凌 申，陳 光，韓秀玲

(東華大學信息科學與技術學院，上海 201620)

0 引言

實驗是專業(yè)課教學中非常重要的環(huán)節(jié)，但隨著高校學生人數(shù)的增加，有限的實驗資源無法滿足實際教學的需求［1］。尤其像移動通信這樣的課程，由于缺乏昂貴的實驗設備，使得很多實驗課程根本無法展開。針對這一情況，本文研究基于3DS MAX和Virtools技術的虛擬實驗開發(fā)方法，并參照《移動通信實驗與實訓》教材，開發(fā)一套移動通信虛擬實驗系統(tǒng)。實踐證明，該虛擬實驗系統(tǒng)可以有效地解決通信實驗教學資源不足的難題。本文以其中的“CDMA移動臺主呼及被呼叫過程實驗”實驗器材連接部分的虛擬仿真為例，對開發(fā)過程進行詳細的介紹。

1 開發(fā)技術

虛擬實驗是對真實的實驗場景、器材和實驗操作進行仿真，因此需要將實驗場景和器材進行搭建，之后在搭建好的模型基礎上進行所需的操作。下面將對模型搭建和交互操作的2種軟件進行介紹。

1.1 3DS MAX

3DS MAX是Discreet(后被Autodesk公司合并)公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件。其入門較為簡單，提供免費版本，因此成為目前個人PC上最為流行的三維建模軟件，被廣泛應用于工業(yè)設計、建筑設計、多媒體制作、輔助教學以及工程可視化等領域。與其它同類軟件相比，3DS MAX可以說是最容易上手的3D軟件，它和其它相關軟件的配合也非常流暢。

1.2 Virtools

Virtools是法國達索公司(Dassault System)開發(fā)的一款虛擬現(xiàn)實軟件。它在多個領域被廣泛應用，如網(wǎng)際網(wǎng)絡、多媒體、建筑設計、交互式電視和教育訓練等。對于普通的開發(fā)者，僅運用其自身攜帶的500多個BB腳本，便可以制作出高品質(zhì)效果的作品。Virtools本身不帶有三維建模功能，但可以與多種三維建模軟件配合使用，如3DS MAX、Maya等。

2 開發(fā)流程

該虛擬實驗的開發(fā)步驟是，首先要模擬出相對真實的實驗場景和實驗設備，本文利用3DS MAX實現(xiàn)虛擬場景的三維仿真及設備的建模，亦即將實驗設備和場景在計算機中進行重建。這里可使用3DS MAX中的材質(zhì)編輯器設置顏色，并將其編輯給模型的相應部分，對于材質(zhì)復雜的部分亦可采用貼圖的方式［2］。然后，將編輯過材質(zhì)的三維模型通過Virtools Max Exporter插件導入到Virtools中進行交互，并在Virtools中實現(xiàn)各種期望的功能，該部分也是這個三維實驗的靈魂。最后，將制作好的虛擬實驗以可執(zhí)行播放方式或者網(wǎng)頁播放方式進行發(fā)布。具體流程及每個過程中的格式如圖1所示。

圖1 開發(fā)流程圖

3 具體實現(xiàn)

前面已經(jīng)提到本文所要仿真的對象，這里根據(jù)“CDMA移動臺主呼及被呼叫過程實驗”所需的設備和場景進行建模;在交互方面，除了硬件連接部分的虛擬操作外，為了讓學生能夠了解和感受真實的實驗場景，本文在設計虛擬仿真時，加入了漫游功能，讓學生首先對實驗環(huán)境有充分的了解。因此本虛擬實驗包括以下操作步驟:(1)在CDMA模塊的UIM卡座上裝入SIM卡;(2)用串口線連接計算機和CDMA測試模塊;(3)連接電源。該實驗的具體開發(fā)過程如下。

3.1 實驗場景和器材的建模

應用3DS MAX技術分別對虛擬實驗中的各個物體進行建模。3DS MAX建模沒有固定的方式，但基本的建模原則是消除冗余，降低模型的復雜度，盡量做到形體準確、比例合理、數(shù)據(jù)量小。根據(jù)這些原則分別對虛擬實驗中的各個物體進行建模。3DS MAX中實驗場景的模型如圖2所示，這里不詳述。本文只對實驗器材中CDMA測試板的建模過程進行具體介紹。CDMA測試板結構相對復雜，因此對各部件分別進行建模，之后選擇在菜單欄的“文件”中的“合并”將其組合在一起，并運用主工具欄的移動將各部件移動至相應的位置。CDMA測試版的初步模型如圖3所示。

