虚拟计算机硬件实验平台设计

边红军

(陕西财经职业技术学院 国有资产管理处, 咸阳 712000)

0 引言

受到资源及教学经费等的限制，目前高校硬件教学课堂普遍存在着实验同理论教学分离、教学方式单一及实验教学设备不足等问题，为弥补传统实验教学的不足，虚拟实验平台成为研究的重点之一，采用计算机技术仿真处理现实中的部分实验或操作，通过虚拟计算机实验平台完成高难度及成本的操作或实验，通过虚拟平台的开发和应用，可使学生在学习完理论知识的基础上掌握更多的实验知识，设计和开发虚拟实验平台使教师能够不受时间地点限制运用教学演示完成实际的实验操作，更好的满足硬件课程的教学需求。

1 虚拟计算机硬件实验平台现状分析

目前高校的硬件课程教学大多同实验教学难以结合起来，偏向以单一理论教学为主的课堂教学，并且受到实验经费的限制，实验设备短缺老化等难以和理论教学同步更新，以更好掌握理论知识为目的的实验教学无论质量还是数量都难以满足实际需求，阻碍了人才的培养。虚拟实验平台的设计和应用能够有效解决上述问题，通过虚拟实验平台的构建使老师能够进行课堂教学演示，并且学生在进行实验操作时不受时空的限制，有效的解决了传统硬件课程教学资源不足、质量不高等问题，将成为硬件课程教学与实验中的有效工具[1]。

随着信息化的发展和完善，计算机虚拟现实技术得以快速进步和广泛应用，通过依托计算机技术能够进行复杂烦琐的实验操作，对现实中的部分实验或操作完成仿真处理过程，如测试、开发计算机硬件及相关知识学习等，虚拟计算机硬件实验平台的构建将实验画面更加直观的呈现出来(采用现代化计算机方式完成)，实现虚拟环境的创造使人们直接进入实验环境完成真实的实验操作步骤。本文设计虚拟计算机硬件实验平台的目的在于结合虚拟技术加强计算机硬件的开发，以直观的方式呈现出计算机硬件的功能，达到仿真效果，提高计算机硬件实验的效率。

2 虚拟计算机硬件实验平台的设计

需完成虚拟现实开发平台、显示系统、交互系统、集成控制系统的设计，以保证虚拟系统的完整。

(1) 虚拟现实开发平台

虚拟现实开发平台作为虚拟现实系统的基础需先进行设计，虚拟现实开发平台是实现虚拟计算机硬件实验平台构建的重要支撑，主要负责为平台提供动力，构建开发平台需基于高性能的设备与系统，虚拟现实开发平台的设计能够对硬件实验平台构建的处理系统做进一步完善，对图像生成与细节进行详细处理，硬件虚拟开发平台构建期间需负责虚拟计算机硬件实验场景的各项处理工作(包括VR 场景设计、开发、运算、构建、生成等)，形成完整的虚拟系统模式，并负责整体系统与子系统的连接与协调，从而为构建硬件实验平台打下良好的物理基础，保证系统功能的有效实现。

(2) 虚拟仿真交互系统

为了实现以直观的形式在虚拟环境中呈现出现实中的实验过程，需严格要求多自由度空间，即以实时交互为条件，在结合本质特征、构建要求的基础上，需以虚拟现实技术作为基础，掌握虚拟现实技术的核心所在，通过虚拟现实交互技术的应用实现更多实验价值的挖掘，从而有效满足实时交互这一条件。不同于三维动画及多媒体应用等技术，虚拟现实技术不受实时交互的限制，能够在虚拟环境下完成虚拟实验的设计，具体需先完成科学的虚拟环境的设定，在充分利用虚拟环境所提供各项条件的基础上，结合使用包含多个自由度虚拟交互系统的特定虚拟设置，从而使实验的交互需求(包括数据手套、位置追踪、触觉反馈系统、操纵杆等)得以有效满足，本文以某化学虚拟仿真交互系统所设计的实验模式为例，对该系统的实现效果进行展示，具体如图1所示[2]。

图1 虚拟仿真交互系统设计的某化学实验模式

(3) 虚拟三维显示系统

保证科学交替现实同虚拟间的元素是虚拟计算机硬件实验平台(尤其是虚拟现实应用系统)功能实现的基本保障，显示系统与显示设备是实验平台必不可少的配置，具体可采用虚拟三维投影显示系统、大屏幕监测器、立体显示器等，作为虚拟计算机硬件实验设计中普遍使用的系统，虚拟三维显示系统具有沉浸性特征，是一种比较常用且相对成熟的仿真设计手段，可将所有元素根据实际需要通过显示系统实现清晰的展示过程，同时还具备构建虚拟计算机硬件实验平台所需的各项关键点及具体功能，能够使得以临场感、参与度有效提高，实现对设计画面的高度还原，画面逼真满足设计的仿真需求，相互的信息交流同样可通过虚拟三维显示系统实现从而有效满足最终的实验需求[3]。

