基于3D技术的VR虚拟实验关键技术研究与应用开题报告

1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1、题目：基于3D技术的VR虚拟实验关键技术研究与应用

1.2、背景资料：

实验在教学中占有重要的地位，实验对于培养人的实际操作能力、创新能力和解决问题的能力尤为重要。然而，传统的实验方式因为学生多器材少不能充分的满足教学的需求，原有的教学实验器材价格高昂、学生实验时间和空间受限制，器材易老化易磨损、使用周期短、资源闲置、实验设备的更新换代也对实验室造成了严重的经济负担。随着VR技术水平不断提高，虚拟实验在实验教学中的地位不断稳固，VR技术所具有的沉浸性、感官性、互动性和新颖性的独特体验，使学生不仅可以打破时间和空间的界限参与全部的实验过程，而且对实验内容的理解也会更加的深刻和丰富，这是传统实验很难做到的一点。通过3D逼真的实验场景构建可以很好地触及学生的视觉神经和思维器官，使一切操作显得更加真实，同时也大大降低了因为操作失误导致的一系列危险，有利于知识点的掌握和知识体系的构建。

这个基于3D技术搭建的虚拟实验教学平台其实是利用建模、环境构建等技术实现虚拟环境下的实验操作，不仅克服了实验器材不足的问题，还可以更加高效的分配教育资源。

1.3、目的及意义：

目的：提出实现基于3D技术的虚拟实验教学平台技术方案并开发一个虚拟实验。这个虚拟实验是针对计算机核心硬件课程《数字逻辑》的硬件、器材、电路和实现原理等特点，运用3D技术，设计一个4位加法器的虚拟场景、提取建模实体、设计其3维虚拟实体，并编程实现交互实验操作。学生可以通过注册登录进入虚拟实验，进入实验场景后可以选择开始实验，之后根据提示选择实验所需的部件，将部件组装成实验平台，通过实验指导交互连线、实验测试，不同的输入对应不同的逻辑结果，本地数据库保存实验结果。对于实验中出现的一些错误的操作，将会进行提醒。老师可以登入实验平台查询班级的信息、修改实验的操作、编程新的教学实验以及查询学生的实验结果。

意义：虚拟实验的实现可以使传统的实验趋于信息化、现代化。学生通过虚拟实验的方式进行实验操作，一方面大大地降低了购买实验器材、维护实验设备的成本，减少了电力、人力的大量消耗；另一方面，也可以用更加直观的方式让学生感受整个实验，让学生沉浸其中，加深了对实验的理解，同时能避免出现现实中因为错误操作而造成的危险。最重要的一点是，虚拟教育平台的搭建可以使学生感受最近的技术变化、教学质量的提升，一些偏僻、边缘的地区的教育可以通过这样的方式，来克服因为教学资源和师资配置造成的教育上的巨大差异，这是教育与科技结合的成果。

与真实实验相比，虚拟实验具有自己独有的特点：

（1）仿真性

虚拟实验利用虚拟现实技术构建虚拟实验环境，是对真实实验环境的模拟。虚拟实验仪器是模仿真实仪器的功能创建的，所以功能和操作方法与真实仪器也一样，因为虚拟实验的目的就是通过进行实验操作、技能训练和知识探究来学习真实世界的知识。因此，虚拟实验具有较高的仿真性。

（2）强交互性

真实实验的特点就是实践性，即通过学习者的参与，来锻炼学习者的实践动手能力，这需要学习者与实验的实时交互。而虚拟实验是对真实实验的模拟，在虚拟实验过程中，学习者需要通过各种交互方式与虚拟实验环境中的仪器设备交互以达到训练技能和知识探究的目的。因此，虚拟实验系统需要提供自然、实时的交互模式。因此虚拟实验需要强交互性。

（3）开放性

1.4、国内外研究现状分析：

虚拟现实技术在教育与培训中的应用，主要分为：数字校园、虚拟演示教学与实验、远程教育系统、特殊教育及职业技能培训等。其中，以虚拟演示教学与实验的应用居多，虚拟实验系统的开发也属于该应用的体现，使用虚拟实验系统不仅大大提高实验教学效果，而且还可节省大量的实验成本。虚拟实验系统是以教育信息化带动教育现代化的重要内容，能够显著推进教学内容和教学模式的改革和创新。

虚拟现实技术起源于美国，因此，虚拟现实技术在美国的应用远远领先于其他国家。美国约翰逊航天中心启用了一套用来训练航天员熟悉太空环境为修复哈勃望远镜作准备的虚拟现实系统，事实证明此项技术的应用极大的提高了操作水平，使修复工作取得了圆满的成功。

