基于虚拟现实技术的医学实验仿真教学系统

基于虚拟现实技术的医学实验仿真教学系统

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董园园

余小清

万旺根渊上海大学通信与信息工程学院袁上海圆园园源源源冤

摘要院实验教学对于理工科学生而言是必不可少的袁然而传统的实验教学一般是在固定的时间尧地点进行袁且实验器材的更新速度势必无法跟上技术的发展袁对于实验室的管理与维护也需要投入巨大的人力物力遥因此袁实现一套不受时间尧空间限制的虚拟实验教学平台是迫切需要的遥针对细胞遗传学实验袁利用哉灶蚤贼赠猿阅及允葬增葬宰藻遭搭建了基于虚拟现实的医学实验仿真教学系统袁此平台主要包含实验的在线学习尧在线实验交互尧实验考核以及教学管理遥该研究实现了虚拟实验的智能交互及考评袁为虚拟实验教学带来便利袁提高了实验教学的效率袁节省了传统实验人力尧物力的消耗遥

关键词院虚拟现实袁实验仿真袁哉灶蚤贼赠猿阅袁教学管理

粤遭泽贼则葬糟贼押月葬泽藻凿燥灶贼澡藻藻曾责藻则蚤皂藻灶贼燥枣糟赠贼燥早藻灶藻贼蚤糟泽熏贼澡蚤泽责葬责藻则怎泽藻泽哉灶蚤贼赠猿阅葬灶凿允葬增葬宰藻遭贼燥遭怎蚤造凿葬增蚤则贼怎葬造则藻葬造蚤贼赠遭葬泽藻凿泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶葬灶凿泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶贼藻葬糟澡蚤灶早泽赠泽贼藻皂枣燥则皂藻凿蚤糟葬造藻曾责藻则蚤皂藻灶贼泽援栽澡蚤泽责造葬贼枣燥则皂皂葬蚤灶造赠蚤灶糟造怎凿藻泽燥灶造蚤灶藻造藻葬则灶蚤灶早熏燥灶造蚤灶藻藻曾责藻则蚤鄄皂藻灶贼蚤灶贼藻则葬糟贼蚤燥灶熏藻曾责藻则蚤皂藻灶贼葬造藻曾葬皂蚤灶葬贼蚤燥灶葬灶凿贼藻葬糟澡蚤灶早皂葬灶葬早藻皂藻灶贼援栽澡藻则藻泽藻葬则糟澡燥枣贼澡蚤泽责葬责藻则则藻葬造蚤扎藻泽贼澡藻蚤灶贼藻造造蚤早藻灶贼蚤灶贼藻则鄄葬糟贼蚤燥灶葬灶凿藻增葬造怎葬贼蚤燥灶燥枣贼澡藻增蚤则贼怎葬造藻曾责藻则蚤皂藻灶贼熏憎澡蚤糟澡遭则蚤灶早泽糟燥灶增藻灶蚤藻灶糟藻贼燥贼澡藻增蚤则贼怎葬造藻曾责藻则蚤皂藻灶贼贼藻葬糟澡蚤灶早熏蚤皂责则燥增藻泽贼澡藻藻枣枣蚤鄄糟蚤藻灶糟赠燥枣贼澡藻藻曾责藻则蚤皂藻灶贼贼藻葬糟澡蚤灶早熏葬灶凿泽葬增藻泽贼澡藻糟燥灶泽怎皂责贼蚤燥灶燥枣贼澡藻贼则葬凿蚤贼蚤燥灶葬造藻曾责藻则蚤皂藻灶贼葬造皂葬灶责燥憎藻则葬灶凿皂葬贼藻则蚤葬造则藻鄄泽燥怎则糟藻泽援

运藻赠憎燥则凿泽押增蚤则贼怎葬造则藻葬造蚤贼赠熏藻曾责藻则蚤皂藻灶贼葬造泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶熏哉灶蚤贼赠猿阅熏贼藻葬糟澡蚤灶早皂葬灶葬早藻皂藻灶贼

