数字交互技术于课程设计中的研究与应用

数字交互技术于课程设计中的研究与应用（共8篇）

篇1：数字交互技术于课程设计中的研究与应用

一段时间以来，文案和内容逐步成为了用户研究和设计研究的一个热门话题，以前的用户研究很少关注网站文案和内容的相关问题，很多时候，内容和文案更多属于运营、翻译等部门的工作。但是，随着用户研究的逐步深入，文字的问题逐步成为了一个影响用户体验的核心问题所在。一个图标设计是否和真实意义一致是一个层面的问题，而如何正确对其真实意义——即文案进行表述，似乎更能影响用户。另外，通过内容的分析，可以更好了解产品本身，对用户研究具有重大的意义。因此，就用户研究来说，内容分析和文案分析对用户研究关键的作用。

正如前面提到的，内容和文案在企业里已经有相关人员进行工作，那用户研究如何介入较好呢？Christopher Detzi提出了几个可以介入的地方：（1）从需求的角度，研究该文案是否是用户的需求；（2）从视觉化的角度，把文案看作意义的视觉化进行分析；（3）在原型中把内容作为一个重要的要素；（4）参与文案和内容撰写；（5）和相关人员进行合作，

这5点中，前面3点属于技术层面的工作，后面2点属于运作层面的操作，都很重要。

不可否认的是，文案和内容分析遇到的挑战也是很大的。因为文字这个东西除了少数文盲外，估计大家都知道，都对这个问题有发言权。如何专业化，如何让别人信服，这是摆在用户研究面前的难题之一。

本文来自：www.haodesign.com/?p=96

篇2：数字交互技术于课程设计中的研究与应用

关键词：EDA,电子表,层次化

引言

数字电路课程设计是一个综合性的教学环节, 它给学生提供了一个理论联系实际、检验知识、加深认识、开拓思维、汲取新知识的机会。虽然课程设计题目仅是一个简单的数字系统, 但在思考问题、提出方案、解决疑难、排除障碍的过程中, 达到训练学生的综合能力、升华知识的目的。以往因教学经费匮乏和缺少辅导教师, 电子技术课程设计仅是“纸上谈兵”的设计, 这样的课程设计方案雷同, 缺少个性。2000年在学校的支持下我院建立了EDA实验室后, 我们尝试指导学生在EDA技术支持下开展“自上向下”层次化的设计, 即首先指导学生使用EDA工具“亲手”制造一个个数字系统的单元电路, 如译码器、计数器、寄存器等, 加深了对数字电路基础理论的认识, 为后续工作奠定牢固的基础;然后使用这些单元电路设计了一些难度适宜的数字系统, 如电子表、霓虹灯控制系统、简易频率测量仪等, 并在EDA实验系统上观察所设计题目的工作状况, 从简到难循序渐进地完成了数字系统设计。这样的课程设计可以让学生深切体会一个数字系统从纸上谈兵到实际应用的设计过程, 使他们对基础理论的认识发生了质的飞跃, 对后续课程的学习兴趣大大提高。

本文就电子技术课程设计的实例介绍给大家供同行探讨。

1 EDA实验室简介

1.1 实验工具

实验工具为我院自行研制开发的EDA实验系统。该实验系统的核心器件为FPGA芯片, 外围电路配备有输入输出器件 (开关、按键、数码管、发光二极管、信号源等) 等, 并配备了标准并口、R S-2 3 2串口、P S/2接口、V G A接口、D A C和A D C电路等;在可编程器件有限的I/O资源下最大限度地连接上输入输出器件, 使得实验系统既能满足简单数字电路基础实验 (如译码器、寄存器、A D控制器等) , 又可完成复杂数字系统设计 (如电子表、测频仪等) ;此外还配备了多功能扩展夹紧座, 可扩接单片机, D S P、R A M、E P R O M等芯片, 能完成具有创新性的综合电子系统的设计 (如存储示波器、数据采集与处理器等) 。

1.2 实验方法

实验方法为设计型实验。考虑到原有的电子技术验证性实验, 已初步培养了学生的基本实验技能, E D A设计实验重点应是“设计”, 所以在此实验系统中, FPGA芯片的I/O接口与输入输出器件采用了固定连接方式, 减少了原有实验中需要大量连线而带来的诸多不便, 将学生的精力与时间更多地用于电子电路的设计;同时学生的设计题目也从传统的74系列硬件搭接转到用可编程芯片实现, 并在EDA技术的支持下实现题目的仿真。既节省了宝贵的实验设计时间, 提高了工作效率, 又为学生掌握E D A技术提供了实验基础。

1.3 题目的设计方法

题目的设计采用EDA技术支持的设计方法。在实践教学中积极开展了以介绍A L T E A公司E D A设计工具——M A X+plusⅡ——为主要内容的教学活动, 使学生掌握了原理图输入、硬件描述语言输入、层次化输入等EDA设计方法。

EDA实验不仅提高了教学效率和教学质量, 更重要的是给学生提供了广阔的思维空间和自由发挥的创造领域, 提高了电路设计能力, 并初步接受E D A技术的熏陶。

本文介绍了基于我院E D A实验室EPF10K20RC208-4可编程器件, 采用层次化的设计方法实现电子表的设计。

2 课程设计题目实例介绍

本次设计为一个具有校时功能的电子表。电子表就是一个对周期1秒的方波信号计数的、并具有调整校时装置的计数系统, 其计数结果一般用人们熟悉的的秒、分、时的形式表示出来。它的方框图如图1所示。遵循层次化的设计原则, 它由脉冲信号发生器, 校时电路, 计数电路, 显示电路等模块构成。设计它的底层文件, 然后组合成顶层文件。

2.1 脉冲发生器的设计

利用EDA实验箱上4MHz的石英晶体振荡器经过分频得到周期1秒的脉冲信号。使用硬件描述语言完成分频器的设计方法。如图2。

2.2 校时电路的设计

接收输入的校时信号结合脉冲信号发生器输入的脉冲信号产生秒、分、时计数器的计数脉冲。当有校时信号输入时, 其对应的计数脉冲输出端有脉冲输出。当没有校时信号输入时, 电路接收计时电路给出的进位信号, 给出相应的计数脉冲。该电路由简单的组合逻辑电路构成, 原理简单易懂, 工作可靠。

2.3 计时电路的设计

由两个60进制计数器和一个24进制计数器构成实现秒、分、时的计数。使用74160极其预制数方法实现。

2.4 数码管显示电路的设计

利用由A H D L设计的显示译码器decoder4_7。通过分配管脚, 在EDA实验箱上进行秒、分、时的显示[3]。

END TABLE;

END;

2.5 顶层设计

最后利用MAX+plusⅡ的层次化设计将上述电路形成底层文件, 调用后经连接分配形成电子表的顶层文件。配合EDA实验箱的布置情况进行合理的管脚分配后就可以将其下载显示了。将顶层文件下载到EDA实验箱EPF10K20RC208-4, 硬件测试成功。

3 结束语

通过将E D A技术应用于数字电路课程设计提升了学生对数字电子技术的认识, 提高了他们学习数字电子技术的兴趣, 培养了他们解决问题的综合能力。

参考文献

[1]康华光.电子技术基础 (数字部分) [M].高等教育出版社

[2]侯建军.数字电子技术基础[M].高等教育出版社

篇3：数字交互技术于课程设计中的研究与应用

关键词： 微课视频 交互技术 BB FlashBack Pro

高等职业院校普遍注重培养学生的实践操作技能，尤其是计算机应用技术方面的技能，而微课的优势可以很好地应用在此方面的课程教学中。“微课”是指教师在教学时围绕某个重点、疑难点或技能等单一教学任务进行教学的一种教学方式，其目标明确，针对性极强且教学时间短[1]。但在实际应用能力培养中，因为资源运用不恰当，尤其是将交互技术与微课视频课程设计的结合做得不够，普遍存在诸如缺少测试环节、教学视频缺少导航功能等问题，而这些问题归根结底是缺少交互功能导致的。人机互动技术将是未来的关键技术。赖赫·纳卡苏曾说：研究交互技术，以及通过整合通信技术与交互技术，发展并实现高度拟人化的沟通方式是十分必要的[2]。虽然微课视频是由学习者在课前课后独立观看，但并不代表教师不参与学习者的微课程学习过程[3]。利用好交互技术，可以使教师的微课视频课程设计不那么枯燥且更具体生动化，更富有趣味性，学生的学习环境更自由、丰富，使其自主地学习，促使学生对微课视频教学方式更有兴趣。

