劉 景,劉 豪,王夷非

1(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,常州 213022)

2(常州市圖形圖像與骨科植入物數(shù)字化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,常州 213022)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為學(xué)生獲取和掌握知識(shí)的主要手段之一,是現(xiàn)代教學(xué)中不合或缺的一部分.傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室由于建設(shè)成本較高、場(chǎng)地不足、實(shí)驗(yàn)設(shè)備易損壞和開(kāi)放性受到較大限制等問(wèn)題,難以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要.如何構(gòu)建出內(nèi)容豐富、訓(xùn)練效果高和不受時(shí)間空間限制的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境是高等院校當(dāng)前需要解決的重要問(wèn)題之一.近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展,虛擬實(shí)驗(yàn)室作為一種嶄新的教學(xué)方式越來(lái)越受到人們的關(guān)注.虛擬實(shí)驗(yàn)室讓學(xué)生可以隨時(shí)隨地的完成實(shí)驗(yàn)任務(wù).并通過(guò)豐富的虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,讓學(xué)生的學(xué)習(xí)方式由被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng),提高學(xué)習(xí)效果.

當(dāng)前,虛擬實(shí)驗(yàn)室主要分為遠(yuǎn)程控制和軟件仿真兩種形式.遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)室需要提供真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器,實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制這些實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)完成實(shí)驗(yàn).如武漢大學(xué)[1]開(kāi)發(fā)了三維網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室NCSLab3D,通過(guò)瀏覽器來(lái)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的共享.在這類實(shí)驗(yàn)中,一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器無(wú)法被多人同時(shí)操作,實(shí)驗(yàn)資源利用率低,其發(fā)展受到了一定的限制.軟件仿真實(shí)驗(yàn)室是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬和分析.希臘國(guó)立大學(xué)[2]開(kāi)發(fā)了B/S架構(gòu)的MASTERS VLab,對(duì)MATLAB進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā),構(gòu)建了圖形用戶界面,無(wú)需編程,用戶通過(guò)拖拽就可完成實(shí)驗(yàn).卡內(nèi)基梅隆大學(xué)[3]建造了虛擬工程學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室(VESLL),通過(guò)可視化、在線游戲的方式來(lái)幫助用戶學(xué)習(xí)STEM(科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué))知識(shí).浙江大學(xué)[4]網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室陳仲明、朱善安等開(kāi)發(fā)了虛擬電工電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室,該平臺(tái)采用Modelica進(jìn)行統(tǒng)一建模,將每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成一個(gè)Flex插件,可以靈活的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn).大連理工大學(xué)[5]提出了采用Virtools平臺(tái)來(lái)構(gòu)建三維高仿真HPLC虛擬實(shí)驗(yàn)室,在三維環(huán)境下動(dòng)態(tài)模擬各種參數(shù)的色譜數(shù)據(jù).軟件仿真實(shí)驗(yàn)室采用虛擬的儀器設(shè)備來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),開(kāi)發(fā)方式靈活,開(kāi)發(fā)成本低,成為了虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的主要方向.近年來(lái),隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的不斷深入,虛擬實(shí)驗(yàn)室正朝著網(wǎng)絡(luò)化、高度仿真化和專業(yè)化的方向發(fā)展.

本文采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)結(jié)構(gòu),基于開(kāi)源三維渲染引擎X3DOM,以X3D作為三維數(shù)據(jù)描述格式.采用Javascript開(kāi)發(fā)組件庫(kù),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了三維在線虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng).

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)需求

為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的要求,該系統(tǒng)應(yīng)能滿足如下要求:

(1)用戶可以隨時(shí)隨地使用PC機(jī)通過(guò)瀏覽器進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室,無(wú)需下載插件;

(2)仿真度高,實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景逼真度高,實(shí)驗(yàn)設(shè)備外觀、功能應(yīng)與真實(shí)設(shè)備基本一致,三維環(huán)境中的光照、材質(zhì)符合實(shí)際情況;

(3)方便使用,能夠多角度觀察實(shí)驗(yàn)設(shè)備,實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有放大、縮小、平移和旋轉(zhuǎn)功能,能夠場(chǎng)景漫游;

(4)實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有一定的智能性,如用戶可以通過(guò)點(diǎn)擊電源開(kāi)關(guān)來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉燈光,漫游走到門面前時(shí)門能夠自動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉等.

