林燕芬, 胡惠君

(中國美術學院 實驗教學管理部, 浙江 杭州　310002)

?

虛擬仿真實驗室在線游歷系統(tǒng)的功能分析與實現(xiàn)

林燕芬, 胡惠君

(中國美術學院 實驗教學管理部, 浙江 杭州310002)

設計了虛擬仿真實驗室在線游歷系統(tǒng),提出了系統(tǒng)的實現(xiàn)思路和方法。該系統(tǒng)功能包括:實驗室資料瀏覽、實驗設備資料查找、實驗室設備與空間信息管理、實驗設備資料管理、實驗室信息管理、場景交互功能。通過網絡技術將實驗室可視化,使得廣大師生能夠在線快速了解和熟悉實驗室環(huán)境及內部的各種設備,并為虛擬實驗準備技能和積累經驗。

虛擬仿真實驗室； 在線游歷系統(tǒng)； 學校管理

虛擬仿真實驗室的未來發(fā)展目標是在線虛擬實驗,但由于實現(xiàn)該目標需要投入大量資金,并且對于實驗者的在線技能要求也較高,因而短時間難以有效實現(xiàn)。因此,設計開發(fā)虛擬仿真實驗室在線游歷及信息展示系統(tǒng),正是在投入有限的前提下,使得師生能夠在線提前了解實驗室環(huán)境及其內部的設備,為下一步開展虛擬實驗做好準備。

可視化(visualization)是利用計算機圖形學和圖像處理技術,將數(shù)據(jù)轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來,并進行交互處理[1]。利用可視化技術,可以將實驗室的資源信息及其狀態(tài)以直觀的圖像方式表現(xiàn)出來,既有利于實驗室管理者全面掌握和管理實驗室資源,又有利于實驗室的使用者直觀地了解和觀察實驗室的各類資源[2]。虛擬實驗室需要對實驗室空間及設備進行展示,并對數(shù)據(jù)進行在線可視化管理,既改善用戶體驗,也能夠更好地貼近用戶看圖的習慣。

1　系統(tǒng)需要解決的主要問題

虛擬仿真實驗室在線游歷系統(tǒng)是以Web平臺為應用環(huán)境,從實驗室及實驗設備信息的可視化展示與管理入手,以師生的信息瀏覽、檢索、管理、交互等行為的體驗為檢驗標準,主要解決以下問題[3-6]:

(1) 在實驗室的使用流程及管理模式方面,對實驗室傳統(tǒng)的基于手工和單機管理的模式進行調查與研究分析,從而規(guī)范化使用流程、數(shù)字化各類數(shù)據(jù),使之適應統(tǒng)一的、基于聯(lián)網的信息管理方式；

(2) 在實驗室用戶群的細分方面,針對新的開放式實驗室管理模式,對傳統(tǒng)實驗室的使用者進行調查與研究分析,了解和掌握師生的需求和可能的交互方式,從而選擇和設計合適的信息化工具,在有效滿足實驗室使用者需求的同時,確保實驗室管理工作高效和有序進行；

(3) 在開發(fā)系統(tǒng)的管理功能方面,分析Web平臺的應用環(huán)境和相關工具限制,實現(xiàn)實驗室及實驗設備信息的基本展示和管理功能,針對系統(tǒng)的可視化需求,設計出既滿足基本可視化需求,又能在短時間見效且投入較小、對使用者沒有過多限制的技術方案；

(4) 在設計開發(fā)效率方面,針對實驗室各類信息的前端展示和后端管理的要求,研究和設計技術方案,實現(xiàn)內容與界面分離、結構和樣式分離,以有利于前后端開發(fā)效率的提高。

2　系統(tǒng)的功能分析

2.1系統(tǒng)角色分析

系統(tǒng)的使用者對系統(tǒng)有不同的使用方式和內容要求。通?？梢詫⒕哂型活愋袨榉绞胶蛢热菀蟮挠脩羧后w看作是一個角色,從而方便系統(tǒng)的設計開發(fā)與管理。在本系統(tǒng)中,角色及其權限要求如下。