教育部颁布的叶教育信息化十年发展规划渊圆园员员原圆园圆园冤曳咱员暂袁明确规定了要在十年内建设员缘园园套虚拟仿真实验系统遥文件中提到虚拟实验室的建设袁说明随着国家教育信息化的进一步发展袁现有的实验教学体系不足以适应培养实际动手能力和创新能力的专业性人才的需要遥因此袁研发一套具有可操作性尧真实性尧综合性的实验平台成了实验教学改革尧提高实验教学质量的一个重要问题遥随着互联网信息与虚拟现实技术的日益发展袁虚拟实验技术成为了网络实验教学改革新的发展思路袁设计与研发虚拟现实实验室成为当前一大研究热点遥员系统搭建相关技术员援员虚拟现实

虚拟现实渊灾砸冤技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统袁它利用计算机生成一种模拟真实环境的虚拟场景袁是一种多源信息融合的尧交互式的三维动态视景和实体行为交互的系统仿真遥用户可以沉浸到虚拟环境中袁并在其中漫游尧操作场境内的物体遥图员为虚拟世界到现实世界的转换遥

灾砸技术主要包括模拟环境尧感知尧自然技能和传感设备等方面遥模拟环境是指由计算机生成的尧实时动态的三维立体逼真图像遥感知是指理想的灾砸应该具有一切人所具有的感知咱圆暂遥虚拟现实技术主要特点有院

员冤多感知性遥指除一般计算机所具有的视觉感知外袁还有听觉感知尧触觉感知尧运动感知袁甚至还包括味觉尧嗅觉尧感知等遥理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能遥

圆冤存在感遥指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度遥理想的模拟环境应该达到使

图员虚拟世界与现实世界的转化用户难辨真假的程度遥

猿冤交互性遥指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环

境得到反馈的自然程度遥

源冤自主性遥指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度遥员援圆哉灶蚤贼赠猿阅技术

哉灶蚤贼赠猿阅是由哉灶蚤贼赠栽藻糟澡灶燥造燥早蚤藻泽开发的一个让开发者创建三维视频游戏尧建筑可视化尧实时三维动画等类型互动内容的多平台综合型游戏开发工具袁是一个专业的游戏引擎咱猿暂遥哉灶蚤贼赠类似于阅蚤则藻糟贼燥则尧月造藻灶凿藻则早葬皂藻藻灶早蚤灶藻尧灾蚤则贼燥燥造泽等利用交互的图型化开发环境为主要方式的软件遥其编辑器运行在宰蚤灶鄄凿燥憎泽和酝葬糟韵杂载下袁可发布游戏至宰蚤灶凿燥憎泽尧酝葬糟尧蚤孕澡燥灶藻尧宰藻遭郧蕴等平台遥对比现有的三维虚拟开发软件袁灾蚤则贼燥燥造泽尧蕴葬遭灾陨耘宰等袁尽管都能进行三维虚拟的开发咱源暂袁但是后期维护难度大尧不支持多平台发布袁应用面也窄遥哉灶蚤贼赠猿阅的主要优势有院

员冤使用面向对象技术袁支持多平台发布袁实现一次开发多个平台使用袁对开发者而言也减少了二次开发的问题遥

圆冤开发语言灵活袁可使用允杂尧悦裕进行开发袁封装灵活有各类插件资源可以调用袁便于开发与维护遥

猿冤支持导入主流三维建模软件猿阅皂葬曾尧酝葬赠葬等袁支持资源自动导入及更新遥

员援猿杂责则蚤灶早垣杂责则蚤灶早酝灾悦垣酝赠月葬贼蚤泽垣杂澡蚤则燥框架

杂责则蚤灶早是一个开源的开发框架袁是为了解决应用程序开发过于复杂而产生的遥该框架的主要优势就是它的分层架构袁为应用程序开发者提供集成的框架咱缘暂遥杂责则蚤灶早框架中的三大核心思想是院阅陨渊依赖注入冤尧陨韵悦渊控制反转冤尧粤韵孕渊面向切面编程冤遥

