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摘要 为了改善化学反应工程的实验条件与教学质量,以二氧化碳甲烷化反应动力学测定实验为例,对虚拟仿真实验的设计思路与构建过程进行探讨,详细描述如何实现虚拟实验交互操作。
关键词 二氧化碳甲烷化;虚拟实验;VRML;交互
中图分类号:TP391.9 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2010)06-0075-03
Research on Chemical Virtual Simulation Experiment based on VRML//Li Min, Xu Dongmei, Gao Jun
Abstract In order to improve the condition and equality of the experiment of chemical reaction engineering largely. The paper took the experiment of carbon dioxide methanation reaction kinetics for example, discussed the design idea and building process of this virtual simulation experiment, and described how to achieve the interactive operation of this virtual experiment in detail.
Key words chemical reaction engineering; virtual experiment; VRML; interactive
Author’s address College of Chemical and Environmental Engineering, SUST, Qingdao, Shandong, China 266510
目前,在许多大学,化工类的实验课程往往因为成本、场地、人员等诸多问题而无法起到其应有的作用。首先,“教师布置仪器,学生机械操作”的单一实验方式,使得学生在实验课中只能被动接受,实验成绩再高也只是知其然而不知其所有然。其次,由于某些实验的成本较高,抑或实验本身所需要的实验条件、学时限制等较难达到,这些实验项目往往会被删掉[1,2]。
针对上述问题,本文尝试将虚拟现实技术引入化工实验,以三维虚拟实验仪器为载体,以虚拟实验环境中的交互式实验操作为基础,重点探讨二氧化碳甲烷化反应动力学测定的虚拟仿真实验的设计实现过程。
1 虚拟现实技术与VRML
虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)是近年来出现的高新技术,也称灵境技术或人工环境。虚拟仿真的主要特征有多感知性、浸没感、交互性、构想性。身临其境的沉浸感和人机互动的趣味性是虚拟仿真的实质特征,对时空环境的现实构想(即启发思维,获取信息的过程)是虚拟仿真的最终目的[3]。
目前,应用较为广泛的虚拟现实技术主要包括VRML技术、OpenGL技术、Java3D技术等。其中,VRML(Virtual Reality Modeling Language,虚拟现实建模语言)是一种描述三维造型与交互环境的简单的文本语言,是在Internet上建立3D多媒体和共享虚拟世界的一个开放标准。作为网络浏览的一种形式,它的“网页”是一幅幅立体的场景,具有界面真实感强、浏览方便、信息量大、交互性能优越等优点,是实现网上教学、模拟战场、网上实习、网上实验的利器[3,4]。
2 二氧化碳甲烷化仿真实验的总体构思
二氧化碳甲烷化反应是由法国化学家Paul Sabatier提出的,故又称之为Sabatier反应。反应过程是将按一定比例混合的CO2和H2通过装有催化剂的反应器,在一定的温度和压力条件下CO2和H2发生反应生成水和甲烷。
通过认真分析该反应实验的实验流程、实验原理、实验仪器设备等内容,将二氧化碳甲烷化仿真实验的设计流程进行归纳。
1)虚拟实验仪器建模。仪器模型包括钢瓶、减压阀、过滤器、质量流量计、止回阀、预热器、反应器。
2)实验仪器装配仿真设计。以具有特殊效果的管路连接实验仪器,管路的特殊效果包括颜色变化、透明效果、流动指示等。
3)实验步骤交互设计。实验步骤可简要描述为启动→系统试漏→催化剂升温还原→不同温度下二氧化碳转化率的测定,并针对各个步骤的特点设计交互操作方式。
4)实验效果评估与过程回放。针对虚拟实验操作者对实验的操作状况进行评估,并记录实验操作过程以便回放。
3 虚拟实验建模
对于一些简单的场景模型可采用VRML的建模功能,并通过纹理、材质等渲染方法对其进行加工,使所建模型更加逼真。对于复杂的虚拟场景对象,采用3DSMAX构建模型,然后再转换成VRML文件[2,5,6]。
为保证实验仪器三维模型具有较高的真实效果,首先需对实物模型进行测量,并针对其在实验过程中可能出现的状态进行分析,最终确定建模步骤。下面以转子流量计为例,简述其建模过程。转子流量计的模型设计效果如图1所示。
构建底部钢板及相应的金属结构,其中包括有上下对称的控制螺丝和相应的阻止小球离开的金属弹簧丝以及后面的导气管接口,此接口为了安全密封,采用层叠式的结构。
4 虚拟实验交互操作
4.1 基于VRML的交互功能实现方式VRML动态交互功能可由3种方法加以实现[7,8]:1)利用VRML自身的传感器与插补器实现交互功能;2)结合脚本语言VRMLScript、JAVAScript实现交互功能;3)通过VRML与JAVA相结合实现交互功能。
上述3种方法在实现交互功能方面都有各自的优缺点,通过认真的分析与对比,本文采用第一种与第二种方法相结合的方式来完成虚拟仿真实验的交互操作。
4.2 二氧化碳甲烷化实验交互操作分析通过分析二氧化碳甲烷化反应动力学测定实验的实验流程与实验原理,可以将实验所涉及的交互操作进行如下分类。
