虚拟实验论文精选(九篇)

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第1篇：虚拟实验论文范文

论文摘要:用网络视频新品,订单唾手可得。复杂技术被网民轻松演绎,再次引发传播潮。无限网络也能派上用场。如今的虚拟世界,其传播功力足以剑造奇迹。

成立于27年前的微软硬件部门,也正是微软的娱乐及设备事业部发明了世界第一款光电鼠标。在电脑周边设备的24项科技发明创造中,有18项出白微软。很难想象,小小的鼠标,其技术含量之高,在某种意义上可与巡航导弹的制导系统相比。然而,与所有电脑周边设备一样,鼠标的生命周期只有24个月。因此,如何在短期内启动市场,缩短市周期并迅速拉高销售曲线,是这个领域每年都要做好的必修课。

蓝影鼠标是微软在2009财政年度推出的新一代品。其特点是,采用高角度光电成像技术,冈而彻底摆脱了鼠标垫的束缚,从此,鼠标可以在大理石、地毯等任意表面运用自如。很快,市场推广就拉开帷幕。网络视频新品2008年9月17日,蓝影在中同市场亮相。

与以往的方法不同,这次新品会以视频分享方式进行。作为此活动的策划者执行者,微软(中国)娱乐及设备事业部市场总监蒋东说,2006年的新品会,是在微软(中同)技术中心的实验室中举行的。当时,现场布置成机场、卧室、办公室等产品应用环境,并着力营造身临其境的效果。2007财年的会选在北京世贸天阶,有200多人席了会,场面非常壮观。“我们希望2009财年的新品会有更大的影响力和更高的效率。对此,视频分享网站非常适合。”

做法在酷6网为会开设的专区内,在陆续载的视频中,有微软亚太区负责人坐在咖啡吧里和观众聊新款鼠标;有蓝影技术发明人详细讲解鼠标的由来和蓝影的技术特点;电脑游戏高手和工产品设技师也来此谈论对新品的评价等。通过这些视频短片,人们可以多层次、多角度地了解新产品的功能和技术特。

借助视频分享方式的广泛参与特性,有超过20万个独立IP地址访问过会专题,这是传统活动无法比拟的。“以往举办会,只能邀请当地的媒体、经销商到现场,有几百人已经算大规模了。这次的视频分享至少有20万人直接参与,在推广费用不增加的情况下,传播效力翻了1000倍。”蒋卫东说。收获除此之外,还有真金白银的收获。“会结束后约1个小时,我们就收到3000千多份订单。而实际上,新产品要3个月后才能到货,这次只是信息。”蒋卫东说,“这说明,经销商的决策周期缩短了,消费者的购买行为提前了,该说,这是此次活动的最大成功。”据统计,此次新品会的浏览量,在酷6网当天排名高于残奥会闭幕式和中秋晚会仅次于奥运会篮球决赛。

巧用互联网

自主传播在线会后,将营销人群从专业转向大众,让消费者自创传播广告。

2008年9月至12月,“微软蓝影无处不在——视频创意征集大赛”在酷6网开赛。对于此次大赛,蒋卫东的想法是:“蓝影采用的是一种复杂的光学追踪技术,对此,网友们从自己的角度去理解,并在视频中用消费者自己的语言加以诠释,加网络自主传播力量就更大了。”

大赛总共收到577品,总浏览量超过1300万次。可以说,这次大赛完全是基于网友自发性,通过制作、上传、分享,一个新产品及其所附带的技术知识,得到了广泛的传播。“我们发现,消费者在这里可以自愿地接受‘说服’,同时也在互相影响,这比传统广告有更大的渗透力。‘你可以想象,如果消费者到零售店里,在购买产品之前,听了一个相声就已经了解了产品,那是多愉快的事情。”蒋卫东说。经统计,大约900万人次浏览过大赛页面,超过1300万人次观看了参赛作品。蒋卫东说:“如果转成常规的做法,要花多少钱才能引起900万人的关注?更不用说即使看了广告,参与的程度也不相同。”经过两轮传播活动后,购买曲线迅速上升。不少人在使用蓝影鼠标后,还把自己的评价放到网上,无形中又出现了一次口碑传播,这又是促成购买不可小觑的机会。

无线营销Arc鼠标,是与蓝影同时的另一款新品。对这世界上第一款可折叠鼠标的上市,微软运用了无线路径。“我们在移动梦网上产品广告,同时做了一个购买链接。”蒋卫东拿出自己的手机,屏幕上的移动梦网主页上,能看到Arc鼠标的文字广告。具有突破性的是它的销售模式。消费者可通过手机直接向当当网发送订单,并在第二天接到确认电话,第三天就能收到货。由此可见,整个销售链条果真已经变短。

虚拟或成趋势

第2篇：虚拟实验论文范文

1.1虚拟实验提高教学效益高效课堂的教学效益在于让学生在一节课内知识的掌握、方法的运用、能力的培养效益最大化。虚拟实验的引入目的在于在有限的时间内，发挥学生学习能力，获得尽可能多的知识。虚拟实验教学包括以下步骤：①实验预习：实验内容、实验方法和实验原理及预习评价习题；②虚拟实验教学：操作实验原理的过程、注意事项、实验数据分析等方面的教学；③实验评价：对实验预习、实验操作过程、实验数据分析的评价体系。在教学过程中，课前学生根据学案预习新知，做好学习准备，发挥学生的学习主动性。课内教师适宜设置精讲内容，充分调动学生积极性、主动参与性，组织学生分组学习，通过个体观察发现、动手演练，组员团体总结理论，探讨知识，教师启发引导、讲练结合展开教学活动，发挥学生在教学中的主体作用。实验结束后，要对学生的实验结果进行系统评价，评价内容包括对课前的预习、课上的实验过程及实验结果，使学生在激励、鼓舞和自主中学习，掌握知识和技能。仍以放大模块学习为例，整个模块的学纲要求16课时，实际教学课时为12课时，通过将基本放大电路和分压偏置放大电路验证性实验引入虚拟实验，合理将课时压缩，并成功完成教学任务，达到预期教学效果。整个课堂教学充分体现：（1）教学过程学生主动参与：学生通过教师的启发诱导和对实验现象的观察分析，对学习内容进行研究探讨，充分体现了“以学生为主体，教师为主导”的教学原则。（2）教学过程中三维目标有机融合：学生在学习过程中体验了科学研究的严谨，在合作获得知识和技能，在课堂任务的驱动下增强责任心，同时享受了学习成功的快乐。（3）教学过程多形式巩固学生学习成果：教学中及时跟进、监测、反馈、消解，以多种方式帮助学生理解学习内容，使三维教学目标的达成度更高。

