淺析虛擬實訓教學環(huán)境研究與構(gòu)件

程新麗　蘇雪

摘 要：3D可視化平臺設(shè)計技術(shù)和多媒體通信技術(shù)是虛擬實訓教學環(huán)境的實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。首先闡述新一代虛擬實訓教學環(huán)境的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢給出新一代虛擬教學環(huán)境的定義、研究現(xiàn)狀，主要對虛擬教學環(huán)境的體系結(jié)構(gòu)、構(gòu)建的方法以及如何實現(xiàn)手段進行剖析研究，最后對虛擬實訓教學環(huán)境前景進行展望。

關(guān)鍵詞：虛擬實訓 教學環(huán)境 構(gòu)建方法 體系架構(gòu)

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）005-159-02

1 概述

3D可視化平臺設(shè)計技術(shù)和多媒體通信技術(shù)是虛擬實訓教學環(huán)境的實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。本研究首先介紹了新一代的虛擬實訓教學環(huán)境研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。進一步研究和分析了新一代虛擬教學環(huán)境的定義、研究現(xiàn)狀、構(gòu)建方法、體系結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)手段。隨后對虛擬實訓教學環(huán)境構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)3D可視化平臺設(shè)計技術(shù)和多媒體通信技術(shù)進行了探討與解析。對于3D可視化平臺設(shè)計技術(shù)的研究，主要闡述了適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的Web3D技術(shù)最新趨勢，特別是對基于Javascript的WebGL及其引擎SpiderGL的分析研究、應(yīng)用方式和具體實現(xiàn)過程。對基于WebGL進行3D可視平臺設(shè)計，用戶可以使用通用瀏覽器訪問3D可視化平臺，體驗3D虛擬實訓教學過程而在不需要插件的情況下。對虛擬實訓教學環(huán)境中的語音、視頻等多媒體通信技術(shù)進行研究是本文最后的關(guān)鍵。主要研究了下一代核心網(wǎng)IMS的系統(tǒng)構(gòu)成及開發(fā)部署過程，以及基于HTML5的多媒體通信系統(tǒng)的開發(fā)和部署過程。

2 虛擬實驗教學環(huán)境定義

根據(jù)虛擬教學環(huán)境的特征，我們研究給出如下定義：虛擬教學環(huán)境是指利用計算機設(shè)備，將高速計算機網(wǎng)絡(luò)與交互式多媒體工作站相結(jié)合，營造出一個可以感知的，相似于現(xiàn)實教學環(huán)境的，具備了現(xiàn)實的教學環(huán)境中需要的基本功能和大多數(shù)的延伸功能，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)表現(xiàn)出的一種教學環(huán)境。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

虛擬環(huán)境（Virtual Environment）技術(shù)是一項從計算機圖形學派生出來的新技術(shù)，是VR技術(shù)的核心內(nèi)容。從其誕生至今，此項技術(shù)就強調(diào)用戶以自然方式與虛擬世界中的對象進行實時交互，以觸摸、聆聽、沉浸其中進而體驗虛擬的三維世界。虛擬（環(huán)境）實驗室概念的提出至今僅20余年，但由于應(yīng)用前景是很廣闊。它可應(yīng)用于建模與仿真、科學計算可視化、設(shè)計與規(guī)劃、教育與訓練、遙作與遙現(xiàn)、醫(yī)學、藝術(shù)與娛樂等多個方面。

目前，虛擬實驗室的建設(shè)在發(fā)達國家已經(jīng)相當普及。日本開發(fā)了宇宙開發(fā)地面實驗平臺。其實，很早以前美國就有將虛擬實驗室作為其科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃項目。首先提出虛擬實驗室概念，并具有雄厚的科研實力和強大財力的美國，從一開始就十分重視虛擬實驗室的研究與開發(fā)，他們在該領(lǐng)域的研究己處于領(lǐng)先地位。另外，許多國外的大學己組建了遠程虛擬實驗室，例如：在意大利帕瓦多大學建立了遠程虛擬教育實驗室；在德國的漢諾威大學建立了虛擬自動化工作平臺；在新加坡國立大學開發(fā)了遠程示波器實驗和壓力容器實驗?？傊?，國外已出現(xiàn)了幾種用于e-learning的遠程虛擬教學系統(tǒng)，能夠提供虛擬教學環(huán)境，并且已經(jīng)實現(xiàn)了實用化。