圖2 實驗場景模型圖

圖3 初步模型

模型的每一個部件都要進行材質(zhì)的編輯，圖3中模型的顏色是系統(tǒng)為了區(qū)分不同部件而自動呈現(xiàn)的。對于模型中單一色調(diào)的部件，在材質(zhì)編輯器中設置相應的顏色，并將其編輯給模型的相應部分。對于材質(zhì)復雜的部分可采用貼圖的方式，其步驟為:材質(zhì)編輯器、貼圖、漫反射顏色、位圖。金屬感的材質(zhì)則改為在Virtools軟件中設置，因為在3DS MAX中通過材質(zhì)編輯器的金屬材質(zhì)，導入Virtools中的效果并不理想。編輯材質(zhì)后的CDMA測試板的模型如圖4所示。最后全選所有部件，將其成組并命名為“CDMA測試板”。在這里補充一下，為后面的交互做準備，將CDMA測試板和SIM卡再次成組命名為“CDMA測試板+SIM卡”(交互部分會用到該組)。

圖4 編輯材質(zhì)后模型

3.2 導入Virtools

首先將建模完工后的虛擬場景導出。選擇“文件”菜單下的“導出”命令。通過下拉菜單選擇Virtools Export(*NMO*CMO*VMO)的文件類型，并輸入文件名“CDMA移動臺主呼及被呼叫過程實驗”。點擊“保存”后，在彈出輸出設置面板中選擇輸出類型，出于習慣筆者選擇了Export as Objects。打開Virtools，點擊菜單欄中的 Resources，選擇 Import File雙擊“CDMA移動臺主呼及被呼叫過程實驗”。

3.3 Virtools交互設計

Virtools交互設計是實現(xiàn)操作功能的部分。整體的操作界面如圖5所示，前面已提到本文只針對漫游、裝載SIM卡、串口線連接計算機和CDMA測試模塊和連接電源部分進行介紹。具體實現(xiàn)方法如下:

圖5 操作界面

(1)裝載SIM的實現(xiàn)。本實驗測試板原型的卡槽在其底面，因此在設計SIM卡的時候，首先需要將測試板翻轉(zhuǎn)180度，再由SIM卡下落到卡槽的位置，最后CDMA測試板+SIM卡(前面建模時已將二者成組)一起翻轉(zhuǎn)180度，恢復測試板原先的姿態(tài)。裝載SIM的過程的實現(xiàn)涉及3個動作。根據(jù)先后順序分別對3個動作進行編輯，腳本的BB模塊如圖6所示。

圖6 裝卡BB模塊

Pushbuttom實現(xiàn)按下“裝SIM卡”的按鈕，觸發(fā)該條腳本代碼的作用。由左向右第一個Bezier Progression、Rotate(目標測試板)和參數(shù)運算腳本Multiplication實現(xiàn)測試板的旋轉(zhuǎn)角度和速度的控制。中間的 Bezier Progression、Translate和參數(shù)運算腳本Multiplication實現(xiàn)SIM卡移動到卡槽的動作過程。最后的Bezier Progression、Rotate(目標是CDMA測試板板+SIM卡)和參數(shù)運算腳本Multiplication實現(xiàn)整體的旋轉(zhuǎn)角度和速度的控制。3個動作中間使用了2個Delayer連接起來，這樣動作的先后過程就會比較鮮明，圖7給出了SIM裝入卡槽的過程圖。

(2)串口線連接計算機和CDMA測試模塊。設計的目標是，當用鼠標點擊CDMA測試模塊數(shù)據(jù)線接口和計算機USB接口時，將隱藏的串口線顯現(xiàn)出來(在此之前已將串口線隱藏起來)。該部分實現(xiàn)的原理和代碼與接下來的“連接電源”基本相同，因此該部分不加以贅述。

圖7 裝卡效果

(3)連接電源。設計的目標是，當用鼠標點擊CDMA測試模塊電源線接口和拖線板接口時，將隱藏的電源線顯現(xiàn)出來(在此之前已將電源線隱藏起來)，并且電源指示燈開始閃爍。此功能的實現(xiàn)需要對2個接口進行腳本編輯，二者之間相互聯(lián)系，因此首先需要在Level Manager中創(chuàng)建一個名為connect power line array的2行1列的陣列。2個接口腳本的BB模塊相同，如圖8所示。

