夏俊博

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)被應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域，自然教育領(lǐng)域也不例外。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、虛擬技術(shù)，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了用軟件虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，有效降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的形式。本文介紹了幾種虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)，以VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)為主要探討。VRML語(yǔ)言為開發(fā)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室提供了經(jīng)濟(jì)有效的手段?；赩RML技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室可提高教學(xué)效率、降低教學(xué)成本。本文主要介紹了VRML語(yǔ)言，提出了使用VRML技術(shù)開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)類型和實(shí)現(xiàn)方法，希望使其成為一種有效的輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段。

關(guān)鍵詞：VRML；虛擬實(shí)驗(yàn)

前言

虛擬實(shí)驗(yàn)室具有較高的模擬度，能夠利用軟件系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、方法的分享。并且虛擬實(shí)驗(yàn)操作更加方便、直觀，實(shí)驗(yàn)效率更高、成本更低，不僅有利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解與記憶，更能夠幫助學(xué)生積累實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的新型技術(shù)，基于虛擬仿真技術(shù)、WEB技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，最早提出于一九八九年，現(xiàn)如今已被應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域。為了提高高等教育質(zhì)量，適應(yīng)教育體制改革，我國(guó)高校紛紛積極推廣和應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。當(dāng)前我國(guó)高校使用的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)只有：FLASH、VRML、ActiveX、JAVA、QUICKTIME等，虛擬實(shí)驗(yàn)室已成為高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的主流方向，虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建技術(shù)值得研究。

一. 虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)

1.常用虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)

1. 基于Java的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)。JAVA技術(shù)具有較強(qiáng)的安全性和可移植性，且兼容性好，基于JAVA平臺(tái)開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)室靈活性較強(qiáng)，能夠適用不同硬件平臺(tái)及操作系統(tǒng)，且穩(wěn)定性好，具有內(nèi)存自動(dòng)管理機(jī)制，系統(tǒng)運(yùn)行效率和性能都比較高，不易發(fā)生崩潰或BUG，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。此外，JAVA平臺(tái)虛擬實(shí)驗(yàn)室，具有較強(qiáng)的交互性，能夠通過(guò)多線程處理模式，提供更多功能，能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效率大大提升。但基于JAVA平臺(tái)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)過(guò)程缺乏真實(shí)性，一些時(shí)候三維場(chǎng)景會(huì)出現(xiàn)播放不流暢的現(xiàn)象，會(huì)影響整體實(shí)驗(yàn)效果，因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)，必須要做好優(yōu)化。

2. 基于ActiveX的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)?；贏ctiveX技術(shù)開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，相對(duì)來(lái)說(shuō)開發(fā)成本較低，并且編程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度較高，可插入多媒體效果及交互式對(duì)象，通過(guò)COM/DCOM模型來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建，能夠應(yīng)用復(fù)雜代碼，允許網(wǎng)絡(luò)上的交互動(dòng)作，能夠融入不同軟件開發(fā)的組建，大連理工大學(xué)的氣相色譜儀系統(tǒng)就基于ActiveX技術(shù)開發(fā)。但ActiveX技術(shù)代碼一致性和通用性較差，且運(yùn)行時(shí)內(nèi)存占用大，易崩潰或出現(xiàn)BUG，還存在較大安全隱患。因此，在系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)必須要對(duì)系統(tǒng)安全問(wèn)題進(jìn)行綜合考慮，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3. 基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)。VRML技術(shù)開發(fā)于一九九三年，發(fā)展至今已經(jīng)十分成熟，是非常經(jīng)典的虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)，能夠構(gòu)建復(fù)雜的景物，被廣泛應(yīng)用于生活、生產(chǎn)、科研、軍事、教學(xué)等領(lǐng)域?；赩RML技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室，利用虛擬三維模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，能夠提供交互操作，實(shí)驗(yàn)過(guò)程表現(xiàn)力極強(qiáng)，具有真實(shí)感，能夠滿足對(duì)細(xì)致度要求較高的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠產(chǎn)生三維信息，能利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共享和傳播，VRML文件小，便于移植，開發(fā)成本低，使虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化。

2. VRML組成部分

在語(yǔ)法上， VRML以節(jié)點(diǎn)（Node）作為基本單位。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)單一的3D造型，也可以是一個(gè)造型的材質(zhì)，還可以是動(dòng)畫定時(shí)器、傳感器等。VRML2.0中就定義了54個(gè)節(jié)點(diǎn)，如造型節(jié)點(diǎn)、編組節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、腳本節(jié)點(diǎn)等。節(jié)點(diǎn)包括域和事件，各種信息可以在節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)路由傳遞。

