張 原，張 昭，劉 蕊

（1.海軍航空兵學(xué)院，遼寧 葫蘆島125001；2.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái)264001）

1 引言

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是指采用網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制、虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真、多媒體等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，它涵蓋了兩個(gè)層面：一是基于Web對(duì)真實(shí)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和遙控操作；二是以 Web為基礎(chǔ)的面向教學(xué)的純粹由軟件實(shí)現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境［1］。

目前我國(guó)信息化教學(xué)多以文字加圖片的教學(xué)方式為主，注重理論教學(xué)，缺乏實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。對(duì)一些過(guò)程復(fù)雜、空間感強(qiáng)的內(nèi)容尚不能充分描述清楚。另一方面，院?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在人均實(shí)驗(yàn)設(shè)備擁有量少、設(shè)備更新周期長(zhǎng)以及學(xué)習(xí)時(shí)間沖突等問(wèn)題。利用虛擬現(xiàn)實(shí)以及多媒體技術(shù)構(gòu)建一個(gè)具有動(dòng)態(tài)交互能力的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)充實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增開(kāi)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是必要且緊迫的［1～4］。

許多學(xué)者在虛擬現(xiàn)實(shí)方面做出相應(yīng)的工作，如利用Java、VRML、Labview等構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。但是，很多方法的構(gòu)建效率較低，穩(wěn)定性較差，且平臺(tái)通用性不好，Java運(yùn)行過(guò)程中客戶端還需下載插件。Flash技術(shù)由于其采用了矢量圖形技術(shù)，所生成的動(dòng)畫(huà)體積很小，跨平臺(tái)性好且圖形可以任意縮放，這正符合了氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)高度動(dòng)態(tài)表現(xiàn)力的要求。隨著ActionScript 3.0（AS 3.0）的出現(xiàn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)在Flash虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)方面有了較大發(fā)展，但開(kāi)發(fā)的過(guò)程往往為了項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)而未能充分考慮到系統(tǒng)的拓展性和代碼重用性。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是未來(lái)實(shí)驗(yàn)建設(shè)的方向，如果每次都重頭開(kāi)發(fā)，則原來(lái)的代碼浪費(fèi)了，非?？上В议_(kāi)發(fā)的效率也很低。

為了解決以上問(wèn)題，本文采用MVC設(shè)計(jì)模式開(kāi)發(fā)了空氣動(dòng)力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，而具有優(yōu)秀的Web應(yīng)用特性和良好的跨平臺(tái)特性的豐富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用RIA（Rich Internet Application）技術(shù)成為更合適的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

2 RIA技術(shù)與ActionScript 3.0

2006年起，RIA以其良好的用戶體驗(yàn)、快速的響應(yīng)速度、出色的兼容性以及卓越的Web應(yīng)用特性和優(yōu)秀的跨平臺(tái)特性迅速贏得了大家的青睞，將RIA技術(shù)整合到虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的建設(shè)中去，是解決當(dāng)前虛擬實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題的一個(gè)有效方法。

ActionScript 3.0（AS 3.0）是目前最流行的RIA開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，它們可運(yùn)行在瀏覽器的Flash Player中，或?qū)dobe AIR作為一個(gè)桌面應(yīng)用程序運(yùn)行在移動(dòng)設(shè)備上。與 AS 1.0和 AS 2.0不同，AS 3.0與ECMAScript標(biāo)準(zhǔn)兼容，引入了一些其他領(lǐng)域新的或更強(qiáng)的功能，它對(duì)面向?qū)ο缶幊蘋(píng)OP語(yǔ)言完全支持，深層優(yōu)化了OOP架構(gòu)，徹底更新了顯式對(duì)象系統(tǒng)架構(gòu)，全面支持正則表達(dá)式并采用了先進(jìn)的E4X，新增強(qiáng)大的異常處理機(jī)制。AS 3.0強(qiáng)大的新特性使其對(duì)于大型應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)更有吸引力。同時(shí)，新一代ActionScript引擎AVM2（ActionScript Virtual Machine2）較 AS 2.0時(shí)代的AVM1性能大幅增加，ActionScript 3.0代碼執(zhí)行速度最多可以比原有ActionScript代碼快10倍［5］。

AS 3.0和AVM2帶來(lái)的變革使得RIA極具潛力與活力。結(jié)合Java組件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，RIA可以實(shí)現(xiàn)與MATLAB、C＋＋、C＃等語(yǔ)言的協(xié)同開(kāi)發(fā)［6］，如今利用 AS 3.0在3D 領(lǐng)域進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，隨著AS語(yǔ)言的完善和AVM的發(fā)展，其性能也必將更加強(qiáng)大。同時(shí)，AVM2和Flex在開(kāi)源的方向上大步邁進(jìn)，這意味著AS與RIA將有超強(qiáng)的生命力和號(hào)召力。