美国马歇尔空间飞行中心研制载人航天器的虚拟现实座椅，训练航天员熟悉航天器的舱内布局、界面和位置关系等，演练飞行程序。目前，美国各大航天中心已广泛地使用虚拟现实技术开展相应领域内的研究工作，宇航员利用虚拟现实系统进行了始终心理等各种训练。美国航空航天局（NASA）还计划进一步将虚拟现实系统应用在国际空间站的组装及训练等工作。

与国外的虚拟现实技术相比，国内技术起步晚、发展速度慢，被外国的先进技术超越了一个阶段，但是随着国家对虚拟现实技术的重视和对科研经费的投入，虚拟技术逐渐提高到了一个高度。在国内虚拟实验中也得到了足够的重视，目前已有部分学校建立了虚拟实验室。例如，华中科技大学机械学院建立的现代工程测试室系统，学生可以通过互联网终端进行虚拟实验；同济大学建筑学院建立了虚拟现实实验室，用于对建筑景观、结构进行相关的仿真；中国科学技术大学人工智能与计算机应用研究室最新研制出我国第一套虚拟现实物理系统，该软件将计算机技术、虚拟现实技术与物理实验教学有机结合，给物理实验教学提供了新的方法和途径。

随着虚拟现实技术的不断发展，其在教育上的应用也会越来越广泛，由此看出，虚拟实验将来会替代传统实验并得到不断地发展。

1.5、存在的问题：

根据研究分析表明，无论是真实实验还是虚拟实验都有各自的局限之处：

真实实验存在的问题：

1.真实实验教学比较单一，很难达到比较好的教学效果。

2.真实实验存在一些安全隐患的问题。

3.真实实验的教学过程中存在实验器材昂贵、教育资源分配不均等问题。

虚拟实验存在的问题：

1.实验环境的虚拟化会造成一些学生的不适应，有些学生在虚拟环境中容易产生头晕等症状，无法达到良好的学习效果。

2.现实中的有些情况在虚拟世界中并不能得到很好的模拟，就会导致实验结果的偏差。

1.6、创新点：

2、基本内容和技术方案

2.1、基本内容：

2.1.1、总体结构

四位加法器虚拟实验设计与开发的主要目的在于虚拟实验场景的设计与实验交互操作的实现。因此，在设计的过程中应该注重实验场景的完善和实验操作的简单等因素。该系统的具体功能包括：用户注册和登录、虚拟实验操作、实验结果上传、相应角色信息的查询等。

综上所述，系统主要分为四大模块，分别为：虚拟实验、用户注册登录、实验结果、角色信息查询等。

系统模块结构图如图1所示。

图1 系统模块结构图

2.1.2、功能说明

用户注册登录模块主要包括学生进入实验场景、按照实验要求进行实验操作等功能。用户进入系统时首先进入登录注册页面，若是新用户，此时系统要求申请注册，然后跳转到相关的注册页面，填入基本的信息并将信息录入到数据库中。在系统将信息存储进数据库中时，用户再次登录系统时就可以用注册的账号进行登录。系统还提供修改或完善个人信息的功能，用户点击信息更新进入个人信息界面进行修改，并将修改后的数据保存进数据库。用户要退出时，可以点击注销按钮直接退出，此时页面将会回到没有用户登录的初始状态。

角色信息模块由三部分组成，分别为学生信息查询、教师信息查询以及虚拟实验更新。其中学生可以进入学生信息查询界面进行信息的查询，包括实验的结果，实验的评价等信息。教师进入信息查询界面时，可以查询包括班级的实验情况，学生的完成度等信息。教师可以进入虚拟实验设计及更新的模块对学生的操作进行考核及评价，同时可以对一些虚拟实验的一些功能进行完善及补充。

虚拟实验模块包括实验场景、接口连线、进位清零、实验步骤预览等部分。学生进入虚拟实验时首先查阅实验步骤等相关指导，了解清楚实验的要求和目的，然后选择相应的实验器具放在工作台上，进行一系列的接口连线，进位清零等操作后，完成实验时，进行实验结果的提交。

实验结果模块包括对学生提交后的结果进行判定，以及将学生的操作结果信息存储到数据库中，以便老师进行查看及评价。

根据以上内容给的描述，拟大致的系统流程图如图2所示：

图2 系统流程图

2.2、技术方案：

2.2.1、设计方法

设计的方法大致可为：理论学习、交流讨论、编码调试、测试优化等。

1、理论学习中主要为学习3ds MAX建模技术，熟悉Unity平台，利用Unity进行场景的搭建。能熟练的运用该技术进行项目开发。其次则是关于毕业设计选题的相关内容学习，了解设计该系统的主要目的和系统的功能需求；

