计算机硬件虚拟现实教学系统的设计与实现

庾海涛

（晋中职业技术学院，山西　晋中　030600）

计算机硬件虚拟现实教学系统的设计与实现

庾海涛

（晋中职业技术学院，山西晋中030600）

摘要：计算机硬件在电子信息业、计算机技术业和信息技术教学中一直是行业的基础和关注的重点。理想的虚拟现实系统可以使用全景实时图像，通过选择全方位、放大、缩小或者旋转等不同模式观看硬件模型的整体、局部和细节。使用3DS MAX软件建立了电子板卡模型并导入到虚拟现实的程序中，还通过DirectX接口在虚拟现实程序中应用，实现了在虚拟现实系统中重建各种所需硬件模型的目的。因为目前厂家林立、型号繁杂导致板卡功能多样，所以没有一个企业可以收集所有的板卡实物。另外，改进的虚拟现实系统创设情境、可以给用户包括企业员工和学生提供实践的平台，从而帮助他们以最低的成本详尽地了解和熟悉计算机硬件的组成、功能和作用。

关键词：虚拟现实技术；VB；DirectX；多媒体

0　引言

中国超级计算机天河一号采用CPU与GPU相结合的异构融合计算体系结构。GPU是显卡大脑，可进行3D图形计算、浮点计算及并行计算。在Windows系统中对GPU功能调用主要依靠DirectX，是实现虚拟现实的重要手段。计算机硬件虚拟现实系统用3DS MAX建模，以VB和DirectX SDK实现虚拟现实技术。这项技术能为普及计算机硬件基础知识，为用户提供虚拟实践机会，使用户有更加直观的感受。它为用户对了解和熟悉计算机硬件的功能和作用提供快速与低成本的平台。

本研究的目的是通过建立基于虚拟现实技术VB+DirectX SDK制作系统，实现基于虚拟现实技术的硬件技术系统发展的长远目标［1］，为电子信息业、计算机业以及教学提供更便捷的服务。

1　虚拟现实系统分析

1.1需求分析

目前在计算机硬件学习中，多媒体课件以PPT（幻灯片）为主。但目前对于PPT的部分特性还不是很了解，比如PPT的不当使用与2003年的哥伦比亚号航天飞机失事有一定关系。原因是一些至关重要的技术问题在PPT的提纲下被掩饰，缺少完整详细的技术文件或整体方案，最终导致灾难。PPT的功能是有限的，想要得到更清晰或其他角度的完整视图是无法实现的。任何人学习计算机硬件技术如果只使用PPT，就是盲人摸象。而虚拟现实技术的引入，则可以很好地补全这个漏洞，使PPT与虚拟现实技术在演示中各取所长，也是两种现代教育技术的完美整合。

目前我国高等教育事业由专才教育向通才教育转变。虚拟现实技术为高等教育胜任“T字”型课程体系提供了实用的教学技术，也为电子信息方面的企业提供了新的工具。在节约大量成本的同时，计算机硬件仿真系统的反复使用，并没有硬件的折旧和损坏，任何高档硬件都可以做出高仿真模型，使得用户见识能更广泛与深入。

1.2系统功能需求分析

为符合企业和学校教学要求，系统必需提供以下功能：登录平台、教学资讯、教学、管理和退出。

1）登录平台功能：为用户提供MDI登录界面。提供导航按钮用于导航硬件信息。

2）文件：为系统提供文件操作功能。

3）教学资讯模块：熟悉硬件的参数和性价比。为用户提供虚拟现实技术展示、放大、缩小、还原、任意角度观察、打印和退出功能。

4）教学功能模块：熟悉硬件的发展历史和各部分的物理结构。为教学提供虚拟现实技术展示、放大、缩小、还原、任意角度观察、打印和退出功能。

5）管理功能：管理各种硬件模型和信息。为模型提供管理，如模型的导入、分类以及删除，为模型介绍制作文本。

6）帮助功能：为用户提供帮助。

1.3系统性能需求分析

软件系统为电子信息、计算机业与大学相关专业提供计算机硬件相关的虚拟现实系统（见图1），设计功能主要是管理、播放和运行虚拟现实模型，在制作模型和DirectX相关的问题上比较复杂。

