基于VRML的虛擬實驗的構(gòu)建探究

摘 要：在各級學校的教學過程中，理論教學和實驗教學是相輔相成的兩種教學方式，但是，傳統(tǒng)意義上的實驗室容易受到各種控件和時間等因素的限制，且建設專門的實驗室環(huán)境投入較大，且效費比較低，所以，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來構(gòu)建虛擬實驗平臺也就逐漸發(fā)展起來。在此背景下，本位以計算機組成原理的實驗需求為例進行開發(fā)，設計了基于VRML（Virtual Reality Model Language）的虛擬實驗室系統(tǒng)，通過采用一種新的虛擬模型實現(xiàn)與網(wǎng)站的連接，可以在一定程度上解決傳統(tǒng)方式的缺陷。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗室；虛擬實驗；虛擬現(xiàn)實建模語言

中圖分類號：TP391.9

在學校教學環(huán)節(jié)中，為了實現(xiàn)教學目標，需要將理論教學和實驗教學相結(jié)合才可以。而對于大學教學中的理工科教學，由于各類課程更具有較高的實踐性，也就使得實驗教學更成為不可缺少的環(huán)節(jié)。通過實驗教學環(huán)節(jié)，可以有效提供學生的動手能力，也可以更好的掌握和理解教學內(nèi)容，深入理解教學知識。不過，傳統(tǒng)的實驗教學容易受到多種因素的限制，比如時間和空間層面的限制等。

作為實現(xiàn)與虛擬環(huán)境進行交互的重要手段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)成為一種豐富人類科研方式、提高技術(shù)水平和拓寬生產(chǎn)實踐領(lǐng)域的一種重要手段和方式。構(gòu)建虛擬實驗室，其根本出發(fā)點就是采用虛擬實驗環(huán)境中的一體化平臺，讓參與者能夠體驗到真實的實驗環(huán)境。所以，文中才對基于VR技術(shù)的虛擬實驗室進行研究。

1 虛擬實驗室工具

在技術(shù)發(fā)展的推動下，誕生了基于計算機屏幕的桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以為用戶提供觀察虛擬環(huán)境的窗口，利用計算機外部設備，比如鍵盤和鼠標實現(xiàn)對虛擬環(huán)境對象的操控。雖然這種基于桌面的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的真實感低于沉浸虛擬現(xiàn)實，但是具有技術(shù)簡單、成本較低的特點，所以，可以很好的滿足教學過程中的實驗教學環(huán)節(jié)，成為虛擬實驗室開發(fā)的主要工具。

現(xiàn)在，能夠用于虛擬現(xiàn)實開發(fā)的技術(shù)有多種，比較主流的包括VRML、Cuh3D、Java3D、OpenGL等，這些技術(shù)和平臺，可以根據(jù)其自身的特點，有針對性的應用在多種虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域中。而文中所重點研究的虛擬現(xiàn)實建模語言VRML，作為一種三維造型和渲染的圖形描述語言，具有多種特性和優(yōu)點，比如交互性、平臺無關(guān)性以及可擴展性等。盡管VRML平臺所構(gòu)建的三維造型，其視覺感官性比不上專業(yè)三維軟件的性能，但是，采用VRML語言所構(gòu)建的模型文件更小，模型的靈活性更高，易于在網(wǎng)絡環(huán)境中采用，也適合在網(wǎng)絡平臺下傳輸。

所以，文中所研發(fā)系統(tǒng)就是采用VRML技術(shù)。現(xiàn)在，能夠使用的VRML開發(fā)工具也比較多，比如基于可視化的Internet Space、基于文本的VrmlPad，以及三維建模軟件3DSMAX等，不過，考慮到實驗室虛擬環(huán)境構(gòu)建的方便性和通用性，文中主要采用基于VrmlPad的VRML集成環(huán)境來完成具體開發(fā)過程，該集成環(huán)境能夠為開發(fā)人員提供制作三維模型的可視化編程界面，大幅減少程序代碼的輸入量，提供整個虛擬環(huán)境的開發(fā)效率。

2 虛擬實驗室體系結(jié)構(gòu)與原理

在虛擬實驗的開發(fā)之初，就考慮到通過學校的校園網(wǎng)絡來完成虛擬實驗的需要，制定了構(gòu)建Web環(huán)境下的虛擬實驗室開發(fā)方案。采用這種形式的虛擬實驗室構(gòu)造方式，根本上屬于基于Web的軟件仿真實驗，需要采用基于C/S模式的多層體系結(jié)構(gòu)來構(gòu)建。這種軟件架構(gòu)以Web應用為核心，主要包括客戶端、Web服務器和數(shù)據(jù)庫等3個不同的層。采用這種軟件模式，也與VRML的訪問方式符合，其中，Web服務器能夠為系統(tǒng)提供VRML文件和資源，客戶端則支持VRML通過網(wǎng)絡瀏覽器實現(xiàn)文件下載，從而為本地虛擬場景的生成提供支持。具體結(jié)果如圖1中所示。