3 MVC設(shè)計(jì)模式

設(shè)計(jì)模式是指一系列從實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的、可重復(fù)使用的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法。MVC設(shè)計(jì)模式是許多交互和界面系統(tǒng)的構(gòu)成基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)、界面設(shè)計(jì)、控制功能的分離，使得各部分修改時(shí)相對(duì)獨(dú)立，代碼的可維護(hù)性增強(qiáng)；同時(shí)，也提高了應(yīng)用程序的重用性，便于擴(kuò)展，開(kāi)發(fā)速度也有了顯著提高。

大型軟件開(kāi)發(fā)的可持續(xù)性與易維護(hù)性取決于軟件設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)計(jì)模式的選擇。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為推廣性、擴(kuò)展性強(qiáng)的開(kāi)放式互動(dòng)系統(tǒng)，一方面，隨著實(shí)驗(yàn)要求的提高和實(shí)驗(yàn)種類的增加，極有可能需要拓展新的實(shí)驗(yàn)?zāi)K；另一方面，作為互動(dòng)平臺(tái)的虛擬實(shí)驗(yàn)室在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免出現(xiàn)對(duì)使用者操作考慮不周的情況，故系統(tǒng)出現(xiàn)BUG、功能異常及存在人性化設(shè)計(jì)缺陷的情況不可避免。如果在設(shè)計(jì)階段沒(méi)有一個(gè)合理的設(shè)計(jì)模式做基礎(chǔ)，將會(huì)導(dǎo)致所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)完成后不僅難于擴(kuò)展新功能，更不利于代碼的維護(hù)和更新。

教學(xué)用虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分：模型及后臺(tái)數(shù)據(jù)、用戶界面和用戶操作。MVC模式正是使應(yīng)用程序按上述三個(gè)部分劃分所需要的對(duì)象：M為模型（Model），也包括后臺(tái)數(shù)據(jù)，一個(gè)模型能為多個(gè)視圖提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。同一個(gè)模型可以被多個(gè)視圖重用。V為視圖（View），指用戶界面，可以向模型查詢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，但不能直接改變模型中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。視圖還能接收模型發(fā)出的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)更新事件，從而對(duì)用戶界面進(jìn)行同步更新。C代表控制器（Controller），即用戶操作，接收用戶的輸入并調(diào)用模型和視圖去完成用戶的請(qǐng)求。MVC模式的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Figure 1 MVC structure diagram圖1 MVC結(jié)構(gòu)示意圖

首先，操作者根據(jù)視圖提供的界面對(duì)其進(jìn)行操作，控制器接收到視圖轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的用戶的輸入信息，并通知相應(yīng)的模型做出處理；然后，模型用相應(yīng)的方法來(lái)處理這些信息并返回?cái)?shù)據(jù)；最后，通過(guò)控制器通知與這些數(shù)據(jù)相關(guān)的視圖更新［7］。顯然，對(duì)于具有這種體系結(jié)構(gòu)的可視化組件，可以利用這樣的內(nèi)部機(jī)制，通過(guò)模型對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及維護(hù)功能，控制輸入和輸出。使用MVC需要花費(fèi)一定的時(shí)間和精力去進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)，但采用它將會(huì)使軟件在健壯性、代碼重用和結(jié)構(gòu)方面上一個(gè)新臺(tái)階。盡管在最初構(gòu)建MVC框架時(shí)會(huì)花費(fèi)一定的工作量，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，它會(huì)大大提高后期軟件開(kāi)發(fā)的效率。

4 空氣動(dòng)力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

下面以開(kāi)發(fā)全機(jī)氣動(dòng)力系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)（界面見(jiàn)圖2）為例，說(shuō)明設(shè)計(jì)方案的形成過(guò)程。

Figure 2 Aerodynamic coefficients of the whole aircraft measurement interface圖2 全機(jī)氣動(dòng)力系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)界面

4.1 設(shè)計(jì)方案

分析實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行流程，判斷其所有可能的操作及相應(yīng)事件。全機(jī)氣動(dòng)力系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)基本流程如圖3所示。

4.2 確定MVC設(shè)計(jì)模式中的模型、視圖及控制器

根據(jù)如圖3所示的流程圖可以看出，居中一列在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)和各控件參數(shù)進(jìn)行初始化，響應(yīng)用戶操作并根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理調(diào)用內(nèi)部算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行更新，最后將結(jié)果傳遞出去，這一部分承擔(dān)了模型（Model）的主要職責(zé)；右側(cè)一列主要負(fù)責(zé)界面各個(gè)控件的顯示，根據(jù)模型返回的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)體的姿態(tài)位置、顯示測(cè)量結(jié)果，即可將該部分看做視圖（View）；而靠左一列控制著實(shí)驗(yàn)的流程，傳遞著用戶的指令，實(shí)現(xiàn)了界面和算法的交互，即扮演著控制器（Controller）的角色。通過(guò)上面的劃分，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，將整個(gè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目分作界面層、控制層、數(shù)據(jù)層三層，并對(duì)開(kāi)發(fā)小組進(jìn)行分工，同步對(duì)三層進(jìn)行開(kāi)發(fā)，界面定制完畢后通過(guò)類綁定與控制層、數(shù)據(jù)層進(jìn)行交互和通信，三者相互協(xié)調(diào)，完成實(shí)驗(yàn)所需的功能。