图1　系统整体用例图Fig.1 Case diagram of the whole system

多功能管理需求：界面友好，各种功能在界面上都有导航按钮，满足系统需要。

课件管理需求：这个功能是最重要的，从指定目录导出模型并控制模型。

更新软件库需求：软件库是一个目录，里面用目录管理。不同的硬件用不同的目录，三级目录即可基本满足要求。

该系统的构造主要由两大部分组成：第一，虚拟场景的构造，包括了场景数据库的构建、模型的建立以及整个场景模型的合理优化［2］。第二，能够达成交互效果的虚拟设计，其效果主要是实现场景的三维显示，在过程中能够实现放大、缩小、不同角度观测交互控制等特效。

在该阶段的首要任务是采集所需要的数据信息和图片信息，以此作为制作三维模型的资料，在三维软件中对建模工作进行拆分，分为平台制作，硬件建模。在建模型工作完成以后，需要对场景模型进行整合，在这之前需要统一数据单位，并整体调整颜色以保证最终效果的统一性和完整性。然后根据实物完善模型，对程序进行优化，同时在虚拟摄像机特写上可能还要增加相应的细节，材质贴图、灯光、摄影机等要可以动态调整，可为硬件的表现达到理想效果。

1.4技术可行性分析

为解决教育走向大众化、教育公平、通识教育等现代教育问题，在硬件技术学习中引入虚拟现实技术是有效的。特别是在VB中使用DirectX SDK技术提供的各种内置服务［3］，与Windows协同工作是行之有效的。VB+DirectX SDK及3DS MAX VB和DirectX SDK都是微软公司的软件产品，3DS MAX用于建模十分快捷。DirectX SDK适合多媒体、娱乐、即时3D动画等广泛和实用的3D图形计算。VB之所以被广泛使用，是因为易于让编程人员掌握。VB的组件内有被系统默认赋值的一组属性和方法，只要编写所需要的一些代码即可。DirectX SDK对硬件有良好的兼容性和编程方式在业界广泛使用，现在的显卡和新一代的显卡都支持DirectX的三维图形加速功能。

2　虚拟现实教学系统的设计

2.1基于虚拟现实技术的教学系统功能设计

在VB中使用DirectX SDK技术提供的各种内置服务［4］，与Windows协同工作。DirectX具有操作系统的低级硬件接口，为不使用GDI或操作系统的API的图形图像程序提供服务。

DirectX与Windows紧密联系，并依赖于Windows操作系统。

虚拟现实系统结构的每一部分都十分简单，只要按照要求操作就可以完成演示。本研究将其分为3个阶段。

1）初始化系统：负责初始化在界面被显示之前，必须要加载一些驻留内存的常量、变量以及一些初始化的默认值，让程序清楚地了解计算机的显示配置内容，如显卡的参数、当前系统DirectX的信息等。

2）MDI和应用界面加载：初始化后MDI界面被加载，根据需求点相应的菜单栏选项，运行相应的窗体，也就是功能模块。

3）在功能模块里可以完成的操作：定位、旋转、放大、缩小和打印等要求。

2.2虚拟现实技术中的2D体系结构设计

2D体系结构是虚拟现实技术的基础部分，如基本的2D贴图会在3D贴图中得到扩展使用（见图2），主要包括：基本2D贴图、文本显示处理、图形的镜面反射与旋转、2D图形背面剔除处理。在虚拟现实系统中，所有几何体的贴图都是以2D中研究的三角形面作为基础，给硬件加上贴图是达到真实效果的一个重要环节（见图3）。光影技术是真实性最有意义的核心与根本，通过其产生生动的仿真效果。文本显示处理，可以在动画中即时显示硬件说明和其他要用语言文字完成的工作。图形的镜面反射与旋转的作用，可以使硬件在表面、在光照下有反射效果，在操作时常常需要按3个轴向进行旋转，来观察效果。

