基于ＶＲＭＬ的網絡虛擬實驗室的設計

摘要：在當代教育中，實驗教學占有非常重要的地位。它是教學活動中一個必不可少的環節，同時實驗對于培養學生的實際操作能力、創新能力和解決問題的能力也是至關重要的手段。隨著計算機網絡技術、多媒體技術和VRML技術的快速發展，基于Internet的網上虛擬實驗應用在遠程教育中得到越來越多的關注。

關鍵詞：虛擬實驗；虛擬實驗環境；虛擬現實建模語言

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)19-30039-02

Based on VRML Network Hypothesized Laboratory Design

YAN Qing

(Sichuan College of Architectural Technology， Deyang 618000， China)

Abstract: In contemporary higher education， the teaching experiment occupies a very important position. It is an indispensable teaching activities in the part of training students for experiments at the same time the actual operation capability; innovation and problem-solving skills are also essential tools. With the computer network technology， multimedia technology and the rapid development of Virtual Reality Modeling Language technology， Internet-based Virtual experimental application in higher education are more and more attention.

Key words: Virtual Experiment; Virtual Experiment environment; Virtual Reality Modeling Language

1 基本概念

虛擬現實技術（Virtual Reality）融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術分支，它用計算機模擬的三維環境對現場真實環境進行仿真，用戶可以走進這個環境，控制瀏覽方向，并操縱場景中的對象進行人機交互。

虛擬實驗是指利用虛擬現實技術在計算機上所營造的可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關操作環境。

隨著Internet在全世界內迅速普及，遠程教育也隨之開始逐步流行，而網上虛擬實驗系統作為遠程教育的一種方式可以有效地發揮現有的各種教育資源優勢，優化資源配置，實現教育資源的廣泛共享。

2 虛擬實驗室系統分析與設計

2.1 系統總體分析

2.1.1 系統目標

虛擬實驗系統應能使學生通過網上虛擬實驗系統與教師進行交流，并能進行實驗前預習、實驗后對實驗結果分析并提交實驗報告。因此，系統必須具有以下基本功能：

1) 學生實驗功能：通過虛擬實驗系統實現實驗前預習、實驗設計、實驗操作以及實驗提交等主動性學習；

2) 教學功能：實驗講授、實驗演示、問題解答等功能；

3) 實驗報告評閱功能：對學生提交的實驗進行分析、批改和講評等功能。

2.1.2 系統功能要求

結合虛擬現實系統、實驗環境和網絡教育的綜合要求，虛擬實驗室功能劃分為兩大主要部分。

1) 虛擬實驗環境的構建

構建具有逼真三維效果的空間場景和實體，這些場景和實體與真實世界的幾何特征和物理特性基本相同，提供實驗環境和實驗者參與的虛擬空間。使用戶進行實驗時，能夠體驗到具有基本真實感的三維視覺空間。

2) 虛擬實驗的構建

虛擬實驗的構建包括三個方面：

a) 器材功能的構建。所有器材不但有與實際相同的外觀和動態效果，也具備相應特定的功能；

b) 實驗過程的控制。在虛擬現實的實驗空間里，系統對實驗過程提供了一定的管理功能；

c) 結果反饋。實驗過程同時也對應著后臺的邏輯處理過程，與其它以虛擬現實顯示為主的系統相比，這是虛擬實驗系統最主要的特征。

2.2 系統總體設計

網上虛擬實驗室系統構架在局域網上，進而連入校園網和Internet。根據VRML的訪問方式，虛擬實驗室采用的是基于客戶/服務器模式，其中服務器提供VRML文件(后綴為.WRL)及支持資源，客戶通過網絡下載希望訪問的文件，并通過本地平臺上的VRML瀏覽器（Browse）交互式訪問該文件描述的虛擬世界。

2.2.1 虛擬實驗系統服務器模塊

服務器模塊結構如圖1所示。

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圖1 服務器端模塊結構

主要模塊描述如下：

1) Web Server是服務器端基礎模塊，接受客戶機請求并響應，返回虛擬實驗場景；

2) 虛擬實驗物品庫：在虛擬實驗物品庫中，建立一個虛擬實驗中所涉及的實驗器材庫，并且附帶簡要的文字說明，以幫助實驗者在開始實驗以前熟悉虛擬實驗中出現的器材；

3) 虛擬實驗：虛擬實驗是本系統的最主要部分，包括了實驗場景模塊和實驗介紹模塊。實驗場景為每個實驗提供了各自所需的實驗流程，動畫和器材對象，實驗介紹模塊提供了相關的介紹材料，以供實驗者在實驗之前了解實驗所需的知識。

