胡麗芳 胡自凱

摘要：由于時(shí)間和空間的限制，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)往往不能滿足全部學(xué)生的需求，為此，設(shè)計(jì)出了一套基于VRML技術(shù)的計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生只要通過網(wǎng)絡(luò)就可以隨時(shí)隨地做實(shí)驗(yàn)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足。

關(guān)鍵詞：VRML技術(shù)； 虛擬實(shí)驗(yàn)；計(jì)算機(jī)組成原理

中圖分類號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）06-1220-03

The Design of Virtual Experiment System of Computer Organization and Architecture Based on VRML

HU Li-fang1， HU Zi-kai2

（1.Jiaozuo Teachers College of Computer and Information Engineering College， Jiaozuo 454000，China； 2 Puyang City Zi Elementary， Puyang 457000，China）

Abstract： Due to the limitation of time and space， the traditional experiment cant meet all the needs of the students， therefore， designed a set of virtual experiment system of computer organization and architecture based on VRML technology， students can do the experiment anywhere， effectively overcomes the shortcoming of the traditional experiment.

Key words： VRML technology； virtual experiment； computer organization and architecture experiments

在高職院校中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)占有非常重要的地位，是提高學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)、動(dòng)手能力的一個(gè)重要手段。目前，由于各種原因，許多學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和手段還不能完全滿足要求。與此同時(shí)，近年來計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建提供了有效的支撐。

《計(jì)算機(jī)組成原理》是計(jì)算機(jī)專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一，做實(shí)驗(yàn)又是該課程的一個(gè)重要部分，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)可以深入了解計(jì)算機(jī)是如何進(jìn)行算術(shù)計(jì)算、怎樣存儲(chǔ)信息并且能更好的掌握計(jì)算機(jī)的硬件組成[1]。目前，國(guó)內(nèi)部分院校已開發(fā)出了計(jì)算機(jī)組成原理課程的網(wǎng)絡(luò)課程，但這些網(wǎng)絡(luò)課程大多數(shù)為靜態(tài)的網(wǎng)頁(yè)展示或動(dòng)畫演示，并未開發(fā)出具有3D虛擬場(chǎng)景，交互性較好的計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[2]。因此，具有三維交互性的計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得非常重要。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

VRML（Virtual Reality Modeling Language，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言）是一種三維場(chǎng)景描述性語(yǔ)言，利用它能在網(wǎng)頁(yè)上創(chuàng)建具有導(dǎo)航及超鏈接功能的三維虛擬空間。VRML的工作原理可以簡(jiǎn)單描述成：文本描述、遠(yuǎn)程傳輸及本地計(jì)算生成。VRML并不是使用三維坐標(biāo)點(diǎn)描述物體的，而是使用了一種類似于HTML的標(biāo)記文本語(yǔ)言來描述三維場(chǎng)景，因此使用它編寫的文件所占的空間非常小，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求不高[3]。利用VRML技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能為學(xué)生提供一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，具有超強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)感，可充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

該系統(tǒng)主要模擬仿真清華大學(xué)科教儀器廠生產(chǎn)的TEC—4計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀。使用VRML技術(shù)構(gòu)建三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并通過ASP技術(shù)及B/S（Browser/Server 瀏覽器/服務(wù)器）三層結(jié)構(gòu)的設(shè)置，構(gòu)建網(wǎng)頁(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上供學(xué)生使用。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建主要包括兩個(gè)方面：

1）靜態(tài)環(huán)境：主要指實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景的構(gòu)建。首先使用Vrmlpad建模工具對(duì)一些簡(jiǎn)單的形體（如實(shí)驗(yàn)臺(tái)、地板、墻壁等）進(jìn)行建模，再利用專業(yè)三維建模軟件3DSMax對(duì)導(dǎo)線、芯片、面包板等一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行建模。由于3DSMax對(duì)物體描述的精度比較高，因此使用它建造的一些形體轉(zhuǎn)到Vrmlpad后生成的文件中會(huì)存在大量多余代碼，所以必須進(jìn)行優(yōu)化處理[4]。建模過程如圖2所示：