(1) 實驗室使用人員。主要是學生,數(shù)量約有1萬人,僅就在線游歷與實驗室展示系統(tǒng)而言,此類人員一般不需登錄到系統(tǒng),只需具有瀏覽權限,如查看新聞公告、實驗室安全教育、管理部門發(fā)布的信息、各實驗室發(fā)布的信息、各實驗設備相關資料等。若該類用戶需要執(zhí)行其他操作,例如提交問題、模擬操作、查看自身狀態(tài)等,則必須登錄。

(2) 實驗室管理人員。每個實驗室至少有一名管理人員,管理人員具有發(fā)布和編輯各類設備信息的權限。該類用戶須登錄系統(tǒng)方能編輯實驗室信息、管理實驗設備資料、發(fā)布新聞和通知公告、在線答疑、管理設備預約、管理實驗室作品等權限,其權力的使用范圍僅限于其所在的實驗室。

(3) 系統(tǒng)管理員。指學院級實驗教學管理部門的人員,數(shù)量1～2人。該類用戶具有系統(tǒng)的最大權限,登錄后方能進行系統(tǒng)管理,包括發(fā)布和編輯任何信息、增加刪除實驗室資料、代表管理部門發(fā)布消息和公告,具有管理用戶權限和設置系統(tǒng)功能的權限。

2.2功能需求分析

功能需求是與系統(tǒng)業(yè)務和用戶行為直接相關的需求,是檢驗系統(tǒng)是否有效的關鍵點。虛擬仿真實驗室在線游歷系統(tǒng)主要由場景渲染子系統(tǒng)和場景交互子系統(tǒng)構成[7-8],其功能結構如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)功能結構圖

系統(tǒng)的功能就是實現(xiàn)虛擬實驗室的在線游歷,即可通過Web地圖的方式在線游歷和觀摩實驗室，包括以下具體功能。

(1) 實驗室資料瀏覽。通過實驗室詳細資料鏈接頁面查看實驗室的各類相關資料,例如實驗室概況、發(fā)展歷史、功能說明、使用規(guī)范、管理人員信息等；通過實驗教學管理部門詳細資料頁面查看全校實驗室的各類相關資料,包括概況、機構設置、發(fā)展歷程等。

(2) 實驗設備資料查找與瀏覽。用戶可通過Web地圖的方式在線游歷和瀏覽實驗設備；可通過目錄查找和瀏覽設備的相關資料,諸如設備的詳細說明、各部件的詳細說明、設備操作指南、設備圖片相冊、設備操作視頻、設備常見問題等；可在線瀏覽文字類資料、圖片資料和下載附件資料(pdf和doc等格式的文檔)等；可通過多媒體資料庫頁面在線收聽和觀看各類音頻視頻文件。

(3) 實驗室及實驗設備空間信息管理。管理員可使用可視化的地圖編輯工具,為實驗室及實驗設備增加、修改、刪除空間信息,空間信息類型至少支持點、線、矩形、多邊形等；可通過空間信息管理頁面直接查看實驗室及實驗設備的空間數(shù)據(jù)并直接管理空間數(shù)據(jù)；可通過場景管理頁面,將具體的場景地圖圖層及圖層符號與實驗室及實驗設備資料等進行關聯(lián)；可通過場景配置頁面,設置空間場景的渲染模式和樣式。

(4) 實驗設備資料管理。管理員可對基本信息管理頁面的設備簡介及說明進行修改,可對資料管理頁面設備的文字資料進行增加、刪除、修改、查找、分類,可在附件管理頁面對設備的多媒體資料進行上傳、刪除、修改、查找、分類。

(5) 實驗室信息管理。管理員通過信息管理頁面,可對實驗室的各類資料進行增加、修改、刪除、查找、分類等操作。

(6) 場景交互功能。在完成場景的渲染后,進一步實現(xiàn)場景的交互功能:通過拖動地圖、放大縮小地圖、鷹眼定位等方式,查看實驗大樓的相關地理信息；點擊交互界面上的提示標記,系統(tǒng)將彈出對話框,其中包含實驗樓的簡介、圖片、詳情鏈接等信息；可通過點擊詳情鏈接進入實驗大樓詳細資料頁面場景。

基于需求,從普通用戶的角度出發(fā),可以歸納系統(tǒng)的流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)流程圖

