摘 要：在各級學(xué)校的教學(xué)過程中，理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)是相輔相成的兩種教學(xué)方式，但是，傳統(tǒng)意義上的實(shí)驗(yàn)室容易受到各種控件和時(shí)間等因素的限制，且建設(shè)專門的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境投入較大，且效費(fèi)比較低，所以，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺也就逐漸發(fā)展起來。在此背景下，本位以計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)需求為例進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)了基于VRML（Virtual Reality Model Language）的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，通過采用一種新的虛擬模型實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)站的連接，可以在一定程度上解決傳統(tǒng)方式的缺陷。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室；虛擬實(shí)驗(yàn)；虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言

中圖分類號：TP391.9

在學(xué)校教學(xué)環(huán)節(jié)中，為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，需要將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合才可以。而對于大學(xué)教學(xué)中的理工科教學(xué)，由于各類課程更具有較高的實(shí)踐性，也就使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)更成為不可缺少的環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，可以有效提供學(xué)生的動(dòng)手能力，也可以更好的掌握和理解教學(xué)內(nèi)容，深入理解教學(xué)知識。不過，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)容易受到多種因素的限制，比如時(shí)間和空間層面的限制等。

作為實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互的重要手段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為一種豐富人類科研方式、提高技術(shù)水平和拓寬生產(chǎn)實(shí)踐領(lǐng)域的一種重要手段和方式。構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，其根本出發(fā)點(diǎn)就是采用虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的一體化平臺，讓參與者能夠體驗(yàn)到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。所以，文中才對基于VR技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室工具

在技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，誕生了基于計(jì)算機(jī)屏幕的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以為用戶提供觀察虛擬環(huán)境的窗口，利用計(jì)算機(jī)外部設(shè)備，比如鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對虛擬環(huán)境對象的操控。雖然這種基于桌面的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的真實(shí)感低于沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)，但是具有技術(shù)簡單、成本較低的特點(diǎn)，所以，可以很好的滿足教學(xué)過程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，成為虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的主要工具。

現(xiàn)在，能夠用于虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)的技術(shù)有多種，比較主流的包括VRML、Cuh3D、Java3D、OpenGL等，這些技術(shù)和平臺，可以根據(jù)其自身的特點(diǎn)，有針對性的應(yīng)用在多種虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中。而文中所重點(diǎn)研究的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言VRML，作為一種三維造型和渲染的圖形描述語言，具有多種特性和優(yōu)點(diǎn)，比如交互性、平臺無關(guān)性以及可擴(kuò)展性等。盡管VRML平臺所構(gòu)建的三維造型，其視覺感官性比不上專業(yè)三維軟件的性能，但是，采用VRML語言所構(gòu)建的模型文件更小，模型的靈活性更高，易于在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中采用，也適合在網(wǎng)絡(luò)平臺下傳輸。

所以，文中所研發(fā)系統(tǒng)就是采用VRML技術(shù)。現(xiàn)在，能夠使用的VRML開發(fā)工具也比較多，比如基于可視化的Internet Space、基于文本的VrmlPad，以及三維建模軟件3DSMAX等，不過，考慮到實(shí)驗(yàn)室虛擬環(huán)境構(gòu)建的方便性和通用性，文中主要采用基于VrmlPad的VRML集成環(huán)境來完成具體開發(fā)過程，該集成環(huán)境能夠?yàn)殚_發(fā)人員提供制作三維模型的可視化編程界面，大幅減少程序代碼的輸入量，提供整個(gè)虛擬環(huán)境的開發(fā)效率。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室體系結(jié)構(gòu)與原理

在虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)之初，就考慮到通過學(xué)校的校園網(wǎng)絡(luò)來完成虛擬實(shí)驗(yàn)的需要，制定了構(gòu)建Web環(huán)境下的虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)方案。采用這種形式的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造方式，根本上屬于基于Web的軟件仿真實(shí)驗(yàn)，需要采用基于C/S模式的多層體系結(jié)構(gòu)來構(gòu)建。這種軟件架構(gòu)以Web應(yīng)用為核心，主要包括客戶端、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫等3個(gè)不同的層。采用這種軟件模式，也與VRML的訪問方式符合，其中，Web服務(wù)器能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供VRML文件和資源，客戶端則支持VRML通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)文件下載，從而為本地虛擬場景的生成提供支持。具體結(jié)果如圖1中所示。

圖1 系統(tǒng)所采用體系結(jié)構(gòu)模型圖

采用此類型的結(jié)構(gòu)，其具體工作過程是先由客戶終端向Web服務(wù)器發(fā)起服務(wù)請求，然后在通過Web服務(wù)器向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供請求，在服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的響應(yīng)后，向客戶終端返回服務(wù)請求結(jié)果。這樣，就可以在客戶端與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器不進(jìn)行直接聯(lián)系的情況下，完成數(shù)據(jù)傳輸和共享，保證了數(shù)據(jù)的安全性。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建中，采用基于.NET平臺來完成，該平臺能夠提供集成的、無縫的連接組件庫，為用戶提供動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)站的快速開發(fā)支持。