Figure 3 Aircraft aerodynamic coefficients measurement basic flowchart圖3 全機(jī)氣動(dòng)力系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)基本流程圖

5 模塊化控件開(kāi)發(fā)

在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具體的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)中，選擇Flash作為主體工具，本節(jié)將重點(diǎn)關(guān)注如何利用Flash進(jìn)行可重用控件的開(kāi)發(fā)，再將這些控件進(jìn)行有機(jī)組合，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理通過(guò)模塊內(nèi)部的算法來(lái)復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的不同實(shí)驗(yàn)科目之間有很多相通之處，為降低開(kāi)發(fā)難度，縮短開(kāi)發(fā)周期，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了模塊化理念，其主要思想是把實(shí)驗(yàn)中相通的部分看作一個(gè)模塊，將它們做成一個(gè)或一組影片剪輯（MovieClip）。例如，可將風(fēng)洞開(kāi)關(guān)或?qū)嶒?yàn)說(shuō)明作為一個(gè)模塊，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景時(shí)只需將它拖入舞臺(tái)，根據(jù)需要稍加修改即可。

要實(shí)現(xiàn)模塊化，類綁定技術(shù)將大量運(yùn)用。以往的Flash開(kāi)發(fā)多將代碼寫(xiě)在幀上，雖然幀代碼直接、簡(jiǎn)單，但代碼分散在不同層、不同影片剪輯的不同幀中，因此代碼不易于維護(hù)且?guī)缀鯖](méi)有重用性。要想使一個(gè)控件具有較好的可移植性，或者希望一類控件都具有良好的可移植性，就需要使用類綁定降低代碼和影片的耦合度。

以全機(jī)氣動(dòng)力系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的風(fēng)洞開(kāi)關(guān)按鈕為例，這個(gè)按鈕上有靜態(tài)文字，以便需要更換按鈕的說(shuō)明文字時(shí)不必對(duì)按鈕的每一幀都修改，另外當(dāng)鼠標(biāo)在按鈕或文本上時(shí)，鼠標(biāo)均會(huì)變成手指的形狀，該按鈕的功能是點(diǎn)擊開(kāi)啟風(fēng)洞，同時(shí)初始化各項(xiàng)參數(shù)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)這些效果和功能，首先將按鈕外觀設(shè)計(jì)好，再設(shè)置一個(gè)靜態(tài)文本“開(kāi)啟風(fēng)洞”轉(zhuǎn)化為影片剪輯并命名為label＿txt，將兩者放在同一個(gè)影片剪輯中，將BasicButton.as綁定到該影片剪輯上，BasicButton.as代碼如下：

package｛

import flash.display.＊；

import flash.events.＊；

import flash.text.＊；

public class BasicButton extends MovieClip｛

private var＿lable：String；

private var allButtons：Array；

public function BasicButton（）｛

buttonMode＝true；

label＿txt.mouseEnabled＝false；

this.addEventListener（MouseEvent.CLICK，clickButton）；

function clickButton（evt：MouseEvent）：void｛

Global.windstatus＝true；

var wag：windArrowGroup＝ new windArrowGroup（）；

wag.x＝230；

wag.y＝15；

stage.addChild（wag）；

｝

｝

｝

｝

代碼中windArrowGroup為影片剪輯（MovieClip），它包含一組表示風(fēng)向的箭頭，并令其為ActionScript導(dǎo)出，從而自動(dòng)生成默認(rèn)的類來(lái)進(jìn)行綁定。這樣我們需要批量創(chuàng)建類似的按鈕時(shí)，只需要改變靜態(tài)文本和BasicButton.as中的功能代碼即可。比如要實(shí)現(xiàn)關(guān)閉風(fēng)洞的按鈕功能時(shí)，只需在庫(kù)中復(fù)制開(kāi)啟風(fēng)洞的 MovieClip，并將新MovieClip的靜態(tài)文本改成“關(guān)閉風(fēng)洞”，同時(shí)將BasicButton.as中addChild換成removeChild，另存為BasicButton2.as并將其綁定在關(guān)閉風(fēng)洞的MovieClip上即可。這樣進(jìn)行控件開(kāi)發(fā)省時(shí)省力，更重要的是結(jié)構(gòu)清晰，易于維護(hù)和查錯(cuò)。

