基于WebGL的電路實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)研發(fā)

魏紅君 閻俊 謝薇

（1.河北工程大學(xué) 河北省邯鄲市 056000 2.河北建筑工程學(xué)院 河北省張家口市 075000）

1 引言

電路實(shí)驗(yàn)是一門基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)課程，尤其對于理工類專業(yè)非常重要。該課程實(shí)踐性非常強(qiáng)，通過培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，鞏固理論知識提高工程技能。在教學(xué)過程中要求學(xué)生始終在電路實(shí)驗(yàn)操作臺上進(jìn)行實(shí)際電路的搭接和測試。這樣的教學(xué)模式會遇到諸如教學(xué)活動受時空限制過大、實(shí)驗(yàn)室資源不足、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)匱乏等問題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果差，達(dá)不到理想的教學(xué)目標(biāo)。因此，研發(fā)一套基于Web 的電路實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)意義重大。通過該系統(tǒng)，師生可以通過瀏覽器，在形象逼真的虛擬環(huán)境下開展在線教學(xué)，突破了時空限制，降低了教學(xué)成本，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教師的教學(xué)熱情。

2 仿真技術(shù)概述

2.1 仿真

仿真技術(shù)最早出現(xiàn)于19 世紀(jì)40年代，在計算機(jī)領(lǐng)域直到19世紀(jì)80年代中后期虛擬仿真一詞才被正式提出，也正是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大大促進(jìn)了仿真技術(shù)的進(jìn)步。現(xiàn)代的虛擬仿真就是利用計算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等為人類提供直觀的、真切的數(shù)據(jù)計算與信息處理平臺。通過虛擬仿真過程，人類可以將模型原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更具應(yīng)用價值的、更具實(shí)用意義的信息，從而進(jìn)一步挖掘知識、創(chuàng)造智慧，為人類認(rèn)識客觀規(guī)律、改造客觀世界提供重要的決策參考和行動指南。

實(shí)現(xiàn)仿真的要素包括三個：模型、方法和工具。

（1）模型，模型就是高度抽象的現(xiàn)實(shí)對象。它是實(shí)現(xiàn)仿真的首要要素，模型質(zhì)量的好壞直接決定著仿真結(jié)果的質(zhì)量好壞，甚至決定著仿真工作的成敗。根據(jù)不同的應(yīng)用場景或價值目標(biāo)，可以建立客觀事物的數(shù)學(xué)模型、物理模型、結(jié)構(gòu)模型等等，計算機(jī)仿真的目的一般是為了評估系統(tǒng)行為或活動特征，因而數(shù)學(xué)模型仿真更為廣泛。

（2）方法，方法就是根據(jù)模型的屬性特征、行為規(guī)律等進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時采取的方式、手段、途徑等。仿真方法的優(yōu)劣決定著仿真結(jié)果質(zhì)量的優(yōu)劣，科學(xué)合理的仿真方法能夠保證實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建時的價值目標(biāo)，仿真結(jié)果能夠高度接近真實(shí)事物的行為特征或運(yùn)動規(guī)律，保證仿真結(jié)論的客觀性、真實(shí)性、權(quán)威性。

（3）工具，廣泛地講仿真工具包括實(shí)現(xiàn)仿真時所使用的人力、物料等。仿真工具的優(yōu)劣決定著仿真效率的高低，也決定著仿真體驗(yàn)的好壞。物料角度來說，計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的仿真，其工具包括硬件設(shè)備和軟件程序。硬件性能高，例如計算速度快、精度高，存儲容量大、數(shù)據(jù)吞吐率高等，不但可以加快仿真結(jié)果的形成節(jié)約時間，也能改善仿真過程的交互體驗(yàn)，讓人類可以充分參與到仿真過程中。仿真軟件也決定著仿真過程的效率和仿真結(jié)果的質(zhì)量，其中包括，仿真算法、仿真語言、仿真程序及仿真軟件工具庫等。

2.2 WebGL

圖1：WebGL 應(yīng)用架構(gòu)

圖2：電路實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)組件語義分析

WebGL 全稱為Web Graphics Library，即網(wǎng)頁圖形庫。是一種在網(wǎng)頁環(huán)境下繪制圖形的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。網(wǎng)頁開發(fā)人員可以利用網(wǎng)頁編程語言JavaScript 結(jié)合OpenGL 圖形庫為HTML5 Canvas 提供二維或三維圖形參數(shù)，在瀏覽器下利用底層圖形硬件加速功能進(jìn)行渲染，速度快、無需第三方插件即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的場景渲染和數(shù)據(jù)的可視化，解決了瀏覽器傳統(tǒng)插件機(jī)制帶來的諸多問題，實(shí)現(xiàn)了模式的標(biāo)準(zhǔn)化、環(huán)境的統(tǒng)一化，系統(tǒng)的跨平臺等。WebGL 的這種突出優(yōu)勢為本應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)保障。另外，它也是一個開源標(biāo)準(zhǔn)，所有開發(fā)者均可免費(fèi)使用，降低了開發(fā)成本，其生成的圖像質(zhì)量也非常高、交互性好，為本系統(tǒng)的用戶友好性提供了保障。WebGL 應(yīng)用架構(gòu)如圖1 所示。

