復(fù)雜物理模型的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

【摘要】文章針對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)的不足，運(yùn)用VRML、Java和Matlab三種技術(shù)混合開發(fā)了適用于構(gòu)建復(fù)雜模型的大學(xué)物理網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了闡述。該網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)揮了多種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在呈現(xiàn)方式、傳輸速度和算法編程上存在很多優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)；體系結(jié)構(gòu)；VRML；Java；Matlab/Simulink

【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097 (2008) 10—0125—04

引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能幫助學(xué)生形成正確的概念，加深對(duì)規(guī)律的理解，而且與課堂理論教學(xué)相比，實(shí)驗(yàn)課程為培養(yǎng)和提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、研究能力、創(chuàng)新意識(shí)等綜合科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)提供了較好的路徑。因此，實(shí)驗(yàn)課程在學(xué)科教學(xué)中具有不可替代的作用。但是隨著高等教育的普及，對(duì)實(shí)驗(yàn)資源的需求與目前存在的實(shí)驗(yàn)條件不足之間的矛盾日益突出；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在不容忽視的弊端，制約了學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高；遠(yuǎn)程教育中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育的難點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建成為可能。通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實(shí)施虛擬實(shí)驗(yàn)，能拓寬信息渠道與流量，擴(kuò)大實(shí)踐活動(dòng)的范圍，提高教學(xué)效率。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅可以作為課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充，而且為遠(yuǎn)程教育中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展注入了新的活力。

目前網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)的相關(guān)研究很多[1-6]，大多數(shù)研究側(cè)重于使用單一技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；側(cè)重于研究VRML技術(shù)與Java技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，突出三維立體感和交互性強(qiáng)的特點(diǎn)[5-7]；研究運(yùn)用Java與Matlab技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，突出通訊和運(yùn)算功能。[8-9]本文結(jié)合大學(xué)物理課程中涉及的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅容^復(fù)雜等特點(diǎn)，提出了基于VRML、Java與Matlab三種技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，既突出系統(tǒng)較強(qiáng)的三維立體感與交互性，又突出較強(qiáng)的運(yùn)算能力和傳輸能力。通過采用虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在Web中創(chuàng)建虛擬的三維實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以在客戶端通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊與拖曳或通過鍵盤的操作對(duì)虛擬場(chǎng)景中的三維實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行操縱和數(shù)據(jù)處理。學(xué)生可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，觀察實(shí)驗(yàn)過程，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

一 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用B/S體系結(jié)構(gòu)，通過瀏覽器遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器端的實(shí)驗(yàn)程序。為了使服務(wù)器與客戶機(jī)之間的工作負(fù)擔(dān)平衡，我們將實(shí)驗(yàn)三維圖形和實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖部署在客戶端，在客戶端實(shí)現(xiàn)三維圖形的可視化體系。

系統(tǒng)在邏輯上分為三層：表現(xiàn)層、通訊層和仿真控制層，體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。表現(xiàn)層由Java Applet程序和VRML構(gòu)建的3D場(chǎng)景以及Html網(wǎng)頁腳本組成。利用Java套接字，通過部署在客戶端的Java Applet和服務(wù)器端Java應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)通訊層。仿真控制層是利用Matlab/Simulink進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模和仿真運(yùn)算。實(shí)驗(yàn)專用服務(wù)器WLVLAB由Java語言編寫，由通訊層服務(wù)器端程序與仿真控制層之間的交互程序和傳輸層服務(wù)器端程序構(gòu)成。其具體原理是，表現(xiàn)層通過Java Applet程序接受用戶設(shè)置的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，通過Java Socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，將實(shí)驗(yàn)參數(shù)傳送到實(shí)驗(yàn)專用服務(wù)器WLVLAB上。專用服務(wù)器WLVLAB通過部署在服務(wù)器端的仿真控制層Matlab的COM接口，將實(shí)驗(yàn)參數(shù)傳送到仿真控制層進(jìn)行仿真運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)束后再將實(shí)驗(yàn)結(jié)果傳送回客戶端。表現(xiàn)層上的Java Applet程序根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果值動(dòng)態(tài)地去控制 VRML場(chǎng)景中三維實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停@示實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。本系統(tǒng)支持多線程機(jī)制，能同時(shí)允許多個(gè)使用者訪問本系統(tǒng)。