2、交流讨论，将自己在学习过程中遇到的问题整理出来并在例会或者周间和老师同学等进行交流，解决自己在理论学习中或者编码中所遇到的问题；

3、编码调试，在对系统进行详细的总体设计后开始编码工作，根据系统模块图来进行系统模块的设计和实现，之后将各个模块进行整合，构成并实现系统；

4、测试优化，在实现系统后对其进行测试，对实验进行大量的数据实验、试错,针对在测试中碰到的问题进行调试及优化，确保系统的可靠性。

2.2.2、技术要求

该系统的使用的主要技术包括用3ds Max进行建模、Unity技术进行场景的搭建、C#进行窗口的开发和对应操作的实现以及MySQL作为后台数据库。

1、3ds Max由Autodesk公司开发，它的功能很强大，能够实现三维模型的构造和渲染动画的生成。3ds Max软件随着版本的更新，功能越来越全面，成为众多三维软件中最为流行的软件之一。目前3ds Max也被应用在了许多领域，包括影视、广告、教育、医疗等方面。

3ds Max也有很好的开放性与兼容性，通过各种插件的支持可以有效扩展3ds Max的功能，还可以结合其他专业软件制作逼真的动画角色、良好的交互动作等。3dsMax通常的制作流程包括：模型的建立、制作材质、创建灯光和定义摄像机视口、渲染场景、后期合成。通过使用3dsMax能够创建出三维的实验设备模型，为之后的系统交互提供可靠的模型。

在虚拟实验系统的开发中，要完成完整的实验，必然需要对应的实验设备支持。3ds Max拥有非常强大的建模效果，可以用它来对实验中用到的74LS283芯片等实验器具进行建模，并将其导入Unity3D中完成实验场景的搭建。

2、Unity作为具有强大跨平台性以及开放性的引擎具有很多的功能特点：

（1）性能优良

Unity包括优良的图形渲染能力，强大的可扩展编辑器，顶级的引擎性能，多人开发云服务，多人联网，AI等。同时Unisoft、NASA都使用Unity实现对于VR/AR功能的开发。

（2）更新频繁

Unity对于旧版本的升级，新功能的增添都十分的频繁。官方网站的各个方面的教程，每年也都有修订。对于各个功能的文档，视频，都很齐全，并且经常对其进行更新。

（3）开发氛围良好

官方技术论坛、问答、反馈这几个模块运营良好。素材商店也提供了丰富的素材以供使用，极大的方便了开发者。其次商业氛围浓厚。Unity labs，研究方面包括AI,深度学习，计算机虚拟化，VR/AR等等。

3、C#和UnityScript作为Unity开发过程中最常用的语言，但是在Unity的开发过程中还是有着巨大的差异。主要体现在：

（1）C#的编译速度更快，这在Unity中极为重要，Unity大多用于游戏的开发，然而使用C#对于提升游戏的流畅度有很大的帮助。

（2）C#易于学习、更加实用、代码维护更加的方便、开发成本较低。而作为Unity中的“JS”，UnityScript是静态语言且需要编译，UnityScript并不能与JavaScript等同。例如JavaScript没有类的概念，因为它是一种基于原型的语言，继承发生在对象和对象之间，而非类与类之间，具有很强的动态性。

（3）UnityScript是衍生于.NET平台第三方语言Boo的。在社区支持、代码维护，以及生成的CIL代码质量上都与C#有很大的差距。

（4）由于Unity官方团队从Unity5.0版本开始就会停止对Boo的文档支持，预示着C#在未来的Unity中将发挥极为重要的作用。

4、使用MySQL作为后台数据库

MySQL是一个关系型数据库管理系统，由瑞典 MySQL AB公司开发，目前属于Oracle旗下公司。MySQL在 WEB 应用上是最好的关系数据库管理系统应用软件之一。MySQL是一种关联数据库管理系统，关联数据库将数据保存在不同的表中，而不是将所有数据放在一个大仓库内，这样就增加了速度并提高了灵活性。MySQL 所使用的 SQL 语言是用于访问数据库的最常用标准化语言。其社区版的性能卓越，搭配 PHP 和 Apache 可组成良好的开发环境。MySQL对比其他大型数据库比如Oracle、SQL server等规模小、功能有限，但正是因为这样的特点更加有利于个人用户和中小型企业使用，因为MySQL是开放源代码软件，这很大程度上降低了开发成本。

（1）MySQL 的核心程序采用多线程编程。线程是轻量级的进程，它可以灵活地为用户提供服务，而不占用过多的系统资源。用多线程和C语言实现的MySQL 能充分利用CPU。

（2）MySQL 有一个非常灵活而且安全的权限和口令系统。当客户与MySQL 服务器连接时，他们之间所有的口令传送被加密，而且MySQL 支持主机认证。

（3）MySQL 能够提供很多不同的使用者界面，包括命令行客户端操作，网页浏览器，以及各式各样的程序语言界面，例如 C ，Perl，Java，PHP，以及Python。