一、微课视频的应用现状及存在的问题

1.微课教学视频的应用现状

微课应用领域方面，当前微课资源的建设和应用领域以中小学校为主，表现为促进教师的专业发展和校本研修[4]、学生的个性化学习。微课资源与传统课堂结合的具体方式表现为翻转课堂的实施，但是具体的将两者结合的整合应用还很少。所以录屏软件、PPT课件、视频编辑软件，只有降低技术门槛，更多的教师才能自觉地参与微课的建设。在当今微时代，微博、微信都成为广大群体交流、分享的媒介，因此微课用于移动学习具有光明的应用前景[5]。微课应用水平方面，对于一线教师，尤其是对各个学科教师来说，技术门槛是微课设计开发与应用的拦路虎。过半数的教师认为微课视频的后期编辑加工技术难度大（如片头片尾、字幕等），认为自己微课制作不足也主要是技术层面的，如镜头切换、后期编辑等。这些数据表明应该提供多样化的微视频制作技术培训。另外，也应该降低技术门槛，选择简便易用的微视频制作技术[6]，目前，大多数教师已经意识到教学设计在整个微课制作环节中最重要，但还是将主要精力放在技术表现上，如视频、课件制作等。“制作微课是技术，设计微课却是艺术”，技术只是手段，教学才是本质。从形式到内容，微课的设计制作才能逐步深化[7]。

2.微课视频存在的问题

关于微课视频，普遍存在以下问题：学生在观看微课视频时，随着时间的推移，学生的兴趣会慢慢减弱；微课视频只是记录老师的操作过程，与学生并没有形成一定的互动、这样就导致学生对于学习缺少参与感，更不能养成自主学习的习惯。学习的过程本身就是一个互动的过程。这就需要我们在微课视频课程设计中考虑交互设计，以实现交互功能。

（1）微课视频缺少导航功能

对于同一模块的教学，微课视频缺少各个环节之间的导航功能，比如各个步骤之间的跳转，由于缺少跳转，学生不能自主地选择学习步骤，遇到不懂的地方只能重复地循环播放以观看不懂的地方，这种学习方式不仅效率低而且容易使学生烦躁从而丧失学习兴趣，有了跳转导航功能就可以使学生灵活地选择还未弄懂的地方再次进行学习。导航除了设置在各个环节之间外还可以设置在不同的模块之间，相当于目录一样使学生根据自身对知识掌握的程度选择学习进度。

（2）微课视频缺少扩展功能

利用微课进行教学时，因为微课受到时长限制，在知识点的讲解上只能是重要的知识点才被涉及，所以有关该知识点的补充或者相关方面知识点的扩充是很少提及的。这样不利于培养学生的发散思维，同时在一些比较复杂的知识点的讲解上，老师不能很形象地将案例展示在微课视频中，比如一些含有图文并茂的知识点，这时就可以将课件中无法添加上去的知识点通过超链接呈现，从而使微课视频内容更充实。

（3）微课视频缺少评价功能

目前，微课视频教学活动中普遍缺少评价功能，每一次的微课视频教学活动完成时，学生的掌握情况教师一般是不能直接看出来的，学生不能进行自我测试，只能自己找合适的题练习并测试。对于教学活动而言，没有测试环节的后果是非常严重的，不能检测学生的学习效果就不能使教学活动按教学计划继续进行下去。况且目前微课属于比较先进的教学方式，在教育领域占有很重的位置，为了以后更广泛地应用微课，没有测试功能这个问题是急需被解决的问题。

二、交互技术及其在微课视频课程中的优势

1.交互技术

（1）交互技术的概念

交互即交流互动，是教学过程中的重要环节，可以有效增强教学效果，交互技术则是利用一定手段达到交互目的，近年又发展了声音交互及利用了实体传感装置、触控屏、数据手套、可穿戴设备、遥感手势控制设备等进行的体感交互。目前已逐步进入多领域应用时代，在教育领域的应用也越来越广泛。

（2）录屏软件BB FlashBack Pro的简介

BB FlashBack Pro（屏幕录像机）是一款功能强大的屏幕录像工具，它可以录屏、录声音也可以摄像。BB FlashBack Pro除了操作方便之外，也具有高灵活的输出格式及高直觉的发布功能。可以将抓屏结果直接保存为Flash动画、QuickTime（H264）、WMV、AVI、EXE和PowerPoint等格式。这款软件的操作过程只要三个步骤，即录制，编辑及发布，透过BB FlashBack Pro老师不需要使用其他复杂的技术，就可以轻松地录制屏幕动作。录制完成后在适当的时间点设置交互按钮及文本框等，这样就可以实现师生间的交互，所以教师可以利用软件BB FlashBack Pro制作交互式微课视频。

2.交互技术在微课视频课程中应用的优势

（1）交互技术可以实现导航功能

在进行微课视频的教学设计时，教师可以通过设置主菜单对教学内容进行分环节设计，将一个教学内容分成几个子环节进行教学，这样可以使学生的学习思路更顺畅。有了环节区分后，教师只要在各个环节之间设计交互就可以了。设计导航可以通过添加主菜单与子菜单来实现，学生可以点击主菜单的按钮进入各个子菜单，在每个子菜单页面也有回到主菜单的按钮，通过这些按钮实现导航。

（2）交互技术可以实现扩展功能

超链接功能可以扩展微课教学中一些无法添加进去的知识点，比如含有图文解析的知识点等，以及对该知识点进行的扩充知识等，这些需求利用录屏软件BB FlashBack Pro都可以实现，它可以通过按钮添加超链接实现此功能，有了超链接的扩充功能就可以使学生将此知识点了解得更透彻，有效地提高学生的微课学习效率。

（3）交互技术可以实现评价功能

完整的教学活动都应该包含检测环节的，所以每次在微课视频教学活动完成时，学生的掌握情况教师是应该对其进行测试的，不能检测学生的学习效果就不能使教学活动按教学计划继续进行下去。而微课中的测试环节可以通过交互技术设计，只要教师在录制完微课视频后利用可以设计交互功能的软件给视频添加测试环节即可，比如利用BB FlashBack Pro给微课视频设计选择题，并设置对应的选项及判断按钮，以检验学生对本次微课视频教学内容的掌握情况等。

综上所述，设计交互功能的微课视频，可以使学生对于微课学习有较强的参与感，并且增加学生的学习兴趣，通过设计这个微课视频的过程，我得出在设计微课教学设计时应该站在学生的角度观察，每一分每一秒具体该使用什么样的交互方式，是添加文本框还是添加按钮，只有完全站在学生的角度思考，这样做出的交互式微课视频才会真正对学生有益，受到学生的喜爱。无论何种交互软件，都可以通过添加按钮或者文本框实现交互，当然每一款软件都有自己的特色，也都有自己的使用准则，但是只要教师可以站在学生角度去设计交互，就可以最大化地实现该软件的交互功能。同时，学生也要直接操作这些交互按钮、超链接等交互设计，所以教师在设计时应该注意操作不能太复杂，应该简单明了并且美观，能够吸引学生，有利于学生的学习。

总之，将交互技术与微课的有机结合，既可以突出微课短小精悍的亮点又可以使学生的学习不受时空限制，满足学生的求知欲，交互式微课既促进了学生的学习效率又提高了学生的自主学习能力，两者结合的优势——交互式微课必将扮演越来越重要重要的角色。

参考文献：

[1]王晓莉，赵华波.微课理念在大学英语研究性教学中的应用[J].邢台学院学报，2014（4）：137-139.