3　系統(tǒng)的實現(xiàn)思路

基于在線游歷系統(tǒng)的應用環(huán)境和系統(tǒng)用戶操作需求,系統(tǒng)應當易于訪問、無需安裝任何第三方控件、界面操作簡單,同時系統(tǒng)的開發(fā)應當采取持續(xù)、漸進式的模式,即構建功能可擴展的系統(tǒng)結構,以滿足未來功能擴充和升級的需求?？梢酝ㄟ^基于OpenLayers框架的2.5D瓦片地圖技術來實現(xiàn),系統(tǒng)的整體架構采用基于瀏覽器/服務器的分層架構[9],如圖3所示。

3.1實驗室的展示與游歷功能實現(xiàn)思路

在本系統(tǒng)中,實驗室的展示與游歷功能正是通過對多個圖層的生成、疊加和控制來實現(xiàn)。一般而言,一個實驗室游歷場景中至少應包以下幾類圖層:

圖3　基于B/S的系統(tǒng)架構圖

(1) 基礎圖層或主圖層(實驗室場景圖),應位于Z軸的最底部；

(2) 標記圖層(各類設備熱點等)；

(3) 特性圖層(文字提示等)；

(4) 控件圖層(交互工具欄等)；

(5) 其他特殊功能的圖層。

系統(tǒng)功能的實現(xiàn)過程就是調用相關的類及其接口進行圖層操作的過程。首先,必須創(chuàng)建和生成基礎圖層,然后再向主圖層增加各類標記、控件或特性,實現(xiàn)基本的在線地圖渲染和標記等功能；然后,通過事件機制以響應或中繼客戶端向服務端發(fā)送的動態(tài)請求,并根據(jù)服務端的數(shù)據(jù)響應重新生成和渲染客戶端的各個圖層,從而實現(xiàn)在線地圖的動態(tài)游歷與交互。

任何基于OpenLayers的應用都必須創(chuàng)建一個Map類對象,在該對象的構建函數(shù)中,必須指定地圖名稱和加入一個Layer對象的實例,并指定其為基礎圖層,同時設定該圖層的數(shù)據(jù)來源地址及分辨率、可視大小等。基礎圖層成功設置后,根據(jù)系統(tǒng)定義的功能,還需要為該Map對象增加一些必要的交互控件,例如拖動平移按鈕、通過拖動滑條實現(xiàn)圖片的縮小和放大、鍵盤導航功能、圖層切換、鷹眼功能等[10-11]。

3.2實驗室信息交互功能實現(xiàn)思路

在圖層成功渲染之后,必須為其增加若干交互行為,從而方便用戶更好地瀏覽圖層和進行信息交互。OpenLayers框架內生成支持多種常見的地圖交互行為,如縮放、鷹眼、測距等,并同時提供了強大的編程接口,允許程序員方便地對各類默認圖層交互行為進行擴展和定制。本系統(tǒng)中,基于實際需求和應用特點,圖層交互行為主要有:地圖縮放、地圖鷹眼、地圖拖曳、圖層切換、區(qū)域選擇、地圖標記、動態(tài)要素等。

在上述行為中,對于地圖縮放、地圖鷹眼、地圖拖曳、圖層切換等交互,由于其行為特性簡單和功能比較通用,故OpenLayers已將其包裝為JavaScript組件,只需簡單地在應用中調用與設置參數(shù)即可基本實現(xiàn)。

對于區(qū)域選擇、地圖標記、動態(tài)要素等交互功能,OpenLayers提供了一組基礎的JavaScript對象和接口,程序員需要視應用的需求進行適當?shù)臄U展和定制[12-14]。

例如,系統(tǒng)中有這樣一個典型的交互場景,即當用戶點擊設備上的某個標記時,應當在圖層上顯示一個云狀的信息提示框,提示框中的內容包括設備的名稱、介紹以及相關的鏈接。該功能屬于典型的動態(tài)要素生成類交互，其實現(xiàn)的基本思路是:首先,根據(jù)管理員的編輯信息生成相應的標記對象,并攔截標記對象的鼠標點擊或懸浮事件；然后,根據(jù)用戶點擊的標記對象ID,獲取提示框的類型、需要顯示的內容等數(shù)據(jù),并調用OpenLayers相應的接口,動態(tài)生成提示框對象,并進行各類參數(shù)的設置和填充；最后,將生成的提示框對象掛接到指定圖層的相應位置上,并進行渲染。