2.3虚拟现实技术中的3D体系结构设计

3D体系结构主要是指三维空间中的多种3D模型，这些对象都有相对空间（0，0，0）点的纵向坐标、横向坐标以及深度坐标。硬件在空间中存在，有相对坐标轴心的位置。

图2　内存贴图Fig.2 Memory mapping

图3　显卡、主板、内存条配置的材质球Fig .3 The material ball of graphics card，mainboard and memory bank

3　虚拟现实教学系统的实现及应用

虚拟现实教学系统由“教学资讯”、“管理功能”、“教学功能”模块组成。使用微软出品的DirectX SDK For VB作为开发工具［5］、3DS MAX建模。为适应复杂多样的的情况，帮助用户解决问题，节约后期维护成本，所运行的硬件和软件环境要求低，可视化的界面使得老少皆宜。能够利用Windows资源自身的OLE技术把很多对象组合在一起，用于应用程序，可以操作文字、声音、图片、图像和影视等资源。系统组成见图4。

图4　登录MDI界面Fig.4 Interface for MDI login

3.1“教学资讯”模块

教学资讯功能是熟悉硬件的参数和性价比。教学中有许多硬件的资讯需要用户了解，这样有利于融入到真实情景中，更好地了解大量的硬件技术参数和性价比。通过教学资讯来发掘自身内在潜力，有利于自主学习。要让用户学会利用资讯去选择需要的部件，对于大量的硬件信息进行分析对比。

正确地使用硬件的教学资讯是很重要的，硬件资讯分为以下几个部分。

3.1.1最新硬件信息提供了广泛的最新电脑硬件的信息，这部分知识可以用来了解目前计算机硬件技术的新趋势，分析电脑配置的技术发展方向。最新硬件内容主要是家用机的配置、商用机的配置、局域网计算机的配置。适合用户对电脑硬件性能的熟悉和对硬件技术指标的整体把握。可以分为以下几部分：①CPU最新资讯，包括新型CPU模型及其参数；②主板最新资讯，包括新型主板模型及其参数；③内存最新资讯，包括新型内存模型及其参数；④显卡最新资讯，包括新型显卡模型及其参数。

3.1.2最热门硬件信息这个栏目提供了目前使用最多的硬件配置信息。主要是根据计算机用途以及物廉价美的目的配置的。主要包括以下几个方面：①图形设计计算机的配置；②家用多媒体计算机的配置；③商务办公、专业应用和图形设计的配置。

3.1.3硬件评论提供了硬件说明、与同类产品的比较、硬件鉴赏等功能。

1）硬件说明是对某款流行的硬件的指标进行详细说明，其优点和缺点的介绍。本文以一款华硕主板为例进行介绍。

2）同类产品的比较见表1。

表1　同类产品比较Tab.1 Comparison of the like products

3）硬件鉴赏。计算机硬件是科学技术高度密集的产品。在机箱的包裹下，主板（如图5）、CPU等主要设备不为人所见；打开机箱后，内部犹如现代化城市一样，在主板平台上一个个部件拔地而起，显卡灯的照耀下熠熠生辉。

图5　主板局部图Fig.5 Mainboard local drawing

3.2“教学功能”模块

教学功能模块里主要熟悉硬件的发展历史和各部分的物理结构，可以了解计算机技术的发展，从电子管到现在的超大规模集成电路技术。根据资料要可以做出这些计算机及其配件、板子的模型。

模型库主要有CPU模型、主板模型、内存模型、显卡模型。

1）CPU模型：根据材料对CPU建立模型，导入到库中，进行编制和文档解说，这样的展示可以深入了解CPU的内部组成结构和工作方式，对了解PC机的工作原理有很强的实用价值。

2）主板模型：根据材料对主板建立模型，导入到库中，进行编制和文档解说，这样的展示可以深入了解主板的组成结构。这里可以看到早期的AT与Baby-AT旧主板和外国品牌机上的LPX、NLX、Flex ATX主板，这些主板就算是专业人员也很少能见到。库中最多的是国内普遍使用的ATX结构的主板，而未来Intel将使用BTX主板。

3）内存条模型：根据材料对内存条建立模型，导入到库中，进行编制和文档解说，这样的展示可以深入了解内存的组成结构。在系统内可以观察和研究早期的SIMM内存、SDRAM内存、DDR、DDR2；目前是DDR3的天下，但DDR4已经出现，这是内存条发展的趋势。通过观察虚拟现实技术制作的模型可以很直观地了解时代的特点和各个部分的作用。

