張新朝 李夢(mèng)雪

摘 要：為使學(xué)生自主設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件、節(jié)約實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)，結(jié)合云教育平臺(tái)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提出一種新穎的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境構(gòu)建方法。首先，利用云計(jì)算技術(shù)搭建云教育數(shù)據(jù)中心，并配置應(yīng)用程序和用戶終端服務(wù);其次，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，主要包括虛擬教師人物、虛擬儀器設(shè)備和虛擬實(shí)驗(yàn)工具;然后，將虛擬機(jī)實(shí)驗(yàn)室資源轉(zhuǎn)化為云服務(wù)資源，同時(shí)整合云教育平臺(tái)的優(yōu)勢(shì);最后，學(xué)生通過(guò)云終端進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。測(cè)試結(jié)果表明，基于云教育平臺(tái)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室具有較高的使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：云教育平臺(tái);虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);虛擬實(shí)驗(yàn)室;教育環(huán)境;資源整合

DOI：10. 11907/rjdk. 182631

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）006-0151-03

Abstract：In order to enable students to set experimental conditions and reduce internship funds， this paper proposes a novel virtual laboratory environment based on cloud education platform and virtual reality technology. First， the cloud computing technology is used to build a cloud education data center， and applications and user terminal services are configured. Secondly， virtual lab scenarios which mainly include virtual teacher characters， virtual instruments and virtual experiment tools are created through virtual reality technology. Then the virtual machine lab resources are transformed into cloud service resources， while the advantages of the cloud education platform are integrated. Finally， students are set in a virtual lab environment by the cloud terminal. The test results show that the virtual laboratory built on the cloud education platform has high use value.

Key Words：cloud education platform;virtual reality;virtual laboratory;educational environment;resource integration

0 引言

虛擬實(shí)驗(yàn)室是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）和網(wǎng)頁(yè)技術(shù)建構(gòu)的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，可將現(xiàn)有多種教學(xué)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化、虛擬化[1]。近年來(lái)，國(guó)外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用常見(jiàn)表現(xiàn)形式主要有以多媒體技術(shù)為主的交互式虛擬實(shí)驗(yàn)室、以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為主的3D虛擬實(shí)驗(yàn)室、以3D打印技術(shù)為主的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室和以遙現(xiàn)技術(shù)為主的運(yùn)程協(xié)同實(shí)驗(yàn)室等，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在可移動(dòng)性、即時(shí)性、共享性和遠(yuǎn)程控制等方面[2]。與此同時(shí)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)教育資源也逐漸受到我國(guó)教育界人士的青睞，但目前國(guó)內(nèi)投入運(yùn)營(yíng)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)屈指可數(shù)[3]。

虛擬教學(xué)方法在國(guó)內(nèi)外教學(xué)中均改善了教學(xué)效果，但在具體應(yīng)用過(guò)程中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，如部分學(xué)校計(jì)算機(jī)設(shè)備老舊，網(wǎng)絡(luò)資源匱乏，虛擬平臺(tái)運(yùn)行速度較慢;推廣速度、覆蓋院校范圍不盡如人意;虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)使用頻率較低，平臺(tái)資源沒(méi)有得到充分利用。本文通過(guò)引入云計(jì)算技術(shù)手段，對(duì)解決上述問(wèn)題提供一條新思路，以期推廣虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。

