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基于X3D的3D虚拟实验的研究与实现

宋亮  
【摘要】:3D虚拟实验是虚拟现实技术在教育领域中的一个应用。虽然传统的实验课程在教学环节中具有重要作用,但实验安全性、资源成本以及时间空间限制等问题不可避免。3D虚拟实验能够很好地解决传统实验课程所面临中的诸多问题。本文研究并实现了基于X3D的3D虚拟实验,提出了基于X3D和ActiveX的3D虚拟实验框架,研究了在X3D中应用粒子动画的方法,并实现了三门虚拟实验课程。论文的主要工作和贡献包括以下几个方面: 首先,论文介绍了基于X3D的虚拟实验,并针对目前实现技术的不足,提出了一种新的3D虚拟实验框架。该框架将X3D和ActiveX技术相结合,将渲染无关的复杂计算从X3D浏览器中分离出来并封装在独立的ActiveX模块中,因此具有通用性和可扩展等优点,可以广泛应用于3D虚拟实验中。此外,该框架在SOLID碰撞检测的基础上增加了形状队列的维护,将碰撞检测应用到该框架中。碰撞检测部分独立于X3D浏览器,使该框架具有较好的可维护性和灵活性。 然后,论文提出了在X3D中应用粒子动画的方法。某些实验课程,比如化学实验,包含火焰和烟雾等复杂现象,X3D中的普通几何结点无法完成对这类现象的模拟。因此,本文提出了三种在X3D中实现粒子动画的方法用于体现3D虚拟实验中的复杂效果,包括完全采用X3D中粒子结点的模拟方法,使用TimeSensor等结点和内部JavaScript语言共同实现粒子动画的方法,同时在方法中应用Perlin噪声和纹理合成来增强真实感。 最后,基于以上工作,我们实现了三门课程的3D虚拟实验,并介绍了每门实验的具体实现流程。其中溶液反应实验在论文提出的3D虚拟实验框架下实现;在圆锥摆实验中,我们应用了框架中的碰撞检测来实现游标卡尺对小球直径的精确测量:红磷燃烧实验应用了在X3D中实现粒子动画的方法,实现了对酒精灯火焰、红磷燃烧火焰和红磷在氧气中燃烧产生的大量白色烟雾的模拟。


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