[2]奥利佛·格劳.虚拟技术[M].北京：清华大学出版社，2007：20-21.

[3][7]焦建利.微课及其应用与影响[J].中小学信息技术教育，2013（4）：13-14.

[4]詹青春，胡铁生.中小学微课制作与应用的现状分析与建议[J].教育信息技术，2014（5）：35-39.

[5]胡铁生等.我国微课发展的三个阶段及其启示[J].远程教育杂志，2013（4）：37-41.

篇4：数字交互技术于课程设计中的研究与应用

随着互联网技术和云计算的发展, 在有线数字电视系统中采用Web技术实现音视频业务以及各种交互业务应用成为一种趋势。同时随着OTT TV逐渐走热, 这种通过互联网将音视频直接发布到用户连接的设备, 允许其在任何时间、任何地点在任何设备上访问的技术体系逐渐得到人们的关注。国内外各运营商和生产厂商也在积极探索如何在有线网中采用类似OTT技术实现交互互动业务, 以及OTT与数字电视相结合的业务和技术方案。而OTT的业务和应用很多都是基于Web技术实现的, 可以看出无论是数字电视系统的技术发展演进还是OTT电视的技术实现, Web技术都起到了非常关键的作用。

在前端以云计算和云存储为基础, 通过Web服务向用户提供业务, 终端用户以浏览器以及基于Web技术的网络操作系统 (Web-based OS) 等方式访问媒体内容和业务, 这种实现机制可以较大程度地降低终端的配置要求, 也就是瘦终端化。这一特性很符合有线数字电视机顶盒的特点——处理能力相对较弱、存储空间有限, 因此可以预期:随着各地有线电视网络双向化改造的完成和数字电视交互业务的推广, 在有线数字电视系统中Web技术的应用会越来越广泛。

2 HTML5技术

HTML5技术、标准的出现和逐渐成熟已经使浏览器的功能和概念发生了巨大的改变, 本文将从数字电视行业的角度讨论其优势和意义。这里我们所说的HTML5不是仅指HTML5本身, 而是泛指HTML5.0、CSS3.0、Java Script以及新的浏览器API所包含的整套Web技术。

在讨论HTML5之前, 简单分析一下从1999年发布到如今已经在互联网广泛应用了二十多年的HTML4.01和XHTML1.0。从广播电视行业的角度来看, 对HTML展现能力的要求主要侧重在音视频的展现能力, 而HTML4.01在这方面恰恰是没有进行定义的, 这也造成了互联网上音视频内容的播放和展现需要浏览器安装Adobe Flash或Microsoft Silverlight等第三方插件来实现, 而大多数嵌入式终端并不支持这些插件。

在1999年, 日本无线工业及商贸联合会在XHTML1.0早期版本的基础上扩展定义并发布了BML (Broadcast Markup Language) , 以加强对音视频内容的支持, 但在全球广电行业并没有得到全面的支持和应用。

随着我国有线电视网络中视频点播业务的广泛开展, 为了在HTML4.01基础上实现音视频点播业务, 系统开发商都对HTML进行了扩展定义以实现业务支持, 其扩展的方法一般是采用对<object>或<embed>标签以及相应的Java Script接口和对象进行扩展定义, 并对浏览器进行相应的定制开发, 但都缺乏统一的规范。针对这一情况, 国家新闻出版广电总局发布的行业技术规范《GY/T 267-2012下一代广播电视网 (NGB) 终端中间件技术规范》中的NGB-H部分在HTML4.01的基础上对音视频的支持进行了扩展定义, 采用了对<object>进行扩展定义的方法。

HTML4.01缺乏对用户交互接口和动态画面效果的支持, 造成了网页游戏、画面动态展示、复杂的页面用户交互等多种交互业务和服务必须依靠Flash或Silverlight来实现。

2.1 HTML5对音视频和画布的支持

HTML5定义了<video>和<audio>标签, 实现了对音视频的通用化的支持, 换句话说就是支持HTML5的浏览器可以让用户在不用安装任何插件的情况下轻松地观看视频。HTML5定义<canvas>标签实现对画布的支持, 使浏览器可以通过Java Script脚本实现复杂的矢量绘图以实现各种动画和交互效果。这几个标签的定义使浏览器摆脱对Flash和Silverlight等第三方插件的依赖, 大幅降低了对CPU和内存资源的占用, 而对于数字电视行业来说, 实现对HTML5的支持, 有利于机顶盒终端的标准化和统一。《GY/T 267-2012下一代广播电视网 (NGB) 终端中间件技术规范》中的NGB-H部分中也提出了对HTML5的支持, 但由于HTML5标准在当时自身的内容还存在不同的争议和发展方向, 因此GY/T 267-2012提出HTML5的支持属于可选项。另外新发布的TVOS标准也提出了对HTML5的支持。

2.2 HTML5对Web Sockets的支持

HTML5定义了Web Sockets的支持大大增强了浏览器和服务端的实时交互能力, 实现了浏览器与服务器全双工通信。原来的浏览器和服务器之间的通讯, 都只能先由浏览器发起, 采用轮询 (polling) 机制或者采用Comet技术, 这些技术都存在效率低下、实时性较差等缺陷;另一方面Flash提供了XMLSocket类实现了相应的通信功能, 但同样是需要Flash插件, 对CPU和内存资源消耗较大, 对于大多数嵌入式终端来说, 如手机机顶盒而言则无法进行支持。Web Sockets的定义解决了这些问题, 其机制和标准与Socket类似, 浏览器和服务器先进行握手, 然后之间形成快速通道, 其优势在于Web Sockets与HTTP轮询机制相比使用非常小的Header, 只有2字节;另外一方面服务器可以主动传送数据给客户端。图1是一张引用自W3C网站的统计图, 分别给出了1000个、10000个和100000个客户端在每秒接收一个消息情况下, 需要的数据传输带宽。比较明显可以看到, 10万个用户情况下轮询机制需要接近696Mbps带宽, 而采用Web sockets方式则只需要1.6Mbps带宽, 效率提高非常显著。

Web sockets的采用, 使很多交互业务可以直接在浏览器中实现, 响应时间和用户体验极大提升。原来必须通过Java或者C/C++实现的专有客户端软件和应用, 如大型网络游戏、音视频聊天、股票数据业务、网页数据推送业务、快速互动需求的交互业务等, 现都可以通过浏览器实现并达到类似的效果和用户体验。

2.3 HTML5对Web GL的支持

HTML5还定义了Web GL, 使浏览器具备了3D图形的支持, 利用底层的图形硬件加速功能进行图形渲染, 实现了Web交互式三维动画而无需插件。其实现方式是通过Java Script对canvas标签进行操作实现。虽然目前能看到对Web GL支持的浏览器只有Google的Chrome, 而目前的数字电视机顶盒基本上不具备3D绘图的硬件和能力, 但通过浏览器实现3D绘图和3D游戏而不用安装客户端的业务实现方式, 对于没有很大本地存储能力的机顶盒还是有一定的利用前景。

2.4 HTML5其他值得关注的新特性

从数字电视行业的角度来看, DRM的支持也是今后HTML5应用的一个重要方面。2013年5月, W3C发布了加密媒体扩展工作草案 (EME) , 定义了Java Script和HTML与解密/保护模块进行交互的API。同时HTML5的一些新特性, 如本地SQL数据库的支持, 对摄像头、麦克风以及地理位置信息等外部设备的支持, 对终端屏幕大小自适应处理的支持, 给数字电视交互业务以及OTT应用的开展提供了强大的底层支持。