1 需求分析

因受更新成本、地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、運(yùn)維水平等因素約束，教育資源使用效率與逐年遞增的更新成本的矛盾日益突出。重視課堂理論教學(xué)，忽視成本高、難度與質(zhì)量彈性較大的實(shí)踐教學(xué)已成趨勢(shì)，這與競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)所需的創(chuàng)新、實(shí)踐能力要求逐步提高的人才發(fā)展方向背道而馳?；谠朴?jì)算教育平臺(tái)的虛擬實(shí)驗(yàn)室研究，要求將云計(jì)算低成本運(yùn)維、高性能、可伸縮的服務(wù)定制、穩(wěn)定高效等優(yōu)勢(shì)與教育資源信息化原則有機(jī)結(jié)合[4-6]。裝備一間標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室時(shí)，搭建標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房和云計(jì)算虛擬實(shí)驗(yàn)室費(fèi)用見(jiàn)表1。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與云教育平臺(tái)結(jié)合是一種嘗試性的技術(shù)創(chuàng)新，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、高可用性和便捷性。低成本在于云教育平臺(tái)客戶端的更新、維護(hù)成本低;高效率表現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)大量三維實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理來(lái)自于云計(jì)算超高計(jì)算能力的運(yùn)作[2];高可用性則是云教育平臺(tái)構(gòu)建的容錯(cuò)技術(shù)和負(fù)載均衡可有力支持用戶數(shù)據(jù)安全與穩(wěn)定;便捷性則充分體現(xiàn)了云計(jì)算無(wú)所不在，提供瀏覽器的各種設(shè)備如智能手機(jī)、平板電腦等，均可借助云教育平臺(tái)的支持，獲得對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)、交互性訪問(wèn)。以上特性為偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村與經(jīng)濟(jì)欠發(fā)展、教育失衡地區(qū)的遠(yuǎn)程教育提供了符合教材要求的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[6-7]。

2 研究?jī)?nèi)容

本文研究?jī)?nèi)容為采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)PC機(jī)組裝、維護(hù)與維修的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，作為云教育平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)例[8]。在該虛擬場(chǎng)景中，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享、實(shí)驗(yàn)原理和操作動(dòng)態(tài)演示、沉浸式PC機(jī)組裝、維護(hù)與維修元器件（包括工具使用）的仿真操作、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、教師在線實(shí)驗(yàn)答疑等主要功能[9-10]。然而，在形成貼近實(shí)際環(huán)境，具有實(shí)時(shí)、流暢自然的交互操作時(shí)，需要計(jì)算機(jī)提供高性能的計(jì)算能力、大容量的存儲(chǔ)空間及穩(wěn)定、安全地處理海量數(shù)據(jù)的能力，在現(xiàn)有計(jì)算環(huán)境中無(wú)法實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、高可用運(yùn)作。具備高性能、高可用的計(jì)算環(huán)境、大容量存儲(chǔ)、低成本客戶端運(yùn)行與維護(hù)、可伸縮與擴(kuò)展的服務(wù)提供等特征的云計(jì)算教育平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室全三維、高交互提供了較為理想的解決方案。虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

文中選擇PC機(jī)組裝、維護(hù)與維修虛擬實(shí)驗(yàn)室作為研究對(duì)象。其中，設(shè)計(jì)由虛擬人物引導(dǎo)，完整模擬PC機(jī)拆裝、測(cè)試、維護(hù)與維修的板卡級(jí)操作與數(shù)據(jù)處理，并能對(duì)實(shí)現(xiàn)操作對(duì)象給予貼近自然的交互性操作。以往由于大量三維數(shù)據(jù)的處理依賴(lài)于單臺(tái)計(jì)算機(jī)軟、硬件的局限，從而導(dǎo)致 VR 技術(shù)構(gòu)建的三維實(shí)時(shí)性交互場(chǎng)景難以流暢實(shí)現(xiàn)[11]。同時(shí)，采用多臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)組建集群受限于網(wǎng)絡(luò)帶寬，難以完成低成本、高效率、貼近自然交互的虛擬場(chǎng)景目標(biāo)。云計(jì)算教育平臺(tái)以低成本、高效率、易用、易維護(hù)、需求可伸縮的原則，對(duì)上述VR技術(shù)中出現(xiàn)的眾多難以解決的問(wèn)題給予了較為理想的支持。如云數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)提供了多臺(tái)虛擬機(jī)組建超高性能資源池，充分保障了處理三維海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性;再者，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)描述虛擬場(chǎng)景生成的計(jì)算力全部來(lái)自于云計(jì)算教育平臺(tái)，云終端用戶VR場(chǎng)景設(shè)計(jì)、實(shí)施與本地設(shè)備性能高低關(guān)系不大，從而使獲得三維實(shí)時(shí)場(chǎng)景交互變得簡(jiǎn)單易行[12-13]。因此，在研究采用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的各種方案基礎(chǔ)上，包括系統(tǒng)架構(gòu)模式、實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)路線，綜合比較后確定案例實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建將基于云教育平臺(tái)，采用3DS Max、Maya等建模工具及Virtools整合工具實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)內(nèi)容見(jiàn)圖2。