二 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1 三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景文件

虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景采用VRML技術(shù)實(shí)現(xiàn)。VRML是虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言，是一種三維場(chǎng)景的描述性語言，其基本原理是用文本信息描述三維場(chǎng)景，在Internet上傳輸，在本地機(jī)上由VRML的瀏覽器解釋生成三維場(chǎng)景[10]。VRML源文件是一種ASCII碼的描述語言，一般使用記事本就可以編寫，但是直接使用VRML語言編寫三維場(chǎng)景比較煩瑣，通常采用專門編輯器構(gòu)建，如V-Realm Builder2.0，VrmlPad，Cosmo World等。對(duì)于復(fù)雜的三維場(chǎng)景可以采用3DS Max建模，它提供了VRML插件輔助工具，可直接輸出場(chǎng)景，包括幾何造型、材質(zhì)、動(dòng)畫等。

2 客戶端Java Applet程序?qū)崿F(xiàn)

Java Applet能跨平臺(tái)地運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)中的各種不同類型的計(jì)算機(jī)上。客戶端的計(jì)算機(jī)，只要安裝了支持Java的瀏覽器，一旦和網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器建立了連接，就可以從服務(wù)器端下載嵌入了Applet的網(wǎng)頁文件，并在本地機(jī)的瀏覽器上運(yùn)行含有Applet的網(wǎng)頁。通過文本編輯器編寫的Java Applet源程序必須經(jīng)過編譯，生成擴(kuò)展名為.class字節(jié)碼程序才能嵌入網(wǎng)頁文件中運(yùn)行。表現(xiàn)層Java Applet程序主要實(shí)現(xiàn)以下幾部分功能：

（1） 界面布局：包括實(shí)驗(yàn)參數(shù)、控制按鈕的設(shè)置與布局。

（2） 與VRML場(chǎng)景進(jìn)行交互：由于系統(tǒng)需要在瀏覽者與VRML場(chǎng)景之間進(jìn)行頻繁的信息交換，所以選用VRML2.0提供的外部編程接口EAI對(duì)VRML場(chǎng)景進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)與Java Applet的交互[11]。EAI在Java Applet與VRML場(chǎng)景進(jìn)行通訊時(shí)，首先需要獲取Brower類的實(shí)例，通過調(diào)用封裝在vrml.external包中的Browser類的靜態(tài)方法getBrowser()來實(shí)現(xiàn)，在Java Applet中建立Browser對(duì)象后即標(biāo)識(shí)了一個(gè)VRML場(chǎng)景。Browser類包含獲取當(dāng)前瀏覽器環(huán)境信息的各種方法，其中通過調(diào)用getNode()方法直接獲得VRML場(chǎng)景中使用DEF關(guān)鍵字定義的節(jié)點(diǎn)對(duì)象，調(diào)用getEventOut()、getEventIn()方法獲得訪問節(jié)點(diǎn)的入事件、出事件。

（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖生成：當(dāng)點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)相圖按鈕時(shí)，打開實(shí)驗(yàn)曲線圖窗口，根據(jù)服務(wù)器端傳來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示實(shí)驗(yàn)相圖。

3 實(shí)驗(yàn)仿真程序/模型的實(shí)現(xiàn)

仿真控制層是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制中心，主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆抡妗Ｔ搶佑蒑atlab環(huán)境和運(yùn)行其中的仿真程序構(gòu)成。選用Matlab作為仿真控制層開發(fā)工具，因?yàn)镸atlab語言具有十分強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能，簡(jiǎn)單易用。Matlab實(shí)用于各種操作系統(tǒng)，具有豐富的接口[12]，可以方便地繼承到其他編程語言中。通過Matlab的COM和DDE接口可以方便地建立與Java的連接。 Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，無須書寫大量的程序，只需要通過簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可以構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型。