1.2虚拟实验关注学生全面和谐发展通过引入仿真实验，学生消除了畏惧心理，大胆的进行各种实验模型的测试，开拓了视野，从而学生学习更加主动，学生由被动的知识容器和知识受体转变为知识的主宰、学习的主体。学生在模拟的世界中得到分析问题、解决问题的能力，在疑问中掌握并巩固所学的知识，记住重要的概念和定律应用，从而达到举一反三的效果。课堂上师生共同交流合作，和谐互动，在轻松愉悦的氛围中进行教学活动，在有效激发学生学习兴趣，提高学习效率的同时，培养了主动探索、自主创新的能力和团结合作的精神。理实一体化教学模式旨在使理论教学与实践教学交互进行，融为一体，让学生在“学中做、做中学”，在学练中理解理论知识、掌握技能。虚拟实验教学的引入，恰是帮助了学生更好得在学中做、更好的在做中学，虚拟实验的无危险性、易操作性大大激发学生学习的热忱，虚拟实验的逼真环境增强学生的学习兴趣，学生边学边练边积极总结，培养了学生的学习能力，达到事半功倍的教学效果。

2通过引入虚拟实验，拓展实验教学的时空性

通过引入虚拟实验教学，打破传统实验教学的局限，优化了教学资源，拓展了实验教学的时空性，为学生提供了一个开放性的实验平台，使学生快速、便捷地获取各种所需的知识和技能。

2.1虚拟实验拓宽了实验室的空间虚拟实验以计算机仿真技术为核心，融合了现代教育技术教学手段，具有建设速度快、成本低、易于管理的特点。传统的实验教学常常由于资金不足导致实验设备紧缺且落伍，学生招收人数多引起设备数量、实验场地的不足等等，这些因素都限制实验室的发展。虚拟实验作为现有实验室功能的一个重要补充，它以自身独有的计算机仿真技术优势，以及虚拟实验室中实验仪器可复原、无限次使用的特点，大大降低了实验成本，一定程度上弥补了真实实验场地、设备数量的限制和资金的不足，拓宽了实验室的建设空间，为学生提供一个身临其境的实验环境的同时，优化了实验教学资源。

2.2虚拟实验拓宽了实验学习的时间在实际教学中课程实际教学学时常常少于大纲分配学时，从而导致学习内容多而学生学习时间的不充裕的情况，其次由于学校课堂时间和实验室的使用有限性，学生往往无法将实验现象全部理解。基于虚拟实验室的资源共享性的优势，学生可以安装在自家电脑上模拟，根据自身的实际情况课余可以回家自行研究探索知识。虚拟实验室使得学习打破了学习时间的限制，学习空间也得到了延伸，学生在学习中起到主导地位，掌握了学习的主动权。

第3篇：虚拟实验论文范文

1.1用于实验的计算机设备比较落后，零配件维修困难，实验难于开展

因为电脑更新速度快，学院拆装实验室现有设备均为早期其他机房淘汰下来的落后设备，在实验过程中一旦损坏很难在电脑配件市场上找到相同型号的配件。有些实验如CMOS设置、硬盘分区、操作系统安装、驱动程序安装、注册表修改等对于系统的稳定运行影响较大，破旧机型的相关设置比较复杂，学生在实验过程中很难找到合适的方法、驱动程序等，因操作不当轻则会损坏硬盘数据，重则导致不能正常开机，严重影响了正常的教学秩序。另外，由于光驱老化、光盘划伤严重导致实验中断，还容易挫伤学生的实验积极性。因为机器运行缓慢，无法在规定的时间内完成实验，降低了教学的质量和效率。

1.2实验效果不好，计算机难以管理

部分实验如操作系统的安装、注册表的修改、系统配置文件以及管理策略的修改等需要重启计算机，而安装了还原卡或还原软件的计算机是不能达到实验目的的。如果教师自己带笔记本电脑上课，就会在每次实验完成后影响到下一次开机使用，扰乱了正常的工作、学习。

1.3教师演示困难，学生观察吃力

一部分实验课的操作过程无法通过投影仪播放或使用凌波等电子教室软件进行屏幕广播来教学，不具备多媒体示范功能。比如CMOSE设置、硬盘分区、格式化、安装操作系统等试验，教师往往通过现场操作、讲解，学生通过围观来学习，对于大班上课，授课效果比较差，学生得不到有效的实操训练。

1.4虚拟机在教学中的应用

虚拟机是通过软件将计算机硬盘和内存的一部分虚拟成具有独立的CPU、硬盘、内存、声卡、显卡、网卡等功能的计算机的一种辅助技术。目前常用的有VirtualPC和VMware等虚拟机软件，前者安装快捷、操作简单、占用空间少，后者专业化程度高、对多种操作系统平台提供完美的支持、但操作起来相对复杂、占用空间较多，业内较为推崇，可以说这两种虚拟机平台技术各有千秋。在我院的计算机教学中，我们先后引入了这两种虚拟机平台进行教学，收到了独特的效果。在《计算机组装与维护》课程中很多实验都可以使用虚拟技术来实现，例如：

1.5硬盘的分区与格式化

新购置的硬盘必须进行分区和格式化后才能正常使用，这是《计算机组装与维护》课程的重要知识点。在虚拟机技术平台中，分区和格式化更加直观、真实。由于VMware对虚拟CD-ROM的支持，学生可以通过虚拟CD-ROM进入DOS系统，使用fdisk命令、format命令、PQMagic、DM等软件反复练习该部分实验，效果较好。

1.6操作系统的安装

硬盘格式化后，必须安装操作系统，使用VMware虚拟机完全支持MicrosoftWindows系列操作系统和Linux等操作系统。在虚拟机中，学生可以利用虚拟光驱使用镜像文件（ISO格式的文件）安装操作系统，同时具有快速、简便、不中断等优点，与真实的安装无异。对需要重启系统后才能使用的软件，比如杀毒软件、系统优化设置等系统软件的使用也同样有效。如果安装和使用时出现操作系统崩溃的情况，还可以通过复制、覆盖虚拟硬盘文件的方式迅速解决问题，不必担心对宿主机系统的破坏。另外，由于虚拟硬盘文件可以任意复制和转移，这对于教师在不同地点授课以及机房管理人员批量配置学生机都提供了极大的方便。

1.7修改CMOSE参数

CMOSE参数的设置也是学生学习的重点知识之一，但是这部分实验对系统影响极大，设置不当可能会导致开机故障，同时教师在讲解时也无法在投影机上显示出来，不利于教学。使用虚拟机后，学生可以放心大胆地做BIOS的设置实验，通过不断地练习熟悉BIOS界面和各种配置，而不必担心设置错误导致故障，而且教师可以将整个设置过程利用屏幕录制为AVI视频文件分享给学生，这样就实现了BIOS设置状态下视频制作的难题。

1.8系统备份和恢复

系统备份与还原在《计算机组装与维护》课程中应用广泛，其中赛门泰克公司的Ghost软件是常用的一个工具软件，我们要求学生必须掌握其使用方法。该软件功能强大，可以对硬盘进行分区、分区及整盘的备份和还原以及网络克隆，速度快但操作危险性很高，稍有不慎就会造成数据毁坏，引入虚拟机后学生可以反复练习操作而不必担心影响宿主机的系统。