3 建立實(shí)驗(yàn)室虛擬對象

通過虛擬實(shí)驗(yàn)室來完成實(shí)驗(yàn)過程，需要對實(shí)驗(yàn)器件進(jìn)行操作。所以，就應(yīng)該針對實(shí)驗(yàn)中所采用的各種器件進(jìn)行模型構(gòu)建。此處以計(jì)算機(jī)組成原理的課程實(shí)驗(yàn)為例，對一系列的芯片模型進(jìn)行構(gòu)建，其中包括了電源、開關(guān)、LED等多種元器件，這些元器件的模型構(gòu)建則參考Prote 99SE中元器件的構(gòu)造和外觀來進(jìn)行。具體過程為：

首先，對各種元器件的基本結(jié)構(gòu)和框架圖進(jìn)行繪制，選擇和確定每個(gè)元器件的物理外觀和外形特征；接著，在VrmlPad文本編輯器中完成代碼編輯，充分發(fā)揮可視化編程的特點(diǎn)，對模型進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)與真實(shí)元器件相似的效果；最后，生成模型文件。

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，需要進(jìn)行建模的對象通常會有多種，所以，對于外觀和造型相似的對象，就應(yīng)該設(shè)計(jì)通用的模型文件來表示，而其他模型只要在通用模型上增加或者改變一些特性即可。此處以計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)過程中的實(shí)驗(yàn)芯片74LS181為例，闡述其幾個(gè)建模過程，構(gòu)建起外形。腳本如下：

Background{skyColor 1.0 1.0 1.0} #這設(shè)置芯片的背景顏色

Shape{appearance Appearance{Material Material{} geometry Box{}}#構(gòu)造芯片形狀

Transform { geometry Text{ string 74LS181 maxExtent 2.0}}#設(shè)置芯片坐標(biāo)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

利用上述腳本，基本可以完成該芯片的實(shí)體構(gòu)建，如果還想對其他74LS系列芯片進(jìn)行構(gòu)建，則只需要在這些腳本的基礎(chǔ)上改變相應(yīng)的語句值即可，或者添加一些特殊性質(zhì)的語句，避免了重新構(gòu)造過程。這樣，就可以大大減少工作量，提高模型構(gòu)建的效率。

完成了元器件模型的構(gòu)建后，采用*.wrl格式進(jìn)行存儲。不過，在大量文件模型存在的情況下，難以對想要的模型進(jìn)行快速查找，所以，還需要將每個(gè)模型文件的存儲地址都保存到數(shù)據(jù)庫表中。這樣，就可以在需要調(diào)用某個(gè)模型文件時(shí)，通過數(shù)據(jù)庫對其進(jìn)行調(diào)用即可，如果需要進(jìn)行元器件的擴(kuò)展，則只需要將擴(kuò)展的新元器件文件地址更新到數(shù)據(jù)庫中，通過對元器件位置的調(diào)用，就可以完成系統(tǒng)更新。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)應(yīng)用

完成了對虛擬對象的建模過程后，也就實(shí)現(xiàn)了對虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建。接著，就需要通過虛擬網(wǎng)站的構(gòu)建來完成模型連接過程，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)交互性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使用用戶通過網(wǎng)站登錄來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作過程。通常，可以通過網(wǎng)頁中的控件完成虛擬模型的調(diào)用，完成對不同模型的交互調(diào)用。不過，考慮到模型文件的具體格式，在將VRML文件嵌入到網(wǎng)頁時(shí)，需要添加一些腳本。

模型間的交互過程中，需要在網(wǎng)頁中嵌入大量虛擬建模語言，以及程序腳本，而在實(shí)際的開發(fā)過程中，這種方式的是實(shí)現(xiàn)難度較大，且頻繁對后臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行調(diào)用，會增加服務(wù)器的工作負(fù)擔(dān)，從而給虛擬實(shí)驗(yàn)室的整體性能產(chǎn)生影響。

所以，為了避免出現(xiàn)該問題，文中采用了另一種連接方式，具體如圖2中所示。完成了具體對象模型的構(gòu)建后，則可以創(chuàng)建一個(gè)主虛擬文件，即Main.wrl，其能夠?qū)唧w的對象模型進(jìn)行調(diào)用，且作為這些模型的承載和調(diào)用平臺，能夠通過Vrmlpad的可視化編程對各個(gè)模型的位置坐標(biāo)和布局進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定。實(shí)驗(yàn)過程中，需要通過網(wǎng)絡(luò)將Main.wrl文件下載到客戶端，這樣，就不需要對平臺進(jìn)行頻繁的訪問，可以利用一次訪問對所有的虛擬部件進(jìn)行下載。

圖2 客戶端連接模型

5 結(jié)束語

在教學(xué)過程中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的一種新技術(shù)，使得教學(xué)過程可以在虛擬環(huán)境下完成實(shí)驗(yàn)操作，還可以突破時(shí)間和空間的諸多限制，環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成本和資金壓力，對實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展具有非常重要的意義。

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作者簡介： 謝文達(dá)，男，廣東陽江人，碩士，教師，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實(shí)。

作者單位：江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東江門 529000