國內(nèi)出現(xiàn)有關(guān)虛擬實驗的最早一篇文章是發(fā)表在《國外電子測量技術(shù)》1997年第3期上的《虛擬電子實驗平臺》，討論了以計算機為平臺的電子實驗臺的構(gòu)成及原理，并給出了以ElectronicsWorkbenchV4.0為實驗臺的電路實驗例子和在計算機上做電路實驗的實驗方法。

由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點，它的實際應(yīng)用在理工科的教學中應(yīng)有較大作為。武漢大學投資1200多萬元建成的虛擬現(xiàn)實實驗室。華中科技大學機械學院工程測試實驗室將其虛擬實驗室成果在網(wǎng)上公開展示，供遠程教育使用；四川聯(lián)合大學基于虛擬儀器的設(shè)計思路，研制了航空電臺二線綜合測試儀組成虛擬儀器系統(tǒng)；復(fù)旦大學、上海交通大學、暨南大學等一批高校也開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學和科研等。

4 研究方案及技術(shù)路線

4.1 研究方法

虛擬實驗教學研究屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在注重理論分析的同時，更加注重實驗研究。項目研究的最大特色是將負荷均衡技術(shù)和分布式技術(shù)結(jié)合，以提升系統(tǒng)性能和適應(yīng)性。同時注重開放性，以提高研究成果的實用價值。

4.2 技術(shù)路線

4.2.1 虛擬實驗教學環(huán)境構(gòu)建

4.2.2 虛擬教學環(huán)境設(shè)計流程

在環(huán)境、資源及用戶建模中，數(shù)學模型的建模過程基本相同（如SPICE模型）。過程如下：（1）建立基本模型；（2）確定參數(shù)；（3）加入隨機誤差和隨機化初始條件。

為了達到逼真的模擬場景、儀器和元器件的外形和操作的效果，虛擬實驗一般采用三維建模和繪制技術(shù)進行環(huán)境、資源和用戶的實體建模。

實體模型包括靜態(tài)部分和動態(tài)部分。靜態(tài)建模是指建立虛擬實驗中個對象模型的所有三維幾何模型-儀器、元器件和場景。動態(tài)建模是使用Canvas、Frame copy、掩碼透明貼圖等動態(tài)繪制技術(shù)來實現(xiàn)實驗對象的動態(tài)變化（電路搭接操作、示波器波型變化、儀表表盤指示等）。

實驗儀器及元器件是一個個獨立的實體，因此，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對虛擬實驗進行建模是非常合適的。面向?qū)ο蟮慕＿^程分解為如下步驟（如圖1）：（1）確定系統(tǒng)中虛擬器件對象；（2）確定每個虛擬器件的屬性和動態(tài)行為，將其映射為對象的屬性值和行為；（3）確定每個虛擬器件對象的接口。

5 研究前景展望

虛擬教學環(huán)境中，3D可視化平臺（虛擬現(xiàn)實場景的展示）和多媒體通信平臺（互動學習過程的支撐）的構(gòu)建是關(guān)鍵。WebGL是3D可視化平臺設(shè)計的技術(shù)發(fā)展趨勢，開源SpiderGL是一個可行的基礎(chǔ)。多媒體通信平臺有兩種構(gòu)建方案，基于HTML5的方案更符合Web應(yīng)用開發(fā)潮流。目前我國的寬帶網(wǎng)工程也已經(jīng)取得了很大的成就，ADSL，光纖網(wǎng)等正逐漸成為網(wǎng)絡(luò)的主流，網(wǎng)絡(luò)帶寬已經(jīng)可以負擔虛擬教學環(huán)境的數(shù)據(jù)傳輸。抓住當前機遇，利用虛擬教學環(huán)境為e-learning遠程教學提供更為直觀和逼真的學習條件，有利于學習過程的開展，推動我國的e-learning和遠程教學事業(yè)水平的提高。

參考文獻：

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