1.9测试计算机病毒

在虚拟环境中，我们可以将虚拟的CPU、寄存器、硬件端口用调试软件传送病毒程序，通过观察寄存器和端口的变化，加深学生对病毒程序运行过程的理解。在虚拟机中进行此类实验，无需担心计算机的数据安全性，而实验效果和真机上的效果是一样的。通过观察研究，学生可以详细了解病毒的工作原理，提高了病毒查杀能力。

2结论

第4篇：虚拟实验论文范文

【关键词】开放式实验；自主式；医学生；机能实验学

医学机能实验学根据我校对卫生部和国家教委的教改项目而创立的一门新的人体机能实验学课程。在我校，该课程主要设立了医学生理学、病理生理学、医学药理学三门实验课程，这三门课程综合概述了人体正常和疾病状态下的生理机能机制、疾病发生的基本机制和药物治疗学原理[1]，因此医学机能实验学将三门学科的知识和内容融会贯通、精炼精华而形成的新的实验课程体系。面对21世纪的医学培养需要坚实理论基础、良好的医学机能素质的需求，医学机能实验学以培养学生独立思考、独立操作、团队合作和综合分析能力为目标[2]，通过近几年的医学实验教学模式改革，同时通过对医学机能实验课的研究，进行了开放式自主式实验教学的探索，使医学生对医学机能课的学习产生了浓厚的兴趣和动力，参考我校的具体应用情况提出几点具体方法并对其实践的意义作一简单概括。

1 开放式教学模式的建立和运转

人体机能学实验室是教学科研的重要场所，为鼓励学生在课余时间参加开放式实验，进而加强学生的素质培养，同时也充分的发挥实验室资源，从2007年起，机能学教研室就开展了开放式实验教学的工作。为保证教学秩序的稳定和学生管理问题，制定了许多合理的规定，保证此教学模式的顺利进行：①总体上提高实验室的开放率和开放内涵，充分发挥教学实验资源效益。②综合设计实验内容，统计可能的实验材料。在每学期开学初，要求统计开放实验的内容、学生数量、实验室开放的频次等由教务部门协调，最终向开放的学生人群公布。③严格落实开放式实验的预约申请登记制度。在实验开始之初，由于忽视了预约的重要性，导致实验的进展缓慢。④执行严格的实验操作记录管理程序。

2 自主性实验的设计和执行

自主性实验是培养学生独立学习和自主思维的有效途径[3]，但是不能偏离实际教学内容。因此在我们实践过程中结合医学生学科特点，设计了几种模式的实验板块，分别为：①基础生理学实验板块，在这个实验模式中可以探索人体各大系统的生理机能机制，同时可通过对实验动物的生理机能研究，加深医学基础知识理解的程度；②综合实验手术机能操作板块，可以通过各种实验部分的外科手术操作，加强医学生实践操作技能培训，为以后综合实验的开展奠定良好的基础；③验证性实验板块，设立验证医学知识点的范围和程度，引导医学生合理思维、勇于创新、善于发现问题等方面有积极的作用；④综合性实验板块，综合以上3门学科的知识点，融会贯通，从生理现象、疾病模型复制和药物治疗等方面综合分析生命现象，从而提高学生分析问题、解决问题的能力，这是理论联系实际的有力体现；⑤科研技能创新模块，在此模式下结合三大学科的科研优势，由承担国家、省自然科学基金的项目负责教师带教培训，提高学生对未知领域的积极探索，进一步加强学生的科研兴趣与技能，培养学生的合作能力、团队意识和科研创新意识有重要的推进作用。

3 结合开放式虚拟实验的补充作用

近年来，随着医学改革体制的深入发展，如招生规模的扩大，师资力量的薄弱、实验室资源的配备数量不足等客观因素的作用，制约了开放式实验的进展。因此我校引进了VBL-100虚拟实验实验系统，建立了标准的实验室，同时也对全校医学生开放，有力的补充了开放式实验物质上的不足。虚拟实验作为传统实验教学的一种有效的补充，虚拟实验教学已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段[4]。引进数年来，深受学生和老师的好评。主要优势如下：①丰富了教学实验内容，尤其是对那些现有条件缺乏实验对象和器材，完全弥补了这方面的不足；②节省了教学资源和提高了教学效果，在此教学实验中无需任何实际的实验器材、实验对象和耗材，无论开设多少实验，均不需准备任何材料，因此节省了大量的教学资源；同时在实验过程中，学生自主性得到了充分的发挥，也提升了教学效果。

4 开放自主性实验在医学机能实验学中的意义和应用前景开放自主性实验打破了在传统实验教程模式下，教师把实验目的、实验原理和实验步骤设备的使用方法全部灌输给学生的模式，学生被动学习转变为自主主动学习，在实验过程发现问题，解决问题，极大地提升了医学生的学习兴趣和思维判断能力。在实践过程中，学生对医学的未知领域也产生了浓厚的科研兴趣。比如，自主书写实验论文，部分学生的实验发现论文也在省级以上刊物发表。总之，根据近几年开放性自主实验的运行和实施，它对实验教学改革，尤其在学生独立、主动学习方面，起到了积极的推动作用，非常有必要进行广泛的推广。

【参考文献】

[1]胡浩，等.机能实验学教学改革的实践与探索[J].医学教育探索，2004（03）：119-120.

[2]王金发，等.开放式实验教学的创新性及实践效果[J].高等理科教育，2003（06）：91-93.

第5篇：虚拟实验论文范文

长期以来，经济学被广泛地认为是一门非实验的科学。似乎经济学研究只能借助于对真实经济生活的观察，而与可控的实验室实验无关。但今天的经济学研究己经开拓出新的领域实验经济学。如今，实验经济学和行为经济学己经成为经济学中最有活力的领域，正是由于在这一领域的突出成就，被称为实验经济学之父的弗农史密斯与创立决策学中前景理论的经济学家丹尼尔.卡涅曼分享了2002年的诺贝尔经济学奖金。实验经济学现阶段己发展成为一个独立的经济学分支，2002年弗农.史密斯被授予诺贝尔经济学奖，标志着实验经济学作为一门独立的学科己步入主流经济学舞台。起初，人们希望借助在课堂上做实验的方式更加形象易懂地向本科生或研究生讲授抽象乏味的经济学理论。随着实验基数的增大，人们发现大量的经济学理论可以通过实验来证明，研究队伍逐渐扩大，扩散到个人决策实验、市场实验以及博弈实验，越来越多的西方国家主流经济学杂志不断刊登有关实验论文，实验经济专刊、专著和论文集等相继出版，2002年的诺贝尔经济学奖就充分说明了世人对实验经济学的重视。