杂责则蚤灶早酝灾悦框架是一个请求驱动的宰藻遭框架咱远暂袁其主要围绕阅蚤泽责葬贼糟澡藻则杂藻则增造藻贼进行袁它实现了前端控制器设计模式袁提供了杂责则蚤灶早酝灾悦的集中访问点袁可以将请求分发给控制器袁同时提供其它功能帮助宰藻遭应用的开发遥可以和杂责则蚤灶早的陨韵悦容器集成在一起袁从而允许使用杂责则蚤灶早的其它功能遥

酝赠月葬贼蚤泽是支持普通杂匝蕴查询尧存储过程和高级映射的持久层框架遥主要实现封装允阅月悦操作尧利用反射实现允葬增葬类与杂匝蕴语句之间的相互转换咱苑暂遥酝赠月葬贼蚤泽的主要设计目的就是执行

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杂匝蕴语句时对输入输出的数据管理更加方便袁所以方便地写出杂匝蕴和方便地获取杂匝蕴的执行结果是酝赠月葬贼蚤泽的核心竞争力遥

杂澡蚤则燥是粤责葬糟澡藻的一个权限管理的框架袁可以实现用户认证尧用户授权咱愿暂用的权限管理袁遥还杂澡蚤则燥可以实现分不依赖布于式系统杂责则蚤灶早权袁不限仅管可理以实现遥杂澡蚤则燥宰藻遭属于应轻量框架袁可以提高开发效率袁降低开发成本袁因此被越来越多的企业项目开发使用遥

圆基于哉灶蚤贼赠猿阅的虚拟实验仿真系统圆援员系统功能模块设计

参考叶细胞遗传学曳实验指导手册袁对虚拟实验交互系统的需求进行分析袁对整体系统设计开发细胞遗传学虚拟实验系统的叶提细各供胞功能高遗效传模块袁系统的功能结构如图圆遥该系统用于医科大学尧便学捷曳实的验实的验学学习习尧尧实操践作操尧考作核尧考平核台评遥

价袁为学生及教师图圆虚拟实验系统结构图

圆援圆核心模块设计

员冤虚拟演示模块遥主要实现实验的操作演示袁演示模块的实现方法渊以第一个实验为例冤遥粤灶蚤皂葬贼蚤燥灶制作袁本实验总共分为四大步骤院离心处理尧低渗处理尧细胞固定及离心尧气干法制片遥以野离心处理冶步骤的场景为例袁选择对象野孕造葬赠圆赃园员冶袁为其添加粤灶蚤皂葬贼蚤燥灶组件袁进行动画帧的制作遥野离心处理冶总共分为三个动画内容袁首先粤凿凿运藻赠添加关键帧袁添加需要改变的模型对象袁同时改变对象栽则葬灶泽枣燥则皂组件属性进行位置变换尧酝藻泽澡砸藻灶凿藻则藻则进行模型渲染效果改变尧蚤泽粤糟贼蚤增藻实现对象的显示或隐藏袁然后根据需要选择继续添加关键帧或完成关键帧制作遥

圆冤虚拟交互模块遥主要是学生通过虚拟实验仪器袁进行实验操作袁锻炼实际动手操作能力袁通过多次操作学习掌握实验实际操作中应注意的问题遥此模块主要是在通过提醒操作规范袁帮助学生完成实验操作遥首先需要使用悦葬皂藻则葬发出到点击坐标的射线袁检测到碰撞物体后袁更新物体位置信息与鼠标位置一直袁实现跟随效果遥判断物体位置信息袁满足条件后触发实验动画袁实现方式如下院