3 電路實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)

3.1 仿真框架

為了更接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，盡量還原實(shí)際實(shí)驗(yàn)場景，首先對電路實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)進(jìn)行了研究，對實(shí)際實(shí)驗(yàn)場景、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)器件進(jìn)行了分析，最終確定以基于語義的組件化的方式建立實(shí)驗(yàn)仿真模型。在電路實(shí)驗(yàn)場景中，需要組件化的語義對象很多，包括：三相交流電路、測量儀表組、直流電路單元、RC 選頻網(wǎng)絡(luò)、一階二階電路、諧振電路等等，這些組件的組合構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖3：電路實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)功能模塊

圖4：直流電路實(shí)驗(yàn)仿真組件渲染效果

仿真框架的構(gòu)建，以實(shí)際實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M為基本語義單位，這樣既可以向上聚合成為整體的實(shí)驗(yàn)場景，也可以向下分解為更小的器件級實(shí)驗(yàn)語義單位，從而構(gòu)成三層語義模型，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供靈活多變、高度適應(yīng)的組織形式。

3.2 模塊功能

電路實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)是基于B/S 模式的，分為瀏覽器端和服務(wù)器端，瀏覽器端負(fù)責(zé)界面呈現(xiàn)、圖形渲染、數(shù)據(jù)交互等工作，服務(wù)器端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析計算、文件管理、用戶管理等工作，系統(tǒng)總體功能模塊如圖3 所示。

按照教學(xué)內(nèi)容及職責(zé)的不同，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況簡化管理、使用和學(xué)習(xí)成本，系統(tǒng)將用戶分為學(xué)生、教師兩種角色。教師在該系統(tǒng)中負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組織、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理、實(shí)驗(yàn)作業(yè)批改、實(shí)驗(yàn)成績評價、用戶賬戶管理等工作，學(xué)生主要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)內(nèi)容學(xué)習(xí)瀏覽、仿真過程交互、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測評等操作。

3.3 構(gòu)件開發(fā)

電路實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)采用基礎(chǔ)構(gòu)件加語義組件的模式進(jìn)行開發(fā)，涉及到的開發(fā)環(huán)節(jié)多、技術(shù)難度大，系統(tǒng)容錯性、穩(wěn)定性要求高，因此，選擇一個合適的開發(fā)工具十分重要。本文在設(shè)計和實(shí)現(xiàn)中采用基于WebGL 的Three.js 框架進(jìn)行開發(fā)。該框架是WebGL 的更高一層的封裝，提供了豐富的功能，使用方式簡單便捷，學(xué)習(xí)成本低，其在系統(tǒng)中的應(yīng)用解決了使用原生WebGL 開發(fā)難度大、開發(fā)效率低的問題。該框架使用JavaScript 語言編寫，瀏覽器兼容性好，支持面向?qū)ο蟮拈_發(fā)，支持模型數(shù)據(jù)的導(dǎo)出、矩陣數(shù)據(jù)的自動生成，材質(zhì)、燈光、著色器等的參數(shù)化創(chuàng)建等，為系統(tǒng)的快速開發(fā)和部署提供了保障。

4 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

電路實(shí)驗(yàn)主要面向大學(xué)本科理工類專業(yè)學(xué)生，是配合電路基礎(chǔ)類課程教學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的教學(xué)過程是學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提前進(jìn)行書面預(yù)習(xí)，然后集中到實(shí)驗(yàn)室，先由實(shí)驗(yàn)教師講解、演示實(shí)驗(yàn)過程，說明實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，再由學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作、提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)報告。這種過程有幾個顯然的弊端：

（1）預(yù)習(xí)內(nèi)容的形式不直觀，無法動手實(shí)踐進(jìn)行體會，知識掌握不牢固；

（2）實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求足夠多，時空依賴性高、實(shí)驗(yàn)成本高；

（3）實(shí)驗(yàn)性質(zhì)本身決定了實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)備、器件損壞的可能性高。

本文的研發(fā)解決了以上問題，可以跨時空、低成本、高效率、逼真直觀地展開電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)。部分應(yīng)用實(shí)現(xiàn)如圖4 所示。

5 結(jié)束語

基于WebGL 設(shè)計開發(fā)的電路實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降脑S多不足，為跨時空、低成本、高效率地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個強(qiáng)有力的工具和平臺。有助于學(xué)生便捷直觀地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，提高實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；有助于教師降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率、保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)必將成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)新的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。