首先，構(gòu)建云計(jì)算教育平臺(tái)數(shù)據(jù)中心，為虛擬實(shí)驗(yàn)室全三維、高交互、低成本運(yùn)維提供良好的實(shí)現(xiàn)平臺(tái);其次，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中的虛擬教師人物、儀器、必備的實(shí)驗(yàn)工具等模型，并為實(shí)時(shí)交互操作提供合理的分層方案（例如設(shè)備組裝、部件維修均需分層表現(xiàn)細(xì)節(jié)部分）;第三，在低成本的云終端上實(shí)現(xiàn)基于RDP或PCoIP協(xié)議的虛擬桌面、高性能云服務(wù)應(yīng)用，并進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的集群存儲(chǔ)等技術(shù)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn);最后，整合云計(jì)算教育平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)及虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)提供的特色內(nèi)涵，建立實(shí)用的PC機(jī)組裝、維護(hù)與維修網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。部分關(guān)鍵技術(shù)與需要注意的問(wèn)題說(shuō)明如下：

（1）層次化建模表現(xiàn)虛擬儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其各零部件是成功實(shí)現(xiàn)PC機(jī)組裝、維護(hù)與維修的關(guān)鍵技術(shù)之一。利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中樹(shù)形層次結(jié)構(gòu)作為參考構(gòu)架，可實(shí)現(xiàn)部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)展現(xiàn)清晰化、組裝規(guī)范化、維修可控化和部件模型修改靈活性等優(yōu)勢(shì)，為今后交互控制腳本中代碼編寫(xiě)與維護(hù)打下良好基礎(chǔ)[14]。另外，建立適應(yīng)發(fā)展需要的部件庫(kù)是必不可少的。

（2）設(shè)計(jì)一名女性教師，可在實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中漫游，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)。在3DS Max設(shè)計(jì)環(huán)境中將臉部形狀進(jìn)行UV坐標(biāo)圖像展開(kāi)后，轉(zhuǎn)到Photoshop中進(jìn)行臉部和衣物的繪制以構(gòu)建虛擬人物;利用角色工作室設(shè)置骨骼動(dòng)畫(huà)，表情動(dòng)畫(huà)可選擇通過(guò) Maya工具軟件實(shí)現(xiàn);虛擬人物導(dǎo)入到虛擬場(chǎng)景的工作則由Virtools軟件工具實(shí)現(xiàn)[15]。因此，需要為場(chǎng)景中的每個(gè)物體創(chuàng)建合理的材質(zhì)。利用貼圖烘培、次世代圖形圖像技術(shù)對(duì)材質(zhì)信息進(jìn)行優(yōu)化與簡(jiǎn)化，如何導(dǎo)入到虛擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)中獲得優(yōu)異表現(xiàn)是虛擬場(chǎng)景材質(zhì)構(gòu)建中需要注意的重要問(wèn)題之一。

（3）虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景的交互設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)需要完成4個(gè)內(nèi)容：①動(dòng)作交互，即需要對(duì)不同的虛擬部件提供旋轉(zhuǎn)方向、壓力大小、正負(fù)極區(qū)別與選擇等模擬動(dòng)作，而這些行為必須與實(shí)際操作過(guò)程中的相關(guān)內(nèi)容一致;②視角交互，主要表現(xiàn)在模擬設(shè)備故障定位時(shí)采用溫控法獲取目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于如何將在虛擬環(huán)境中表現(xiàn)的溫度控制特征與現(xiàn)實(shí)生活中的表現(xiàn)統(tǒng)一。若將虛擬操作順序、操作錯(cuò)誤、得分及操作時(shí)耗作為評(píng)定手段，必然涉及到數(shù)據(jù)管理工作[14，16-17];③同時(shí)，軟件安裝、維護(hù)與維修能力評(píng)定等在虛擬場(chǎng)景中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表現(xiàn)也是需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題;④實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)交互，目的在于用戶可自由選擇實(shí)驗(yàn)種類(lèi)，依據(jù)性能指標(biāo)完成對(duì)應(yīng)板卡選擇和軟、硬件性能測(cè)試等方案的設(shè)計(jì)，讓虛擬實(shí)驗(yàn)室成為一個(gè)極佳的測(cè)試平臺(tái)。在上述復(fù)雜的交互過(guò)程中，參數(shù)優(yōu)化、部件超頻等操作將是研究中不可避免的問(wèn)題。

