徐昌彪，盧 山，劉雪亮

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065）

0 引言

虛擬現(xiàn)實（VR）技術的問世，為人機交互等開辟了廣闊的天地，同時也帶來了巨大的社會和經(jīng)濟效益。在虛擬世界中，人與虛擬世界可進行自然的交互，能實時產(chǎn)生與真實世界相同的感覺[1]。虛擬現(xiàn)實（VR）技術在許多學科都取得了前所未有的研究成果，推進了軍事、醫(yī)學、航空、協(xié)同設計等研究領域的發(fā)展，如軍事仿真、虛擬手術、大型體育場館協(xié)同設計等[2]。由于虛擬網(wǎng)絡提供了通信網(wǎng)絡硬件設施以及網(wǎng)絡內(nèi)部通信流程最直觀的表現(xiàn)形式，方便實驗者對計算機網(wǎng)絡進行全局了解，從而可促進通信網(wǎng)絡的學習實驗，從而讓人們對通信網(wǎng)絡有更深的了解。文獻[3-4]講述了如何對復雜的三維場景進行構建以及場景優(yōu)化，文獻[5]開發(fā)了一個虛擬校園系統(tǒng)原型，用戶可在其中進行三維空間漫游探索、點坐標量測和地物屬性的查詢等操作。筆者開發(fā)的通信網(wǎng)絡虛擬體驗系統(tǒng)，不僅創(chuàng)建了虛擬校園這樣的三維立體場景，并且把通信網(wǎng)網(wǎng)絡的架構、系統(tǒng)功能以及數(shù)據(jù)包發(fā)送的流程通過三維立體虛擬交互式場景展現(xiàn)出來。

1 系統(tǒng)描述

通信網(wǎng)絡虛擬體驗系統(tǒng)是一個集通信網(wǎng)絡架構、技術原理、硬件設備三維一體的虛擬體驗系統(tǒng)，可為不同用戶提供不同層次的體驗服務。可提供網(wǎng)絡架構、技術原理、硬件設備等完備體驗，也可根據(jù)用戶需要分層次、有側重地提供某一方面或幾方面的相對獨立的體驗。虛擬體驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構基于計算機通信網(wǎng)絡，從不同層面體現(xiàn)不同類型的計算機通信網(wǎng)絡。

該系統(tǒng)應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層以TCP/IP協(xié)議棧為基礎，數(shù)據(jù)鏈路層與物理層根據(jù)不同的物理網(wǎng)絡而考慮，如以太網(wǎng)主要考慮以IEEE802.3協(xié)議方式工作。各層主要體現(xiàn)為上層提供服務以及為實現(xiàn)對等層通信而規(guī)定的相關協(xié)議。表現(xiàn)對等層之間的通信，亦包括相鄰層之間的數(shù)據(jù)交互，體現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送流程。通過鼠標的拖拽和點擊操作，用戶完成實驗和學習過程，使通信過程中微觀的數(shù)據(jù)傳輸過程能客觀地展現(xiàn)，體驗者可更直觀地從局域網(wǎng)中理解和學習通信網(wǎng)絡的架構以及傳輸原理，以重慶郵電大學為例，其網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。

根據(jù)用戶需求，在跟蹤數(shù)據(jù)傳輸過程中，設定不同程度的演示效果。登陸系統(tǒng)設置成初級、中級或高級用戶，以適合不同的網(wǎng)絡學習者進行計算機網(wǎng)絡的學習。通過設計不同的模塊，不同用戶調用不同的模塊。該系統(tǒng)可動態(tài)顯示數(shù)據(jù)包傳輸過程，對數(shù)據(jù)進行跟蹤顯示。從源端到終端的過程顯示出來，表現(xiàn)動態(tài)性和交互性。

為了讓體驗者更好地學習計算機網(wǎng)絡以及進行實驗課程，促進計算機網(wǎng)絡的發(fā)展，在研究3ds Max，EON Studio的基礎上，構建了一個虛擬的校園局域網(wǎng)，人們可在其中進行漫游，以虛擬現(xiàn)實的沉浸性真實地體驗學習通信網(wǎng)絡并對構建的三維立體虛擬場景進行交互操作。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)的功能結構如圖2所示，圖中箭頭表示各功能模塊之間的數(shù)據(jù)流方向。其中，局域網(wǎng)通信虛擬體驗系統(tǒng)是核心模塊，其他模塊都是在其基礎上進行的。

