基于VRML及JavaScript的交互式三維虛擬電子示波器建造

吳 迪

（大連大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116622）

0 引 言

許多學(xué)校都建立了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站，學(xué)生可以登陸網(wǎng)站學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、操作方法等內(nèi)容。但目前的網(wǎng)站大多是二維平面展示，或有動(dòng)畫描述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，而這一過(guò)程也是由程序編制者事先設(shè)定好的，只能按照一定的路線執(zhí)行，與實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況不符，真實(shí)感不強(qiáng)，不能給學(xué)生身臨其境的感覺(jué)，學(xué)生很難詳盡了解相關(guān)儀器設(shè)備的整體概況，這些二維的顯示方法已經(jīng)不能滿足人們的需要。虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality）是一種可以用來(lái)創(chuàng)建并體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的虛擬環(huán)境。此虛擬環(huán)境是由編寫的計(jì)算機(jī)程序生成的，用戶可以通過(guò)所操作的計(jì)算機(jī)進(jìn)入到這個(gè)環(huán)境并能操縱環(huán)境中的對(duì)象達(dá)到交互的目的［1－3］。VRML是一種三維場(chǎng)景的描述性語(yǔ)言，是第二代 Web上的關(guān)鍵技術(shù)，也是在Internet網(wǎng)絡(luò)上能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵性技術(shù)［4－6］。在Internet上傳輸少量數(shù)據(jù)就可以在 Web上實(shí)現(xiàn)三維虛擬場(chǎng)景瀏覽功能，克服了其他三維立體模擬軟件的缺點(diǎn)。因而采用VRML開(kāi)發(fā)三維虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是解決這些問(wèn)題的一種好方法［7－8］。首先虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可沉浸在三維的、立體的環(huán)境中，這是符合人們?nèi)粘Ｉ盍?xí)慣的；其次在創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中學(xué)生不是被動(dòng)地感受事物，而是可以通過(guò)自己的活動(dòng)去改變所感受的內(nèi)容。采用VRML技術(shù)創(chuàng)建的三維虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)可以不受時(shí)間、地域的限制，學(xué)生或者教師可以自由地、無(wú)顧慮地隨時(shí)進(jìn)入到虛擬實(shí)驗(yàn)室中操作儀器設(shè)備，而他只需要在聯(lián)接到互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)瀏覽器上安裝VRML插件，如Cortona、Blaxxun Contact或Cosmoplayer等任意一種就可以進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。顯然虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)可以留給學(xué)生更多的思考時(shí)間和想象空間，從實(shí)驗(yàn)儀器的構(gòu)造原理到它們的使用方法；從測(cè)試公式的創(chuàng)建到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建，完全由學(xué)生自己進(jìn)行設(shè)計(jì)、組建，提高學(xué)生們學(xué)習(xí)的興趣，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)間，增加他們分析問(wèn)題的時(shí)間，充分調(diào)動(dòng)其主觀能動(dòng)性。

但目前所開(kāi)發(fā)的三維研究項(xiàng)目中大多存在交互性較弱以及沉浸感不強(qiáng)等問(wèn)題。本文以電子示波器實(shí)驗(yàn)為例就虛擬實(shí)驗(yàn)中復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中交互控制的方法進(jìn)行深入研究。VRML本身不能進(jìn)行復(fù)雜交互設(shè)計(jì)，因而對(duì)于像儀器調(diào)整等這樣完成復(fù)雜功能的交互式操作就不能只由VRML來(lái)完成。為了能夠?qū)崿F(xiàn)所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境本身與操作者之間的復(fù)雜交互，就要利用虛擬空間與操作環(huán)境之間的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)其與用戶間的交互，可以通過(guò)采用JavaScript編程實(shí)現(xiàn)這種功能［9－11］，討論VRML中Script節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用方法，并且最終建立具有交互操作功能的虛擬三維電子示波器實(shí)驗(yàn)，很好地實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的交互控制功能。