4　結語

在對系統(tǒng)功能進行詳細分析的基礎上,基于OpenLayers框架的2.5D瓦片地圖技術實現(xiàn)了虛擬仿真實驗室在線游歷系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設計與實現(xiàn),在一定程度上滿足了實驗教學信息化的發(fā)展要求,是實驗室網絡教學平臺的一個起點,為進一步深入開展虛擬仿真實驗教學的內容建設創(chuàng)造了良好的入門環(huán)境。尤其是在“互聯(lián)網+”時代背景下,在線游歷虛擬仿真實驗室也是“互聯(lián)網+教育”的一種新嘗試。隨著研究工作的深入以及未來對在線虛擬仿真實驗室更新、更多的需求,在今后的系統(tǒng)升級和發(fā)展中,可以進一步從加強系統(tǒng)的操作互動性等方面提升系統(tǒng)的效率,擴充更多的系統(tǒng)功能,建設功能更加強大的、更加貼近真實的在線虛擬仿真實驗環(huán)境。

References)

[1] 馬麗,姜玥,談文蓉.實驗室資源信息可視化管理系統(tǒng)的設計[J].西南民族大學學報:自然科學版,2004,30(5):680-682.

[2] 岳華新.全面可視化管理[M].深圳:海天出版社,2005.

[3] 項慨.基于網絡的虛擬實驗系統(tǒng)的研究[D].武漢:華中師范大學,2006.

[4] 李振波,孟祥旭,向輝.復雜虛擬場景構造機交互漫游實現(xiàn)研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2002,14(9):1183-1187.

[5] 鄧乾國.基于WebGIS的地圖數(shù)據(jù)可視化瀏覽技術[D].成都:四川大學,2005.

[6] 徐靜年,郭奮,何予.高校實驗室網絡化管理的探討[J].實驗技術與管理,2005,22(7):106-108.

[7] 葉文峰.基于WEB虛擬現(xiàn)實實驗室的研究與實現(xiàn)[D].廣州:中山大學,2006.

[8] 周文生,毛鋒,胡鵬.開放式WebGIS的理論與實踐[M].北京:科學出版社,2007.

[9] 任泰明.基于B/S結構的軟件開發(fā)技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006.

[10] 郭迅,習友寶.淺析現(xiàn)代電子技術實驗網絡教學平臺設計與實現(xiàn)[J].實驗技術與管理,2010,27(2):100-104.

[11] 占豐福.基于WebGIS和地圖可視化的設備信息共享與管理系統(tǒng)的構建[D].上海:華東師范大學,2007.

[12] 任升蓮,許娟,張志茂,等.基于WebGIS的實驗室資源管理系統(tǒng)開發(fā)[J].實驗室研究與探索,2009,28(3):198-200.

[13] 吳信才.數(shù)據(jù)中心集成開發(fā)平臺:新一代GIS應用開發(fā)模式[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[14] 趙婭,劉賢梅.遠程教育中基于Web的虛擬實驗室的研究與應用[J].現(xiàn)代教育技術,2009,19(2):124-127.

Functional analysis and realization of virtual simulation laboratory online travel system

Lin Yanfen, Hu Huijun

(Department of Experimental Teaching Management, China Academy of Art, Hangzhou 310002, China)

This paper designs the virtual simulation laboratory online travel system, and puts forward the realization of system ideas and methods. The system features include browsing laboratory data, finding information of laboratory equipment, information management of laboratory space and equipment, laboratory equipment data management, laboratory information management, and features of scene interactive. Through laboratory visualization by the network technology, making the majority of teachers and students can online quickly understand and become familiar with the laboratory environment and internal variety of devices, to prepare skills and accumulate experience for virtual experiments in the future.

virtual simulation laboratory； online travel system；school management

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.031

2015- 11- 12

全國教育信息技術研究“十二五”規(guī)劃2014年度課題“藝術類高校虛擬仿真實驗教學中心建設研究”(146242264)；中國美術學院跨媒體藝術國家級虛擬仿真實驗教學示范中心建設研究項目；中國美術學院浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點實驗室建設研究項目

林燕芬(1980—),女,寧夏石嘴山,碩士,實驗師,主要研究方向為實驗教學和管理.

G647

A

1002-4956(2016)4- 0111- 04