(5)實(shí)時(shí)性高,能夠及時(shí)響應(yīng)用戶請(qǐng)求,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中幀數(shù)穩(wěn)定在每秒30幀以上.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)和開(kāi)發(fā)需要,采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)的體系架構(gòu),如圖1所示.服務(wù)器端分為Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器.Web服務(wù)器為用戶提供網(wǎng)上信息瀏覽服務(wù),存儲(chǔ)了HTML、CSS、Javascript和圖片等文件.Web服務(wù)器通過(guò)“請(qǐng)求-響應(yīng)”的方式與客戶端進(jìn)行通信,瀏覽器發(fā)出請(qǐng)求,Web服務(wù)器做出響應(yīng).數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)三維模型文件,場(chǎng)景配置文件.用戶通過(guò)局域網(wǎng)或Internet網(wǎng)訪問(wèn)Web服務(wù)器,再通過(guò)Web服務(wù)器訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器.

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

客戶端是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心,客戶端仿真實(shí)驗(yàn)采用MVC(模型-視圖-控制器)的設(shè)計(jì)模式.模型用來(lái)存放所有的數(shù)據(jù)對(duì)象,如一個(gè)虛擬儀器模型,可以存放屬性以及所有與模型相關(guān)的邏輯(模型的讀、取等),當(dāng)控制器從服務(wù)器上獲取數(shù)據(jù)或有新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí),產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就被封裝成模型實(shí)例.視圖中的三維場(chǎng)景通過(guò)X3DOM渲染.X3DOM是X3D的擴(kuò)展,可以直接以HTML的形式顯示3D內(nèi)容,集成了CSS樣式并支持HTML5事件,X3DOM引入了WebGL,可以通過(guò)硬件加速(GPU)渲染,無(wú)需插件[6].控制器用于處理和響應(yīng)事件,三維場(chǎng)景加載時(shí),控制器會(huì)為場(chǎng)景添加監(jiān)控事件,監(jiān)控場(chǎng)景中數(shù)據(jù)的變化并處理,實(shí)時(shí)更新場(chǎng)景.另外,為了避免數(shù)據(jù)的重復(fù)創(chuàng)建,減少服務(wù)器請(qǐng)求次數(shù),提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性,客戶端具有緩存機(jī)制,將需要重復(fù)使用的數(shù)據(jù)(如三維模型,圖片)進(jìn)行存儲(chǔ),當(dāng)再次需要時(shí),可直接在瀏覽器緩存區(qū)取數(shù)據(jù),無(wú)需再次發(fā)送請(qǐng)求.

2.1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中涉及的實(shí)驗(yàn)設(shè)備較多,功能較為復(fù)雜,對(duì)仿真平臺(tái)的渲染效果、實(shí)時(shí)性和交互性有較高的要求.為了降低代碼的耦合度,實(shí)現(xiàn)代碼復(fù)用,提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性,采用模塊化的開(kāi)發(fā)方式,自頂向下將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)逐步劃分為若干模塊,系統(tǒng)的功能模塊主要分為三部分:通信模塊、三維仿真模塊和實(shí)驗(yàn)仿真模塊,每個(gè)模塊又可分為多個(gè)功能獨(dú)立的模塊.其中,網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù)責(zé)客戶端與服務(wù)器之間的信息交流,通過(guò)對(duì)Javascript腳本和CSS樣式文件進(jìn)行合并,減少HTTP請(qǐng)求數(shù),提高頁(yè)面響應(yīng)速度,保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性.如圖2所示.

圖2 功能模塊設(shè)計(jì)

三維仿真模塊主要是實(shí)現(xiàn)三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的構(gòu)建、渲染、調(diào)度與管理.用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤對(duì)虛擬環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制.具體包含模型的調(diào)入、合成、編輯與渲染,交互控制,場(chǎng)景文件的生成等功能.該模塊分為三個(gè)部分:場(chǎng)景管理、圖形渲染和交互控制.場(chǎng)景管理負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理三維場(chǎng)景,實(shí)驗(yàn)中斷和結(jié)束時(shí)提供存儲(chǔ)功能;圖形渲染負(fù)責(zé)瀏覽器中場(chǎng)景的展示與模型的優(yōu)化;交互控制負(fù)責(zé)處理交互事件,提供方便快捷的交互方式.