2.1 創(chuàng)建虛擬校園的三維場景

虛擬校園三維場景是通信網(wǎng)絡虛擬體驗系統(tǒng)中局域網(wǎng)的基礎，通過虛擬校園這一載體展現(xiàn)概念中的通信網(wǎng)絡，使用3ds Max對虛擬校園進行建模，實驗者不僅可在創(chuàng)建好的虛擬場景中進行交互式的漫游，還可切身體驗到通信的流程，比如數(shù)據(jù)包從一終端（PDA/主機）經(jīng)過TCP/IP的各層協(xié)議、路徑最終發(fā)送到另一終端（PDA/主機）或兩臺主機間的發(fā)送流程，可讓實驗者清晰明了地掌握其通信過程。系統(tǒng)功能模塊創(chuàng)建流程如圖3所示。

在創(chuàng)建場景時，考慮到系統(tǒng)渲染的速度，對于校園中的典型和主要建筑物，采用3ds Max（8.0）建模，盡可能地減少鋸齒邊，增加場景真實感。并且，EON Studio的抗鋸齒功能讓實驗者更好地體驗三維虛擬場景的沉浸性。

采用3ds Max中的紋理映射技術、實例化技術以及放樣和布爾運算等功能創(chuàng)建復雜的三維立體圖像。在創(chuàng)建實例后，采用成組以及凍結，有利于其他實例的導入，也可導入其他格式3D圖形文件，如Maya創(chuàng)建的實例場景，以彌補3ds Max在建模方面的不足。

2.2 虛擬場景動態(tài)交互設置

該網(wǎng)絡系統(tǒng)對教學樓、辦公樓、圖書館、實驗樓等主要建筑物采用創(chuàng)建簡單的3ds Max物體模型，通過貼圖烘焙方式導入格式文件創(chuàng)建，以有效減少.max文件在EON Studio的面數(shù)，這樣整個系統(tǒng)在演示、實驗的過程中可以達到很高的幀率，可大大降低鋸齒數(shù)，并提高虛擬場景的真實度和沉浸性。

使用3ds Max的插件EON Raptor將建立好的3D模型、模型材質貼圖、模型動畫等導入EON Studio中進行二次開發(fā)。在導入并載入.max文件后，通過對各個節(jié)點以及節(jié)點相應的場景實例的設置，設置各個對象屬于自身以及相互間的觸發(fā)（如鍵盤的按鍵操作，鼠標的點擊操作以及定時觸發(fā)器），針對一個或多個不同的激勵做出相應的反應（物體的顏色、光線）包括點擊式（左鍵）觸發(fā)以及鍵盤按鍵鼠標滾輪等平移、旋轉、縮放、拾取等對局域網(wǎng)（網(wǎng)絡拓撲結構中）中節(jié)點的操作相對應的場景變化，如圖4所示。

在EON中提供了一百多個不同功能的節(jié)點，可以實現(xiàn)很多不同的功能。常用的節(jié)點有Walk、KeybordSensor、ClickSensor、MouseSensor節(jié)點、貼圖節(jié)點、材質節(jié)點、全景節(jié)點、視角節(jié)點等。其中Walk節(jié)點用來控制攝像機（Camera）的移動，KeybordSensor節(jié)點用于接收用戶的鍵盤輸入信號。ClickSensor和MouseSensor節(jié)點用于接收用戶的鼠標輸入信號。這些節(jié)點主要用來對場景的對象做動態(tài)運動、聲音導入以及視頻導入的設置。

2.3 模擬樹結構

使用EON Studio中模擬樹結構（Simulation Tree，ST）為場景文件設置節(jié)點，場景的模擬樹模塊為了便于實驗者的瀏覽和信息查詢，將虛擬場景以樹形結構顯示，場景樹中的節(jié)點與三維場景中的對象是一一對應的。

