基于Flash物理引擎的虚拟物理实验设计方法

摘要 ： Ｆａｈ２ 以 ｌ Ｄ物理引擎为例 ， 出将物理引擎 用于开发 虚拟物理 实验的方法 ， 以大学物理 实验 中 ｓ 提 并
的伽耳顿板实验为研究实例描述 Ａ Ｅ具体 的应用与开发过程． Ｐ 关键词 ： ｌ ｈ物理 引擎 ； Ｆａ ｓ 虚拟物理实验 ； Ｅ Ｆａｈ 伽耳顿板实验 ＡＰ ； ｌｓ ￣
Ｆａｈ对虚拟 物理 实验 的开发． ｌｓ
但 是若有 物理 引擎 的支持 ， 开发者 只需根 据实验 内容 构建虚 拟实验 场景 ， 然后 向虚拟 场景 中添加所 需 的实 验器具 ， 最后 设定实 验 的交 互 即可完成 虚拟实 验 的开发． 于虚 拟器具 的 内部处理 事件 及各 种 运 对
究、 刚体 动力 学等虚 拟物理 实验 ， 下面介 绍具 体 的开发 与设 计方 法．
２ 基 于物 理 引擎 开发 虚 拟 物 理 实验 的方 法
运用 物 理 引擎 开 发虚 拟 物理 实验 的过程 大 致可 以分 为实验 分 析 、 验场 景 的创 建 、 验器 具 的添 实 实
收 稿 日期 ：２ ０ 一ｌ —１ ０９ １ ８ 基 金项 目：河 南农 业 大 学 ２ ０ —０ ９年 创 新实 验 基 金 项 目（ ０ ０ １ ） 助 ０ ８２ ０ Ｃ ８ ８ ５资 作 者 简 介 ：赵 安 庆 （９ ３一 ， ， 士 ， 教 授 １ ５ ）男 硕 副
实 验 分 析
ｌ
构建虚拟 实验场景
ｌ
超 出了所选 择物 理引 擎 的支持 范 围 ， 定可 行性 ． 确
虚拟 物理 实验 的工具有 很多 ， ＶＲ 如 ＭＬ、 ｔ ｅ Ｑｕｃ Ｔｉ Ｒ、ａ ａ 和 Ｆａ ｈ等 ， 中 以 Ｆ ａｈ应 用 Ａｃｉ Ｘ、 ｉ ｍｅＶ Ｊ ｖ 、 ｌｓ ｖ ｋ 其 ｌｓ
最为 广泛 ， 形成 了许 多不错 的成果 ［］但这些 成果 中关 于物体运 动规 律 的测 量与 研究 的 一类 却很 少 ， 并 ２． 。 其 中一些虚 拟实验 甚至仅 是仿 真实验 与动 画之 间的简 单 演示 ． 析其 原 因 主要 有几 点 ：１关 于 物体 运 分 （） 动规 律 的测 量与研 究 ， 这类 实 验要求虚 拟实 验 的整 个空 间 必须 具有 矢 量力 场 （ 如重 力场 ） （ ） ；２ 这类 实 验 空 间中的各个 物体 问应拥 有相互 碰撞 的检测 和反馈 能力 ；３实 验 中的物体要 具有 弹性 ， （） 摩擦 力 ， 质量 等 物理 属性 ， 些属性 影 响整 个 物 理 过 程． 这 这样 就大 大 增 加 了 技术 难 度 和 代 码 复 杂 度 ， 限制 了单 独 使 用
文 章 编 号 ：０ ０ ３ ５２ １ ） ２ ０ ７ — ５ １ ０ —２ ７ （０ ０ ０ — １ ０ ０
基 于 Ｆａｈ物 理 引擎 的虚 拟 物 理 实验 设 计 方 法 ｌｓ
赵安庆 ， 王敏 杰 ， 强 强 ， 雪 阳 ， 瑞 生 刘 李 谢
（ 南农 业 大 学 理 学 院 ， 南 郑 州 ４ ０ Ｏ ） 河 河 ５ Ｏ ２
中图 分 类 号 ： Ｐ ９ Ｇ ４． ２ Ｔ ３， ６２４３ 文 献 标 志码 ： Ａ
虚拟 实验是 一种 以计算机 技术 为基础 ， 利用 虚拟现 实技术 和计算 机仿 真技术 实现 的新 型实 验手 段． 它不 仅可 以提供 实际 实验无法 提供 的实验 条件 ， 而且还 具Leabharlann Baidu 良好 的互动性 和 时空灵 活性口 ． ］可用 于开 发
第 ２ 期
赵安庆等 ： 基于 Ｆａｈ物理引擎 的虚拟物理实验设计 方法 ｌ ｓ
加 、 验交 互 的设 计 和实 验 的发布 ． 实 流程 如 图 １ 示 ． 所
（） 验分析 ． 据 实验 目的 、 习者 当前 的知 识水 平 以及 实 验 器 具 和步 骤 等 １实 依 学
因素设计 整 个虚 拟实 验 过 程 以及 要 达 到 的预 期 效 果 ； 析 该 实 验所 需 的技 术 是 否 分
第 ３ 卷第 ２ ２ 期 ２１ ０ ０年 ６ 月
湖北 大学 学 报 （ 自然科 学版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＨｕ ｅ ｉｅｓｔ （ ｔｒ ｌ ｃｅ ｃ） ｏ ｒ ａ ｂ ｉ ｏ Ｕｎｖ ｒｉ Ｎａｕ ａ ｉｎ ｅ ｙ Ｓ
Ｖｏ． ２ Ｎｏ ２ １３ ．
Ｊｎ ｕ ．，２ １ ００
算 皆交 给物理 引擎来 完成 ， 这样不 仅保证 了与 真实实验 相 同的虚 拟效果 ， 而且 为开放 式实 验及 探究 性 实 验 提供 了 良好 的平 台．
１ 物 理 引擎
物理 引擎是 对真 实过程 的物理建 模 ， 虚拟 物体赋 予真实 的物 理属性 ， 将 通过 充分交 互检 测 和模 拟计 算， 实现动 态仿 真模拟 物理世 界． 在游 戏软 件 的制作 中 ， 引擎 的工 作 流程 就 是对 渲 染场 景 的 每一 帧进 行 物 理模拟 ， 再对具 有物理 特性 的模拟 实体进 行状 态与 受力 分 析． 然后 进 行碰 撞 检测 ， 出运动 实体 间相 找 互 的约束信 息 ， 通过 牛顿力 学原理 计算 出每个 实体新 的位 移 和速 度 ， 而 更 新 实体 的方 位 ， 到新 的 并 从 得 虚拟 场景Ｉ ， ８ 现代 物理 引擎都 是用 于游戏 软件 的开发 ， 少见 应用 于虚拟 物理 实验． ］ 还 ＡＰ （ｃｉｎｓｒ ｔ ｈ ｓ ｓｅｇｎ） Ｅ ａｔ －ｃｉ ｙｉ ｎ ｉｅ是一个 简单 、 ｏ ｐｐ ｃ 有效 、 实用 的 Ｆａｈ２ ｌ Ｄ物 理 引擎 ， 只有 １ ｓ 它 ２个类 ， 可快速 入 门 ， 有很大 的普及 潜力 ． ＡＰ 用 Ｅ可构建矢 量力 场 ， 可设置 物体 的质量 、 并 弹性 、 摩擦 力 以及 添 加 铰链 、 弹性约束 等 ， 已广泛用 于 游戏 软 件 开发 ． 我们 将 它应 用 于 开 发碰 撞 类 、 体运 动 规 律 的测 量 与研 物