1931年，瑟斯通使用系力学研究中通用的实验技术，探讨关于偏好的无差异曲线是否确切地代表了个人的选择行为，由此揭开了经济学实验的序幕。1948年，著名经济学家E.张伯伦在哈佛大学创造了第一个课堂市场实验，用以验证市场的不完全性。20世纪50年代，张伯伦教授的学生弗农史密斯( Vernon Smith)在自己的工作中大量运用实验来引导自己的学生通过自身的体验进行学习，并且同时验证经济学理论。在我国，金雪军教授在2003年向浙江大学研究生院申报了经济学教学案例与案例实验室建设项目，成立了实验经济学研究项目小组，建立了经济学实验室并且编写了一套经济学教学案例丛书。2005年以来东北财经大学经济学院的教师们在教学过程中积极探索并尝试运用经济学课堂实验教学方法，学院的教师与研究生共同翻译奥西多C.伯格斯特龙和约翰H.米勒合著的《Experiments with Economic Principles》来帮助学生学习微观经济学。2008年北京信息科技大学经济管理学院建立实验经济学实验室，为教师和学生提供更好的学习平台。

二、经济学实验的运用完全竞争市场均衡实验

笔者尝试运用经济学家查尔斯.A.霍尔特曾在自己课堂上所做的一个实验，运用需求与供给理论在竞争市场中展开口头双向拍卖，进行课堂实验，以此验证经济学实验在经济学教学中的应用。学生为实验者，分别扮演需求方与供给方，双方在市场中口头叫价，模拟日常生活中的市场，再现市场这只看不见的手的神奇力量。此次实验参与人员共24人(4名实验工作人员，20名实验参与者),20名实验参与者中10名同学扮演商品的买入方，10名同学担当商品的卖出方，想象买卖双方通过买卖圆珠笔来赚取利润。买入方的同学每人会得到一张红色手牌(红桃或方块)，手牌上的数字代表每单位商品对应的价值;卖出方的同学每人会得到一张黑色的手牌(黑桃或梅花)，手牌上的数字代表每单位该商品的成本。实验开始后，买卖双方开始报价和出价，报价出价应当遵守以下规则:1.报价必须是0. 5的倍数。2.买入方的出价应小于手牌数字，叫价同时要大于己有的商品出价。3.卖出方的要价应大于手牌数字。实验共分3个阶段，每阶段5轮，完成15次的交易后进行数据统计，依据数据完成供给与需求曲线。依据曲线进行解说:在教室中有众多的实验参与者，现试想将整个市场扩大开来，有更多的需求者供给者。实验中，可以感受到自身在交易时被动地接受市场己经给出的价格，如想要在交易中有利可图只能被动接受由市场决定的价格。在虚拟的市场中，如有学生在交易中途退出竞拍，或又有学生加入竞拍，不会影响正常交易，不会因为加入或者退出新的交易者而使交易无法进行下去，这说明虚拟市场是完全自由的市场。实验中所想象的是圆珠笔买卖市场，商品具有同质性和替代性，故虚拟的完全竞争市场中同类商品可进行互换。在我们实验的过程中，买方和卖方通过口头喊价的方式报价能够自由活动且没有任何交易限制，商品信息、交易人员、价格完全无阻碍自由流动，使得实验所得数据具有参考性和真实性，真实地反映出需求与供给的规律，这些都是可以通过实验而总结出有关完全竞争市场的相关特点。

三、经验总结与启发

在整个实验中可以发现，实验教学方法不但让学生们摆脱了以往学习经济学理论的枯燥感，而且大大激发了学生利用经济学原理来思考身边周围事物的兴趣，它提高了学生学习的积极性以及思考问题的主动性。此次实验不仅仅是要让学生学习完全竞争市场理论这一知识要点，而且在学习知识点的同时利用实验本身具有的趣味性提高学生学习西方经济学的积极性，笔者认为这是最为重要的。一种好的学习方法，不但要教授学生学习知识内容以及运用所学，而且能够提升学生的积极性与主动性，让学生自主学习。通过在本次实验中进行观察总结，可以发现实验教学有助于培养学生的观察能力、思维能力、创新能力和综合分析能力，在提升学生综合学习运用能力方面也有很好的效果。

当然实验教学也有它的不足之处，首先，由于前人较少运用实验教学此种方式进行授课与教学，所以实验教学相关教案以及具体操作过程具有较高的不确定性，导致实验前的每一步准备工作都很重要，在课前要做好充分的准备工作，考虑到每一种突发状况以及解决方法，这关系到授课能否达到预期的教学效果。其次，一般教学方法都是按照课时进行安排，具体的时间完成具体教学任务，但实验教学具有其特殊性，授课过程中任何问题都将影响到教学安排，所以在实验前让学生很好地理解实验规则很重要。但在熟悉规则的同时又不能因为教师的解说而影响实验结果，这一点关系到实验的真实性，把握好解说的度很重要，对于教师自身的能力有较高要求。再次是，实验方法授课的活动性很大，对于课堂秩序有很大挑战，要使得学生能够自如地进行实验，但同时不能影响课堂教学质量，在这一点上对教师的管理能力和组织能力有很高的要求。

每件事物都具有两面性，实验教学也是如此。实验教学虽然能够很好地调动学生学习积极性以及学习兴趣，但对教师的专业、组织等能力有更高的要求。通过本次实验案例得到相关启示如下:

1.在实验课前要做好充分的准备工作，提前阅读大量相关案例和相关知识，编写适合于授课班级的详细教案。

2.实验前提前热身，使学生能够对实验规则有更好的理解。

第6篇：虚拟实验论文范文

图书馆是搜集、整理、收藏图书资料以及向读者提供文献资料的科学、文化、教育机构，具有传承人类文化、开发信息资源、参与社会教育、传递学术情报、加强学术交流等职能，距今已有5，000多年的发展历史。??前，建设世界一流大学，提升自主创新能力是我国高等教育发展的主要目标，是实现科技强国的重要途径。高校图书馆为科研人员提供信息搜集及科研情报传递等方面的服务，是科研工作顺利进行的重要保障。然而，随着信息资源的数字化、网络化和开放化，图书馆的学术服务职能严重弱化，更多的科研人员选择通过网络来进行信息搜集，这一方面造成了图书馆资源的巨大浪费；另一方面因检索方法和技巧单一，常常导致科研信息搜集不全，给科研工作的开展带来一定影响。为了最大限度地发挥图书馆在科研工作中的资源和技术优势，必须对面向科研人员的高校图书馆服务模式及馆员的角色定位进行重新审视。嵌入式服务模式是继学科服务模式之后新提出的一种新型的图书馆服务模式，颠覆了图书馆传统的被动式服务理念，要求嵌入式馆员主动融入用户工作环境，挖掘用户真实和潜在的资源信息需求，为用户提供高效服务，提升信息资源利用率[1]。为了提升嵌入式服务模式在科研服务中的服务效率，图书馆需要对嵌入式馆员在科研活动中的角色进行合理定位。笔者从高校科研人员的信息需求状况分析入手，对面向科研人员的嵌入式服务模式和馆员角色定位进行了研究，以期为提高高校图书馆科研服务效率提供参考和借鉴。