1)在虚拟环境中对仪器设备进行虚拟操作,用鼠标点击某一部件使其平移和转动,采用VRML自身的传感器与插补器加以实现。
2)操作仪器时伴随真实环境下的声音效果,采用VRML自身的传感器与插补器实现声音播放,并采用JAVAScript触发播放事件。
3)减压阀等阀门的交互操作,采用VRML自身的传感器与插补器触发事件,采用JAVAScript触发控制事件。
4)气体流通效果的交互控制,打开阀门后,管路中出现气体流动,同时管路、转子流量计等部件产生半透明效果。此交互过程,采用VRML自身的传感器与插补器触发事件,采用JAVAScript触发控制事件。
5)交互操作提示控制,采用VRML自身的传感器与插补器触发事件,采用JAVAScript触发控制事件。
针对上述5类交互操作,逐一制定出详细的交互设计方案,本文4.3小节将对其中的一个交互操作实例进行详细叙述。
4.3 气瓶开启交互设计实例
1)将气瓶控制阀(模型)分离出来,用DEF语句将其命名为kg_n2。打开气瓶时,阀门应进行旋转,因此需使用朝向插补节点(OrientationInterpolator)。将朝向插补器命名为tmkgpointn2。
2)设置与朝向插补器相对应的时间传感器(TimeSensor),将其命名为tmkgn2,并设置此时间传感器中的相关参数,其中“是否循环(loop)”应设为FALSE。
3)在Script节点中编写触发程序,当实验操作人员点击气瓶控制阀室触发朝向插补节点,随即使控制阀旋转上升,最后完成打开阀门的交互操作。具体的控制过程为:预先定义好实验场景,当运行到此步骤时,实验人员点击气瓶的控制阀,从而触发tskg_n2的isActive事件,通过路由将此isActive事件传入Script节点sc内的eventIn值kgn2in,在sc中用javascript定义kgn2in()事件。在此程序中,对5个变量赋值:kgn2out,kgn2tsout,kgn2tmout1,kgn2tmout2,kgn2outbool。其中kgn2outbool为field属性,另外的4个将作为eventOut值通过路由传入时间传感器tmkgn2中。在时间传感器中将时间改变传入朝向传感器tmkgpointn2,然后通过路由将朝向传感器中值定义为阀门的旋转量,完成整个过程。
部分代码如下:
Group {
children [
DEF tmkgn2 TimeSensor {
enabled FALSE
cycleInterval 10
startTime 0
loop TRUE
}
……
ROUTE tskg_n2.isActive TO sc.kgn2in
ROUTE sc.kgn2tsout TO tskg_n2.enabled
ROUTE sc.kgn2out TO tmkgn2.enabled
ROUTE sc.kgn2tmout1 TO tmkgn2.startTime
ROUTE sc.kgn2tmout2 TO tmkgn2.stopTime
ROUTE tmkgn2.fraction_changed TO tmkgpointn2.set_fraction
ROUTE tmkgpointn2.value_changed TO kg_n2.rotation
5 结束语
用虚拟仿真实验替代某些受限实验,将节省大量的设备投入成本,并使其不受场地、人员与课时的限制,从而快速高效地提高实验进度。随着计算机技术的不断发展,虚拟仿真实验在建模方法与交互手段上也将不断完善。相信在不久的将来,虚拟仿真实验在实验教学领域中的应用,必将更加广泛与深入。
参考文献
[1]李敏,刘刚,王力.虚拟现实技术在化学反应工程实验教学中的应用[J].计算机与应用化学,2006(10)
[2]戴俊,沈建华.基于VRML的虚拟实验室的研究与实现[J].舰船电子工程,2009(4)
[3]汪成为,高文,王行仁.灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M].北京:清华大学出版社,1996
[4]陆昌辉,仇刚,蔡勇.VRML入门与提高[M].北京:北京大学出版社,2003
[5]刘筱兰,张薇.虚拟实验室的类型及发展趋势[J].计算机应用研究,2004(11)
[6]陈秀清.关于虚拟实验室的建设[J].福建广播电视大学学报,2003(1)
[7]雒伟群.基于VRML的交互式虚拟实验室的研究与实现[D].天津大学,2005:34-36
[8]刘霞,张砚.基于VRML的三维虚拟实验仪器制作[J].河北北方学院学报:自然科学版,2008(10)
关键词 二氧化碳甲烷化;虚拟实验;VRML;交互
中图分类号:TP391.9 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2010)06-0075-03
Research on Chemical Virtual Simulation Experiment based on VRML//Li Min, Xu Dongmei, Gao Jun
Abstract In order to improve the condition and equality of the experiment of chemical reaction engineering largely. The paper took the experiment of carbon dioxide methanation reaction kinetics for example, discussed the design idea and building process of this virtual simulation experiment, and described how to achieve the interactive operation of this virtual experiment in detail.