2.5 HTML5总结

所有这些HTML5的特性使浏览器具备了前所未有的强大功能, 可以很容易地实现各种音视频、实时互动、3D游戏、各种交互APP应用, 不需要下载和安装APP, 所有应用都在云端运行。这些特性都很符合有线数字电视机顶盒的特点:处理能力相对较弱、存储空间有限以及开机就在线接受服务。

综合来看, 由于HTML5已经获得了Google、苹果、微软、ADOBE等IT巨头的支持, HTML5的标准化、易于互联互通、屏幕融合业务的支持和跨终端平台的特性日渐显现。如今很多Saa S云服务平台开始利用HTML5提供服务, 同时移动终端对HTML5的使用也越来越多, 其良好的开放性, 加上更多的IT巨头的支持都使得HTML5的前景较为光明。同时HTML5也不是没有问题, 首先HTML5的安全性相对于HTML4.01并没有太多提升, 还待完善;同时HTML5技术标准的碎片化的问题还待解决, 各家浏览器以及浏览器核心所支持的HTML5的程度和子集不尽相同, HTML5标准制定组织WHATWG与W3C因为理念上的差异而分裂, 影响到了HTML5的应用和标准化。总之基于HTML5实现有线电视中的交互业务技术, 是今后有线数字电视交互业务的一种重要的实现方式和发展方向, 因此跟踪关注和研究HTML5的技术发展具有较为重要的意义。

3 Web-based OS技术

Web-based OS称为网络操作系统, 是基于浏览器的虚拟的操作系统, 用户通过浏览器在网络操作系统上运行基于Web技术的在线应用 (Web Application) 来实现终端系统上的各种操作 (包括文档的存储、编辑、媒体播放等) , 不需要下载和安装APP。举一个简单的照片处理的例子:PC上进入Windows操作系统, 运行Photoshop程序来进行加工和操作;网络操作系统, 打开浏览器登录到虚拟的桌面上, 运行Picasa网络应用程序来进行照片的加工和处理。从用户的角度出发, 两种运行方式在实际操作上不会有太明显的差别, 唯一不同的地方就是网络操作系统是运行在一个浏览器内。Web-based OS并不一定是一个独立的操作系统, 用户需要的将只是一个浏览器, 这个浏览器可以运行在Windows的操作系统上, 也可以运行在Linux上, 而且用户并不需要安装各种应用软件, 所有的应用软件在服务器端和云端运行。

早在上世纪90年代就出现了面向PC终端的网络操作系统的概念, 但由于网络操作系统需要高速和长时间网络连接, 同时对于PC来说本地的存储和计算能力并不是必须要将数据和运算放在服务端运行, 因而导致了网络操作系统一直没有较好的发展。常见的网络操作系统有Chrome OS、Firfox OS、Desktop Two以及silve OS等。Web-based OS的特点在于终端用户以浏览器方式访问, 与终端类型、本地操作系统无关;服务端以云计算方式提供各种应用, 整合各种业务, 为用户提供全面综合的服务。这种实现机制可以较大程度地降低终端的配置要求, 也就是瘦终端化。

随着HTML5的发展和成熟, 对音视频、互动操作、双向通信、3D绘图、本地SQL数据库以及DRM的支持, 使基于HTML5的Web-based OS具有了原来根本无法实现或者需要借助第三方插件实现的功能, 从根本上解决了原有的一些瓶颈。从这些角度来看, Web-based OS更符合电视机和机顶盒的应用场景, 虽然当前Webbased OS发展前景并不明朗, 但是作为一种可能的选择, Web-based OS在有线数字电视终端资源和能力受限而网络带宽特别是下行数据带宽较为充裕的情况下, 也许能有一定的发展空间。

4 其他一些Web技术

MPEG-DASH (Dynamic Adaptive Stream over Http) 技术, 是MPEG标准组织2011年底发布的基于HTTP协议传输音视频码流的技术规范。DASH和苹果公司的HLS技术一样通过HTTP向用户提供流服务, 但DASH同时支持TS流和MPEG4文件格式的流, 而HLS仅支持TS流的传输, 同时DASH规范定义了根据用户带宽情况动态调整下发相应码率的码流, 支持通用加密和多格式DRM。MPEG-DASH的新特性的引入, 使得基于Web技术的交互业务服务系统对不同网络传输条件和多类型终端支持能力得到了很大提升。当前虽然已有相当数量的主流公司支持DASH, 但也有不少还在观望中。同时在有线数字电视开展音视频互动业务和OTT业务融合方面, 通过Web技术传输音视频流基本选择也就MPEG-DASH、苹果的HLS、adobe的HDS以及微软的IIS Smooth Streaming不多的几种选择, 可以看出标准化且不受控于单一企业的技术也就是MPEG-DASH, 因此从2012年起MPEG-DASH一直备受各方关注。

在Web浏览器技术方面, WebKit浏览器内核引擎的发展是非常迅速的, 采用Web Kit作为内核引擎的浏览器包括了苹果的Safari、Google的Chrome、qq浏览器、搜狗浏览器、傲游3等, 其他的浏览器内核有微软IE使用的Trident、Firefox使用的Gecko以及Opera使用的Presto, 但是2013年2月Opera也宣布转向Web Kit引擎。由于Web Kit具备了开源、清晰的源码结构、极快的渲染速度、对HTML5有较好的支持等一系列特性, 从而降低了浏览器开发的门槛和难度, 从这个方面来说在处理能力和内存足够的数字电视终端的浏览器, 采用Web Kit引擎将降低浏览器和终端中间件的开发难度和技术门槛, 有利于应用的通用性, 利于第三方应用开发商的进入, 有助于数字电视开发者集中精力于浏览器对数字电视广播以及CA相关功能的支持。

5 总结

篇5：数字交互技术于课程设计中的研究与应用

关键词：数字控制；模型制作；雕刻

1 数字控制技术概述

数字控制技术也叫计算机数控技术，是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。它已发展成为对制造技术发展有着深远影响的共性工程技术。随着计算机技术、信息技术、自动化技术在模型设计与制作行业的应用，极大推动了模型设计与制作行业的发展。在模型设计与制作过程中，CNC技术主要承担了雕刻工作，在雕刻过程中需要计算机辅助设计技术（CAD技术），计算机辅助制造技术（CAD技术），数控技术（NC技术）精密制造于一体。

2 模型制作方法

模型制作广泛应用在产品展示、产品生产中。实物模型制作有多种方法，有油泥模型、快速成型模型、仿实物模型等。其中油泥模型精度不高，强度亦不高。快速成型技术制造的模型需要有专门的实验室环境，设备成本高维护费用昂贵，模型强度低，易断裂，可加工性差，具有局限性；并且不能制作出复杂的装配关系。仿实物模型造价昂贵。而数控加工制作的实物模型避免了上述缺点，具有精度高、强度大、装配精确等优点。

3 模型材料的选择

采用不同的材料制作模型，其加工工艺各不相同。建筑模型采用材料种类繁多，主要有粘土、石膏、木材、纸质、ABS板材、PVC等复合材料等。选择怎样的材料主要取决于用模型的类型和表现的风格，不同的材料其加工工艺也各不相同，当然表现效果也各有千秋。选择材料时要考虑材料的厚度、色彩、表面质地、肌理和加工工序和方法等。应通过材料的特点来彰显模型的艺术魅力。

粘土、石膏、锯末、草粉等材料主要用于曲面造型。比如家具、地形、车辆、树木等模型的制作。粘土和石膏也常用于概念性模型。

木材易于加工、便于造型、细节肌理细腻、适合深度加工、表现细节。可以作为建筑的骨架、基础地形，也可作为园林小品、建筑装饰配件等，还可以作为规划模型中的整个建筑实体。