圖2 建模過程

2）動(dòng)態(tài)環(huán)境：主要是指器材的功能顯示。即模仿真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作效果，例如用鼠標(biāo)單擊開關(guān)按鈕后產(chǎn)生的按下和彈起的動(dòng)態(tài)過程、點(diǎn)擊導(dǎo)線之后出現(xiàn)的自動(dòng)連線效果等。

2.2 交互控制的設(shè)計(jì)

該部分的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求提供了面包板、連線等實(shí)驗(yàn)器材，并且還提供了一個(gè)操作標(biāo)記，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)者完成操作。學(xué)生通過鼠標(biāo)將指令直接傳送給虛擬空間，空間接到用戶請(qǐng)求，將消息傳遞給相應(yīng)的腳本程序，腳本程序經(jīng)過一系列的計(jì)算，然后以相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)效果反饋給學(xué)生。

該部分功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠各種接觸傳感器節(jié)點(diǎn)（TouchSensor）、VRMLScript編寫的腳本程序以及ROUTE語(yǔ)句[3]。首先在系統(tǒng)中定義一系列的TouchSensor分布在每個(gè)需要進(jìn)行交互操作的虛擬物體上，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到一定步驟時(shí)，將下步的傳感器激活，同時(shí)把其他步驟上需要的傳感器全置為無(wú)效，這樣即可實(shí)現(xiàn)讓實(shí)驗(yàn)者根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求按步進(jìn)行操作。在這個(gè)過程中，使用設(shè)置好的Script（腳本）節(jié)點(diǎn)來控制這些觸發(fā)事件的實(shí)現(xiàn)，這些腳本可以將用戶的操作進(jìn)行轉(zhuǎn)化，控制相應(yīng)的對(duì)象，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬交互功能。交互式虛擬實(shí)驗(yàn)事件驅(qū)動(dòng)體系的流程圖如圖3所示[5]

圖3 事件交互體系流程

下面以實(shí)現(xiàn)連線為例：

實(shí)驗(yàn)者按照實(shí)驗(yàn)要求，點(diǎn)擊相應(yīng)的面包板上的插座，這時(shí)系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)連線。為了模擬這個(gè)過程，建模時(shí)事先使用Extrusion節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)位置建成實(shí)驗(yàn)所需的全部連線，但是開始時(shí)用Switch節(jié)點(diǎn)將它們隱藏起來。隨著實(shí)驗(yàn)過程的進(jìn)展，當(dāng)學(xué)生用鼠標(biāo)單擊指定位置時(shí)，在腳本程序的控制下，相應(yīng)位置就會(huì)顯示連線。圖4為連線完成后的效果：

圖4 連線完成效果圖

以下是實(shí)現(xiàn)該功能的部分程序代碼：

1）初始建模時(shí)隱藏導(dǎo)線的設(shè)置（以第一根導(dǎo)線為例）

DEF line_M2_VCC1_switch Switch {

#定義了插座M2和VCC1之間的連線

whichChoice -1 #表示初始時(shí)處于隱藏狀態(tài)

choice [

DEF line_M2_VCC1 Transform {

children[

Transform {

…… #省略了導(dǎo)線線身和插頭的定義

2） 控制導(dǎo)線顯示的腳本程序

DEF change_line0 Script {

eventIn SFBool input

eventOut SFInt32 output

function input （value，time）

{

if （value==1）

output=0；

}"}

……

3） 路由表設(shè)置如下

ROUTE touch_vcc1.isActive TO change_line0.input

ROUTE change_line0.output TO line_M2_VCC1_switch.set_whichChoice

上述代碼表示當(dāng)插座VCC1上的觸發(fā)器被激活時(shí)，將發(fā)送一個(gè)消息給控制導(dǎo)線顯示腳本，腳本接到消息并經(jīng)過處理后，再發(fā)送命令給Switch節(jié)點(diǎn)，這樣就可以達(dá)到顯示導(dǎo)線的目的了。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)上發(fā)布

結(jié)合其它網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)構(gòu)建完成的三維虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景進(jìn)行整合[6]，如圖5所示。之后把該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)傳送到Web服務(wù)器上，學(xué)生只需要登錄就可以隨時(shí)隨地進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

圖5 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

4 結(jié)束語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的時(shí)空限制，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和空間上得到有效的延伸。虛擬實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)有益的補(bǔ)充，既能節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)費(fèi)，也有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

參考文獻(xiàn)：

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