圖1 系統(tǒng)所采用體系結(jié)構(gòu)模型圖

采用此類型的結(jié)構(gòu)，其具體工作過程是先由客戶終端向Web服務器發(fā)起服務請求，然后在通過Web服務器向數(shù)據(jù)庫服務器提供請求，在服務器接收到數(shù)據(jù)庫服務器的響應后，向客戶終端返回服務請求結(jié)果。這樣，就可以在客戶端與數(shù)據(jù)庫服務器不進行直接聯(lián)系的情況下，完成數(shù)據(jù)傳輸和共享，保證了數(shù)據(jù)的安全性。在網(wǎng)絡環(huán)境搭建中，采用基于.NET平臺來完成，該平臺能夠提供集成的、無縫的連接組件庫，為用戶提供動態(tài)虛擬網(wǎng)站的快速開發(fā)支持。

3 建立實驗室虛擬對象

通過虛擬實驗室來完成實驗過程，需要對實驗器件進行操作。所以，就應該針對實驗中所采用的各種器件進行模型構(gòu)建。此處以計算機組成原理的課程實驗為例，對一系列的芯片模型進行構(gòu)建，其中包括了電源、開關(guān)、LED等多種元器件，這些元器件的模型構(gòu)建則參考Prote 99SE中元器件的構(gòu)造和外觀來進行。具體過程為：

首先，對各種元器件的基本結(jié)構(gòu)和框架圖進行繪制，選擇和確定每個元器件的物理外觀和外形特征；接著，在VrmlPad文本編輯器中完成代碼編輯，充分發(fā)揮可視化編程的特點，對模型進行實時調(diào)整，以實現(xiàn)與真實元器件相似的效果；最后，生成模型文件。

在虛擬實驗室中，需要進行建模的對象通常會有多種，所以，對于外觀和造型相似的對象，就應該設計通用的模型文件來表示，而其他模型只要在通用模型上增加或者改變一些特性即可。此處以計算機組成原理教學過程中的實驗芯片74LS181為例，闡述其幾個建模過程，構(gòu)建起外形。腳本如下：

Background{skyColor 1.0 1.0 1.0} #這設置芯片的背景顏色

Shape{appearance Appearance{Material Material{} geometry Box{}}#構(gòu)造芯片形狀

Transform { geometry Text{ string 74LS181 maxExtent 2.0}}#設置芯片坐標和坐標轉(zhuǎn)換

利用上述腳本，基本可以完成該芯片的實體構(gòu)建，如果還想對其他74LS系列芯片進行構(gòu)建，則只需要在這些腳本的基礎上改變相應的語句值即可，或者添加一些特殊性質(zhì)的語句，避免了重新構(gòu)造過程。這樣，就可以大大減少工作量，提高模型構(gòu)建的效率。

完成了元器件模型的構(gòu)建后，采用*.wrl格式進行存儲。不過，在大量文件模型存在的情況下，難以對想要的模型進行快速查找，所以，還需要將每個模型文件的存儲地址都保存到數(shù)據(jù)庫表中。這樣，就可以在需要調(diào)用某個模型文件時，通過數(shù)據(jù)庫對其進行調(diào)用即可，如果需要進行元器件的擴展，則只需要將擴展的新元器件文件地址更新到數(shù)據(jù)庫中，通過對元器件位置的調(diào)用，就可以完成系統(tǒng)更新。

4 虛擬實驗室系統(tǒng)應用

完成了對虛擬對象的建模過程后，也就實現(xiàn)了對虛擬實驗環(huán)境的構(gòu)建。接著，就需要通過虛擬網(wǎng)站的構(gòu)建來完成模型連接過程，進而構(gòu)成一個交互性的網(wǎng)絡系統(tǒng)，使用用戶通過網(wǎng)站登錄來進行實驗操作過程。通常，可以通過網(wǎng)頁中的控件完成虛擬模型的調(diào)用，完成對不同模型的交互調(diào)用。不過，考慮到模型文件的具體格式，在將VRML文件嵌入到網(wǎng)頁時，需要添加一些腳本。

模型間的交互過程中，需要在網(wǎng)頁中嵌入大量虛擬建模語言，以及程序腳本，而在實際的開發(fā)過程中，這種方式的是實現(xiàn)難度較大，且頻繁對后臺數(shù)據(jù)庫進行調(diào)用，會增加服務器的工作負擔，從而給虛擬實驗室的整體性能產(chǎn)生影響。

所以，為了避免出現(xiàn)該問題，文中采用了另一種連接方式，具體如圖2中所示。完成了具體對象模型的構(gòu)建后，則可以創(chuàng)建一個主虛擬文件，即Main.wrl，其能夠?qū)唧w的對象模型進行調(diào)用，且作為這些模型的承載和調(diào)用平臺，能夠通過Vrmlpad的可視化編程對各個模型的位置坐標和布局進行自動設定。實驗過程中，需要通過網(wǎng)絡將Main.wrl文件下載到客戶端，這樣，就不需要對平臺進行頻繁的訪問，可以利用一次訪問對所有的虛擬部件進行下載。

圖2 客戶端連接模型

5 結(jié)束語

在教學過程中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是構(gòu)建實驗室環(huán)境的一種新技術(shù)，使得教學過程可以在虛擬環(huán)境下完成實驗操作，還可以突破時間和空間的諸多限制，環(huán)節(jié)實驗室建設的成本和資金壓力，對實驗室的發(fā)展具有非常重要的意義。

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作者簡介： 謝文達，男，廣東陽江人，碩士，教師，講師，研究方向：計算機應用、虛擬現(xiàn)實。

作者單位：江門職業(yè)技術(shù)學院，廣東江門 529000