用数控技术加工产品模型時，可以根据模型的加工难易程度、结构强度及外观展示效果等进行材料的选择，选用金属或塑料等材料。对于只为了展示效果或检验安装关系的模型一般选用工程塑料。

ABS工程塑料具有优良的综合性能，有极好的冲击强度、尺寸稳定性好、染色性，成型加工和机械加工较好，并且具有很好的粘结性能和塑催田。并且有多种厚度和宽度规格的成型板材。对于只以展示造型效果为目的的模型，无受力导致变形的问题，可采用常用ABS工程塑料。对于要达到透明效果的零件，需采用PMMA（亚克力）材料。

4 模型制作中的拆分与安装

在模型制作中，由于模型尺寸较大，结构复杂等原因难以加工时，需要对模型的进行拆分处理，在拆分与拼接的过程中，基本按以下原则进行：1）保证拆分与拼装后的强度符合要求；2）拆分后方便加工与拼接的原则；3）节省材料，减少切削时间原则；4）便于拼接时定位准确，操作方便的原则。

5 模型设计与制作流程

由于现代模型制作工作量大，要求高，现在CNC技术将计算机自动雕刻取代了手工雕刻。CNC技术是集计算机辅助设计技术（CAD技术）、计算机辅助制造技术（CAM技术）、数控技术（NC技术）、精密制造技术于一体。其制作流程如下：

（1）根据模型的外形，复杂程度，对模型进行分析，制定加工方案，根据图纸和具体加工要求，确定加工尺寸、加工深度、加工图形形状。形成设计草稿。

（2）从设计到加工的环节，必须用准确的三维数字模型进行传递，只有设计师自己提供或认可的计算机三维造型模型，才能准确使设计草图真正得以实现。绘制、编辑加工数据图形及数据转换处理。CNC雕刻机是由计算机控制实现的，如何将设计思路，按加工要求，绘制出准确的尺寸、形状、位置关系的数据图形，从而生成雕刻机的工作控制指令比如精雕机就需要操作人员能熟练掌握JDPaint中的各种命令，根据设计思路，绘制出加工图形数据，并由雕刻机生成刀具路径，刀具路径的计算是由雕刻软件完成的，刀具路径的计算依据是加工图形数据和操作员的工艺规划共同决定的，雕刻软件按操作员规划的工艺和雕刻设计图进行刀具路径计算的。因此，要准确完成加工，需要操作员不仅要熟练掌握绘图命令还要能理解CNC加工工艺方法。

（3）数控加工：采用CNC技术加工是自动化的，只需要开始前，正确选择好刀具、装卸刀具、对加工材料进行合适的装卡，设定切削参数，可由雕刻机自动完成雕刻工作。

（4）表面处理与粘帖：为了使表面光滑平整，需要进行打磨处理，先用较粗砂纸打磨，而后用较细砂纸打磨。对有较高要求的可进行喷灰处理，用来检查打磨后表面光洁程度。最后用胶水进行粘帖、拼接，胶水分为快干、慢干两种。快干可以在3内进行快速粘帖，慢干可以使工件有充分的时间进行调整。牙粉和胶水混合可以填补拼接的缝隙，使表面平整，为了使慢干胶水迅速固化可采用丙酮。

6 结语

利用CNC技术进行雕刻拼接制作模型是目前先进的模型设计与制作技术，它不仅需要设计人员、操作员，能利用合适的材料进行创意设计、更需要能熟练掌握专业的三维工业设计软件进行绘图并了解其工艺，正确绘制图形，合理规划工艺，制作出符合设计师设计理念的模型产品。

参考文献：

[1] 郎世奇.建筑模型设计与制作[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[2] 陈胜，章海，李静敏.雕刻机在CAM实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2009，28（04）：6567.

篇6：数字交互技术于课程设计中的研究与应用

操作者为了能够在创作中实现可听、可视、可以触摸的3D环境, 使观众能够深切感受到“真实化”的环境, 应用虚拟交互技术具有必然性。4D技术以及CAD技术的研发使虚拟交互技术得到广泛应用。虚拟交互技术在数字化展示中使用, 对于全人类的认知、行为和交流都具有深远影响。然而在针对数字化展示中的技术方面展开分析后得知, 之所以不能够极为逼真的实现虚拟交互环境, 主要是因为计算机没有较强的处理能力所导致。

1 数字化展示设计概念

为了能够在数字化展示设计中完成持续性动作、知觉以及情感的互相调配, 同时对该种配比的准确度较为精确的预测, 从而实现降低视觉检索空间、提高触觉敏感度和听觉灵敏度的目的, 需要虚拟技术与人机自然交互技术共同完成。然而在不断提升科研能力和科研投入不断加大的前提下, 数字化展示设计中牵扯的有关技术也在不断提升的同时, 其精确度和速率以及成本的可控性也在不断提升, 这说明数字化展示设计在向着数字化和智能化的目标前进。虚拟交互技术能够在数字化展示中将网络融合在其中, 实现人们的工作、生活以及娱乐等的运转相互协调, 同时通过该技术还能实现一维处理空间到多维处理空间的转换。

1.1 数字化展品设计的特性

设计数字化展品成为正式的展品取决于该展品是否有独立的应用程序域, 所以在设计展品时, 该设计模式支持计算机的自定义, 同时展品可以持续性的展览。在设计数字化展品时, 一定要保持应用程序与设计模式相兼容, 这样才能确保具有擦除性和重复性的应用程序在硬件相同时得到应用, 这样就可以完成人机交互系统的循环往复运用的基础上, 使展品不断切换主题, 将设计展品的多样性展现出来。

1.2 数字化展示设计发展的主要因素

展示形式和创作方式的创新是数字化展示设计与传统展示的不同之处。陈展发展能够快速发展起来的主因是技术的进步, 而作为较为重要的虚拟交互技术在陈展发展中起着关键性作用。新技术研发过程是推动科技发展的过程, 反而言之科技的进步又在一定程度上促进了研发新技术进程, 新技术和科技进步是相互促进和共同发展的关系。工程师在设计展品成功与否, 与开发新技术息息相关。将虚拟交互这一新技术应用在数字化展示当中, 将数字化展示设计推向了高峰。

2 虚拟交互技术概述

20世纪60年代虚拟交互技术随着科技的发展应运而生, 随着时间的推移该技术逐渐成熟, 并与九十年代得到人们的广泛重视和认可。该技术是集计算机仿真技术、图形技术、传感技术和人工智能技术等为一体的综合性技术, 能够促使交互性和多维化的信息环境得到实现。目前, 在军事、艺术、航天和文化等领域已经普遍使用虚拟交互技术。

虚拟交互技术包括多感知性、沉浸性、交互性和构想性这四个特征, 多感知性主要表现在它对人的听觉、视觉、嗅觉和触觉等有感知能力, 不过因为传感技术受限, 所以没有完全将人的感知能力全部包括在内;沉浸性, 即用户在数字化展示中所勾勒的虚拟环境, 勾勒出极度逼真的虚拟环境是虚拟交互技术最高目标, 使客户看到此类展品就如同身临其境一般, 有沉溺其中的想法, 即虚拟交互技术的沉浸性;交互性, 在虚拟环境中的客户能够实现操作物体以及得到反馈结果的特性。比如处在虚拟环境中的客户, 就如同在真实的环境中一样, 可以感知到物体的重量和移动;构想性, 即有空间可以使客户发散思维, 使人们的认知范畴进一步扩大, 既可以现实环境的虚拟, 也可以虚拟不存在的环境。

3 虚拟交互技术在数字化展示中的实践性研究

3.1 虚拟交互技术在数字化展示设计中的应用

人机自然交互形式在当前的展示环境中起着不可替代的作用, 而人机自然交互内容是否具有很强的精确度和实时性, 受到网络资源好坏、数据是否复杂、数据传输速率好坏的影响。根据以上阐述得知, 想要确保设计出集通用性和实用性为一体的数字化展示系统形成, 开发独立简单的框架势在必行, 只有这样才能够满足设备配置适应于展示系统, 而虚拟交互技术的出现能够彻底解决此类问题。