（4）MySQL可用于 Unix，Windows，以及OS/2等平台，因此它可以用在个人电脑或者是服务器上。

（5）高安全性，MySQL通过一种简单的方式为数据访问提供了可靠的保护。

（6）灵活性。MySQL可以实现Web应用，它既能够作为一个单独的应用程序在客户端服务器网络环境中运行，也能够作为一个程序库而嵌入到其他的软件中。

（7）MySQL通过一个高度优化的类库来实现SQL函数库并且运行迅速，在查询初始化的过程中没有内存漏洞。

（8）支持TCP/IP、ODBC和JDBC等多种数据库连接。

（9）性能卓越服务稳定，很少出现异常宕机的情况。

2.2.3、拟解决的关键问题及解决办法

1、Unity中视角转换问题。在进入虚拟实验室时是一个大场景，可以观察整个实验室的全貌，然后学生进行实验时要达到操作台进行实验，如何实现从实验室的全景到操作台的转换？

在Unity中用gameobject.setActive方法来进行实现，首先要设置两个相机，一个相机对应整个虚拟实验室全貌，另一个相机则是对应实验的操作台，首先用GameObject.Find()方法获取到这两个相机的对象，然后用gameobject.setActive()函数将实验台前地相机设置成false,并在start()方法中设置当前的相机为整个实验室的视角，然后通过鼠标或者是键盘操作关闭虚拟实验室全貌的相机，打开操作台的相机，从而实现视角的切换。

2.实验过程中接线问题。在进行四位加法器实验时，要将引脚进行通电测试，此时通过什么样的方式来实现导线的连接？

在Unity中可以通过贝塞尔曲线来实现，首先这是一条曲线，两点是无法确定曲线的，因此需要三个点，除了两个端点的选择，另一个点的选取则需要找两点连线形成的中垂线，首先人为确定一个向量，然后通过将两个向量叉乘得到该平面的法线，法线再与该线段叉乘得到垂线，找出线段中点，从而做出中垂线。之后用LineRender将导线绘制出来，并通过添加碰撞器组件实现功能。这只是其中的一个方法，目前还在寻找更好的方法。

3、数值计算问题。如何完成实验的核心运算，利用74LS283实现四位加法器？

第一种方法是记录引脚信息，当导线与引脚相连，记录A1\A2\A3\A4，B1\B2\B3\B4以及进位输入端C0的信息，现将这些二进制转换为十进制，进行求和，若最终结果超过15则产生进位，进位输出端则要置位1，否则置位0。之后再将所得到的和转化为8421码的形式，从而输出到引脚信息。

2.2.4、预期的研究成果

1、开发设计出一个四位加法虚拟实验平台。学生可以通过这个虚拟实验平台进行实验操作，老师也可以通过这个平台实现对学生实验结果的查看和评价。

2、通过对虚拟实验平台设计与开发的学习与研究，不断提升自己，并完成相应的本科生毕业论文。

2.2.5、可行性分析

（1）技术可行性

本文的虚拟实验系统使用的开发工具是Unity3D以及Mysql数据库，开发的语言是C#，主要使用了Unity3D技术，简单易学、灵活方便。熟练掌握Unity3D技术并具备开发程序的基本需求分析、设计开发及功能测试等能力。因此，完成虚拟实验系统的开发在技术上完全具有可行性。

（2）操作可行性

本文设计开发的虚拟实验系统作为数字逻辑的配套实验，易于理解、操作简单。不管是老师、还是学生都可以注册登录该系统，根据提示进行操作，文字标识清晰明确，因此在操作上完全具有可行性。

（3）经济可行性

3、进度安排

（1）2020/2/24—2020/3/8（第1周~第2周）：理解毕业设计要求，收集、查阅相关资料；翻译英文资料并完成开题报告。

（2）2020/3/9—2020/3/22（第3周~第4周）：书写系统整体方案，英文翻译网上提交，每周写一篇周记，每三周写一次阶段性报告。系统总体设计方案包括需求分析、功能模块设计、数据库结构设计、界面设计、接口设计、设计难点及解决方案。

（3）2020/3/23—2020/4/5（第5周~第6周）：修改完善系统总体设计方案，提交正式版本的“系统总体设计方案”作为阶段性成果。

（4）2020/4/6～2020/4/19（第7周~第8周）：按指导老师的要求完成系统总体设计方案，再次提交正式版本的“系统总体设计方案”作为阶段性成果，继续熟悉开发平台，每周写一次周记。

（5）2020/4/20～2020/5/3（第9周~第11周）：完成系统编码、调试，完善界面，准备演示系统。

（6）2020/5/4～2020/5/31（第12周~第15周）：5.1-5.15：完成论文v1.0，提交给老师审查；5.16-5.22：完成论文v2.0；5.23-5.29：完成论文v3.0，定稿，准备打印。准备演示系统，准备答辩PPT，准备其他答辩资料。进行答辩。