與HTML類似，VRML的解釋執(zhí)行和演示是通過(guò)瀏覽器來(lái)完成的，瀏覽器接受特定文件格式的用戶輸入以及用戶接口模式。

3.基于VRML技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)

VRML具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，它能夠創(chuàng)建三維造型，實(shí)現(xiàn)多媒體制作，可以利用感知傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)感受用戶及造型之間的動(dòng)態(tài)交互感覺。因此，基于VRML技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室具有以下特點(diǎn)。

1. 成本低廉。虛擬實(shí)驗(yàn)室在可視化方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)以及可交互性，不僅大大降低了實(shí)驗(yàn)的材料成本費(fèi)用，而且還可以節(jié)省場(chǎng)地和人力資源成本，減小實(shí)驗(yàn)損耗。此外，基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)資源共享，避免軟件、儀器及設(shè)備等相關(guān)資源的重復(fù)投資。

2. 省時(shí)高效。由于虛擬實(shí)驗(yàn)室通過(guò)軟件來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)硬件，所以無(wú)需準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)，完全可以避免在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一些不可預(yù)知的情況影，實(shí)驗(yàn)效率更高，學(xué)生只需要集中精力研究實(shí)驗(yàn)規(guī)律及對(duì)象即可，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程無(wú)需等待，系統(tǒng)自動(dòng)分析便可顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。另外，虛擬實(shí)驗(yàn)室的快進(jìn)、回放、慢放功能有利于學(xué)生調(diào)取實(shí)驗(yàn)結(jié)果、理解知識(shí)點(diǎn)，能夠大大增加實(shí)驗(yàn)過(guò)程直觀性。

3. 交互靈活。通過(guò)分析可以知道，虛擬實(shí)驗(yàn)室操作過(guò)程是人機(jī)交互，實(shí)驗(yàn)靈活性更強(qiáng)，系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)學(xué)生操作行為作出及時(shí)反饋，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，學(xué)生可以知道自身操作中存在的問(wèn)題，這對(duì)于學(xué)習(xí)效率提升有著很大幫助，實(shí)現(xiàn)了教與學(xué)的雙向交流。

4. 用戶自主。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，學(xué)生多是在模仿教師，學(xué)習(xí)效率低下，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理理解不透徹。而虛擬實(shí)驗(yàn)室則讓學(xué)生成為了實(shí)驗(yàn)中心，學(xué)生可以自己探索操作，這對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣及解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)有著很大幫助。此外，自主探索獲得知識(shí)，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解和記憶更透徹。高校教育中應(yīng)積極推廣和應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生構(gòu)建信息化實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

二. 虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

1.基于VRML技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)組成

虛擬實(shí)驗(yàn)室包含下面幾個(gè)重要的組成部分：提供遠(yuǎn)程用戶訪問(wèn)的Web服務(wù)器；用于存儲(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；用于數(shù)據(jù)處理、分析、存儲(chǔ)并使這幾個(gè)過(guò)程可視化的實(shí)驗(yàn)處理軟件。這可以是基于專業(yè)的仿真軟件系統(tǒng)，也可以是自主開發(fā)的基于Web的實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)。

B/S結(jié)構(gòu)利用了TC/TIP協(xié)議，通過(guò)HTTP傳輸機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)超文本傳輸，通過(guò)終端訪問(wèn)服務(wù)器，獲取響應(yīng)結(jié)果，發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器端。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，實(shí)驗(yàn)效率更高，便于數(shù)據(jù)的保存與管理。服務(wù)器為虛擬實(shí)驗(yàn)室提供了一個(gè)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享，對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)效率有著很大幫助。

VRML利用的是三維建模，通過(guò)三維場(chǎng)景模擬實(shí)驗(yàn)，為了進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)加載速度，VRML文件可存儲(chǔ)在WEB服務(wù)器上，在終端安裝VRML插件，利用瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器調(diào)取所需數(shù)據(jù)，服務(wù)器端負(fù)責(zé)的是數(shù)據(jù)的解析、存儲(chǔ)、發(fā)送、顯示等等。終端利用瀏覽器不僅能夠獲取VRML文件，還能夠利用插件顯示還原三維場(chǎng)景。浙江理工大學(xué)的三維模型試驗(yàn)就是利用了VRML技術(shù)。數(shù)據(jù)信息的傳遞基于HTTP機(jī)制實(shí)現(xiàn)，終端發(fā)送的服務(wù)請(qǐng)求為SQL語(yǔ)句，服務(wù)器接受到請(qǐng)求后，便會(huì)執(zhí)行相應(yīng)結(jié)果，并把分析結(jié)果反饋給終端用戶，并通過(guò)瀏覽器顯示出來(lái)，終端用戶利用VRML插件進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)