在人机交互高空间的应用程序中, 能够将实际认知与虚拟环境中的认知任务进行整合, 提高数字化展示设计的定向性。比如, 在医学教学中应用的touch虚拟交互应用程序, 能够实现先进技术和创新理念的相融合, 利用高性能的互联网嵌入技术和计算机技术, 来将实际生活环境加以虚拟, 然后再使学生通过人工智能方法展开体验性学习。在培训时或者教学中利用虚拟交互技术能够将接近真实的学习环境勾勒出来, 为学生或者培训者营造出一个能够代替现实学习环境的虚拟学习环境, 在这一环境中排除了现实模拟中的安全性, 即使出现错误也不会带来安全隐患, 或者造成不必要的亏损。这样的教学或者培训, 能够使学习者汲取虚拟环境中的教训以及经验, 不但使知识的理解度更深一层, 还能够规避在实际的学习和工作中产生同样失误风险。

虚拟交互技术在数字化展示中应用, 就要求将虚拟交互技术中的虚拟团队与数字化展示中的团队相融合, 利用虚拟体验互动的形式实现虚拟环境下的工作和学习, 从而提供了资格认证和考核绩效的平台。验证虚拟交互技术在数字化展示中是否存在价值, 对于提高有效分布知识具有深远意义。

3.2 在数字化展示设计中应用虚拟交互技术的实例

数字化展示设计能否冲破瓶颈进一步发展与不断发展的虚拟交互技术息息相关。虚拟化交互技术为数字化展示设计注入新的元素。在传统的展示房地产以及历史建筑时, 通常采用将比例缩小的方式实现小模型展示。该种方式, 虽然能够展示建筑物的多个角度, 但是不能展示出整个建筑物的体积以及面积。而利用虚拟交互技术进行数字化展示就可以给予客户真实的感觉, 就如同真正站在建筑物内一样, 客户不但能够实现对房屋和环境的展示, 而且对小区的整体规划都了然于胸。新型的陈展方式已经在我国的一线城市像北京、上海等城市投入使用。另外, 利用该种技术展示文化遗产建筑物时与网络传输相结合, 吸引游客在网上浏览历史建筑物, 这样就会将建筑文化传承下去。目前, 敦煌、故宫等历史建筑物, 已经采用虚拟交互技术的数字化展示方式, 利用3D技术勾勒出虚拟环境供给游客体验;此外, 还在展示中添加了文字交流模块, 能够使游客能够实时的发表评论和分享心得。

4 结论

在数字化展示中应用虚拟交互技术, 能够开拓人们在认知、逻辑论证以及采纳观点等方面的视野, 提升人们的分析和解决问题能力。在数字化展示中应用虚拟交互技术能够在多个层次和角度来对实际问题进行分析和仿真, 为人们提供全方位分析和解决问题的平台, 为不同观点的共享提供有力保证, 所以虚拟交互技术在数字化展示中起着非常重要的作用。

摘要：数字化展示是否成功取决于虚拟交互技术, 因为虚拟交互技术能够使数字化展示更人性化和智能化。本文首先在数字化展品的特性和数字化展示发展主因这两个方面介绍了数字化展示设计概念, 然后对虚拟交互技术加以概述, 最后研究了数字化展示中应用虚拟交互技术的可行性, 证明虚拟交互技术是促使数字化展示迈上新台阶的不竭动力。

关键词：数字化展示,虚拟交互技术,设计

参考文献

[1]王燕妮.数字化展示设计研究[D].西南交通大学, 2013:22-24.

[2]陶璐, 杨予宁.试论虚拟交互在数字化展示设计中的应用[J].艺术科技, 2014 (10) :36.

篇7：数字交互技术于课程设计中的研究与应用

【摘要】本文分析了传统的数字电子技术课程设计的不足，阐述了在课程设计中引入EDA技术的必要性和优越性。

【关键词】课程设计 数字电子技术 EDA 实验平台

【基金项目】中央高校基本科研业务费专项资金资助（编号：16CX02035A），中国石油大学青年教师教学改革项目（编号：QN201413），中国石油大学教学实验技术改革项目（编号：SY-B201402）。

【中图分类号】G642【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2016）07-0239-02

进入21世纪以来，随着微电子技术、电子技术和计算机技术的飞速发展，数字电子技术及其应用向着更为深入、更为广泛的层次扩展。电子产品的设计周期和上市时间日益缩短，电子产品的功能更加丰富，性能更加优良，由此推动了电子系统设计技术向电子设计自动化EDA方向发展，并且对EDA技术及其应用提出了更高的要求。

1.课程设计的背景

中国石油大学（华东）的“电工电子学”课程是“国家级精品课程”，以着重培养学生的系统观念、工程观念、科技创新等基本素质为教学方针。多年来在教学和科研中紧跟电子技术发展的每一个关键时刻，教学组的教师都适时地对内容体系和教材进行更新和完善，坚持不断进行课程改革，取得了丰硕的成果。“数字电子技术课程设计”是为大二学生暑期开设的一门必修课程，它是“数字电子技术基础”和“电子技术实验”等课程的后续课程，主要以培养学生的实践能力和创新精神为目标，加深学生对理论知识的理解，切实提高动手和解决问题的能力。

2.课程设计的选题

针对电子专业的特点，我们在数字电子技术课程设计部分采用了“基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）实现电阻、电感、电容的测量”这一题目。测量工作原理是将被测量转换成频率，由CPLD实现频率的计算，并转换成被测量信号后输出显示。电阻、电感、电容经过转化电路，完成电阻/频率（R/ F）转换，电容/频率（C/ F）转换，电感/频率（L/ F）转换。用CPLD测量其频率，具体功能分块包括：多路选择开关、分频器、时间闸门计数器、测量计数器等。

频率测量的主要部件是一个带门控计数端的计数器（测量计数器），被测信号（被测频率）由此计数器计数。如果门控计数器的开门计数时间恰好为1秒，则测量计数器的计数值就是输入信号的频率。若改变开门计数时间，即可改变频率测量的量程。如开门时间为0.1秒，则量程为×10，开门时间为0.01秒，量程为×100，开门时间为0.001秒，量程为×1000。由计数器的数值即可换算电阻、电感、电容的大小。

本课题要求设计一个测量电阻、电感、电容的4位十进制数字显示的数显仪表，根据频率计的测频原理，由测频量程需要，选择合适的时基信号即闸门时间，对输入被测信号进行计数，实现测量的目的。其数显测量范围为0-99990Hz，满刻度量程分为9999、99990两档，手动转换量程，当输入计数值大于实际量程时有溢出指示。

3.课程设计的实现

（1）按照现代数字系统的Top-Down模块化设计方法，提出数字频率计的整体设计方案，并进行正确的功能划分，分别提出并实现控制器、受控器模块化子系统的设计方案。

（2）针对ispLEVER的EDA设计环境，采用Verilog HDL语言，完成受控器模块（测量计数器）的设计，并采用Abel语言编程进行仿真。

（3）在ispLEVER的EDA设计环境中，完成基于Verilog语言实现的控制器模块（闸门计数器，量程开关，选择开关）的设计，并采用Abel语言进行仿真。

（4）基于ispLEVER的EDA设计环境，采用Verilog HDL语言或原理图，完成顶层模块的设计并采用Abel语言编写测试向量文件进行仿真。

4.结束语

通过课程设计的锻炼，学生可以增强综合分析问题及解决问题的能力，激发学习兴趣和潜在的能动性。有学生在总结报告中写道：“通过这次课程设计，我切身体会到给出一个命题，利用Verilog语言编程实现这个命题，并利用软件模拟仿真，看功能是否得以实现的全过程。一方面学到了许多新知识，另一方面使我们对数字电子设计的全过程有了一个全面的了解，同时也深刻感受到利用EDA软件实现电子设计的强大优势。这样的课程设计很适合我们，使我们受益匪浅”。

参考文献

[1]王君红， 刘复玉， 任旭虎. “电工电子学”实验教学模式改革[J]. 实验科学与技术， 2012， 10（5）： 76-78.