1 高校科研人员的信息需求状况分析

1.1 高校科研人员的信息需求特点

高校科学研究团队主要以教师、博士生、硕士生为主，在信息需求方面常存在以下几个方面的特点：①在确定研究方向阶段，科研人员需要通过查阅大量的国内外文献来了解该学科领域的前沿热点、研究动态及发展趋势，为研究方向的确立提供科学依据。②在项目申报阶段，科研人员需要阅读和分析大量该领域内的国内外文献并进行分类管理，针对当前研究中存在的问题找准自己的研究切入点，确定研究方案、技术路线及实验方法。③项目实施阶段，科研人员需要时刻对该领域的研究进展进行密切关注，对实验数据进行及时分析总结，并对自己的研究方案和技术路线做相应调整。④成果总结发表及项目结题阶段，科研人员需要掌握该领域的研究动态，将自己的研究结果与前人研究结果进行比较分析，在充分阅读大量相关文献的基础上撰写结题材料及实验论文。⑤成果发表以后，科研人员需要通过查询论文被引用次数、成果应用情况等来对自己的研究成果在学术界的影响力进行追踪，及时关注相关的研究进展，确定后续的研究方向。

1.2 高校科研人员信息获取现状

笔者采取随机调查问卷和个别访谈相结合的方法，对包括教师、博士生、硕士生在内的部分科研人员的科研信息获取方式进行了调查研究，发现科研人员在科研信息获取中常存在以下几个方面的问题：①随着信息资源的电子化，90%以上的科研人员习惯于通过互联网的方式来获取电子科研信息，很少去图书馆参考纸质文献，导致图书馆资源在一定程度上的浪费。②信息化时代科研信息增长迅速，对信息检索提出了更高要求，85%以上的科研人员缺乏电子资源检索方面的相关知识，检索文件信息的途径较为单一，仅关键词检索途径较为常用，而文献分类等途径很少被采用，导致对科研信息的掌握不够全面，影响科研效率。③大多数科研人员疏于文献的分类整理，仅有7%的人员在日常科研中熟知并运用Endnote、NoteExpress等专业的文献管理软件来管理文献，更多的人仅听说过文献管理软件，但因不会操作而未使用。随着文献数量的增加及时间的积累，导致很多前人的研究结论找不到相应的文献出处。④在实验实施阶段，科研人员常将大量的时间用于实验研究，忽视了对该领域研究动态的追踪，不能及时调整实验方案及技术路线，导致在撰写论文时有可能发现别人已经发表相似的结果，浪费人力物力。上述问题的存在对科研人员的科研效率产生了很大的影响，作为服务科研人员的高校图书馆应针对上述情况调整自己的服务模式，最大限度地发挥图书馆在信息资源搜集等方面的优势，以期使上述问题得到有效解决，提高科研人员的工作效率。

2 面向科研人员的高校图书馆嵌入式服务模式

2.1 嵌入式服务的背景

嵌入是指将一种事物嵌套到更大的实体或环境中的一种状态。自嵌入式理论在1985年被美国斯坦福大学教授马克格兰诺维特引入学术界以来，引起了人们的浓厚兴趣，在众多领域得到了广泛应用，比如嵌入式采访、嵌入式技术、嵌入式家电及微软的全球嵌入式事业部等。近年来，随着信息资源的电子化，图书馆的职能遭到严重弱化，国内外图书馆学家对于图书馆未来的发展方向进行了较多的思考，嵌入式服务正式进入图书馆学领域，国外关于图书馆嵌入式服务做了大量研究。1950年，美国内布拉斯加大学首次正式设立学科馆员，针对特定学科进行专门服务；1981年，美国卡内基梅隆大学首次推出了“跟踪服务”的图书馆服务模式，为学科用户提供专业性帮助，随后该模式相继在法国、荷兰等国图书馆得到了大力推行。2007年，David Shumaker等[2]从不同的维度对“嵌入式图书馆服务”进行了详细的解释，并总结出了物理嵌入、组织嵌入和虚拟嵌入三种嵌入类型。国内关于图书馆嵌入式服务的研究起步较晚，清华大学于1998年首次在我国建立了学科馆员制度，迈出了学科化服务的第一步[3]。2006年，国家图书馆提出“融入一线、嵌入过程”的模式，嵌入式服务应运而生[4]。2007年，郭文丽等在《现代图书情报技术》杂志发表了题为《嵌入式数字图书馆工具条的设计与实现》的研究报告，首次在国内图书馆领域提出并引入了嵌入式工具[5]。到目前为止，国内外学者关于图书馆嵌入式服务做了大量的研究，也有相当一部分图书馆在尝试嵌入式服务，这表明嵌入式服务已得到业界广泛的认同，它是改善图书馆职能弱化现象的有利工具。

2.2 面向科研人员的图书馆嵌入式服务模式

图书馆嵌入式服务模式打破了传统的图书馆服务观念，图书馆不再是唯一的服务场所，图书馆员不再是读者和图书馆的“联络员”，它要求图书馆员深入用户的工作环境中，主动了解客户的实际需求，利用自身信息化方面的特长为客户提供个性化服务。面向科研人员的图书馆嵌入式服务模式可以采用“嵌入式科技创新服务”和“嵌入式学术交流服务”两种策略：①嵌入式科技创新服务。在嵌入式科技创新服务方面，图书馆员应主动融入科研人员的研究课题中，与其建立密切的合作关系，充分了解其真实需求，利用自身特长解决其在信息方面面临的难题。首先，在项目申报初期，图书馆员可以充分利用其信息检索技巧方面的特长为科研人员提供该研究领域最新最全的研究进展，解决科研人员因信息检索技巧单一而导致的科研信息掌握不全面的问题；其次，在项目实施过程中，科研人员可将主要精力放在实验研究方面，而图书馆员作为信息专家可将主要精力放在国内外研究动态的追踪方面，及时为科研人员提供最新的研究动态，提高科研效率；最后，在论文撰写和项目结题方面，图书馆员可以将本研究所涉及的参考资料准确地提供给科研人员，供其参考，并协助其对实验结果进行分析，然后给出相应的写作和投稿意见。总之，在整个科技创新活动中，图书馆员应始终与科研人员密切合作，充分发挥其在文献检索、追踪、分析、管理方面的特长，为科研人员的创新工作加油助力。②嵌入式学术交流服务。在嵌入式学术交流服务方面，图书馆员应充分利用其在资源信息交流方面的优势，主动为科研人员进行广泛的学术交流提供帮助。首先，图书馆员要通过网络、讲座等形式积极宣传开放存取资源的新型学术交流模式，使科研人员认识到该模式存在的优势并广为应用，方便科研人员进行学术交流活动，提升开放存取资源的利用率；其次，图书馆员针对科研用户的资源需求，利用其在网络信息资源组织方面的技术优势对海量的开放存取资源进行分类、整理，构建个性化的信息资源库。综上所述，嵌入式服务模式不仅可以为科研人员提供高效的科研服务，提高科研效率，而且有助于提升图书馆在科研活动中的地位，是未来图书馆发展的必然趋势。作为嵌入式服务模式下的图书馆员，其角色较以往有了较大区别，为了更好地发挥嵌入式服务的优势，必须对嵌入式馆员的角色进行重新定位。

