基于VRML及JavaScript的晶体空间旋转对称性演示程序设计

张振鹏，刘　军，徐　朋，王　静，部德才，栾玉东，杜永建，吴　迪

(大连大学，辽宁 大连　116622)



*通讯联系人

基于VRML及JavaScript的晶体空间旋转对称性演示程序设计

张振鹏，刘军，徐朋，王静，部德才，栾玉东，杜永建，吴迪*

(大连大学，辽宁 大连116622)

摘 要：虚拟现实技术是近些年高速发展的一种新技术，它利用计算机软件构造出一个三维空间的虚拟世界。其中VRML(即虚拟现实建模语言)更是发展迅速，VRML是一种用于建立真实世界场景的模型或人们虚拟的三维世界场景的建模语言，利用计算机虚拟现实技术辅助教学日益发展。本文结合VRML及JavaScript技术，研究了晶体空间点阵旋转对称性的虚拟建模方法，给出了便于操作的具有复杂交互功能的程序软件，VRML技术在教育、教学领域具有广阔的应用前景。

关键词：VRML；JavaScript；晶体；旋转对称性

在网络中，人们接触到的各种网页都是以HTML为核心建立的第一代万维网，这些网站多是提供二维的静态信息，也有利用FLASH制作动态网页的,但也是二维的。随着网络技术的发展，这种网页已经不能满足人们的需求,一种新的方式--虚拟现实技术发展起来[1]。虚拟现实(简称VR)是近几年高速发展的一项新的科学，涉及到计算机图形学、人机交互技术、传感技术及人工智能等。可以利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉及嗅觉等效果。通常VR有两层含义：第一，可以通过计算机和网络来构造人类感官能感知的视觉、听觉、触觉等效果；其次，操作者可以通过若干三维器件和感测设备与虚拟三维环境进行互动[2-5]。近年来，VR已逐步从实验室研究转移到实际生活中，在军工、建筑、旅游、医疗、文化娱乐以及教育等很多领域开始得到应用。虚拟现实技术应用于教学中对教育事业能起到很大的帮助，如虚拟校园可以通过计算机和网络了解整个校园内建筑分局，院系的分布，可以使人们身临其境地感受到校园的氛围；虚拟实验室则可以给学生展示许多不能自己亲自做的实验，给他们提供一个逼真的学习、实验环境；虚拟远程教育通过高度的沉浸感和交互性等逼真的学习环境，使学生更好的获得远程优质教育[6，7]。

物理教学中，很多时候由于学生们无法直观的观察到一些抽象的事物，导致学生只能跟着教师的思路进行学习，不能激发学习兴趣，会导致学生思维固化。但是在计算机和网络高速发展的今天，学生可以通过计算机和网络来生成较为真实的三维环境，并能深入其中，真正的了解、掌握所学知识。开发三维的教育教学软件因其具有的沉浸感、交互性、想象力特性，显得越来越重要，大有取代二维课件之势。目前现有的三维模型结构因其开发工具及生成图象文件较大等原因，很难在互联网上推广使用，VRML开发的虚拟系统则克服了这些缺点。虚拟现实发展前景特别诱人，尤其是与网络的结合，能营造出自主学习的环境,是人们所梦寐以求的。

1晶体旋转对称性及三维程序开发

虚拟现实已经在多个领域开始应用，其中比较成功的是在教育领域中，通过虚拟现实技术和计算机网络的结合，构造出满足需求的各种各样的实验室，并且可以实现学生与实验系统的交互。在许多贫困地区，学校无法负担实验仪器昂贵的价格和机器磨损折旧等费用，这时虚拟现实技术就可以很好的解决这些问题；很多物理实验会因为操作不当而产生危险，利用虚拟现实技术则可以避免这些危险。很多学者对基于VRML的晶体三维建模进行过研究[8，9]，但缺乏交互性。本文在此基础上对晶体旋转对称性程序的开发进行研究，给出虚拟现实技术在晶体教学中的复杂交互应用实例，这种交互仅由VRML本身不能实现，需要结合JavaScript语言联合编程[10-11]。

1.1晶体三维结构建模

下面是用VRML软件建立的一个等轴晶系简立方模型,用VRML软件保存并运行会出现图1所示结果。

1.2旋转对称性程序设计

晶体旋转n度后点阵重合，称晶体有360/n重旋转对称性。省略掉其中的简单模型语句，留下主要节点语句：

DEF table Script {

url "vrmlscript:

function initialize() //初始化参数

{

a=2；//晶格常数

translation_changed1[0]=-0.5*a；//节点位置

translation_changed1[1]=0.5*a;

translation_changed1[2]=0.5*a;

translation_changed2[0]=a;

translation_changed2[1]=0;

translation_changed2[2]=0;

...

translation_changed8[0]=0;

translation_changed8[1]=-a;

translation_changed8[2]=-a;

}"

eventOut SFVec3f translation_changed1 //变量设置

eventOut SFVec3f translation_changed2

...

eventOut SFVec3f translation_changed8

}

ROUTE table.translation_changed1 TO ball(1).translation //路由

ROUTE table.translation_changed2 TO ball(2).translation

...