2.2.2 虛擬實驗系統客戶端模塊

虛擬實驗系統客戶端模塊結構如圖2所示。

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圖2 虛擬實驗系統客戶端模塊

模塊描述如下：

1) 瀏覽器：虛擬實驗所有的操作都在此進行。一般選擇IE5.0以上即可；

2) 用戶交互模塊：用戶交互模塊包括鼠標、鍵盤等。通過用戶交互設備，實驗者可以自由的在虛擬場景中切換視點和視角，單擊按鈕等操作；

3) VRML插件：VRML插件是建立在瀏覽器基礎上的模塊。它是虛擬實驗的基礎，所有的實驗場景都通過插件解釋并渲染在瀏覽器之中。目前，系統使用了Cortona VRML插件，Cortona是目前最出色的VRML解釋器之一。

3 VRML與3DSMAX語言的運用

VRML(Virtual reality modeling language，虛擬現實建模語言)。它類似Web超級鏈接所使用的HTML語言，是一種基于文本的、描述圖形的三維造型和渲染的語言。VRML把一個虛擬世界看作一個場景，而場景中的一切都看作對象(節點node)。節點用來描述模型、光源、聲音等，而節點的屬性由域和值來描述，對每一個對象的描述就構成了WRL文件(*.wrl)。VRML的訪問方式是基于用戶/服務器模式，其中服務器提供VRML文件(后綴為.wrl)及支持資源客戶通過網絡下載希望訪問的文件。當用戶向服務器發送請求，通知所需文件的URL，服務器接收到后，傳送服務器上的VRML文件給用戶，并通過本地平臺上的VRML瀏覽器(browse)交互式訪問該文件描述的虛擬境界。

由于虛擬試驗環境相當復雜，如果全部采用VRML來建模，工作量將非常大，而現在有很多專業的三維軟件中可以安裝VRML插件，將建立好的場景導入VRML的格式，這樣就比較直觀而且可以很大程度減輕建模的工作量。3DSMAX是在建模過程中使用較多的一個軟件，可以在3DSMAX中建立場景然后利用它的導出功能直接把場景輸出成VRML文件，另外還可以在3DSMAX中建立VRML節點，其實現的效果和用VRML語言編寫的效果是一樣的。

在建立虛擬實驗環境時，3DSMAX與VRML結合的步驟是：先在3DSMAX中建立一個三維場景的造型、材質、貼圖、動畫和視點等，再利用3DSMAX的Export功能導出為VRML97文件格式，最后再編輯生成的.wrl源文件，對其進行修改和編輯等。

虛擬現實建模語言VRML與3DSMAX建模語言相結合的應用，實現了真正意義的三維立體網絡世界、動態交互與智能感知，尤其是它的低用戶配置需求、低網絡帶寬要求、開放式國際標準、多媒體集成、境界逼真等諸多優越特征，非常適合于設計網上三維虛擬實驗。

4 結束語

本文提出了一套基于B/S結構的虛擬實驗室系統。并運用VRML、3DSMAX語言進行建模。從研究虛擬系統的服務器模塊構建和客服端模塊構建出發，設計了虛擬實驗環境和虛擬實驗兩部分。網上虛擬實驗系統建成后，學生可以登陸網站進入虛擬實驗系統，操作設備，進行各種實驗。不僅可以節約在實驗教學方面的投入，更能促進學生學習的自主性，培養和提高學生的動手能力和創新能力。目前的不足主要在于實驗內容的還不夠豐富，在仿真環境的逼真程度上，還需要有進一步的改進。

參考文獻：

[1] 段新晨. 虛擬現實基礎與VRML編程[M].北京:高等教育出版社，2004，(3).

[2] 何晶，喻飛，李仁發，朱森良，張紅燕. 虛擬實驗室中實驗容器的建模[J].系統仿真學報，2005，17(1):79-82.

[3] 張茂軍. 虛擬現實系統[M].北京:科學出版社，2002， 61-187.

[4] 張金釗，張金摘，張金銳. 虛擬現實三維立體網絡程序設計語言VRML.北京:清華大學出版社，2004.

[5] 衣李娜，雒偉群. 基于VRML的虛擬實驗室交互控制方法研究[J].微處理機，2006，(4):109-110.

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