[2]于云华. 数字电子技术基础[M]. 东营： 中国石油大学出版社， 2008： 392-399.

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篇8：数字交互技术于课程设计中的研究与应用

随着虚拟制造技术的不断发展, 大量的虚拟培训系统应运而生, 这些培训系统孤立地对人进行反复操作培训, 适用于单人操作, 并且很有成效。

考虑到在实际生活中还存在需要多人参与协调工作的情况, 比如在驾校考核中, 要求学员在真实的大马路上行驶, 这正是考虑到实际生活中行驶道路情况随机多变, 行车时车辆与车辆之间常常是互相影响、相互制约的。传统的模拟驾驶器大多只是针对个人的操作训练, 不能对学员随机应变能力进行培训, 即便学员已熟练掌握开车技巧, 可在道路情况复杂的现实行车过程中依然问题丛生, 交通事故频发。

分布式虚拟现实技术在军事训练、工程技术等领域具有良好的应用实践如参考文献[1-2], 其在教育中也有所发展研究如参考文献[3-4]中的应用。

将分布式交互技术应用于虚拟培训中, 目的是为弥补传统单人虚拟培训系统的不足, 模拟仿真现实生活中需要多人协调完成的工作场景。

1 分布式交互技术概述

1.1 分布式交互技术的特性

分布式交互技术支持不同地域的用户在同一虚拟环境中进行实时互动操作, 并协同完成各种任务。因此分布式虚拟现实系统应具备以下技术特性。

①分布性

分布性表现为地域分布性、任务分布性、系统分布性。

地域分布性是指处于不同的地域结点组成一个仿真系统。

任务分布性是指由几台计算机共同协同完成一个仿真任务。

系统的分布性是指在不同的计算机上可以使用同一个仿真系统。

②交互性

交互性包括操作人员与虚拟场景中事物的交互, 以及各个操作人员之间的交互。

③可伸缩性

可伸缩性指能够通用现有框架有效地适应一定可变数量的并发动态实体仿真, 并且数量的增长不会对现有系统的结构性有影响。

④实时性

仿真系统中的时间空间能够与现实世界中时间空间保持一致。系统中的实体状态必须是实时更新的, 并且实体间的数据信息是实时传输的, 显示图形是实时生成的等。

1.2 需要解决的问题

为了能保证在虚拟场景中进行高效的同步操作, 实现分布式交互的分布性、交互性、实时性、可伸缩性的特点。因此在保证一致性的基础上有两类技术问题需研究解决:一个是时序冲突问题, 另一个是空间冲突问题。

首先, 时序冲突问题指的是各个客户端由于硬件运行性能上的差异而导致信息不同步的问题, 同时它也指当多人同时对某个对象有影响时, 此对象该如何动作的问题。

其次, 空间冲突问题指的是虚拟场景中模型与模型之间的碰撞检测问题, 各个被操纵的对象在虚拟场景中的操作过程中极有可能发生碰撞干涉。一旦某个对象发生碰撞, 此时应该采取物理碰撞仿真, 防止出现穿越、干涉等不符合实际情况的行为发生。

下面就如何保证时空一致性以及解决时序冲突问题和空间冲突问题做分析比较与选取。

2 保证时空一致性

保证时空一致性分为两个方面, 第一是空间表达的一致, 第二是仿真时间的一致。

2.1 空间一致性

为了描述仿真实体在环境中的位置, 需要采用相应的参考坐标系来建立一致的环境场景。由于不同的仿真模型的建模和仿真在不同的研究领域常采用不同的坐标系。有时完全相同的环境模型, 其同一空间点在不同坐标系下的坐标表达也可能不一致。为了解决这个矛盾, 需要建立一个参考坐标系统来作为标准 (包括世界坐标系和实体坐标系) 。

首先使用右手笛卡尔坐标系来定义仿真世界中的位置, 然后实体坐标系也是用一个右手笛卡尔坐标系来描述以表现实体的姿态和运动方向。实体坐标系的原点是实体的中心, 指向实体正面作为X正半轴, 指向实体右侧作为Y正半轴, 指向实体顶部作为Z正半轴。关于坐标系之间的转换可参考文献[5]。

2.2 时间一致性

在分布系统中由于模拟实体在配电系统中切换PDU在网络上传输的延迟, 模拟节点时间同步误差是不可避免的。因此每个PDU都带有一个时间戳来标记PDU的发送时刻 (时间戳的最大值为3600秒) 。32位时间戳其精度可以达到3600/231=1.676×10-6秒, 对绝大多数仿真应用而言此精度是足够的。

然而分布式虚拟环境中由于牵涉不同地域的连接, 对时间准确性要求相对更高。故采用UTC时间, 即采用一个64位的结构来描述时间, 其中前32位是一个整数用来为描述小时数 (从UTC时间1970年1月1日0时为时间起点, 计算到当前时间流逝的小时数) ;剩下32位其描述方式同“时间戳”, 用来描述最后一小时未满的秒数。UTC时间所描述的时间精度可以达到1.6微秒足以满足分布式虚拟环境的要求。

3 时序冲突问题的解决方案

3.1 解决方案分析比较

参考文献[6]中对协同技术的模式进行了分析和探讨。最普遍的解决方案是复制式的协同架构, 在此解决方案中各客户端的命令传输的是通过“消息+参数”的模式, 当客户端获得交互设备的操作信号后, 将该操作信号封装为某种规则的指令信息, 经服务端处理后转发到各个客户端, 其他客户端获得这个指令后通过解析以执行相应的内容。这样, 同一个命令在不同的客户端同时执行, 从而实现协同操作。

这种解决方案最突出的优点是具有极强的实时响应能力, 各客户端都拥有独立解析并处理命令的能力, 使得在本地即可执行各个操作命令, 但是它的缺点也是非常明显。首先, 它的服务器并没有发挥自己良好的计算能力, 所有的场景计算处理都是在客户端执行。其次, 由于各个客户端的计算机性能存在较大差异, 导致各个客户端不能实时感知其他客户端的操作行为, 从而容易发生误操作引起冲突。服务器端没有一个集中控制模块, 各个客户端场景状态的一致性保障与冲突控制也变得非常的困难, 系统复杂度高。

另一种是集中式的协同架构, 它的运作方式是所有的运算都在统一的服务端进行, 然后把运算结果分发到各个客户端, 以此实现异地场景同步功能。这种架构在用户比较少时, 能比较凸显其优势, 场景状态还能保持一致性, 客户端一致性也比复制式架构好。然而在客户端数量较大的情况下, 由于服务端运算负荷太重, 容易导致计算缓慢并影响整个系统的场景一致性与及时响应性。

3.2 混合式协同架构

如何更好地利用各个客户端的计算性能和服务端的较强的计算能力一直是研究的热点, 如参考文献[7]研究面向高并发通讯的网络服务器通讯协议。

结合了前面说的复制式和集中式协同构架各自的优点, 在这里使用一种混合式协同架构。

(1) 实时响应性好

该架构保留了客户端各自一部分的计算能力, 使得一些简单命令通过事件的方式发送到各个客户端, 通过解析事件使这些操作能在客户端得到及时的执行。

(2) 场景一致性高

该架构采用了“状态计算-上传-广播”的模式, 服务端主要实现对各个客户端传输数据进行调度广播的功能, 客户端先在本地计算用户操作信号的执行逻辑, 得出场景中各个模型的属性状态值, 这个值不直接作用于本地场景中目标模型, 而是先上传到服务端, 再通过服务端的调度广播模块进行处理、整合后同步到每一个客户端, 再由客户端将从服务端获取到的状态值作用于本地场景中的目标模型。这样除了网络传输上的延迟之外, 每个客户端场景中的模型基本是同一时间发生变化, 从而使系统的场景一致性与及时响应性得到保证。