虛擬實(shí)驗(yàn)室中虛擬實(shí)驗(yàn)的種類較多,不同實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)的展示方式等有所同,實(shí)驗(yàn)仿真模塊為不同的實(shí)驗(yàn)提供了統(tǒng)一的接口,對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)一管理.該模塊又可分為實(shí)驗(yàn)設(shè)備仿真模塊、實(shí)驗(yàn)任務(wù)管理模塊、仿真結(jié)果展示模塊;實(shí)驗(yàn)設(shè)備仿真模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的視覺(jué)屬性和邏輯功能[7]的仿真,視覺(jué)屬性描述了設(shè)備的三維屬性,包括名稱、材質(zhì)、大小和位置等,邏輯功能主要描述了設(shè)備的邏輯結(jié)構(gòu),包括設(shè)備的數(shù)據(jù)信息、交互控制信息和設(shè)備的功能屬性等.實(shí)驗(yàn)任務(wù)管理模塊負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo),實(shí)驗(yàn)視屏的管理,用戶在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)前,可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)做好技術(shù)準(zhǔn)備,了解實(shí)驗(yàn)原理,實(shí)驗(yàn)過(guò)程等相關(guān)信息.仿真結(jié)果展示模塊提供可視化的數(shù)據(jù)顯示.

2.2 人機(jī)交互

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中用戶可以多角度的觀察實(shí)驗(yàn)器件,控制實(shí)驗(yàn)器件(平移、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等),查看實(shí)驗(yàn)器件的屬性.因此良好的交互體驗(yàn)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室尤為關(guān)鍵.如何提供持續(xù)的、穩(wěn)定的和實(shí)時(shí)的交互方式是虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的重點(diǎn).實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種:靜態(tài)方式和動(dòng)態(tài)方式.

靜態(tài)方式是根據(jù)X3D提供的Script節(jié)點(diǎn),通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的結(jié)合來(lái)達(dá)到交互效果,不使用外部程序.這種方式的交互代碼一般包含在X3D文件中,交互的邏輯比較簡(jiǎn)單,可操控性不強(qiáng),不適合在復(fù)雜的交互場(chǎng)景中使用.

動(dòng)態(tài)方式是通過(guò)外部的邏輯來(lái)控制交互事件的產(chǎn)生,X3DOM將X3D場(chǎng)景內(nèi)容作為HTML5的DOM節(jié)點(diǎn)直接嵌入頁(yè)面中,通過(guò)Javascript腳本語(yǔ)言為DOM節(jié)點(diǎn)添加交互事件.當(dāng)用戶與三維場(chǎng)景之間產(chǎn)生交互事件時(shí),瀏覽器捕獲事件并做出響應(yīng).為了滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新的需要,采用AJAX技術(shù).如圖3所示,AJAX充當(dāng)客戶端和服務(wù)器端文件傳送的工具,基于X3D標(biāo)準(zhǔn)編碼的 3D文件可以通過(guò)AJAX在異步條件下由服務(wù)器端傳送到客戶端,在客戶端通過(guò)Javascript腳本語(yǔ)言并利用X3DOM標(biāo)準(zhǔn)提供的接口將 3D文件插入三維場(chǎng)景中,這樣通過(guò)瀏覽器就可以看到三維的物體[8].同時(shí)為了避免用戶出現(xiàn)操作失誤的情況,采用堆棧的方式存儲(chǔ)了用戶的操作步驟,讓用戶可以方便的撤銷當(dāng)前操作.

圖3 基于AJAX的交互架構(gòu)

2.3 虛擬儀器的組件化封裝

組件是對(duì)數(shù)據(jù)和方法的簡(jiǎn)單封裝.系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中需要通過(guò)解析模型文件來(lái)獲取數(shù)據(jù)變量.系統(tǒng)的交互控制模塊,場(chǎng)景的載入與存儲(chǔ),虛擬儀器的參數(shù)配置模塊都從建立的數(shù)據(jù)模型中獲取數(shù)據(jù)來(lái)完成各自的功能.采用解析XML模板文件產(chǎn)生數(shù)據(jù)源來(lái)進(jìn)行變量封裝.在實(shí)驗(yàn)中,將模型的基本信息如ID、大小、位置和旋轉(zhuǎn)等存儲(chǔ)在XML中,統(tǒng)一管理,方便傳輸.

方法的封裝是虛擬儀器邏輯功能的封裝,在虛擬實(shí)驗(yàn)室中虛擬儀種類多,功能復(fù)雜,因此封裝過(guò)程中應(yīng)盡量保持共同封閉原則,避免因組件中一個(gè)類的變化而影響其他組件的變化.封裝的具體過(guò)程如下:

(1)初始化(init).包括變量名的創(chuàng)建,DOM節(jié)點(diǎn)的定義,XML模板解析數(shù)據(jù)的傳入,相關(guān)類的引入;

(2)事件綁定(bind).在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,用戶只關(guān)心如何通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)器件進(jìn)行操作,而事件如何與HTML元素進(jìn)行綁定以及事件觸發(fā)后如何處理是事件綁定關(guān)注的重點(diǎn).通過(guò)動(dòng)態(tài)綁定為一個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)綁定多個(gè)事件,在事件觸發(fā)的時(shí)候按照一定的順序執(zhí)行.

