摘要：教學(xué)領(lǐng)域中廣受好評(píng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)（webgl）隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步有了更為顯著的應(yīng)用效果，筆者本次對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念、基本特征進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，并對(duì)其相關(guān)技術(shù)和知識(shí)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)闡述了其設(shè)計(jì)開發(fā)的方法。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)；開發(fā)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2012） 18-0000-02

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念

1989年，美國(guó)的William Wolf教授提出了虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtual Laboratory）概念，用來(lái)描述一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境[1]。所謂虛擬實(shí)驗(yàn)室，即是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下產(chǎn)生的可以進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作的一類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它包含實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境及相關(guān)實(shí)驗(yàn)信息資源等元素。它不僅可以是現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的體現(xiàn)，也可以通過虛擬構(gòu)想來(lái)形成。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的基本特征

虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具備一些基本特征[2]：（l）與現(xiàn)實(shí)的一致性（或現(xiàn)實(shí)的延伸）；（2）高度交互性；（3）實(shí)施的信息反饋；（4）多人合作使用的功能；（5）具備一定的智能特性。近幾年來(lái)，個(gè)人計(jì)算機(jī)的性能已迅速增強(qiáng)，在很大程度上滿足了虛擬實(shí)驗(yàn)室的要求。對(duì)于一些在現(xiàn)實(shí)世界難以進(jìn)行，或耗時(shí)、耗力、耗資金的實(shí)驗(yàn)，可以通過計(jì)算機(jī)建立能夠客觀反映其現(xiàn)實(shí)世界規(guī)律的虛擬儀器，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)代替。建立虛擬實(shí)驗(yàn)室可以使實(shí)驗(yàn)人員在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)和虛擬預(yù)測(cè)分析，親自操作實(shí)驗(yàn)儀器，觀察動(dòng)態(tài)過程，還可以改變實(shí)驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)，總結(jié)變化規(guī)律。虛擬實(shí)驗(yàn)室三維立體的空間創(chuàng)造使實(shí)驗(yàn)者如同身臨其境。

3 WebGL的相關(guān)技術(shù)及知識(shí)

WebGL是一種3D繪圖標(biāo)準(zhǔn)，這種繪圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結(jié)合在一起，通過增加OpenGL ES 2.0的一個(gè)JavaScript綁定，WebGL可以為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，這樣Web開發(fā)人員就可以借助系統(tǒng)顯卡來(lái)在瀏覽器里更流暢地展示3D場(chǎng)景和模型了，還能創(chuàng)建復(fù)雜的導(dǎo)航和數(shù)據(jù)視覺化。WebGL技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)免去了開發(fā)網(wǎng)頁(yè)專用渲染插件的麻煩，可被用于創(chuàng)建具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的網(wǎng)站頁(yè)面，甚至可以用來(lái)設(shè)計(jì)3D網(wǎng)頁(yè)游戲等等。WebGL完美地解決了現(xiàn)有的Web交互式三維動(dòng)畫的兩個(gè)問題：第一，它通過HTML腳本本身實(shí)現(xiàn)Web交互式三維動(dòng)畫的制作，無(wú)需任何瀏覽器插件支持；第二，它利用底層的圖形硬件加速功能進(jìn)行的圖形渲染，是通過統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、跨平臺(tái)的OpenGL接口實(shí)現(xiàn)的[3]。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的設(shè)計(jì)

本虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種基于WebGL標(biāo)準(zhǔn)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的，這在國(guó)內(nèi)還是一個(gè)新的嘗試。以往Web3D開發(fā)的應(yīng)用程序，在運(yùn)行時(shí)要安裝插件，安裝專有客戶端軟件，而本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可直接訪問WebGL支持的瀏覽器，并具有更高的三維效果，具有較強(qiáng)沉浸體驗(yàn)，的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作的體驗(yàn)和學(xué)習(xí)[4]。

4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)圖

該虛擬實(shí)訓(xùn)室是基于WebGL技術(shù)開發(fā)的平臺(tái)，學(xué)生操作的過程中需要使用JS的庫(kù)，它可以直接調(diào)用JS的庫(kù)，完成圖形圖像處理。分別為：