1 交互控制原理

虛擬場(chǎng)景的交互功能可以通過(guò)VRML節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的變化可以引起另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的變化。在VRML中，通常將狀態(tài)的變化記為一個(gè)“事件”，發(fā)生變化的節(jié)點(diǎn)接受“輸入事件”，而引起其他節(jié)點(diǎn)變化的節(jié)點(diǎn)發(fā)出“輸出事件”。VRML提供了許多種感知器節(jié)點(diǎn)，比如TouchSensor節(jié)點(diǎn)，它可以接收鼠標(biāo)點(diǎn)擊形體的動(dòng)作并使程序發(fā)生相應(yīng)的變化，如發(fā)出聲音、改變顏色等；有可使通過(guò)鼠標(biāo)移動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)變形體繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的CylinderSensor節(jié)點(diǎn)；有可以檢測(cè)觀察者接近的ProximitySensor節(jié)點(diǎn)，利用它們可控制其他操作，如發(fā)出聲音，讓形體顏色變化、讓形體運(yùn)動(dòng)等；還有時(shí)間傳感器TimeSensor節(jié)點(diǎn)等。

圖1 VRML聯(lián)動(dòng)動(dòng)畫原理圖

VRML空間中各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中的物體實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單行為的交互動(dòng)作，比如打開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)燈會(huì)亮、接近自動(dòng)門時(shí)門會(huì)自動(dòng)打開(kāi)等。通過(guò)路由及感知器節(jié)點(diǎn)基本上可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的簡(jiǎn)單交互控制。對(duì)于較復(fù)雜的交互控制，VRML采用Script節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)這種功能。Script節(jié)點(diǎn)中的域指定一段實(shí)現(xiàn)事件處理的JavaScript或VRMLScript腳本，然后把程序中計(jì)算得到的結(jié)果遞交給Script節(jié)點(diǎn)的輸出事件，再通過(guò)路由將該事件傳遞給場(chǎng)景中某對(duì)象相關(guān)的域，以達(dá)到改變場(chǎng)景的目的，實(shí)現(xiàn)過(guò)程框圖如圖1所示。

2 虛擬示波器交互控制功能實(shí)現(xiàn)

虛擬示波器主要向用戶提供一個(gè)盡可能真實(shí)的仿真儀器和環(huán)境，可以通過(guò)VRMLPad或vrbuild［12］等軟件直接建造三維實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，文件占用的字?jié)數(shù)較少，適宜在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行；也可采用3DMAX等軟件建造再轉(zhuǎn)換成VRML格式文件，但缺點(diǎn)是形成的文件比較大，影響在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的速度及質(zhì)量。建造的三維示波器模型如圖2所示。用戶可以在其中自由操作虛擬示波器的各種球形旋鈕，對(duì)示波器的各種功能進(jìn)行研究，這個(gè)過(guò)程是通過(guò)人機(jī)交互來(lái)實(shí)現(xiàn)的。VRML允許用戶的行為能夠?qū)崟r(shí)作用于場(chǎng)景，場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)通過(guò)EventIn接受事件，通過(guò)EventOut發(fā)出事件，通過(guò)路由將一個(gè)節(jié)點(diǎn)的事件出口和另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的事件入口聯(lián)系成為事件體系使VRML具有動(dòng)態(tài)交互能力。但VRML語(yǔ)言本身所能完成的交互功能是有限的，要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)交互控制功能還需要通過(guò)腳本語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。VRML提供了一個(gè)Script腳本節(jié)點(diǎn)，通過(guò)該節(jié)點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜交互操作和邏輯控制等功能。Script節(jié)點(diǎn)允許用戶創(chuàng)建自己的域（field）和事件，其中包括EventIn入事件和EventOut出事件，再通過(guò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部程序的編寫來(lái)完成目標(biāo)功能。它支持多種腳本語(yǔ)言，如JavaScript，VRMLScript，VBScript等。

圖2 掃描時(shí)間調(diào)節(jié)

2.1 定義放大的球狀電子觀察其運(yùn)動(dòng)

使用語(yǔ)句USE定義電子陣列。

2.2 定義控制開(kāi)關(guān)

打開(kāi)開(kāi)關(guān)后電子開(kāi)始做正弦運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)效果。場(chǎng)景中傳感器節(jié)點(diǎn)通常定義了觸發(fā)事件，它通過(guò)路由發(fā)送給場(chǎng)景中的其他節(jié)點(diǎn)的入事件。如傳感器節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)事件直接傳遞到插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生關(guān)鍵值插值，也可以傳遞Script節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算處理產(chǎn)生關(guān)鍵值插值。