3 面向科研人员的嵌入式馆员角色定位

嵌入式馆员是指在图书馆嵌入式服务模式下，对图书馆员角色的重新定位，它要求馆员主动深入科研工作一线，积极参与科研活动，与科研人员建立良好的合作关系，充分挖掘科研人员在资源信息方面的真实和潜在需求，利用其在资源信息方面的优势为科研人员提供帮助，并培养科研人员的信息检索和文献管理技能，为科研任务的顺利完成提供保障。在科研工作中，馆员应该是资源信息搜集的指导者、资源信息的分析者、资源信息的管理者、研究动态的追踪者以及学术交流的组织者。

3.1 资源信息搜集的指导者

在项目起始立项阶段，科研人员需要通过阅读相关领域内的大量国内外文献，掌握该领域的国内外研究现状及发展趋势，以便科学合理地确定研究方案和技术路线。嵌入式馆员应深入科研一线，向科研人员学习专业方面的知识，并与其详细沟通，掌握其在文献资源方面的真实和潜在需求，利用其在文献检索技能方面的优势对科研人员进行检索技巧培训，提升科研人员的信息获取能力，帮助科研人员搜集相关文献，力争全面准确地搜集文献资料。另外，嵌入式馆员还应加入科研人员的学术研讨活动中，对其文献资料方面遇到的问题给予及时解决。

3.2 资源信息的分析者

信息分析是一项具有科研性质的活动，是根据特定需求对相关文献资源进行搜集、分类、鉴别、分析、综合等一系列加工形成的增值信息，对提高科研人员的信息利用率有较大帮助。高效的信息分析需要情报学和信息学方面的知识，对一般的科研人员来说具有一定难度。嵌入式馆员具有情报学和信息学方面的专业知识，可以用文献信息计量、引文分析法及先进的信息技术对海量的资源信息进行分析，挖掘重要文献，协助科研人员确立研究的切入点，提升科研质量。因此，嵌入式馆员是科研团队中最佳的资源信息分析者。

3.3 资源信息的管理者

在科学研究过程中，随着研究的深入，文献资料的积累会越来越多，如果不能对文献资料进行高效的管理，常会造成文献资料的紊乱，先前的研究结果找不到相应的文献出处，耗费大量的时间和精力。嵌入式馆员在科学研究的过程中应充当文献管理者的角色，充分利用其在Endnote、NoteExpress等专业文献管理软件应用方面的技能，为科研人员提供文献资料管理服务，提高科研效率。

3.4 研究动态的追踪者

在科学研究过程中，科研人员需对该领域的研究动态进行实时追踪，并对自己的研究方案和技术路线做相应调整，提升项目的科研价值，避免重复研究。科研人员可以承担起研究动态追踪者的角色，及时为科研人员提供最新动态，节省科研人员在信息追踪方面的时间，让他们把更多的精力放到实验研究中，提高科研效率。

3.5 学术交流的组织者

随着资源信息的电子化、网络化，开放存取资源的学术交流模式将是未来的发展趋势。嵌入式馆员应作为学术交流的组织者对海量的信息资源进行分类、整理，构建完整有序的数据库，方便科研人员使用。另外，嵌入式馆员可针对科研用户的具体需求，在海量的资源信息中将其所需的资源进行过滤、取精、分类、整理，为用户提供个性化服?眨?构建个性化的信息资源库。

第7篇：虚拟实验论文范文

作者简介:彭伟（1984-）,男,江苏启东人，硕士研究生，主要研究方向：科学计算可视化、虚拟现实； 李建新（1953-），男，浙江杭州人，教授，主要研究方向：智能信息处理与成像； 闫镔（1976-），男，河南内黄人，副教授，博士,主要研究方向：X射线成像、三维图像处理。

文章编号:1001-9081（2011）08-02221-04doi:10.3724/SP.J.1087.2011.02221

（信息工程大学 信息工程学院，郑州450002）

（）

摘 要:GPU加速体绘制已成为体可视化领域的研究热点，然而超出显存的大规模数据无法直接载入，成为GPU应用的瓶颈。分块技术能够在保证图像质量的条件下解决该问题，但分块数据的频繁加载和访问明显降低了绘制速度。针对上述问题，通过建立最优化分块模型得到了大规模数据的最优分块，并通过构造节点编号纹理和改进距离模板设计的方法进一步提高了基于八叉树的分块体绘制算法的绘制速度。实验结果表明，该方法加速效果明显。

关键词:体绘制;最优化分块;八叉树;节点编号纹理;距离模板

中图分类号: TP391.413文献标志码:A

Volume rendering acceleration method based on

optimal bricking for large volume data

PENG Wei, LI Jian-xin, YAN Bin, TONG Li, CHEN Jian, GUAN Shi-yong

（Institute of Information Engineering, University of Information Engineering, Zhengzhou Henan 450002, China）

Abstract: GPU-based volume rendering has become an active research area in the domain of volume visualization. Large volume data cannot be uploaded directly due to the limitation of GPU memory, which has been a bottleneck of the application of GPU. Bricking method could not only solve this problem, but also maintain the quality of original volume-rendered image. However, the data exchange via the graphics bus is really time consuming and will definitely degrade the render performance. As for these difficulties, the optimal bricking for large volume data was calculated by establishing the model for optimal bricking, and also a 3D texture named node code texture was constructed and distance template was improved to accelerate the octree-based bricking volume rendering. The experimental results illustrate that the proposed method can significantly accelerate the bricking-based volume rendering for large volume data.

Key words: volume rendering; optimal bricking; octree; node code texture; distance template

0 引言

随着人们对成像目标分辨率要求的不断提高，体数据规模日益增大，大规模数据给人们提供更丰富信息的同时，也给可视化技术带来了更大的挑战。体绘制能够展现物体的内部信息，便于人们对三维目标进行观察、理解和分析，在医学、生物、无损检测等领域获得了广泛的应用［1］。

近年来，利用GPU对体绘制进行加速已成为实现实时体绘制的主要方法［2］。然而主流GPU内存非常有限，超出显存的大规模数据不能直接载入，成为GPU应用的一个瓶颈。常用的解决办法主要有：分块、多分辨率［3-4］,［5］185-197和数据压缩［6-7］。多分辨率和压缩技术分别是通过降采样和压缩数据的方法减小数据，从而解决显存有限的问题，但是由于原始数据信息一定程度上受到破坏，绘制质量受到影响。分块体绘制技术则可以保持所有的原始信息，从而保证了体绘制的图像质量。但是分块体绘制需要在绘制过程中频繁地从内存向显存传输分块数据，并且需要进行多次绘制。因此绘制效率较低，导致绘制性能下降。

目前对于分块体绘制的加速研究主要集中于提高分块数据的绘制速度。其中使用八叉树分级数据结构组织体数据，然后跳过无效子节点，是常用而有效的体绘制加速方法［5］187。该方法的实现过程主要分为3步。