(3)渲染(render).將腳本文件中的數(shù)據(jù)渲染到HTML頁(yè)面上.為了產(chǎn)生最快的渲染速度,頁(yè)面渲染時(shí)應(yīng)盡量減少下載所有關(guān)鍵資源所需要的網(wǎng)絡(luò)往返的數(shù)量,減少關(guān)鍵資源的大小.采用異步執(zhí)行Javascript腳本文件的方式,避免因?yàn)g覽器解析阻塞強(qiáng)迫瀏覽器等待CSSOM (CSS Object Model View)并且停止DOM的構(gòu)造.

(4)銷毀現(xiàn)場(chǎng)(distory).銷毀不再引用的對(duì)象,釋放內(nèi)存.

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

本節(jié)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的Ping實(shí)驗(yàn)作為展示實(shí)例.介紹虛擬實(shí)驗(yàn)室的仿真過(guò)程.仿真流程圖如圖4所示.

圖4 仿真流程圖

具體仿真步驟如下:

(1)仿真開(kāi)始:解析XML模板數(shù)據(jù)文件,根據(jù)XML中的參數(shù),從虛擬儀器組件庫(kù)中預(yù)加載實(shí)驗(yàn)所需的組件,導(dǎo)入三維模型,UI組件渲染場(chǎng)景初始信息,實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景如圖5所示,可以通過(guò)漫游觀察實(shí)驗(yàn)室全景.

圖5 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

(2)虛擬儀器組件載入:用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要,加載實(shí)驗(yàn)所需的虛擬儀器組件,Web瀏覽器解析Javascript腳本文件,將虛擬儀器的三維坐標(biāo),大小,旋轉(zhuǎn)角度等信息顯示在頁(yè)面上.用戶調(diào)整視角,通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤調(diào)整虛擬儀器位置.

(3)參數(shù)配置:根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)(如IP地址),如圖6所示.

圖6 路由器參數(shù)設(shè)置

(4)仿真運(yùn)行:檢測(cè)參數(shù)配置是否正確,根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn).

(5)仿真結(jié)果顯示:動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果,智能提示錯(cuò)誤信息,如圖7所示.

(6)實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ):可以在實(shí)驗(yàn)的任何時(shí)候保存實(shí)驗(yàn)信息,避免因突發(fā)狀況不能完成實(shí)驗(yàn).

圖7 Ping實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模型的加載速度是系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的集中體現(xiàn),本文以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中常用的模型為例,對(duì)單個(gè)模型在不同瀏覽器中的載入時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試.測(cè)試PC機(jī)采用Inter(R)Core(TM)i5-2450的CPU,NVIDIA GeForce 610M的GPU,8G內(nèi)存.采用x3d文件格式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸.為了避免偶然因數(shù)對(duì)模型加載速度的影響,采用相同環(huán)境下同一模型加載10次后取平均值的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示.從表中可以看出,當(dāng)前4種常用的瀏覽器都可以對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn),且模型的加載速度.

表1 模型的加載時(shí)間

4 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的目標(biāo),本文提出了基于X3DOM虛擬實(shí)驗(yàn)室的方法和建設(shè)思路,采用X3DOM作為三維渲染引擎,無(wú)需插件,沉浸性強(qiáng).以組件的方式對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行封裝,易于擴(kuò)展.經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,該系統(tǒng)交互性好,實(shí)時(shí)性高,能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的,同時(shí)也體現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的優(yōu)勢(shì).下一步的工作是完善實(shí)驗(yàn)設(shè)備組件庫(kù),豐富虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.

1周洪,任正濤,胡文山,等.基于NCSLab 3D的虛擬遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)工程,2016,42(10):20-25,31.[doi:10.3969/j.issn.1000-3428.2016.10.004]

2Alexiadis DS,Mitianoudis N.MASTERS:A virtual lab on multimedia systems for telecommunications,medical,and remote sensing applications.IEEE Transactions on Education,2013,56(2):227-234.[doi:10.1109/TE.2012.2210224]

3August SE,Hammers ML,Murphy DB,et al.Virtual engineering sciences learning lab:Giving STEM education a second life.IEEE Transactions on Learning Technologies,2016,9(1):18-30.[doi:10.1109/TLT.2015.2419253]

4施正寅,朱善安.基于Modelica的虛擬電工電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)工程,2012,38(11):287-289.[doi:10.3969/j.issn.1000-3428.2012.11.087]

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