4 專用服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

專用服務(wù)器WLVLAB通過Microsoft Visual J++開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)，目的是為了簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)Java與Matlab之間的接口，便于實(shí)現(xiàn)其與仿真軟件的交互。

在網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，客戶端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的請(qǐng)求經(jīng)常是隨機(jī)的，服務(wù)器端可能會(huì)需要同時(shí)處理多個(gè)用戶端的請(qǐng)求信息。為了解決服務(wù)器與多客戶機(jī)之間網(wǎng)絡(luò)通信的問題，可以利用Java 中多線程技術(shù)和Socket 通信相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，即對(duì)每個(gè)被接受請(qǐng)求的客戶機(jī)都產(chǎn)生一個(gè)子線程來處理。即一旦有客戶請(qǐng)求到達(dá)，服務(wù)器同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)子線程來處理該客戶機(jī)的請(qǐng)求。

Java語言提供的網(wǎng)絡(luò)操作的類大多存放在Java.net包中。在Java.net程序包中提供了Socket和ServerSocket兩個(gè)類來進(jìn)行套接字編程，Socket提供了客戶機(jī)的套接字接口，ServerSocket提供了服務(wù)器套接字接口。對(duì)于客戶端，通過給類Socket提供服務(wù)器的IP地址，或者主機(jī)名，服務(wù)器的端口號(hào)，就可以和服務(wù)器端建立連接。該Socket對(duì)應(yīng)的輸入流連接到服務(wù)器的輸出流，輸出流連接到服務(wù)器的輸入流，通信結(jié)束后，調(diào)用該Socket對(duì)象的close()方法進(jìn)行關(guān)閉連接。對(duì)于服務(wù)器端，通過生成一個(gè)ServerSocket對(duì)象用于監(jiān)聽，服務(wù)器的ServerSocket.accept()收到一個(gè)來自Clinet端的請(qǐng)求，并返回一個(gè)用于與該Client通信的Socket對(duì)象。應(yīng)用程序調(diào)用該對(duì)象方法getInputStream()，getOutputStream()可以獲得向該連接讀寫數(shù)據(jù)的輸入/輸出流，再調(diào)用輸入/輸出流提供的讀寫函數(shù)read()，writeline()等實(shí)現(xiàn)與對(duì)方的通信。與該客戶通信完畢后，調(diào)用Socket.close()關(guān)閉Socket，這時(shí)，服務(wù)器仍處于監(jiān)聽狀態(tài)，繼續(xù)接受客戶請(qǐng)求。調(diào)用ServerSocket.close()結(jié)束監(jiān)聽服務(wù)，終止服務(wù)器運(yùn)行。

Java語言與Matlab語言之間的通信由ActiveX自動(dòng)協(xié)議來執(zhí)行，通過使用mlapp.tlb的Matlab類型定義文件，可以簡(jiǎn)單地生成一組用來完成ActiveX與Matlab通信的Java類和接口函數(shù)。用戶只須創(chuàng)建實(shí)例對(duì)象，通過使用這些類提供的方法，任何Matlab命令都可以以變?cè)姆绞皆谒墓ぷ骺臻g進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果以字符串的方式返回。由于Matlab可以從命令行運(yùn)行Simulink模型，利用上述方法也能輕松實(shí)現(xiàn)Simulink與Java的交互。

當(dāng)多用戶同時(shí)訪問服務(wù)器中的同一個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，就會(huì)在Matlab基本工作空間中生成多個(gè)同名變量，這些同名變量會(huì)相互覆蓋，最終會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)界面返回的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不正確。為了解決這個(gè)問題，我們采用用戶文件和用戶變量的方式，即為每個(gè)用戶根據(jù)訪問的先后順序指定一個(gè)用戶號(hào)，將這個(gè)用戶號(hào)附加在仿真文件和仿真變量的末尾。這樣，原先的仿真文件和變量復(fù)制成用戶文件和用戶變量，在Matlab基本工作空間中不再產(chǎn)生沖突。當(dāng)仿真結(jié)束后，再將這些用戶文件和變量進(jìn)行刪除。如啟動(dòng)jl.mdl模型代碼為：

matlab.Execute(\"set_param('jl\"+String.valueOf(Class1.yh)+\"'，'simulationcommand'，'start');\");