元件視窗（Components Window）中選定好的節(jié)點（Nodes）以鼠標拖到元件樹狀結構（ST）中，這樣可以非常清楚地知道在虛擬場景中包含哪些節(jié)點，這樣這些節(jié)點彼此之間的從屬關系就清晰明了。在元件視窗（CW）中編輯各節(jié)點的屬性。通過定義視窗連接兩個以上的節(jié)點，并且從定義視窗中發(fā)現(xiàn)明確節(jié)點之間的聯(lián)系以及關鍵性的觸發(fā)行為，如圖5所示。

圖5中，（1）為元件視窗（Components Window），所有的功能節(jié)點與已設定功能節(jié)點的場景與物件（Prototupe）在此顯示。（2）為場景的整體樹狀結構圖，將不同的節(jié)點以拖動的方式在此區(qū)編輯并進行模擬。（3）為對操控行為定義視窗（Routes Simulation）節(jié)點或場景與物（Prototype）之間所傳達的視窗進行編輯與定義。

通過場景樹交互式地拾取虛擬場景中的對象，并對該對象觸發(fā)系統(tǒng)提供激勵，對其進行操作并可查閱相關信息，這樣完成系統(tǒng)觸發(fā)式的交互過程。如某教學樓的主機接入局域網(wǎng)和交換機、路由器的使用情況，圖書館的相關信息，可進入實驗樓操作主機，查看實驗樓的機構分布和設置情況等，使實驗者在虛擬場景中及時獲得所需信息，亦可看到通信網(wǎng)絡的架構以及數(shù)據(jù)包的收發(fā)流程。

2.4 實驗者對相應場景實體的信息查詢

通過調用數(shù)據(jù)庫返回相應的數(shù)值信息，系統(tǒng)通過對模擬樹結構中的節(jié)點操作實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫中相應信息的連接。這樣便于信息的查詢和系統(tǒng)的維護。在場景樹中通過彈出選單的方式進行信息查詢，當實驗者用鼠標點擊場景結構圖中的節(jié)點時，就會彈出相應的信息查詢方式。當實驗者用鼠標單擊場景中的實例（如實驗室）時，彈出實驗室相應的信息，利用數(shù)據(jù)庫管理場景中的相關信息和數(shù)據(jù)，比如在左鍵點擊圖書館場景模型后，彈出圖書館主機數(shù)量、MAC地址、小型局域網(wǎng)參數(shù)等信息對話框，也可單擊主機使之開機，利用EON Studio中提供的模擬樹結構以及模擬樹中的節(jié)點組件實現(xiàn)。

3 結論

筆者在對EON Studio研究的基礎上，構建了一個三維立體的交互式虛擬校園，并且把通信網(wǎng)絡的架構以及原理融入到虛擬校園中，在創(chuàng)建虛擬校園的基礎上大大提高了整個系統(tǒng)的功能，實驗者可在虛擬校園中漫游，完成交互式的操作和信息查詢，在對虛擬校園體驗的同時，可深入學習通信網(wǎng)絡的原理，通過模擬樹結構清晰地了解校園局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡拓撲結構。隨著虛擬現(xiàn)實技術應用領域的拓寬，對大規(guī)模復雜場景的模型創(chuàng)建要求會越來越高。文中基于3ds Max建模軟件和EON開發(fā)平臺，使用最能體現(xiàn)真實感、提高實時性和交互性的三維建模技術，取得了良好的現(xiàn)實結果。

[1]YAHAYA R A.Assessing the effectiveness of virtual reality technology as part of an authentic learning environment[C]//Proc.ICALT'06.[S.l.]：IEEE Press，2006：1-2.

[2]潘志庚.虛擬現(xiàn)實及應用[J].國際學術動態(tài)，2009（6）：20-31.

[3]屈宏偉，張琦.基于EON Studio的虛擬維修訓練系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)信息化，2002，31（6）：37-38.

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[5]龔建華，林琿，譚倩.虛擬香港中文大學校園的設計與初步試驗[J].測繪學報，2002，3l（1）：39-43.