Key words chemical reaction engineering; virtual experiment; VRML; interactive
Author’s address College of Chemical and Environmental Engineering, SUST, Qingdao, Shandong, China 266510
目前,在许多大学,化工类的实验课程往往因为成本、场地、人员等诸多问题而无法起到其应有的作用。首先,“教师布置仪器,学生机械操作”的单一实验方式,使得学生在实验课中只能被动接受,实验成绩再高也只是知其然而不知其所有然。其次,由于某些实验的成本较高,抑或实验本身所需要的实验条件、学时限制等较难达到,这些实验项目往往会被删掉[1,2]。
针对上述问题,本文尝试将虚拟现实技术引入化工实验,以三维虚拟实验仪器为载体,以虚拟实验环境中的交互式实验操作为基础,重点探讨二氧化碳甲烷化反应动力学测定的虚拟仿真实验的设计实现过程。
1 虚拟现实技术与VRML
虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)是近年来出现的高新技术,也称灵境技术或人工环境。虚拟仿真的主要特征有多感知性、浸没感、交互性、构想性。身临其境的沉浸感和人机互动的趣味性是虚拟仿真的实质特征,对时空环境的现实构想(即启发思维,获取信息的过程)是虚拟仿真的最终目的[3]。
目前,应用较为广泛的虚拟现实技术主要包括VRML技术、OpenGL技术、Java3D技术等。其中,VRML(Virtual Reality Modeling Language,虚拟现实建模语言)是一种描述三维造型与交互环境的简单的文本语言,是在Internet上建立3D多媒体和共享虚拟世界的一个开放标准。作为网络浏览的一种形式,它的“网页”是一幅幅立体的场景,具有界面真实感强、浏览方便、信息量大、交互性能优越等优点,是实现网上教学、模拟战场、网上实习、网上实验的利器[3,4]。
2 二氧化碳甲烷化仿真实验的总体构思
二氧化碳甲烷化反应是由法国化学家Paul Sabatier提出的,故又称之为Sabatier反应。反应过程是将按一定比例混合的CO2和H2通过装有催化剂的反应器,在一定的温度和压力条件下CO2和H2发生反应生成水和甲烷。
通过认真分析该反应实验的实验流程、实验原理、实验仪器设备等内容,将二氧化碳甲烷化仿真实验的设计流程进行归纳。
1)虚拟实验仪器建模。仪器模型包括钢瓶、减压阀、过滤器、质量流量计、止回阀、预热器、反应器。
2)实验仪器装配仿真设计。以具有特殊效果的管路连接实验仪器,管路的特殊效果包括颜色变化、透明效果、流动指示等。
3)实验步骤交互设计。实验步骤可简要描述为启动→系统试漏→催化剂升温还原→不同温度下二氧化碳转化率的测定,并针对各个步骤的特点设计交互操作方式。
4)实验效果评估与过程回放。针对虚拟实验操作者对实验的操作状况进行评估,并记录实验操作过程以便回放。
3 虚拟实验建模
对于一些简单的场景模型可采用VRML的建模功能,并通过纹理、材质等渲染方法对其进行加工,使所建模型更加逼真。对于复杂的虚拟场景对象,采用3DSMAX构建模型,然后再转换成VRML文件[2,5,6]。
为保证实验仪器三维模型具有较高的真实效果,首先需对实物模型进行测量,并针对其在实验过程中可能出现的状态进行分析,最终确定建模步骤。下面以转子流量计为例,简述其建模过程。转子流量计的模型设计效果如图1所示。
构建底部钢板及相应的金属结构,其中包括有上下对称的控制螺丝和相应的阻止小球离开的金属弹簧丝以及后面的导气管接口,此接口为了安全密封,采用层叠式的结构。
4 虚拟实验交互操作
4.1 基于VRML的交互功能实现方式VRML动态交互功能可由3种方法加以实现[7,8]:1)利用VRML自身的传感器与插补器实现交互功能;2)结合脚本语言VRMLScript、JAVAScript实现交互功能;3)通过VRML与JAVA相结合实现交互功能。
上述3种方法在实现交互功能方面都有各自的优缺点,通过认真的分析与对比,本文采用第一种与第二种方法相结合的方式来完成虚拟仿真实验的交互操作。
4.2 二氧化碳甲烷化实验交互操作分析通过分析二氧化碳甲烷化反应动力学测定实验的实验流程与实验原理,可以将实验所涉及的交互操作进行如下分类。
1)在虚拟环境中对仪器设备进行虚拟操作,用鼠标点击某一部件使其平移和转动,采用VRML自身的传感器与插补器加以实现。