蚤枣穴蚤泽酝燥增藻雪邀

图猿

操作考核流程图

砸葬赠则葬赠越悦葬皂藻则葬援皂葬蚤灶援杂糟则藻藻灶孕燥蚤灶贼栽燥砸葬赠穴陨灶责怎贼援皂燥怎泽藻孕燥泽蚤贼蚤燥灶雪鸦辕辕

从摄像机发出到鼠标点击坐标的射线

蚤枣穴穴孕澡赠泽蚤糟泽援砸葬赠糟葬泽贼穴则葬赠熏燥怎贼澡蚤贼熏芽缘园园雪雪驭驭穴灶怎造造选越澡蚤贼援糟燥造造蚤凿藻则雪雪邀陨糟燥灶越贼则葬灶泽枣燥则皂援郧藻贼悦燥皂责燥灶藻灶贼约栽则葬灶泽枣燥则皂跃穴雪鸦辕辕获取到物体位置信息

灾藻糟贼燥则猿泽糟则藻藻灶孕燥泽越悦葬皂藻则葬援皂葬蚤灶援宰燥则造凿栽燥杂糟则藻藻灶孕燥蚤灶贼穴陨糟燥灶援责燥泽蚤鄄贼蚤燥灶雪鸦辕辕将责燥泽蚤贼蚤燥灶从世界坐标系转换到屏幕坐标系

灾藻糟贼燥则猿皂燥怎泽藻孕燥泽越灶藻憎灾藻糟贼燥则猿穴陨灶责怎贼援皂燥怎泽藻孕燥泽蚤贼蚤燥灶援曾熏陨灶责怎贼援皂燥怎泽藻孕燥泽蚤贼蚤燥灶援赠熏泽糟则藻藻灶孕燥泽援扎雪鸦

基于虚拟现实技术的医学实验仿真教学系统

灾藻糟贼燥则猿憎燥则造凿孕燥泽越悦葬皂藻则葬援皂葬蚤灶援杂糟则藻藻灶栽燥宰燥则造凿孕燥蚤灶贼穴皂燥怎泽藻孕燥泽雪鸦辕辕将鼠标位置从屏幕坐标系转换到世界坐标系

陨糟燥灶援责燥泽蚤贼蚤燥灶越憎燥则造凿孕燥泽鸦辕辕实现物体位置信息与鼠标移动一致

猿冤实验操作考核模块主要是对学生的实验考核的操作进行过程性记录袁将操作记录计入数据库袁得到学生的实验操作的数据袁为之后生成报告单提供数据遥实现流程如图猿袁实现效果如图源遥

图源操作考核模块

猿基于宰藻遭的虚拟实验仿真教学系统猿援员系统架构设计

哉灶蚤贼赠支持多平台的发布袁因此可将虚拟实验平台发布宰藻遭郧蕴嵌入基于宰藻遭的教学管理系统袁实现在线虚拟实验仿真教学管理系统遥教学管理系统按照用户身份袁分为管理员模块尧教师模块尧学生模块三大模块袁不同角色对应其相应功能进行开发遥图缘为系统功能模块结构袁图远为基于宰藻遭的虚拟实验仿真教学系统架构图遥

图缘教学管理系统结构图

图远基于宰藻遭的虚拟实验仿真教学系统

猿援圆教学网站访问流程

教学管理系统设计遵循杂杂酝杂框架袁项目结构整体划分为三个部分袁控制器渊悦燥灶贼则燥造造藻则冤层尧模型渊酝燥凿藻造冤层和视图渊灾蚤藻憎冤层咱怨暂遥员冤用用户户访问发送该请教求学遥管在理浏览系统的器端整输入体流教程为学管院

理系统网址袁如澡贼贼责押辕辕造燥糟葬造澡燥泽贼押愿园愿园辕韵灶造蚤灶藻蕴藻葬则灶蚤灶早辕蚤灶凿藻曾援泽澡贼皂造袁首先请求将由阅蚤泽责葬糟澡藻则杂藻则增造藻贼进行处理袁它是负责整个请求处理的总控制器遥渊下转第员员缘页冤

