虚拟现实在物理实验中的应用
班级：光电1301 学号：1406130108 姓名：郭志强
摘要：本文介绍通过虚拟现实完成实际中不易于实现的物理实验 关键字：虚拟现实、物理实验、计算机、模拟
虚拟现实是指利用计算机和一系列传感辅助设施来实现的使人能有置身于真正现实世界中的感觉的环境，是一个看似真实的模拟环境通过传感设备，用户根据自身的感觉，使用人的自然技能考察和操作虚拟世界中的物体，获得相应看似真实的体验。具体含义为：（1）虚拟现实是一种基于计算机图形学的多视点、实时动态的三维环境，这个环境可以是现实世界的真实再现，也可以是超越现实的虚构世界；（2）操作者可以通过人的视、听、触等多种感官，直接以人的自然技能和思维方式与所投入的环境交互；（3）在操作过程中，人是以一种实时数据源的形式沉浸在虚拟环境中的行为主体，而不仅仅是窗口外部的观察者由此可见，虚拟现实的出现为人们提供了一种全新的人机交互方式。
现在虚拟现实技术和交互式3D技术都可以很好的应用在各个行业中，都起到了一般方法无法实现的作用。
物理学是一门以实验为基础的自然科学, 实验不仅是学习和掌握知识的手段, 而且是 物理教学内容的重要有机组成部分。但目前的物理实验中, 存在一些不可视、不可摸、不可入、危险性场所的实验问题; 实验仪器不足、设备陈旧老化问题。
将虚拟现实技术与物理实验有机的结合在一起，以建立虚拟仿真物理实验环境和虚拟实验过程。虚拟仿真物理实验是利用计算机来模拟( 仿真) 实验的环境 及过程,通过计算机操作来做某一实验, 从而学习和掌握从实验中获得的知识。虚拟现实技术在物理实验中的应用, 将有助于进行更多现实中不易完成的物理实验，并且更大限度的减少时间和空间的限制。
虚拟现实文件是一个以时间作为基础的三维空间，包含了很多种的机制动态，修改后的图像和听觉图像。可以具有重要性的文件组织在一起，还能通过超链接把文件结合在一起，利用层次文件的关系对每一个动态的东西进行放大。 虚拟现实技术另一个特性就是可以用在分布的环境中，建立出了很多的分布的对象和机制，包括内联式嵌入其他的虚拟文件，通过超链接指向其他的文件。虚拟现实的访问方式主要基于客户还有服务器模式，服务器提供虚拟现实文件和支持的资源。客户通过网络的下载可以访问文件。
虚拟现实技术在物理实验中, 能提供直观、形象的多重感官刺激的视听材料, 通过身临其 境的、自主控 制的人机交互, 由视、听、触觉获取外界的反应, 思维、情感和行为三个方面都参与实验。
虚拟仿真的物理实验辅助文字教材发展为能提供图像、图形、声音、文本、视频和动画等形式 多样的多媒体信息并具有人机交互功能的、虚拟各种三维实景的虚拟现实技术。
例如，仿真物理实验在光学实验中的应用：
非相干照明成像系统的物和像都可以看成是不同空间频率的光强正弦分布图像的集合. 在光学成像系统等晕区域内, 正弦光强分布物的像仍然是光强正弦分布, 但由于像差和衍射等因素影响, 像的调制度下降, 相位发生移动, 物像调制度之比和相位移动量都是正弦光强分布空间频率的函数, 分别称调制传递函数和相位传递函数, 它们的大小反映了光学系统成像质量的优劣. 对满足线性条件的光学系统, 一维方向上正弦光强分布像面是正弦光强分布物面与线扩展函数的卷积. 根据傅里叶变换卷积定理, 光学系统的一维光学传递函数是它的线扩展函数的傅里叶变换. 因此, 只要能对被测光学系统形成的线扩展函数实现傅里叶变 换, 就可以测得它在某一方向上的光学传递函数, 这就 是光学传递函数测定仿真实验系统的原理。
钨丝灯光源发出的光经滤光片、聚光镜和毛玻璃 将狭缝均匀照明, 照亮后的狭缝经准直镜、待测光学系统和变频镜头成像于正弦光栅上, 准直镜和变频镜都是理想的, 所以狭缝像应该是被测光学系统的线扩展函数. 正弦光栅在一个方向上的光强按一定空间频率 呈正弦变化, 本实验中采用的是分为 8 个频率的分级变频密度型正弦光栅. 正弦光栅对狭缝像进行扫描时, 光电探测器接收到的光通量是随扫描位置呈正弦变化的, 其变化的振幅与调制传递值有关, 其变化的相位是相位传递值. 通过测量光电探测器输出的电信号就可得到光学传递函 数, 并在显示器上实时输出结果. 由此可见, 用正弦光栅对狭缝像扫描相当于模拟了对线扩展函数的傅里叶 变换, 从而实现了光学傅里叶分析法对光学传递函数 的测量.
仿真实验按如下步骤进行: 1) 取出待测光学镜头放入测量系统; 2) 调整光路 ( 包括调整被测镜头、准直镜和变频镜头三者光轴重合, 调整被测镜头像面与变频镜头物面重合) ; 3) 调焦. 按离焦量要求轴向移动正弦光栅至所要求的位置; 4) 扫描测量. 匀速移动正弦光栅, 随着光栅对狭缝像的扫 描, 记录笔画出光强变化曲线, 测量得到不同频率下的 光强曲线振幅; 5) 数据处理. 由得到的光强振幅值得出 不同频率下的调制传递函数 MTF 值, 并画出曲线图。
仿真软件系统是以动态画面简要而生动地介绍实验装置和原理, 并不显式地显示在屏幕上, 它们只是一种在线帮助。它能够实现条件设置、测量对象输入、光路调整、扫描记录、实验数据处理、绘制传递函数曲线的全过程。
该仿真实验系统除可操作性外, 还具有可设计性,。比如, 通过变换不同颜色滤光片来实现测定不同色光的 传递函数；采用不同频 率的正弦光栅测定传递函数的频率范围；整体移动照明系统与狭缝测量轴上或轴外传递函数。
由仿真系统测得的是被测系统的理论传递函数值, 不存在实验装置误差和调整误差干扰。
利用虚拟现实的多媒体信息集成技术, 创设和展示有意义的情景, 提高求异和洞察能 力; 利用大容量存储技术, 提供多样化的资源; 利用图形交互界面技术, 建立良好的实验环境; 利用多媒体虚拟现实的信息组织结构的超链接技术, 建立符合人类联想方式的超文本信息组织结构; 利用智能仿真技术, 建立模拟实验环境, 进行实验科学探究; 利用网络 传输技术, 实现资源共享, 实现协商学习。
但虚拟物理实验不能支配现实物理实验, 更不能取代现实物理实验, 相反它要以现实物理实验为基础, 依赖现实物理实验。同时, 虚拟物理实验的正确性、有效性和合理性要依赖现实物理实验及社会实践来 检验。虚拟物理实验的最终目的不是为了虚拟而虚拟, 而是为了帮助学生更快速、更有 效、更准确地揭示物理现象的本质和规律, 提高学习效果, 其最终落脚点是现实物理实验。 虚拟物理实验和现实物理实验是相互促进和相互补充的, 现实物理实验始终是主要的和 决定性的, 虚拟物理实验始终是从属的和辅助性的。
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