综上所述, 通过几种协同架构模式优劣对比, 选择混合式协同架构使系统在具有较好的实时响应性能的同时, 提高各个客户端场景的同步一致性。表1是对几种协同架构模式的优劣对比。

4 空间冲突问题的解决方案

空间冲突 (碰撞干涉) 问题是任何虚拟现实系统中必须解决的重要问题, 如参考文献[8]中就有对空间冲突问题解决方案的研究。图1为空间冲突造成叠面的情况。

由于在虚拟环境中需要处理非常多的环境对象 (场景模型) 和动态对象 (活动单元) , 而且每个虚拟对象都是由许多几何体组成的, 这使得虚拟环境中的空间冲突处理复杂度十分高, 处理时间相应变长。因此准确判断两个对象是否发生碰撞, 同时又要满足实时性的要求是研究的热点。

4.1 球形包围盒检测法

最常见的可以使用球形包围盒检测法来检测两个不规则的运动物体在虚拟场景中是否发生碰撞。

首先动态拾取操作对象, 然后分别对需要检测的虚拟对象创建球形包围盒 (即碰撞检测边界) 。获取两个球体各自的半径r1、r2, 以及两个球心之间的距离Dis。根据球形包围盒碰撞检测算法, 判断两个实体是否发生了碰撞。

式 (1) 中对Dis与r1+r2做比较, 当发生碰撞时即进行碰撞处理。过程如图2所示。

4.2 长方体盒式检测法

长方体盒式检测法是定义一个长方体盒子, 它有顶点八个、边十二条和面六个。根据需要计算三种不同的碰撞形式如表2所示。然而要完成这三种碰撞检测数据处理量大。因此每次相交检测时进行一定特殊的选取方式, 为了把计算量降到最小。

4.3 碰撞检测的选择及优化

为了满足分布式虚拟现实环境的要求, 考虑到虚拟培训系统中的模型相对比较规则, 采用长方体盒能够满足系统的应用和运算性能需求。

在此对长方体盒检测方式进行优化, 可以为模型制作简单的几何体来充当物体的碰撞体, 并依据物体的重要性与精确性来设计几何体外观, 优化前后的对比图如图3所示。

通过自定义不规则碰撞器, 在AABB盒式碰撞范围的基础上, 根据实际需要进行优化。很明显优化后其碰撞更加精确, 并且没有减缓运行速度。另外需要注意射线的碰撞检测是比较耗费CPU资源的, 尽量少用, 比如在做场景内物体的拾取时, 对备选对象队列进行筛选后, 再进行逐一检测以提高效率。

5 分布式交互技术在虚拟培训中的应用

这里将分布式交互仿真技术应用到汽车模拟驾驶器中作为案例。如图4所示为上海理工大学虚拟制造技术研究院研制的模拟驾驶器[9]的运行界面。其已能够对桑塔纳汽车进行操作模拟, 拥有逼真视景输出、仿真的操作系统、以及符合一定标准的驾驶评价系统。

在原有单人操作培训设备的基础上把分布式交互仿真技术应用其中, 目的是为了实现多人在线培训的模拟驾驶环境。

①网络结构搭建

对PDU的结构组成和形式设计参考文献[10], 首先结合标准的协议数据单元定义, 采用最常用的通信模式———基于TCP/IP的广播。仿真应用程序只要挂在构成的“软总线”上就可以通过网络进行数据交换了, 如图5所示。

这里采用3.2节中的混合式协同架构, 以此协同模式来实现各节点的数据交换和数据共享。

②统一时间戳

根据第二章的分析, 采用UTC时间。

③DR算法与平滑

为了减少仿真应用软件对每一实体必须进行的状态更新率, 这里使用DR算法来推算实体的位置及方位。DR算法包括三个要素:一是对于物体, 固定的 (F) 还是旋转的 (R) ;二是对于变化率, 位置变化率 (P) 还是速度变化率 (V) ;三是对于坐标系, 世界坐标系 (W) 还是实体坐标系 (B) 。最终此算法可归纳为:F or R, P or V, W or B。DR算法的推算过程如图6所示。

④坐标系转换

首先使用世界坐标系来统一表示实体的位置, 其次在表示各个实体的位置时, 采用不同的局部坐标系来表示。

对于个体操作仿真节点发送实体状态信息, 在服务器端将其表示形式进行转换再广播;其他仿真节点对收到的世界坐标再转换成各自的局部坐标。

⑤伸缩性

为满足可伸缩性, 在Unity3D中通过实例化Prefabs实现, 其代码如下:

在增加连接对象的同时生成指定的预设操作对象 (这里是模拟驾驶用汽车) , 当断开连接的时候, 会移除所有生成的预设物体。通过此方法使多个对象融入到共同的虚拟环境中进行交互。

⑥最终实现

客户端通过读取操作车辆对应相机的视景反馈到用户的显示设备上实现第一人称视角的模拟驾驶仿真训练 (如图4所示) 。当多个客户端同时连接时, 就实现了不同地域的用户在同一虚拟环境中实时互动式的模拟培训。

6 结束语

分布式虚拟现实技术结合了虚拟现实和计算机网络技术。其目标是建立一个分布式虚拟环境可供异地多用户同时参与。位于不同物理位置的多个用户, 可以在一个共享虚拟环境中实时交互、协同工作, 不受各自的时空限制。

除了模拟驾驶, 在实际生活中还存在大量多工位、多岗位等需要多人协同完成的工程任务, 比如码头集装箱调度任务[11], 在有限的场地上布置了多种装卸设备。如岸桥、场桥、集卡和运输车等, 通过各个设备间的协调作业来完成码头每天的物流任务。由于装卸装备工作时是相互影响、相互制约的, 管理者需要对装卸设备工作进行实时的调度以提高作业效率, 避免事故的发生。

通过在传统模拟驾驶器的应用, 证明了分布式交互技术应用于虚拟培训中是确实可行的, 能够弥补传统虚拟培训系统的不足, 满足实际生活中那些需要人与人之间进行协调工作培训的需要, 提高人们协同工作的能力。

参考文献

[1]李佳, 王勇, 王瑛.基于VRML的协同消防应急演练平台研究[J].计算机测量与控制, 2013, 21 (12) :3383-3386.

[2]杨晓文, 韩燮.虚拟维修训练系统关键技术研究与应用[J].计算机应用与软件, 2013, 30 (5) :208-210.

[3]滕厚雷, 文芳.分布式虚拟现实技术及其教育应用研究[J].攀枝花学院学报, 2012, 4:126-128.

[4]胡国涛.初中物理虚拟实验平台的设计与开发[D].湖北:华中师范大学教育信息技术工程研究中心, 2011.

[5]高曙明, 何发智.分布式协同设计技术综述[J].计算机辅助设计与图形学学报, 2004, 2 (16) :149-157.

[6]周云, 华祖耀, 黄柯棣等.DIS中的坐标系统及坐标转换[J].计算机仿真, 2000, 17 (6) :75-77.

[7]张正, 苑英海.面向高并发通讯的网络服务器通讯协议的研究[J].消费电子, 2013 (4) :102.

[8]张典华, 陈一民, 李磊.基于Unity3D的多平台三维空战游戏的开发[J].计算机技术与发展, 2014, 1:1-4.

[9]杜宝江.虚拟制造[M].上海:上海科学技术出版社, 2012.

[10]张军, 周卫华, 刘培志, 等.高炮DIS中PDU设计及与VRLink通信的实现[J].系统仿真学报, 2000, 12 (5) :435-436.