ROUTE table.translation_changed8 TO ball0(8).translation

ROUTE cys.rotation_changedTO tot.rotation //旋转效果

除了晶体节点外，为了知道旋转的角度，设计了刻度盘和指针。当鼠标移动到结点上时变成手状图形，按住鼠标左键拖动晶格，蓝色结点会随之一起旋转，同时为了研究晶格结构的对称性，设计的程序系统会在蓝色结点移开时在原处产生红色的结点(实际上节点移走后该处应为空，为掩饰重合效果设计此虚拟节点)，蓝色结点转动，而红色结点留在原处不动，如图2所示，旋转角度由图中指针示出。

当晶体点阵转动某一角度比如90度时(可以根据指针在刻度盘上的指示位置读出旋转角度大小)，转动的蓝色结点将红色结点完全覆盖，即出现重合现象，如图3所示，我们说晶格具有2π/(π/2)=4重旋转对称轴。

当晶体点阵转动180度时会再次出现重合现象，说明立方点阵还具有2π/(π)=2重旋转对称轴。

同样的方法设计出另外六大晶系的旋转对称性，比如四方晶系的4重旋转对称性；单斜晶系的2重旋转对称性；三斜晶系的1重旋转对称性；三方晶系的3重旋转对称性；六方晶系的6重旋转对称性以及斜方晶系的2重旋转对称性等。

图4-6展示了六方晶系的6重及3重旋转对称性。

2结论

虚拟现实技术演示晶体的对称性生动形象，甚至超越了真实实验(比如节点原子移动后留下空位,其他原子移到此处重合的演示是真实实验不能做到的),能够实现复杂的交互操作。随着计算机技术的不断发展和网络时代的全面来临，虚拟现实技术必将促进教育领域的发展，反过又会促使虚拟现实技术更快的进步。

当今社会是一个信息化的时代，需要通过三维交互的模式来增加信息的交流，计算机VRML虚拟现实技术的特性必将给教育、教学的发展带来巨大的推进作用。

参考文献：

[1]孟国军，钟家骐．第二代 Web语言—VRML的发展及其应用[J]．中国测试技术，2003(3)：54-55.

[2]郭天太．虚拟现实技术在高等教育中的应用及其意义[J]．宁波大学学报:教育科学版，2006，28(1)：103-106.

[3]邹珺．使用VRML构建虚拟境界的技术研究[J]．软件工程师，2015，18(3)：:22-23.

[4]吴北新．虚拟现实建模语言VRML[M]．北京：高等教育出版社，2004:7.

[5]陆昌辉．VRML入门与提高[M]．北京：北京大学出版社，2003：201-202.

[6]孙宏彬，王业明．VRML Java远程虚拟教学平台的研究与实现[J]．现代远程教育研究，2003(2)：54 - 56.

[7]杨秀云．谈VR技术及其在高等教育领域的应用[J]．长春师范大学学报：自然科学版，2014，33(2)：147-148.

[8]董少春，徐士进，赵连泽．V R M L 技术在基础结晶学教学中的应用[J]．中国地质教育，2003，48：46-49.

[9]李国武．虚拟现实技术(VRML)在晶体结构教学及结构分析中的应用[J]．计算机与现代化，2003，95(7)：45-48.

[10] 向景婷.不同温度下液晶5CB的磁矩研究[J].大学物理实验，2015，28(5)：73-75.

[11] 孙心瑗，余晓光，蒋达国，等.X射线激发发射光谱仪的设计及实现[J].大学物理实验，2015，28(5)：91-93.

Design of the Demonstration Program about Crystal Rotational Symmetry in Space Based on VRML and JavaScript

ZHAGN Zhen-peng,LIU Jun,XU Peng,WANG Jing,BU De-cai,LUAN Yu-dong,DU Yong-jian,WU Di

(Dalian University,Liaoning Dalian 116622)

Key words：VRML；VRML；JavaScript；crystal；rotational symmetry

Abstract：Virtual reality is a new technology developed in recent years；it uses computer software to construct a three-dimensional virtual world.Computer assisted teaching technology by virtual reality is growing,and VRML (Virtual Reality Modeling Language) is developing rapidly.VRML is a modeling language used in construction real-world scenario model or virtual three-dimensional scene of the world.It briefly describes the modeling methods of VRML in showing rotational symmetry of crystal space lattice combining VRML and JavaScript technology，and an easy operated program software with complex interactive function is developed.VRML technology has broad application prospects in the field of education and teaching.

收稿日期：2016-01-16

基金项目：大连大学教学改革重点项目( E421)

文章编号：1007-2934(2016)03-0103-04

中图分类号：O 4-39

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.027