叶工业控制计算机曳圆园员愿年第猿员卷第员员期列中的一个随机角度砸葬灶粤灶早造藻垣猿远园园毅袁上次系统旋转角度晕燥憎砸葬灶值初始为园毅遥系统首先判断群众是否是使用第一次抽奖机会进行幸运转盘的抽奖袁若为使用第一次的抽奖机会袁则在转盘的旋转角度为初始旋转角度值杂贼葬则贼砸葬灶垣圆园毅渊增加圆园毅为了使指针指向最后转到的某个扇形区域的中间冤遥转盘启动并旋转程序设定的角度袁此时系统旋转角度砸葬为晕燥憎砸葬灶垣杂贼则葬则鄄贼砸葬灶垣圆园毅袁可得到转动完毕时指向的扇形区域编号为悦怎则鄄则藻灶贼粤灶早造藻越愿原砸葬灶粤灶早造藻辕源园毅遥若抽中红包袁系统计入抽中次数曰若没有抽中红包袁悦怎则则藻灶贼粤灶早造藻越源遥每次转动结束时袁晕燥憎砸葬灶越当前系统旋转角度遥

下面讨论第一次抽中红包的情况下穴之后无论有几次抽奖机会系统将不会让群众再抽中红包雪袁针对该次业务办理袁若群众还拥有抽奖机会袁对于每次抽奖机会袁系统都会进行如下判断院

若悦怎则则藻灶贼粤灶早造藻逸源袁则此时系统旋转角度砸葬越晕燥憎砸葬灶垣猿远园园毅垣渊悦怎则则藻灶贼粤灶早造藻原源冤鄢源园毅袁此时曰悦怎则则藻灶贼粤灶早造藻越源曰

若悦怎则则藻灶贼粤灶早造藻约源袁则旋转角度砸葬越晕燥憎砸葬灶垣猿远园园毅垣咱怨原渊源原悦怎则则藻灶贼粤灶早造藻冤暂鄢源园毅袁悦怎则则藻灶贼粤灶早造藻越源遥转动结束时袁晕燥憎砸葬灶越当前系统旋转角度砸葬遥

若第一次抽中没有抽中红包袁还有抽奖机会继续抽奖的话袁系统此时旋转角度砸葬越晕燥憎砸葬灶垣猿远园园毅垣砸葬灶粤灶早造藻渊随机角度冤袁接着系统会判断若悦怎则则藻灶贼粤灶早造藻原砸葬灶粤灶早造藻辕源园毅约园袁

则院悦怎则则藻灶贼粤灶早造藻越渊悦怎则则藻灶贼粤灶早造藻原砸葬灶粤灶早造藻辕源园冤垣怨曰否则院悦怎则则藻灶贼粤灶早造藻越渊悦怎则则藻灶贼粤灶早造藻原砸葬灶粤灶早造藻辕源园冤遥

系统判断如果抽中红包渊即悦怎则则藻灶贼粤灶早造藻选越源冤袁则下次抽奖重复上述第一次抽中红包的流程渊控制群众不中奖冤曰若果没抽中红包袁则重复上述第一次没有抽中红包的流程遥转动结束时袁

渊上接第员员圆页冤

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晕燥憎砸葬灶越当前系统旋转角度遥猿结束语

随着野互联网垣冶发展理念的不断推广袁通过微信平台进行应用开发咱怨暂以及业务办理将成为一种趋势遥该平台的便利性尧可操作性以及高效性将吸引越来越多的人使用它遥目前袁该系统已经在南京市玄武区内试点运行袁运行良好袁达到了预期的结果遥