3 技術(shù)路線

目前虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)技術(shù)主要包括：VRML技術(shù)、X3D技術(shù)、Flash技術(shù)、Viewpoint技術(shù)、Cult 3D技術(shù)、Java技術(shù)和Virtools技術(shù)。主流3D建模軟件如3DS Max、Maya等均配有專(zhuān)用導(dǎo)出插件，完全支持動(dòng)作數(shù)據(jù)處理和3D角色控制，自身也提供腳本語(yǔ)言支持，從而能快速簡(jiǎn)潔地生成豐富、對(duì)話式的3D作品等優(yōu)點(diǎn)[18-20]。因此，本文擬采用Virtools技術(shù)構(gòu)建基于云教育平臺(tái)的PC機(jī)組裝、維護(hù)與維修虛擬實(shí)驗(yàn)室，云教育平臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)采用VMware公司提供的ESX Sphere云操作系統(tǒng)。技術(shù)路線總體框架如圖3所示。

為構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的各種PC機(jī)及眾多如板、卡、部件、外設(shè)等設(shè)備模型，必須在建模前分清儀器設(shè)備可控部件與固定不變部件。對(duì)于固定部分，在建模時(shí)可作為一個(gè)整體使用;對(duì)于可控部分，則需單獨(dú)建模從而有利于交互對(duì)象的選擇和交互事件的添加。由于需要展示PC機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)故障定位、診斷與維修功能，需構(gòu)建虛擬設(shè)備內(nèi)部部件結(jié)構(gòu)，虛擬儀器通常由成百上千個(gè)零部件組成，各個(gè)零部件之間存在一定的主從關(guān)系[21-22]。

在虛擬實(shí)驗(yàn)中，虛擬角色可以是教師、學(xué)生或教學(xué)員工，用戶可把這些角色作為指導(dǎo)教師或自己的化身，與虛擬角色進(jìn)行情感交流，使軟件更加人性化、更貼近現(xiàn)實(shí)。其次，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)需解決布局及實(shí)驗(yàn)設(shè)備擺放問(wèn)題，基本原則是真實(shí)美觀、方便實(shí)驗(yàn)對(duì)象操作和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)。構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)室房間、試驗(yàn)臺(tái)、黑板、投影儀、打印機(jī)、壁櫥、空調(diào)、座椅、壁報(bào)等。

采用Virtools作為基于云教育平臺(tái)下三維虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)流程可分模型構(gòu)建階段、模型導(dǎo)入階段、內(nèi)容開(kāi)發(fā)階段、體驗(yàn)測(cè)試階段等4個(gè)階段。系統(tǒng)具體開(kāi)發(fā)過(guò)程采用Autodesk公司提供的3DS Max 2009構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室模型，結(jié)合Photoshop軟件修改和創(chuàng)建模型貼圖素材，并導(dǎo)入到Virtools開(kāi)發(fā)平臺(tái)中[23]。通過(guò)Virtools強(qiáng)大的實(shí)時(shí)渲染引擎和云教育平臺(tái)提供的高性能計(jì)算、負(fù)載均衡和高可用性，同時(shí)，利用其完善的交互引擎BB模塊和VSL編程，模擬實(shí)驗(yàn)操作全部過(guò)程并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，其結(jié)果通過(guò)網(wǎng)頁(yè)形式發(fā)布并利用三維設(shè)備輸出。

4 結(jié)語(yǔ)

本文將云計(jì)算技術(shù)引入虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建中，消除了傳統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)室計(jì)算力度、存儲(chǔ)空間、終端運(yùn)行、維護(hù)成本與應(yīng)用可伸縮性等多方面的瓶頸問(wèn)題，擴(kuò)大了虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用范圍，同時(shí)也為今后該種模式建立規(guī)范的評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和可擴(kuò)展軟件的設(shè)計(jì)提供參照?？梢灶A(yù)見(jiàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境在教育行業(yè)的應(yīng)用也將呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)。

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（責(zé)任編輯：江 艷）