GLGE庫(kù)：GLGE是一個(gè)封裝了 WebGL 的JavaScript庫(kù)，可以降低WebGL使用的難度。他提供了一個(gè)本地的browser JavaScript API，可以直接訪問，允許在沒有下載任何插件的情況下使用2D/3D硬件加速應(yīng)用。

WebGLU庫(kù)：WebGLU是WebGL與GLU的結(jié)合，提供封裝，在場(chǎng)景中放置Camera或者提供簡(jiǎn)單的幾何圖形元素。

這兩個(gè)庫(kù)的調(diào)用可以完成多個(gè)功能，分別是攝像機(jī)控制、模型建模、場(chǎng)景搭建、射線碰撞、線段繪制、光影投射、場(chǎng)景邊界檢測(cè)、UI結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)等。

Ajax引擎：Ajax 不是編程語(yǔ)言，它的作用是創(chuàng)建更好更快以及交互性更強(qiáng)的 Web 應(yīng)用程序的技術(shù)。通過 Ajax引擎，本虛擬實(shí)驗(yàn)室的JavaScript 可使用 XMLHttpRequest 對(duì)象來(lái)直接與服務(wù)器進(jìn)行通信。這樣 JavaScript 就可在不重載頁(yè)面的情況與 Web 服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，使網(wǎng)頁(yè)從服務(wù)器請(qǐng)求少量的信息，而不是整個(gè)頁(yè)面。并可使因特網(wǎng)應(yīng)用程序更小、更快，更友好[5]。

4.2 虛擬實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

以往的虛擬實(shí)驗(yàn)的操作方式過程和步驟是，首先步驟是操作者點(diǎn)擊鼠標(biāo)或點(diǎn)擊鍵盤“進(jìn)入”虛擬實(shí)驗(yàn)室，接著步驟是“來(lái)到”規(guī)定的操作平臺(tái)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用鼠標(biāo)或鍵盤點(diǎn)擊、拖動(dòng)、添加虛擬元件等操作方式來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，最終步驟是獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)。而本試驗(yàn)系統(tǒng)在完成剛才的步驟后，還有不“虛擬”的部分，既根據(jù)剛才歸納的要點(diǎn)，去實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地在實(shí)訓(xùn)設(shè)備上操作驗(yàn)證。虛擬實(shí)驗(yàn)室和實(shí)訓(xùn)室連在一起，類似一體化工作室的模式[6]。

4.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室所需的場(chǎng)景及器件的建立

建立XML文件，取名level.xml，該文件的作用就是建立虛擬實(shí)驗(yàn)室所需的場(chǎng)景及資源。

4.3.1 定義mesh

（1）建立1*1*1像素的立方體，36個(gè)定點(diǎn)矩陣。

（2）建立法線。

（3）建立UV。

4.3.2 定義material

（1）材質(zhì)貼圖建立

（2）UV模型建立

4.3.3 定義camera

建立camera，需要調(diào)整位置，及旋轉(zhuǎn)，達(dá)到三維的視圖效果。

4.3.4 定義scene

（1）建立主場(chǎng)景名。

（2）建立主攝像機(jī)

（3）建立環(huán)境顏色

4.3.5 定義object

（1）定義場(chǎng)景中的實(shí)體對(duì)象模型。

（2）定義場(chǎng)景中的實(shí)體對(duì)象材質(zhì)。

（3）定義場(chǎng)景中的實(shí)體對(duì)象位置。

（4）定義場(chǎng)景中的實(shí)體對(duì)象縮放。

（5）定義場(chǎng)景中的實(shí)體對(duì)象旋轉(zhuǎn)。

5 總結(jié)

近年來(lái)，人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊控制等技術(shù)發(fā)展迅速，也為解決此類問題開辟了許多新途徑。三維虛擬實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了嶄新的實(shí)驗(yàn)方法，將學(xué)生和實(shí)驗(yàn)儀器聯(lián)系起來(lái)，起到了增強(qiáng)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能的作用[7]，這對(duì)改革傳統(tǒng)教學(xué)方法、提高教學(xué)質(zhì)量、教育資源共享等方面都具有前所未有的重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李仁發(fā)，周祖德，李方敏等.虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2002.

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[3]程新麗.基于WebGL的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].科技經(jīng)濟(jì)場(chǎng)，2011，09：12-13.

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