圖8 接電源線BB模塊

2個接口各自代碼中的Mouse Waiter、2D Picking和Test是用來判斷點擊的物體是否是該物體本身，CDMA測試模塊電源線接口中代碼的Set Cell是設置陣列中0行0列的參數(shù)，Iterator If和Test是用來判斷陣列1行0列的參數(shù)值是否為1;拖線板接口代碼中的Set Cell是設置陣列中1行0列的參數(shù)，Iterator If和Test是用來判斷陣列0行0列的參數(shù)值是否為1。當左擊CDMA測試模塊電源線接口時，Mouse Waiter、2D Picking和Test，識別鼠標左擊的物體是否是CDMA測試模塊電源線接口;若左擊到的是該物體，Set Cell便將陣列的0行0列參數(shù)設置為1;Iterator If和Test判斷陣列1行0列的參數(shù)值是否為1，不為1流程終止(說明拖線板接口還沒有被點擊)，為1則流程繼續(xù)(說明拖線板接口之前已被點擊)，觸發(fā)Show將電源線顯示出來，并且觸發(fā)Bezier Progression、Interpotator和Set Diffuse將數(shù)據(jù)指示燈實現(xiàn)閃爍的效果。上面提到陣列的1行0列不為1的，因而流程被終止，但之前的Set Cell是將陣列的0行0列參數(shù)設置為1，因此現(xiàn)在只需點擊拖線板接口，便在拖線板接口的代碼中實現(xiàn)串口線顯示和指示燈閃爍。

這樣器材連接部分就完成了，圖9給出了完成連接前與連接后的模型效果。

圖9 接線效果

4 結束語

在3DS MAX和Virtools環(huán)境下，筆者開發(fā)了一套移動通信虛擬實驗系統(tǒng)，使學生在沒有真實實驗條件的情況下，也能夠沉浸在移動通信的實驗場景中，并像在真實環(huán)境中一樣操作實驗設備。本文以“CDMA移動臺主呼及被呼叫過程實驗”的實驗器材連接部分的開發(fā)為例，詳細介紹了該虛擬實驗的開發(fā)方法。相對于其他的開發(fā)技術，該方法容易上手，易于實現(xiàn)，且開發(fā)的作品效果好。在缺乏真實實驗條件的情況下，應用該技術開發(fā)虛擬實驗系統(tǒng)能夠解決目前通信實驗資源不足的難題。

:

［1］卜朱鎮(zhèn).在線三維計算機網(wǎng)絡虛擬實驗室的研究與設計［D］.上海:東華大學，2012.

［2］廖俊翔.中學物理中利用虛擬現(xiàn)實技術進行探究式教學的研究［D］.成都:四川師范大學，2012.

［3］徐英欣，王丹東，胥林.三維游戲設計寶典—Virtools虛擬裝配制作實例［M］.重慶:電腦報電子音像出版社，2009:386-388.

［4］李永帥，陳清奎，宋開功，等.基于Virtools的虛擬實驗室的構建方法研究［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011(2):133-135.

［5］陳舜.基于OpenGL的三維房屋裝修系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.成都:電子科技大學，2009.

［6］王磊.基于LabVIEW的虛擬實驗室與傳感器虛擬儀器的設計及實現(xiàn)［D］.太原:太原理工大學，2010.

［7］李昌國.基于3D和Virtools技術的虛擬實驗室架構設計［D］.成都:四川師范大學，2007.

［8］趙沁平，郝愛民，王莉莉，等.實時三維圖形平臺BHGRAPH［J］.計算機研究與發(fā)展，2006，43(9):1491-1497.

［9］明日科技，張躍進，蘇宇.ASP.NET程序開發(fā)范例寶典(C#)［M］.北京:人民郵電出版社，2009:411-423.

［10］申蔚，曾文琪.虛擬現(xiàn)實技術［M］.北京:清華大學出版社，2009:386-388.

［11］章堅武，姚英彪.移動通信實驗與實訓［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2011:94-109.

［12］周良.利用Virtools設計與開發(fā)基于分布式VR技術的教學游戲［D］.上海:華東師范大學，2008.

［13］張曉梅.論高校圖書館的虛擬館藏建設［J］.醫(yī)學信息學雜志，2007，28(5):475-476，489.