曹劍文

（武漢紡織大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機(jī)學(xué)院實驗室，湖北 武漢 430000）

隨著高校實驗室資源的擴(kuò)充，實驗室信息化逐漸被提上日程。 所謂實驗室信息化，就是指從實驗課的編排，到實驗室的開放，再到實驗教學(xué)，全部基于網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，真正構(gòu)建出基于網(wǎng)絡(luò)信息化的實驗室教學(xué)管理系統(tǒng)。另一方面，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸得到了廣泛的研究與應(yīng)用，如何利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建出虛擬實驗，成為實驗室信息化的一個重要構(gòu)成， 這也是很多高校實驗室管理部門重點解決的技術(shù)問題之一。

1 實驗室信息化管理設(shè)計方案

1.1 功能設(shè)計

（1）實驗信息管理。 實驗信息管理主要包括對實驗室工作人員、實驗室規(guī)章制度、實驗室通知以及實驗室辦公文件等信息的集中管理。 （2）實驗課程管理。 實驗課程管理是指面向不同的老師、不同的開設(shè)班級，對實驗課程進(jìn)行編排，以完成實驗課程的統(tǒng)一集中管理，做到實驗課程的時間、教室不沖突。（3）實驗設(shè)備管理。 實驗設(shè)備是實驗教學(xué)過程中的重要資源，對實驗設(shè)備統(tǒng)一進(jìn)行信息登記和管理，有助于實現(xiàn)對實驗設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化管理。（4）實驗教學(xué)管理。 實驗教學(xué)管理主要包括實驗課程的準(zhǔn)備，學(xué)生實驗過程視頻的保存，實驗報告的電子化及成績評定，以及實驗教學(xué)總結(jié)。

1.2 模式設(shè)計

該設(shè)計采用了C/S 模式和B/S 模式相結(jié)合的設(shè)計模式。 整個實驗室信息管理系統(tǒng)在WEB 環(huán)境下運行，客戶端與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間采用B/S 模式，從而避免了客戶端專用程序的開發(fā)；而數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)器之間采用C/S 模式， 適宜滿足應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之間的大批量數(shù)據(jù)訪問和調(diào)用， 從而提高了數(shù)據(jù)訪問的靈活性。另一方面，由于數(shù)據(jù)全部存儲在專用的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上， 而應(yīng)用程序服務(wù)器和客戶端只負(fù)責(zé)發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)請求指令，這樣在一定程度上也提高了數(shù)據(jù)的安全性，后期維護(hù)也更加趨于合理。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬實驗中的設(shè)計與應(yīng)用

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用方法

要將傳統(tǒng)的動手實驗演變?yōu)榛谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗，必須要完成三維建模、虛擬場景重建以及動作響應(yīng)設(shè)定等一系列設(shè)置，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)實驗教學(xué)的信息化和虛擬化。 目前三維建模主要依賴Solid Works 三維軟件完成，而虛擬場景的重新構(gòu)建，在很大程度上依賴于LabView 等圖形化編程軟件的使用。

要實現(xiàn)虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計， 離不開數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用，因為在虛擬實驗操作過程中，離不開對數(shù)據(jù)庫的實時動態(tài)訪問，因此如何快速訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)成為虛擬技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。 目前應(yīng)用在虛擬實驗系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)， 主要是依賴于數(shù)據(jù)的快速存儲方式。 對于底層傳遞來的數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)自身的屬性進(jìn)行分類，從而將數(shù)據(jù)自動劃分到不同的數(shù)據(jù)類中。 在同一數(shù)據(jù)類中，按照所定義的關(guān)鍵字對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。 采用分類的數(shù)據(jù)存儲和訪問方式，能夠極大地提高數(shù)據(jù)庫訪問的效率。

2.2 機(jī)電一體化實驗的虛擬化設(shè)計應(yīng)用

本研究課題以具體的機(jī)電一體化實驗為例探討虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。

機(jī)電一體化實驗主要完成傳感器檢測、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、電機(jī)控制等一系列任務(wù)。 針對該實驗的內(nèi)容，虛擬化和信息化可以按照如下步驟實施：

（1）三維建模。借助于Solid Works 三維軟件對傳感器、濾波器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)碼管、CPU 控制器、步進(jìn)電機(jī)等進(jìn)行三維建模，實驗室內(nèi)的萬用表、示波器等其他實驗儀器也要建模，以增強(qiáng)實驗環(huán)境的真實性。

（2）場景重建。 利用LabView 圖形化編程軟件，將上述三維模型進(jìn)行空間布局設(shè)置，構(gòu)建與實驗室完全一致的實驗場景。

（3）界面接口設(shè)計。 僅僅有圖形化場景是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須借助LabView 圖形化編程軟件對接口進(jìn)行設(shè)計。 比如數(shù)據(jù)采集卡的接口應(yīng)當(dāng)與傳感器的輸出接口保持相同的電平規(guī)格；再比如，CPU 控制器的輸出脈沖應(yīng)當(dāng)跟步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電流保持相同電平規(guī)格，以確保電機(jī)能夠被驅(qū)動。

（4）虛擬動作響應(yīng)。 設(shè)計了界面接口，就能夠利用VRML 工具對虛擬動作響應(yīng)進(jìn)行設(shè)定， 通過設(shè)定使虛擬實驗系統(tǒng)能夠智能地感知到操作者的意圖，從而順利完成虛擬實驗。

（5）數(shù)據(jù)庫的快速訪問。 在機(jī)電一體化實驗中，需要保存的數(shù)據(jù)有傳感器采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集卡的采集頻率、CPU 控制器的輸出脈沖規(guī)格以及步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)。 這些參數(shù)按照其自身屬性可以劃分為采集數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)三大類，將上述的數(shù)據(jù)自動地劃分到這三大類中。 當(dāng)虛擬動作響應(yīng)需要訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)查詢上述相關(guān)數(shù)據(jù)時， 可以首先按照數(shù)據(jù)所在的大類進(jìn)行查詢，這樣有助于提高數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)訪問的快速性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種將現(xiàn)實中的情景進(jìn)行虛擬化并重現(xiàn)的技術(shù)，在三維場景建設(shè)技術(shù)中有著重要的應(yīng)用。 本研究課題將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與虛擬實驗室建設(shè)相結(jié)合， 探討了實驗室的信息化及虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計， 結(jié)合具體的機(jī)電一體化實驗給出了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬實驗設(shè)計中的具體應(yīng)用。

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[2]周鵬，李芳.“數(shù)字電路”虛擬實驗通用開發(fā)平臺中的關(guān)鍵技術(shù)[J].實驗室研究與探索，2008，27（1）:59.