要將模型文件拷貝至同一個(gè)目錄下，以原文件名+用戶號(hào)為新的文件名，可以使用以下代碼實(shí)現(xiàn)：

matlab.Execute(\"copyfile('E:/javavsmatlab/mwenjian/jl.mdl'，

'E:/javavsmatlab/mwenjian/jl\"+String.valueOf(Class1.yh)+\".mdl')\");

三 實(shí)例

為了提供一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的良好而又具備可交互性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，我們利用VRML、Java和Matlab三種技術(shù)混合開發(fā)了的理論力學(xué)中“鉸鏈連接的雙擺實(shí)驗(yàn)”網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。圖2為鉸鏈連接的雙擺實(shí)驗(yàn)原理頁面。當(dāng)點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)操作”鏈接后，瀏覽器中顯示逼真的三維仿真交互界面，使用鼠標(biāo)和鍵盤可以方便的進(jìn)行仿真控制。在文本輸入框中分別設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)：上擺初始角度為190，初始角速度為20，下擺初始角度為-160，初始角速度為-30，仿真時(shí)間為30秒，點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕后，鉸鏈連接的雙擺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_始運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)界面如圖3所示。

當(dāng)鉸鏈連接的雙擺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)結(jié)束以后，點(diǎn)擊“上擺角度與角速度關(guān)系相圖”按鈕，得到實(shí)驗(yàn)中上擺角度與角速度關(guān)系相圖，如圖4所示。點(diǎn)擊“下擺角度與角速度關(guān)系相圖”按鈕，得到下擺角度與角速度關(guān)系相圖，如圖5所示。點(diǎn)擊“上下擺的時(shí)間序列圖”按鈕，得到上下擺的時(shí)間序列圖，如圖6所示。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)參數(shù)設(shè)置是上擺初始角度為190，初始角速度為20，下擺初始角度為-160，初始角速度為-30，仿真時(shí)間為30秒時(shí)，系統(tǒng)是混沌態(tài)。

四 結(jié)論

作者運(yùn)用VRML、Java和Matlab技術(shù)構(gòu)建了“鉸鏈連接的雙擺實(shí)驗(yàn)”和“勻質(zhì)陀螺在重力場(chǎng)中的應(yīng)用”兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)際使用和網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，此方案適用于復(fù)雜物理模型的仿真，充分發(fā)揮了多種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在呈現(xiàn)方式、傳輸速度和算法編程上存在很多優(yōu)勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)發(fā)行成本低、運(yùn)行簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)滿足了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。客戶端只需一個(gè)集成Java虛擬機(jī)的瀏覽器即可運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容存放在服務(wù)器端，易于實(shí)驗(yàn)功能擴(kuò)展和管理。

2 在呈現(xiàn)方式上采用3D技術(shù)，豐富了媒體的表現(xiàn)形式，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的臨境感。

3傳輸速度存在優(yōu)勢(shì)。服務(wù)器端與客戶端之間以TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸保持雙向和持續(xù)的通信。服務(wù)器端和客戶端的計(jì)算負(fù)擔(dān)平衡，都比較輕，當(dāng)多用戶同時(shí)訪問服務(wù)器時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器過載的局面，符合虛擬實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蟆?/p>

4 由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算使用了專用計(jì)算軟件，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算和算法編程方面也表現(xiàn)出極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，良好的實(shí)驗(yàn)交互方式促進(jìn)了學(xué)生與虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕?dòng)。學(xué)生可以通過鼠標(biāo)拖拽實(shí)驗(yàn)對(duì)象，或者通過鍵盤設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)操作虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停茉诳蛻舳丝吹饺S實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪\(yùn)動(dòng)過程，通過相圖、時(shí)序圖等形式觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀化、形象化，能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的深入探究，提高其問題解決能力。

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