2.3 定義時(shí)間傳感器（TimeSensor）

TimeSensor用來(lái)執(zhí)行開(kāi)始、停止及其他控制動(dòng)畫的動(dòng)作，它通過(guò)定時(shí)產(chǎn)生事件來(lái)表示時(shí)間的變化。

2.4 事件驅(qū)動(dòng)

場(chǎng)景的變化需要一系列的變化數(shù)值，產(chǎn)生變化數(shù)值的節(jié)點(diǎn)可以是插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)或者Script節(jié)點(diǎn)。域值通過(guò)Route語(yǔ)句傳送，由節(jié)點(diǎn)的入事件接收并處理。Script結(jié)點(diǎn)在VRML場(chǎng)景中不被顯示，其工作原理如圖1所示。Script結(jié)點(diǎn)也可以由若干個(gè)入事件、出事件和包含腳本程序的url域等構(gòu)成。其中入事件EventIn用來(lái)接收來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的出事件，并交給對(duì)應(yīng)的同名函數(shù)進(jìn)行處理。url域中的處理函數(shù)計(jì)算出新的數(shù)值，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)的出事件EventOut發(fā)送出去。

圖3 y增益調(diào)節(jié)

2.5 路由（Route）語(yǔ)句

Route語(yǔ)句把一個(gè)節(jié)點(diǎn)的事件EventOut連接到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的事件EventIn，從而建立指定節(jié)點(diǎn)的域之間的通道。Route語(yǔ)句由出事件激活，當(dāng)發(fā)生一個(gè)出事件的時(shí)候，包含該事件EventOut的Route語(yǔ)句就被調(diào)用，對(duì)應(yīng)的事件EventIn就會(huì)接收到信息，同時(shí)可以對(duì)事件EventIn做出相應(yīng)的處理，從而改變節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電子的正弦運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié) 論

通過(guò)使用VRML的Script節(jié)點(diǎn)編程實(shí)現(xiàn)了基于VRML技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)交互控制技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有交互控制功能的電子示波器實(shí)驗(yàn)。采用高級(jí)語(yǔ)言如JavaScript或VRMLScript等與VRML混合編程彌補(bǔ)了VRML自身如邏輯判斷、場(chǎng)景精確控制等不足問(wèn)題。利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備以及教學(xué)經(jīng)費(fèi)不足等的影響。開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)基于B／S模式，程序的運(yùn)行、開(kāi)發(fā)和維護(hù)都是在服務(wù)器端進(jìn)行的，系統(tǒng)易于擴(kuò)展功能，靈活方便、安全可靠。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展前景十分誘人，特別是與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，在某種意義上說(shuō)它將改變?nèi)藗儗?duì)空間和時(shí)間的看法。利用它開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)必將對(duì)教育、教學(xué)質(zhì)量的提高，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及能力的培養(yǎng)起到積極而重要的作用。

［1］王瑛.基于 VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)的研究與設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013，23（5）：239－242.

［2］吳迪，劉軍，吳億維，等.基于Simulink和VR技術(shù)的三線擺實(shí)驗(yàn)仿真研究［J］.沈陽(yáng)師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，30（2）：185－187.

［3］曹詠弘，范榮強(qiáng)，范錦彪，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的彈丸時(shí)空位置再現(xiàn)技術(shù)研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010，30（1）：91－94.

［4］黃文麗，盧碧紅，楊志剛，等.VRML語(yǔ)言入門與應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

［5］吳北新.虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［6］LU C H.Introduction and enhancement of VRML［M］.Beijing：Peking university press，2003，201－202.

［7］顧冬華，王俊杰，楊立.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于電工實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的嘗試［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2010（13）：55－56.

［8］余東先，杜紀(jì)霞.基于 VRML－JAVA遠(yuǎn)程虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］.河南科學(xué)，2010，28（5）：600－604.

［9］王昊鵬.VRML基于高程格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜造型研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（1）：211－212.

［10］吳迪，吳億維，劉軍，等.基于VRML及JavaScript的氣墊導(dǎo)軌上交互式三維虛擬實(shí)驗(yàn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2012，32（6）：17－20.

［11］王建中，李定國(guó)，張家昌，等.基于VRML的工程熱物理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006，25（12）：1530－1532.

［12］LIGOS C.V·RealmTMbuilder user's guide and reference［EB／OL］.［2011－10－05］.http：∥www.few.vu.nl／～eliens／documents／vrml／V－Realm.