2)操作仪器时伴随真实环境下的声音效果,采用VRML自身的传感器与插补器实现声音播放,并采用JAVAScript触发播放事件。
3)减压阀等阀门的交互操作,采用VRML自身的传感器与插补器触发事件,采用JAVAScript触发控制事件。
4)气体流通效果的交互控制,打开阀门后,管路中出现气体流动,同时管路、转子流量计等部件产生半透明效果。此交互过程,采用VRML自身的传感器与插补器触发事件,采用JAVAScript触发控制事件。
5)交互操作提示控制,采用VRML自身的传感器与插补器触发事件,采用JAVAScript触发控制事件。
针对上述5类交互操作,逐一制定出详细的交互设计方案,本文4.3小节将对其中的一个交互操作实例进行详细叙述。
4.3 气瓶开启交互设计实例
1)将气瓶控制阀(模型)分离出来,用DEF语句将其命名为kg_n2。打开气瓶时,阀门应进行旋转,因此需使用朝向插补节点(OrientationInterpolator)。将朝向插补器命名为tmkgpointn2。
2)设置与朝向插补器相对应的时间传感器(TimeSensor),将其命名为tmkgn2,并设置此时间传感器中的相关参数,其中“是否循环(loop)”应设为FALSE。
3)在Script节点中编写触发程序,当实验操作人员点击气瓶控制阀室触发朝向插补节点,随即使控制阀旋转上升,最后完成打开阀门的交互操作。具体的控制过程为:预先定义好实验场景,当运行到此步骤时,实验人员点击气瓶的控制阀,从而触发tskg_n2的isActive事件,通过路由将此isActive事件传入Script节点sc内的eventIn值kgn2in,在sc中用javascript定义kgn2in()事件。在此程序中,对5个变量赋值:kgn2out,kgn2tsout,kgn2tmout1,kgn2tmout2,kgn2outbool。其中kgn2outbool为field属性,另外的4个将作为eventOut值通过路由传入时间传感器tmkgn2中。在时间传感器中将时间改变传入朝向传感器tmkgpointn2,然后通过路由将朝向传感器中值定义为阀门的旋转量,完成整个过程。
部分代码如下:
Group {
children [
DEF tmkgn2 TimeSensor {
enabled FALSE
cycleInterval 10
startTime 0
loop TRUE
}
……
ROUTE tskg_n2.isActive TO sc.kgn2in
ROUTE sc.kgn2tsout TO tskg_n2.enabled
ROUTE sc.kgn2out TO tmkgn2.enabled
ROUTE sc.kgn2tmout1 TO tmkgn2.startTime
ROUTE sc.kgn2tmout2 TO tmkgn2.stopTime
ROUTE tmkgn2.fraction_changed TO tmkgpointn2.set_fraction
ROUTE tmkgpointn2.value_changed TO kg_n2.rotation
5 结束语
用虚拟仿真实验替代某些受限实验,将节省大量的设备投入成本,并使其不受场地、人员与课时的限制,从而快速高效地提高实验进度。随着计算机技术的不断发展,虚拟仿真实验在建模方法与交互手段上也将不断完善。相信在不久的将来,虚拟仿真实验在实验教学领域中的应用,必将更加广泛与深入。
参考文献
[1]李敏,刘刚,王力.虚拟现实技术在化学反应工程实验教学中的应用[J].计算机与应用化学,2006(10)
[2]戴俊,沈建华.基于VRML的虚拟实验室的研究与实现[J].舰船电子工程,2009(4)
[3]汪成为,高文,王行仁.灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M].北京:清华大学出版社,1996
[4]陆昌辉,仇刚,蔡勇.VRML入门与提高[M].北京:北京大学出版社,2003
[5]刘筱兰,张薇.虚拟实验室的类型及发展趋势[J].计算机应用研究,2004(11)
[6]陈秀清.关于虚拟实验室的建设[J].福建广播电视大学学报,2003(1)
[7]雒伟群.基于VRML的交互式虚拟实验室的研究与实现[D].天津大学,2005:34-36
[8]刘霞,张砚.基于VRML的三维虚拟实验仪器制作[J].河北北方学院学报:自然科学版,2008(10)