参考文献

咱员暂张志安熏徐晓蕾援政务微信的社会功能及提升对策咱允暂援新闻与写作袁咱圆暂澡灶早皂凿怎赠蚤援酝灾悦设计模式咱耘月辕韵蕴演援渊圆园员员原园员原员苑冤咱圆园员愿原园缘原咱猿暂葬造藻曾远员愿援三层架构和酝灾悦模式咱耘月辕韵蕴演援渊圆园员远原园猿原圆圆冤咱圆园员愿原咱源暂腾讯援眼微信支付演服务商接入文档咱耘月辕韵蕴演援澡贼贼责泽押辕辕责葬赠援憎藻蚤曾蚤灶援择择援咱缘暂柳峰援微信公众平台应用开发押方法尧技巧与案例咱酝暂援北京院机械工业咱远暂谢远超援微信公众号信息服务平台的设计与实现咱阅暂援广东院中山大咱苑暂金恺援基于粤杂孕援晕耘栽的微信抽奖系统设计与实现咱允暂援华中师范大学咱愿暂朱永国援警务微信在社区警务中的应用研究咱允暂援湖北警官学院袁圆园员源咱怨暂钟志勇援微信公众平台应用开发实战咱酝暂援北京院机械工业出版社袁

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圆冤映射处理遥阅蚤泽责葬贼糟澡藻则杂藻则增造藻贼对请求哉砸蕴进行解析袁得到请求资源标识符渊哉砸陨冤遥然后根据该哉砸陨袁调用匀葬灶鄄凿造藻则酝葬责责蚤灶早获得该匀葬灶凿造藻则配置的所有相关的对象袁找到业务层类的方法执行具体逻辑遥

猿冤逻辑处理及数据库操作遥杂藻则增蚤糟藻层查找到具体方法袁处理实际的逻辑操作袁如数据库查询袁文件的读取袁计算等遥通过曾皂造文件中的杂匝蕴语句映射到酝赠月葬贼蚤泽的酝葬责责藻则接口的具体方法中袁实现对数据库的操作袁将查询结果返回给杂藻则增蚤糟藻遥

源冤返回结果遥执行完成后袁向阅蚤泽责葬贼糟澡藻则杂藻则增造藻贼返回一个酝燥凿藻造粤灶凿灾蚤藻憎对象遥

缘冤视图渲染遥灾蚤藻憎砸藻泽燥造增藻则结合酝燥凿藻造粤灶凿灾蚤藻憎袁通过栽燥皂鄄糟葬贼容器将允泽责页面渲染成匀栽酝蕴页面袁返回给前端页面显示遥

猿援猿基于虚拟现实技术的医学实验仿真教学系统

图苑为学生登录后的虚拟实验界面袁实现了基于宰藻遭的虚拟实验仿真教学系统袁师生在线进行实验学习尧测验以及教学管理遥源结束语

该平台需要改进的地方院提高虚拟实验交互体验及优化三维模型精细度曰提高网站响应速度袁同时添加论坛尧社区等师生进行交流讨论的模块遥

参考文献

咱员暂王阿习援初中化学虚拟实验教学的多元化评价系统设计咱阅暂援兰州院西咱圆暂粤扎蚤皂噪怎造燥增粤赠葬灶援灾砸技术的虚拟教学应用研究咱阅暂援上海院东华大咱猿暂周彦鹏援基于哉灶蚤贼赠猿阅的虚拟现实游戏设计与制作咱允暂援电子世界袁咱源暂许杰援数字化焦炉三维模型的建立及其展示系统开发咱阅暂援武汉院武汉咱缘暂阅藻蚤灶怎皂酝熏杂藻则灶藻藻造泽运熏再葬贼藻泽悦熏藻贼葬造援孕则燥杂责则蚤灶早酝灾悦押宰蚤贼澡咱远暂卜庆禹援基于杂责则蚤灶早的酝灾悦框架实现宰藻遭应用系统设计与实现咱允暂援咱苑暂邹红霆援基于杂杂酝框架的宰藻遭系统研究与应用咱允暂援湖南理工学院咱愿暂徐孝成援基于杂澡蚤则燥的宰藻遭应用安全框架的设计与实现咱允暂援电脑知咱怨暂阳泽伟援基于宰耘月技术的在线教育智能学习系统咱阅暂援长春院吉林大

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北师范大学袁圆园员猿

图苑虚拟实验界面

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