（1）虛擬環(huán)境的建立。通過(guò)前文分析可以知道，虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建中虛擬環(huán)境的構(gòu)建非常重要，虛擬環(huán)境是虛擬實(shí)驗(yàn)室的重要組成要素，影響著虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感和整體效果。虛擬環(huán)境包括：視覺建模、聽覺建模、行為建模、幾何建模幾大方面。建模建立時(shí)要盡量真實(shí)還原實(shí)驗(yàn)過(guò)程，做好足夠自然、逼真，應(yīng)增加必要的音效和視覺效果，以提升虛擬環(huán)境的渲染效果，給學(xué)生帶來(lái)不同實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)。

（2）交互控制。對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，交互控制非常重要，是影響實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)的關(guān)鍵，為了能夠提供直觀、清晰的交互控制，在系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用串行控制方式，規(guī)劃好操作流程和具體交互操作順序，保障給定建模能夠發(fā)揮職能，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)的開展。這種設(shè)計(jì)思路，不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，且操作過(guò)程清晰，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)操作簡(jiǎn)單，容易理解和記憶，對(duì)于提高教學(xué)效率有著很大幫助。

（3）系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)?，F(xiàn)如今，網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為主流虛擬實(shí)驗(yàn)室，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中就應(yīng)該把網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的應(yīng)用考慮在內(nèi)，支持遠(yuǎn)程教學(xué)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，把需要的數(shù)據(jù)部分進(jìn)行共享，利用服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布。學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)就可以訪問(wèn)到虛擬實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)器，進(jìn)行遠(yuǎn)程操作、瀏覽、填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，完成實(shí)驗(yàn)操作。教師也可以利用網(wǎng)絡(luò)閱讀實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教學(xué)有效性便可大大提高，且這對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣的培養(yǎng)，學(xué)習(xí)動(dòng)力的激發(fā)也有著顯著作用。

3. 五種技術(shù)的分析與探討

1）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景角度分析。從實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景角度分析，QTVR采用實(shí)景建模。Flash軟件通過(guò)Flash3D引擎可實(shí)現(xiàn)三維效果，適用于要求不高的虛擬實(shí)驗(yàn)。VRML技術(shù)雖然三維效果比較好，但開發(fā)難度高，對(duì)三維虛擬環(huán)境的建模非常復(fù)雜，經(jīng)常與3DMAX結(jié)合應(yīng)用。

2）人機(jī)交互能力分析。Java通過(guò)applet與多線程可以提供靈活的顯示與強(qiáng)大交互作用。VRML利用軟件設(shè)置一個(gè)傳感器附在一個(gè)造型上來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)觀察者的移動(dòng)、點(diǎn)擊和拖動(dòng)，但它直接接收實(shí)驗(yàn)者輸入的實(shí)驗(yàn)參數(shù)的能力很弱。QTVR技術(shù)使參與者可以自己控制體驗(yàn)的進(jìn)程和順序，可以只挑選自己感興趣的部分。Flash具有強(qiáng)大的交互能力，在Flash MX版本中的腳本語(yǔ)言（Action Script）功能強(qiáng)大，通過(guò)它可開發(fā)出很強(qiáng)功能的交互式網(wǎng)絡(luò)動(dòng)畫。

3）網(wǎng)絡(luò)適用性分析。Flash適用于所有系統(tǒng)，包括Linux、Unix的各種變種，具有完全的平臺(tái)無(wú)關(guān)性。ActiveX只能應(yīng)用在微軟的Windows瀏覽器上。VRML要在不同平臺(tái)安裝不同的播放器才能應(yīng)用。VRML和Flash最終發(fā)布的文件都非常小，適合于網(wǎng)絡(luò)上的傳送。

4）開發(fā)難易程度分析。在這幾種技術(shù)中，F(xiàn)lash可直接編寫服務(wù)端的程序并從服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)。VRML不具有網(wǎng)絡(luò)編程功能，必須借助其他語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，不能通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)建模，必須借助其他數(shù)學(xué)運(yùn)算工具。ActiveX技術(shù)通過(guò)DCOM進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，效率十分高。Java技術(shù)的開發(fā)周期長(zhǎng)，組件實(shí)現(xiàn)工作量大，經(jīng)常調(diào)用MATLAB功能函數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化其算法的復(fù)雜性。

結(jié)論

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)舞臺(tái)上發(fā)揮著越來(lái)越重要的優(yōu)勢(shì)，各種虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)也日益完善。各種技術(shù)在構(gòu)建虛擬場(chǎng)景、實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互性以及對(duì)平臺(tái)的適用性和開發(fā)的難易程度上各有千秋，在今后的研究與應(yīng)用中應(yīng)重視各種技術(shù)的結(jié)合。（作者單位：遼寧建筑職業(yè)學(xué)院）

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