虚拟实验现象仿真研究

摘要：以粒子系统在虚拟实验、虚拟培训效仿真为例，探讨了集灵活性、随机性、普适性于一体的粒子系统在增强虚拟教学沉浸感中的重要作用。

关键词：粒子系统；虚拟现实；沉浸感

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21677-02

Research of Virtual Experimental Phenomenon Simulation

YANG Wei-ping, ZANG Wei, ZHAI Yong, YU Liang

(Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)

Abstract:Take that particle system in virtual experiment, special efficiency simulating in virtual training as an example, the article mainly discussed the important effect of the particle system which incorporating flexibility, randomness and suitable into an integral whole in virtual teaching.

Key words:particle system; virtual reality; immersion

1 引言

随着计算机技术、图形学技术、光电子技术、仿真技术等的飞速发展，综合运用上述技术，高度逼真地模拟仿真人在现实世界中视、听、触等行为的人机界面的虚拟现实技术也日趋完善。在虚拟现实技术构建的接近真实的虚拟环境中，人可以通过形体动作与其它仿真实体交互并达到一种沉浸的感觉。主动地交互学习比被动地接受说教更具折服力，因而基于具有强大交互能力的虚拟现实技术的虚拟教学，如雨后春笋迅速发展起来。目前，大多数虚拟教学局限于简单的二维仿真与演示，或者是操作的简单交互，缺乏对特殊现象及过程的三维动态仿真，使得现有的虚拟教学在生动性、逼真性上与理想意义上的“灵境”交互教学有很大差距，粒子系统的引入恰好能弥补上述不足。本文通过研究粒子系统在虚拟实验、虚拟教学效仿真，进一步探讨了它在虚拟教学中的重要作用。

2 虚拟教学发展现状

在高校连年扩招造成的资金严重不足、实验设备的折损严重、高精度昂贵设备误操作易导致重大损失、高危险性实验对初学者人身安全存在的潜在威胁等因素影响下，又有综合了计算机技术、图形学技术、仿真技术等的虚拟现实技术的日趋成熟的外界动力下，虚拟教学出现并在虚拟实验、虚拟培训等很多方面得到成功运用。虚拟教学比传统教学更能充分调动学习者的感官及学习激情，利用虚拟现实技术营造自主学习的环境，学习者由传统的“以听而学”的学习方式变为以通过自身与虚拟环境的相互交互获取知识、技能的“以动而学”。本文简单介绍虚拟教学的以下几方面：

2.1 虚拟课堂

虚拟现实技术与课堂教学的完美结合打破了教学活动的时空局限性，学习者可在虚拟教室根据自身基础与爱好自主进行课程内容选择，避免了传统课堂的“同时、同地、同内容”的授课形式与学习者基础参差不齐之间的矛盾，使得教与学更人性化。

2.2 虚拟实验

在传统实验中由于受设备、经费、危险性、时空限制等外因所限，许多实验无法开设，而利用虚拟现实技术建立的物理、化学等各种虚拟实验环境中，学生可以安全操作各种虚拟实验，并可获得与真实实验相近的体验。虚拟实验能彻底打破时空限制，在虚拟环境中学习者只需花费几分钟时间便可观测到现实中需要几天甚至几年才能完成的过程，并且不会产生误操作带来的人身伤害和财产损失，使得知识的获取更高效、更安全。

2.3 虚拟培训

针对职工岗前培训，特别是高危行业的岗前安全培训，传统培训方式中通常采用文字形式或简单二维形式，缺乏生动性及真实性，学员在接受完培训后仅在短期内对培训内容有二维的记忆，遇到突发事件由于现场实景与各自对培训内容的理解相去甚远，往往无法快速运用所学知识解决生产实际问题。虚拟培训使受训者在培训过程中感触现场，在接受培训后，对培训内容有三维、逼真的系统理解，能够将所学知识准确应用于生产实际，当真正经历事故时能迅速反应，安全逃生。

3 粒子系统

3.1 粒子系统基本原理

粒子系统算法是Reeve于1983年提出，它通过采用大量形状简单且具有一定属性的基本粒子作为基础元素来表示不规则模糊物体，这些基本粒子都有一定的生命周期，基于它们不断改变形状、不断运动，所以粒子系统能充分体现模糊物体的动态性与随机性。粒子系统不是静态的系统，而是一个动态表现过程，是随时间变化处在不断运动中的粒子群，粒子群的分布状态可以随机改变，动力学性质决定各粒子位置的移动方式，新粒子的不断产生同时可以伴随着旧粒子的消亡。

3.2 粒子系统绘制的基本步骤

Step1 由粒子源产生新的粒子并加入系统中；

Step2 给每一个新粒子分配一定的静态属性；

Step3 删除系统中已存在且超过其生存期的所有粒子；

Step4 根据系统中剩余粒子的动态属性对粒子进行移动和变换；

Step5 绘制并显示由有生命的粒子组成的图象。

可将粒子系统与所描述物体的自身特征与运动模型结合，进行相应的模型建立。为体现系统的随机特性，常采用随机过程进行粒子形状、运动等的控制。每个粒子都有各自的变化范围，该范围内随机给数以确定它的大小，而变化范围则由即定的期望与方差来确定，基本表达式为：Para=MeanPara+Rand()'VarPara，其中Para代表需随机确定的参数；Rand()为[-1，1]中的均匀分布的随机函数；MeanPara为该参数的期望值；VarPara为其方差值。

4 粒子系统与虚拟教学

因在虚拟实验与虚拟培训环节中需进行大量特效模拟，因此本文仅以粒子系统在这两方面的应用来介绍并说明它在虚拟教学中的重要地位。

4.1 虚拟实验现象仿真

实验教学对于提高学生对知识的理解掌握程度、培养学生分析、解决问题的能力具有重要的作用。由于实验设备昂贵、实验自身危险性等许多因素的存在，使得大量实验在现实中不易操作，虚拟实验在此情况下应运而生。虚拟实验通过利用计算机编程工具模仿真实的实验环境从而营造一个虚拟的实验环境，实验者可操作虚拟实验系统来完成各种预定的实验项目。实验过程中反应现象将在屏幕上显示给实验者，但大多虚拟实验系统局限于简单交互与二维演示，缺乏对实验现象的三维动态仿真，因而虚拟实验的沉浸感方面将大大折扣，实验者也不会对实验内容与结果有较深的理解与记忆。在某种意义上，实验现象动态仿真的逼真程度直接影响到虚拟实验系统的实用性。因此良好的虚拟实验系统离不开逼真的三维效果仿真，而动态仿真的关键又是粒子系统，换句话说一套好的虚拟实验系统离不开粒子系统。以虚拟化学实验为例简单介绍通过粒子系统实现气泡、烟雾、沉淀等，实现实验现象的动态模拟。