1）八叉树分级数据结构的生成。

八叉树分级数据结构生成的方法可分为如下几种。

a）剖分过程中是否改变原始数据的存储方式。剖分过程中改变数据存储方式，会产生许多独立的分块数据［8］524,［9］74,［10］1686，该方式可以解决大规模数据问题，但是产生太多子块，降低了绘制性能；若不改变数据存储方式，分块数据仍存在原始数据中［11］237，该方式不能解决大规模数据问题，但是数据传输速度较快。

b）剖分结果是否是满叉树。满叉树在剖分过程中保留所有节点信息［8］524-525,［9］74,［10］1686,［11］237，传递函数改变时，不需要重新剖分，但是预处理时间较长，并且需要占用更大的内存资源；非满叉树在剖分过程将无效节点剔除［12］3,［13］58-59，预处理时间短，占用内存少，但是一旦传递函数改变，需要重新剖分。

文献［12-13］首先将体数据分成尽量少的数据块，然后对各分块进行不改变数据存储方式的八叉树组织，从而既解决了大规模数据问题，又保证了分块数据的快速传输速度。但是该方法是基于Shader Model 4.0实现的，绘制性能受到GPU固定流水管线限制，并没有很好发挥GPU的性能优势。

2）采样点的判断。

绘制过程中，需要判断每一个采样点是否处于有效子节点所对应的分块数据内，如果有效则继续对该采样点进行采样及颜色合成操作；否则，应该跳过该采样点所对应的子节点。因此，如何快速判断采样点的有效性是减少绘制时间的重要因素之一。

判断采样点有效性的通常做法是：首先得到采样点所属的子节点，然后根据该子节点的最大最小值来判断是否有效［10］1687,［11］237。该方法复杂度较大，需要多次访问纹理，影响绘制速度；并且该方法需要将更多的节点信息，比如：子节点的位置信息、子节点的最大最小值信息等传至显存，增加了GPU的负荷。

3）跳过无效子节点。

跳过无效子节点的理想办法是精确计算光线在该子节点对应的包围盒中穿行的距离，然后跳过该段距离，然而精确计算的代价很高，会导致绘制性能的下降［14］60。通常的做法有：a）增大采样步长［10］1687,［11］238；b）得到光线在紧致包围盒中穿越的起始点［13］58-59；c）使用距离模板［14］62-63。方法a）中，如果采样步长较小则加速效果较差，步长太大又会影响图像质量；方法b）实现方法较为复杂，并且对于体数据的中空部分不能进行跳跃；方法c）中的距离模板是预定义的距离标尺，它规定了在模板的某一位置需要跳越的距离，从而减少对无效节点跳跃距离的计算。但是原始距离模板的构造方法过于保守，跳过无效子节点的效率太低。

分块体绘制完整绘制一次的时间主要由两部分组成：各分块数据的传输时间和各分块的绘制时间。上述研究都是针对减少分块绘制时间来提高整体速度的，但事实上，分块的数量、尺寸对传输速度和绘制速度都有较大影响［5］，但是目前的分块方法一般还是依赖于经验，存在较大盲目性，因此很可能导致传输速度和绘制速度的降低。

针对上述问题，本文首先通过建立最优化分块的模型给出最优解，通过实验验证了其正确性；然后利用不改变数据存储和非满叉树的方式对各分块数据进行八叉树组织；在绘制过程中，通过构造节点编号纹理，加快了采样点有效性的判断，并改进了原始距离模板的设计方法，提高了跳过无效子节点的速度，实现了对大规模数据的光线投射算法加速。

1 最优化分块策略

考虑到分块方法对分块体绘制整体性能的影响，本文通过研究分块体绘制算法的“计算―存储―通信”（Processing-Memory-Communication, PMC）［15］属性来求解最优化分块问题。这里，“计算”是指分块的绘制时间，“通信”是主机向设备传输分块数据的时间，由于“存储”时间较短，在本文算法中可忽略。假设分块体绘制完整绘制一帧的时间为T，体数据大小为A×B×C个体素，分块大小为X×Y×Z个体素，每个体素大小为Mb。为了避免对分块数据的边界进行插值计算时出现错误，需要对每个分块数据向外扩充一个体素，因此分块的实际大小为（X+1）×（Y+1）×（Z+1）个体素。tC、tP分别表示单个分块的传输时间和绘制时间，sC表示当前硬件条件下的主机向设备传输数据的速度，可知tCM（X+1）×（Y+1）×（Z+1）/sC。为了得到各分块的绘制时间，必须知道数据规模与绘制时间的关系，通过对传统基于GPU的光线投射算法进行测试，可以发现数据规模与绘制时间存在近似的线性关系，如图1所示。因此分块的绘制时间tPkPM（X+1）×（Y+1）×（Z+1），kP是斜率。

因此总的绘制时间：

TN（tC+tP）NM（X+1）×（Y+1）×

（Z+1）（1/sC+kP）（1）

其中：N「A/XS「B/YS「C/ZS，“「・S”运算符表示向上取整；可以看到M只与体数据本身有关，对于某一数据该值是确定的，并且在某硬件配置下，sC和kP也都是确定的值，因此总的绘制时间T只与原始数据的尺寸和分块数据的尺寸有关，而不受硬件参数的影响。

图1 数据规模与绘制时间的关系

针对有限的显存，将分块数据的大小限制在128MB以内。由此可得优化模型如下：

min T（2）

s.t.（X+1）（Y+1）（Z+1）≤128×1024×1024

X,Y,Z>0

针对不同数据规模求解以上优化模型，分别求得最优分块X*×Y*×Z*如表1所示。

表1 不同数据规模下的最优分块（体素个数）

为了验证理论的正确性，本文在不同的硬件配置下，如表2，对数据规模相同的实际数据进行多种尺寸的分块实验。

表2 实验平台硬件配置

实际的最优分块结果如表3所示，可以看到在不同的硬件配置条件下，实际最优分块的尺寸与表1基本吻合。可以看到，原始体数据各轴几乎都为最优分块数据对应轴的整数倍，说明获得最优分块时应尽量减少由于不等分产生的数据冗余；也可以看到，最优分块跟待分块的各轴尺寸有关系，并且都是首先从较大的轴开始分块。当然，部分最优分块结果与表1还存在差别，比如在配置1条件下，火花塞数据的实际最优分块尺寸相对较小，这是因为配置1中虽然显存是128MB，但实际上并无法载入大小相当的分块数据。从这点也可以看出，最优分块的大小应尽量接近最大可用显存；另外配置2和3中，最优分块与表1也存在一些差别，而且部分原始数据并没有被等分，但是其实际的绘制时间与表1中给出的最优分块的绘制时间相比并没有相差太多，因此这种误差在容许范围之内。

表3 最优的分块实验结果（体素个数）

为了便于将最优化分块过程与体绘制过程相结合，通过对理论推导和实验论证结果的分析，本文给出以下优化分块方案：

1）在满足分块规模小于可用显存的条件下，应当以最大的分块得到最少的分块数量。

2）应当从待分块数据的最大轴开始分块。

3）应当等分原始体数据；如果无法等分，应在尽量减少冗余数据的条件下再进行等分。

根据测试可知优化分块方案得到的结果与理论计算是一致的，因此实际可根据优化分块方案来实现最优化分块，并且根据优化分块方案可方便地实现对大规模数据的自动分块。

本文采用以上优化分块方案对体数据进行了分块，从而可减小由于盲目分块导致传输和绘制速度下降的可能性。另外，在分块数据的存储方面，由于主机端的内存可以分为“可分页内存”和“页锁定内存”，其中页锁定内存始终位于物理内存，在向GPU进行数据传输的时候无需进行页交换，从而提高传输速度。因此，本文在存储分块数据时，直接利用cudaHostAlloc函数将分块数据存储到“页锁定内存”，从而进一步提高了分块数据的传输速度。

