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《山东建筑大学》 2011年
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基于Virtools的中学物理虚拟实验室的构建方法研究

李永帅  
【摘要】:中学物理实验对于提升中学生学习科学的兴趣、普及基本科学知识起着至关重要的作用,虚拟实验室是虚拟现实技术在教育领域的应用,通过虚拟实验室进行实验,实验者可以像在真实环境中一样完成实验,所取得的实验效果等于甚至优于真实实验室。中学物理虚拟实验室的构建可以有效的解决部分学校实验设备欠缺的问题。 本文首先介绍了虚拟现实技术和虚拟实验室技术发展的基本概况,详细阐述了虚拟现实技术中的建模技术,建模技术是虚拟现实技术的基础,包括几何建模、运动建模和物理建模。几何建模用来描述虚拟对象的形状和外观;运动建模用于确定三维对象在世界坐标系中的位置以及它们在虚拟世界中的运动;物理建模就是综合体现对象的物理特性,包括重力、惯性、表面硬度、柔软度和变形模式等,这些特性给虚拟世界的对象模型带来了更大的真实感。 本文介绍了当前丌发虚拟实验室的几种方法,通过表格列出了各种方法的优缺点;由于Virtools具有丌发简单、交互性强、自带的物理属性模块的特点,因此本文选择以Virtools为平台来丌发中学物理虚拟实验室;并介绍了构建虚拟实验室的步骤,包括模型的构建、交互设计和虚拟实验室的发布三个步骤。 在基于Virtools的虚拟物理实验室的构建方法的基础上,本文以小球平抛运动虚拟实验为例验证了该构建方法的可行性。本文把小球平抛运动虚拟实验分为三部分,分别是预览模式、实验模式和自行绘制曲线。最后通过虚拟实验数据和实际实验数据比较验证了小球平抛运动虚拟实验的可行性。并通过大量的图片详细介绍了小球平抛运动虚拟实验的构建过程。 本文对虚拟现实技术中的物理建模中的虚拟碰撞问题进行了深入的分析,介绍了碰撞检测的几种常用算法,包括包围球法、方向包围盒法、轴向包围盒法等;在掌握Virtools中的碰撞检测模块的基础上,通过一个小测验证实了碰撞检测模块存在检测精度与运行时间存在矛盾;在此基础上提出了一种碰撞检测的优化方法,并利用Virtools SDK和VC++开发了优化了的碰撞检测模块,通过测验证实了这种优化方法可以有效的解决上述矛盾。
【学位授予单位】:山东建筑大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TP391.6;O4-4

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