利用MVC設(shè)計(jì)模式和模塊化思想，能使開(kāi)發(fā)周期大大縮短，隨著開(kāi)發(fā)的進(jìn)行，加入一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)功能往往只需一到兩天便可實(shí)現(xiàn)。

6 容錯(cuò)系統(tǒng)與代碼維護(hù)

6.1 容錯(cuò)系統(tǒng)與誤操作提示功能

實(shí)驗(yàn)操作者對(duì)界面功能不熟悉，在實(shí)驗(yàn)中難免出現(xiàn)流程錯(cuò)誤或參數(shù)輸入錯(cuò)誤，因此在本系統(tǒng)中設(shè)置了實(shí)驗(yàn)容錯(cuò)系統(tǒng)和誤操作提示功能。例如，在雷諾實(shí)驗(yàn)中測(cè)定下臨界雷諾數(shù)時(shí)，若未將無(wú)級(jí)調(diào)速器開(kāi)至最大位置就點(diǎn)擊開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)將提示學(xué)員首先操作可控?zé)o級(jí)調(diào)速器。

在翼型表面壓力分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果調(diào)節(jié)風(fēng)洞風(fēng)速過(guò)大，則會(huì)提示到達(dá)風(fēng)洞風(fēng)速上限。這種人性化的提示使實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加完整，方便學(xué)員熟悉實(shí)驗(yàn)流程，具有更強(qiáng)的沉浸感，使虛擬實(shí)驗(yàn)逐漸回歸現(xiàn)實(shí)［8］。

6.2 異常處理機(jī)制

使用異常處理機(jī)制的最主要原因是讓程序更加健壯、更加易于維護(hù)。有時(shí)，根本不能通過(guò)修改代碼來(lái)處理異常，原因是有的異?？赡軄?lái)自于第三方組件或者源碼的缺陷。如果是第三方編譯好的組件，則不能訪問(wèn)其代碼。如果是源碼，可能由于其結(jié)構(gòu)龐大，缺少詳細(xì)文檔，查錯(cuò)困難，不如在自己的代碼中集中處理這些異常。因此，在本系統(tǒng)的代碼設(shè)計(jì)中，碰到異常就盡可能就地解決。如果在當(dāng)前代碼中無(wú)法處理，那么再繼續(xù)拋出，并寫(xiě)好注釋，方便日后修改和調(diào)試。

異常發(fā)生后，系統(tǒng)將在代碼及使用的第三方工具中，記錄下異常的發(fā)生原因、次數(shù)和發(fā)生場(chǎng)景，生成的錯(cuò)誤日志對(duì)日后的調(diào)試和維護(hù)非常重要。同時(shí)，注重編程規(guī)范，杜絕使用空代碼處理異常的現(xiàn)象［5，9］。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用MVC設(shè)計(jì)模式站在全局規(guī)劃的高度，利用模塊化思想構(gòu)建了界面友好實(shí)時(shí)交互的網(wǎng)絡(luò)化空氣動(dòng)力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路更加清晰，可操作性強(qiáng)，便于多人分工協(xié)作，注重代碼的重用性和健壯性，方便了系統(tǒng)功能的拓展和維護(hù)，并為接下來(lái)進(jìn)行的虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目打下了基礎(chǔ)。

通過(guò)學(xué)生對(duì)該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用，對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)的模擬結(jié)果與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠獲得較準(zhǔn)確合理的結(jié)果。而在Linux服務(wù)器上，該平臺(tái)亦能穩(wěn)定運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更加人性化，操作簡(jiǎn)便，功能較全面，跨平臺(tái)、跨操作系統(tǒng)的能力強(qiáng)，可適用多種網(wǎng)絡(luò)交互客戶端。同時(shí)，系統(tǒng)虛擬的實(shí)驗(yàn)過(guò)程完整，更具沉浸性，使虛擬實(shí)驗(yàn)逐漸回歸現(xiàn)實(shí)，并可以利用Flash的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)輕松實(shí)現(xiàn)在線互動(dòng)。使用者通過(guò)模擬過(guò)程，可達(dá)到熟悉實(shí)驗(yàn)儀器和裝置、掌握實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的目的，能夠滿足儀器操作培訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)等方面的需要。

憑借其獨(dú)有的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，虛擬儀器和虛擬實(shí)驗(yàn)室將成為今后實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的研究重點(diǎn)并具有廣闊的發(fā)展前景。在下一步的工作中，將進(jìn)一步深入研究加入語(yǔ)音的實(shí)時(shí)交互與更多線上交互功能，未來(lái)的方向主要是實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)儀器協(xié)同化、同步化，真正建立起立體化全時(shí)空的網(wǎng)絡(luò)三維仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室。

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