2 分块体绘制加速算法

本文算法首先在优化分块方法指导下对原始体数据进行分块，并利用八叉树对各分块数据进行剖分。本文算法采用了从后向前的合成方式，因此需要根据视点所在位置，对分块数据从远及近进行排序，然后依次载入分块到GPU并进行绘制，最后合成各分块的绘制结果。其流程如图2所示。

图2 分块体绘制算法流程

2.1 八叉树的生成

本文算法在对分块数据进行八叉树组织时，不改变分块的数据存储方式，仅仅统计八叉树各节点对应的分块数据的最大最小值、包围盒的顶点和深度信息等。考虑到传递函数一般不需要经常改变，同时为了避免八叉树数据结构占用太多的内存资源，本文算法在剖分过程中仅保留了有效的子节点。图3中实线对应的包围盒说明了不同剖分深度下有效子节点对应的体数据大小的变化情况，可以看到随着深度的增加，有效体数据的范围也将越来越小，并更加接近有效区域。

图3 不同剖分深度下有效子节点对应体数据大小的变化

2.2 节点编号纹理的构造

传统采样点有效性的判断较为复杂，需要多次访问纹理，并需要向显存载入更多的子节点信息。针对这一问题，本文设计了简单易行的判断方法。以八叉树剖分深度等于3为例，对分块数据各轴按图4所示方法进行编号，其中黑色部分表示有效子节点对应的数据块，白色部分表示无效子节点对应的数据块。

图4 节点编号纹理构造方法

通过包围盒的顶点信息（min,max）可计算出当前子节点的编号（Codex,Codey,Codez），如果当前深度为Depth，分块大小为X×Y×Z，则编号的计算公式如式（3）：

Codex2Depth－2（min.x+max.x）/X

Codey2Depth－2（min.y+max.y）/Y

Codez2Depth－2（min.z+max.z）/Z （3）

因此，各轴的编号范围均为（0～2Depth－1－1）。

如果将所有有效子节点（图4中的黑色部分对应的子节点）的编号对应的标记为1、其余（图4中的白色部分对应的子节点）编号标记为0，则可生成一个同时保存节点编号信息和节点有效性信息的体数据，该体数据的各维度长度均为2Depth－1，其每一个体素的位置就对应节点的编号，其体素的灰度值就对应节点的有效性。将该体数据传至GPU，并绑定为三维纹理，本文将该纹理称为“节点编号纹理”。在绘制过程中，每得到采样点的位置（sx,sy,sz），即可得到该采样点所在子节点的编号（Code′x ,Code′y ,Code′z ），计算公式如式（4）：

Code′x 2Depth-1sx /X′

Code′y 2Depth-1sy /Y′

Code′z 2Depth-1sz /Z′（4）

其中X′、Y′、Z′分别表示对当前分块数据扩充至2的整数次幂后的长、宽、高。通过该编号访问节点编号纹理即可得到0或1值，如果值为1，表示该采样点属于有效子节点；如果为0，表示该采样点属于无效子节点，并应该跳过该采样点所在的节点。

节点纹理编号的构造方法简单，只需访问一次节点编号纹理就能快速判断采样点有效性，并且无需将其他信息载入GPU，从而不但减小了GPU端纹理存储器访问压力，同时也减小了GPU端的存储压力，提高了绘制速度。

2.3 改进的距离模板设计方法

利用距离模板可有效跳过无效子节点，而无需对跳跃的距离进行计算。图5以8×8×8大小的距离模板为例，说明了距离模板的构造方法。可以看到，距离模板保存了任意位置的采样点到子节点对应的分块数据各边距离的最小值。

图5 距离模板构造方法

图6给出了基于距离模板的空间跳跃示意图。可以看到距离模板的构造非常保守，在子节点间的边界处总是需要跳跃两次，这样虽然能保证对有效子节点采样的连续性，但是却需要在无效子节点内采样多次。由于无效的采样点仍需首先访问节点编号纹理来判断其有效性，无效采样点越多则访问频率越高，进而影响绘制速度。

图6 利用距离模板进行空间跳跃示意图

考虑到与无效节点相邻的有效节点内部通常不会完全是有效体素，并且在它们的边界处通常仍然是无效体素，据此，本文改进距离模板的构造方法，使光线通过较少的采样次数就能完全跳过无效子节点。改进的距离模板构造方法很简单，只需增加原始的距离模板中的值，考虑到安全性，本文仅将模板中的值加1，图7给出了利用改进的距离模板进行空间跳跃的示意图。可以看到改进的距离模板通过较少了采样次数就能跳过无效子节点，从而减少了对无效采样点的处理，提高了跳过无效子节点的效率。

图7 利用改进的距离模板进行空间跳跃示意图

3 实验结果和分析

为了测试本分块体绘制算法的加速效果，选取4组实验数据，其分块尺寸和分块数量如表4所示，其中每一体素大小为8b。硬件配置：CPU为四核E5520 2.26GHz，内存为24GB，显卡为NVIDIA GeForce GTX 295，显存896MB。编程环境为Windows7 64位系统下，利用Visual Studio 2008结合CUDA 3.0进行开发。

表4 实验数据及其优化的分块尺寸

实验结果如表5所示。

表5 加速前后各类数据绘制时间比较

ms

由实验结果可以看到，不同的剖分深度下，加速效果不同。当剖分深度较小时，绘制时间并没有提高或者提高很少，这是因为此时没有或者只有较少的无效子节点被剔除；随着剖分深度的增加，越来越多的无效子节点被剔除，绘制速度得到迅速提高；而到达一定深度后，可剔除的无效数据越来越少，而需要跳过的无效子节点的数量却越来越多，因而需要在GPU进行更多的操作，绘制速度难以继续提高，甚至反而降低。可以看到前两种数据在剖分深度为6时获得最好的加速效果，后两种数据在剖分深度为4时获得最好的加速效果，并且加速比均大于2。四种数据的绘制结果如图8所示。

图8 绘制结果

4 结语

针对大规模体数据的分块体绘制算法需要在内存和显存之间多次切换分块数据而导致整体速度下降的问题，本文通过分析分块体绘制的计算―存储―通信属性，建立了求解最优化分块的模型，并给出最优解。在绘制过程中，通过构造和访问节点编号纹理，加速采样点有效性的判断，并且改进了距离模板的设计方法，提高了跳过子节点的速度，从而减少了基于八叉树的分块体绘制的绘制时间。通过提高基于八叉树的分块体绘制的整体速度，实现了大规模数据分块体绘制的加速。

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