4）显卡模型：根据材料对显卡建立模型，导入到库中，进行编制和文档解说，这样的展示可以深入了解显卡的组成结构。早期的NVIDIA和现在的ATI与NVIDIA。在主板上的插槽随时代改变而改变，早期的PCI被AGP接口替代。AGP接口沿用了将近8年，它是一种显卡与内存的连接口。AGP之后是PCI-E接口，目前独立显卡基本采用这种技术。

3.3“管理功能”模块

用于管理各种硬件模型和信息。3DS MAX制作的图形中包含了模型、材质贴图、灯光以及一些脚本。如果没有管理功能，在使用时会出现与模型无法完美结合。管理功能可以为模型提供贴图、灯光等的路径，帮助管理常用素材，科学地分类管理CPU模型库、主板模型库、内存模型库、显卡模型库。在界面里为模型提供图示、模型文件、MAX版本、贴图文件、模型分类、模型名称和模型描述。

4　结语

计算机硬件虚拟现实教学系统使用3DS MAX软件建立的电子板卡模型并导入到虚拟现实的程序中，还通过DirectX接口在虚拟现实程序中的应用，实现了在虚拟现实系统中重建各种所需的硬件模型。在计算机硬件选择、了解、分析方面起着模型库作用，为计算机硬件在电子信息业、计算机技术业和信息技术教学科研服务，提供了计算机硬件组成结构的虚拟现实软件系统。电子工程师可以从中找到各种电子板卡，用于查看电子线路、原件组成和板卡结构形状等，解决了收集各种计算机硬件的资金不足和品种不全的问题以及观察硬件板卡局部、整体和细节的要求。该虚拟现实教学系统还为了解各种板卡的组成和结构以及电子元件提供宝贵的信息库，也为挖掘计算机硬件技术提供了无穷的潜力。另外，改进的虚拟现实系统创设情境、可以给用户包括企业员工和学生提供实践的平台，从而帮助他们以最低的成本、详尽地了解和熟悉广泛的计算机硬件的组成、功能和作用。

参考文献（References）

［1］陈怀友.虚拟现实技术［M］.北京：清华大学出版社，2012.

［2］赵峰臣.仿真训练系统基于DirectPlay的RTI设计与实现［J］.科学之友（中旬），2008，6（22）：2-15.

［3］魏红.虚拟现实制作与开发［M］.北京：清华大学出版社，2012：90-150.

［4］刘淑芬.虚拟现实技术的应用与研究［J］.机械研究与应用，2009（3）：100-105.

［5］张镭.基于虚拟现实技术的控制理论课程教学方法研究［J］.新乡学院学报，2013，30（2）：155-157.

（责任编辑：范建凤）

Design and Realization of Virtual Reality System of Computer Hardware Teaching

YU Haitao
（Jinzhong Vocational College of Technology，Jinzhong 030600，Shanxi，China）

Abstract：Computer hardware is the basic and keynotes in teaching of computer science including electronic and information engineering，computer technology and information technology.With the ideal virtual reality system it can observe hardware model as a whole，or in part or in detail by employing real time panorama picture，zooming in and out or rotating the model.In this report，3DS MAX is utilized to establish electronic plank card which is then introduced into the virtual reality program；moreover，the DirectX interface is applied to the virtual reality program as well.In the improved virtual reality system，all types of hardware model could be re-built.Because of the diversities of plank card functions，and numerous types of plank card produced by many manufacturers，it is impossible for any business enterprise to obtain all types of plank cards.In addition，the improved virtual reality system can establish a situational scenario，which provides a platform for the customers including both technologists and students to understand and familiarize them with the hardware in terms of configurations，functions and applications at low cost.

Keywords：virtual reality technology；VB；DirectX；multimedia

作者简介：庾海涛（1974—），男，助教，硕士，研究方向：虚拟现实技术及其应用。

收稿日期：2015 - 03 - 23

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.03.017

中图分类号：TP391.98

文献标志码：A

文章编号：1673-0143（2015）03-0283-06