3 虚拟计算机硬件实验平台的开发

3.1 主要模块设计

虚拟现实开发平台是构建虚拟计算机硬件实验平台的基础，具有较高性能的生成和处理图象系统，主要负责开发、运算、生成整个VR场景，他各子系统的工作和运转需通过其进行连接和协调整，构成完整的虚拟现实系统。多自由度实时交互是虚拟现实技术的精髓，不同于三维动画和多媒体应用，虚拟现实交互应用需借助特殊虚拟外设，如数据手套、力或触觉反馈系统、位置跟踪器等。虚拟计算机硬件实验平台的模块设计主要由两部分构成：实验演示模块(负责播放硬件组装视频)，由于观看视频需反复进行，尤其是应用MediaTexture Command 等信道建设Quest 3D期间需发挥演示功能，同时对路径、视频位置、摄像头等进行保存，以供后期查找；自主实验模块，在确定设计思路的基础上，根据主板插槽坐标位置，同具体模型位置进行对比，通过键盘变化的使用完成坐标位置的移动，完成其中存在误差的确定。

3.2 模型构建

模型构建是开发虚拟计算机硬件实验平台的基础和关键步骤，具体需使用专用软件(SketchUp)完成模型的构建，具体步骤为：(1)使用实验软件以具体的设计要求为依据，实验所需材料的勾画通过使用系统中的画笔工具实现，具体需完成硬件模型的勾勒从而获取合格形状；(2)将硬件模型同计算机硬件实物进行比对及分析，在确保贴图合适的基础上，完成实物图片的采集与扫描，进而使模型进入贴图操作中，在有效呈现出模型的真实特点的同时，使模型构建的整个过程中的工作量得以显著降低；(3)针对模型设计中需交互的部进行单独建模处理，以在主板插槽建模为例，需将主板插槽进行独立建模，以实现最终虚拟实验物体相互间密切交互[4]。

3.3 模型的优化

为保证虚拟计算机硬件实验平台的顺利运行及功能的实现，提高虚拟装机系统交互性、实时性，需对模型构建过程(作为主要优化对象)进行优化，优化模型时需先以近实远虚的原理为依据，对虚拟模型构建过程中将近景作为重点渲染对象，对近景进行较高精细程度的绘制，而对于远景通过粗略勾画的方式即可，无需对远景进行精细的材质贴图处理，只需为其上色，某场地模型优化结构如图2所示。

图2 模型优化结构图

在元素设计、颜色等方面上近景相比远景都更为细致，模型构建后的优化过程可通过结合使用模型优化技术(包括纹理映射、纹理压缩等)，从而缩短加载时间，使建模所需的时间显著降低[5]。

3.4 模型的动态导入

为保证构建虚拟计算机硬件实验系统各部分功能的统一，为确保安全、及时的信息存储的实现，需同数据库进行紧密连接，便于实验设计根据实际需求进行相关调用，本文采用Quest3D系统用于存储用户信息，具体可选择系统中的DB Driver MySQL、DB Source/Query信道，作为信息存储的主要途径，通过DB DriverMySQL完成数据库的连接后，用户在登录前需输入用户名与验证密码，从而确保数据库的安全性，与此同时还能够对数据库服务器地址进行更新和保存，为设计并实现虚拟计算机硬件实验平台提供重要的技术支撑；相关信息在被DB DriverMySQL接收到后，存储过程通过使用DB Source信道即可实现，需注意对文件别名进行及时设置，根据文件名实验人员即可对数据信息进行查询，查询之后能够返回主页面，从而简化数据绑定及查询过程；系统SQL语言命令的输入通过DB Query即可实现。作为构建虚拟计算机硬件实验平台的关键步骤，模型动态导入对于硬件模型是必不可少的环节，实验脚本的制作必须通过动态导入完成，通过采用Quest 3D渠道中的 Lua作为基本脚本，使处于二次开发环境中的该脚本能够为用户提供更多所需信道，此外还可通过部分模块的调用作为设计基础，整体设计过程为：(1)将合格的硬件模型在完成及时构建的基础上导入Quest 3D系统中，其导入存储状态用.cgr 表示；(2)对已导入的硬件模型以Lua脚本为依据完成加载，将其调用转换为硬件信道组，使用q .LoadChanelgroup(“yingjian.Cgr”,“yingjian”,0)作为具体的脚本语言，0主要表示导入模型实例[6]。

4 总结

在对虚拟计算机平台进行详细分析的基础上，本文主要对虚拟计算机硬件实验平台进行了研究和设计，介绍了虚拟仿真交互系统的原理，完成了虚拟现实开发平台及虚拟三维显示系统的设计，并对该实验平台的开发及主要模块的设计进行详细阐述，包括模型的建立、优化、动态导入及数据库连接等模块，从而使平台的开发效率得以提升，为虚拟计算机硬件实验平台的优化提供参考。