)字示波器”等器件對(duì)象模型的屬性進(jìn)行設(shè)置(如改變位置、設(shè)置器件物理屬性信息)，即改變器件對(duì)象模型中的信息， 并利用連線模型描述器件對(duì)象模型管腳間的連接關(guān)系，搭建出實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景(如圖4所示)。在搭建實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的過程中，客戶端根據(jù)虛擬器件的位置、角度和大小設(shè)置相應(yīng)的器件對(duì)象模型的參數(shù)信息，如果電路圖中虛擬器件間的連線數(shù)量較多時(shí)，用戶還可以調(diào)整連線的顏色，以提高虛擬器件連接的可視化效果。④客戶端根據(jù)用戶選擇的操作，將搭建完成的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景發(fā)送到服務(wù)器端。⑤服務(wù)器端完成實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景到仿真場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換，調(diào)用仿真模塊進(jìn)行仿真計(jì)算，將仿真結(jié)果數(shù)據(jù)構(gòu)建仿真結(jié)果模型，并將其回傳到客戶端，客戶端對(duì)接收到的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)可視化的圖形顯示，如數(shù)字示波器可以對(duì)同一個(gè)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，在不同的測(cè)量量程、時(shí)基設(shè)置下，顯示出不同的波形圖(如圖5 7所示)。上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和實(shí)施方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
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權(quán)利要求
1.一種虛擬實(shí)驗(yàn)信息表示模型的構(gòu)建方法，其包括以下步驟1)針對(duì)某一學(xué)科實(shí)驗(yàn)所需要使用的實(shí)際物理器件，客戶端構(gòu)建虛擬器件列表和虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)；2)用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需要使用的實(shí)際物理器件，在虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)上的器件列表中選擇實(shí)驗(yàn)用虛擬器件，客戶端提取所選取虛擬器件的關(guān)鍵詞，獲取虛擬器件的信息描述，構(gòu)建與實(shí)際物理器件對(duì)應(yīng)的器件對(duì)象模型，然后將虛擬器件以圖形的形式添加到虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)的界面上；3)用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)置所構(gòu)建的器件對(duì)象模型的物理屬性和顯示屬性，并連接器件對(duì)象模型的管腳，生成與連線對(duì)應(yīng)的連線模型，器件對(duì)象模型與相應(yīng)的連線模型搭建形成實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景；4)客戶端進(jìn)行相關(guān)的仿真參數(shù)設(shè)置并設(shè)置對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸接口，啟動(dòng)仿真，將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景發(fā)送到服務(wù)器端；5)服務(wù)器端將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的器件對(duì)象模型映射成相應(yīng)的仿真器件對(duì)象模型，并轉(zhuǎn)換相應(yīng)的連線模型，生成仿真場(chǎng)景；6)服務(wù)器端調(diào)用仿真模塊，對(duì)仿真場(chǎng)景進(jìn)行解析和運(yùn)算，根據(jù)仿真要求對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理構(gòu)建仿真結(jié)果模型，并將仿真結(jié)果模型回傳到客戶端；7)客戶端對(duì)接收到的仿真結(jié)果模型進(jìn)行解析，并將數(shù)據(jù)在相應(yīng)的測(cè)量用儀器儀表上進(jìn)行圖形展示，用戶在測(cè)量用儀器儀表上查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的一種虛擬實(shí)驗(yàn)信息表示模型的構(gòu)建方法，其特征在于所述步驟3)的具體過程包括①構(gòu)建器件對(duì)象模型；②構(gòu)建連線模型；③生成實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種虛擬實(shí)驗(yàn)信息表示模型的構(gòu)建方法，其特征在于所述步驟5)的具體過程如下①構(gòu)建仿真器件對(duì)象模型；②構(gòu)建連線模型；③轉(zhuǎn)換生成仿真場(chǎng)景。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種虛擬實(shí)驗(yàn)信息表示模型的構(gòu)建方法，其包括以下步驟1)客戶端構(gòu)建虛擬器件列表和虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)；2)構(gòu)建與實(shí)際物理器件對(duì)應(yīng)的器件對(duì)象模型，然后將虛擬器件以圖形的形式添加到虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)的界面上；3)設(shè)置所構(gòu)建的器件對(duì)象模型的物理屬性和顯示屬性，并連接器件對(duì)象模型的管腳，生成與連線對(duì)應(yīng)的連線模型，器件對(duì)象模型與相應(yīng)的連線模型搭建形成實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景；4)啟動(dòng)仿真，將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景發(fā)送到服務(wù)器端；5)服務(wù)器端將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的器件對(duì)象模型映射成相應(yīng)的仿真器件對(duì)象模型，生成仿真場(chǎng)景；6)服務(wù)器端調(diào)用仿真模塊，對(duì)仿真場(chǎng)景進(jìn)行解析和運(yùn)算，并將仿真結(jié)果模型回傳到客戶端；7)客戶端對(duì)接收到的仿真結(jié)果模型進(jìn)行解析，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形展示。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于多學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)中。
文檔編號(hào)G09B9/00GK102509485SQ201110366628
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者劉元盛, 姜余祥, 張姝, 張敬尊, 李金平, 沈輝, 王郁昕, 鮑泓, 黃靜華 申請(qǐng)人:北京聯(lián)合大學(xué)