結構化綜合布線虛擬實驗室的設計與研究

摘要:文章針對結構化綜合布線實驗教學需要，研究實現了結構化綜合布線虛擬實驗平臺。根據海南師范大學的具體應用環境和虛擬實驗室的要求，利用三維虛擬建模、網絡虛擬交互、數據優化等關鍵技術，構建了一個基于Internet的交互式虛擬實驗室系統。

關鍵詞:虛擬現實;建模;交互;虛擬實驗室

中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)11-2696-02

Design and Research on Structured Cabling System Virtual Lab

CHEN Ze-bin， GUO Yao-tian， WANG Jian-xin

(School of Information Science Technology， Hainan Normal University， Haikou 571158， China)

Abstract: In this paper， we present effective measures to achieve a structured cabling virtual experiment platformfor the needs of experimental teaching for the structured cabling. According to the Hainan Normal University as a specific application environment and the virtual laboratory performance requirements， the use of three-dimensional virtual modeling， network virtual interaction， data optimization and other key technologies， the virtual laboratory system base on Internet interactive was established.

Key words: virtual reality; digital modeling; interactive; virtual lab

1 概述

我國的高等教育歷來強調理論性、系統性，學時安排也以理論教學為主，實踐教學為輔;重理論、輕實踐、重知識、輕能力的現象普遍存在。另外，我國的高等教育投入不足，擴招使一些學校，特別是理工科學校面臨的硬件設施不足和經費短缺方面的困難更加突出，實踐教學環節被進一步削弱。這就不可避免地導致學生在一定程度上理論與實踐脫節，創新素質不高，動手能力不強。結構化綜合布線課程在理工科專業中已經占據了非常重要的地位，是在同類課程中以上問題最突出的專業基礎課程之一。建設虛擬實驗室目的是運用現代教育和教學理論，結合先進的計算機及網絡技術，改革傳統的實驗教學模式，構建一個基于虛擬現實技術的網絡實踐教學平臺，解決目前所存在的問題，提高實踐教學效果。

2 基于VRML結構化綜合布線虛擬實驗室的設計

結構化綜合布線虛擬實驗室是以結構化布線理論為指導，利用現代網絡技術與虛擬現實技術，集理論教學、實驗項目演示和虛擬實驗訓練一體的網絡虛擬教學平臺。按照結構化綜合布線課程實驗教學大綱的實驗項目設置，建立一個使得實驗者具有身臨其境的現實感覺，通過網絡隨時隨地的進行課程實驗，提高實踐學習的興趣，提高學習的效率。

2.1 虛擬實驗室設計與分析

虛擬實驗室是針對結構化綜合布線實驗室進行虛擬建模，要求的虛擬環境完成結構化綜合布線課程的相關實驗，具有高仿真度、全交互、可視化、易訪問等特點，結合VRML、3DS MAX、Photoshop和Javascript等開發工具[1-3]，使用戶可以隨時隨地的訪問，通過鼠標和鍵盤對實驗設備模型進行多角度多方位操作，完成實驗項目的演示和虛擬訓練，使用戶對虛擬實驗教學內容有直觀認識，達到遠程虛擬實驗教學的目的，提高學生的動手能力。 具體的實驗清單如表1所示。

2.2 虛擬實驗對象建模

根據以上結構化綜合布線實踐項目清單，實驗環境和實驗項目主題對象包括了實驗室的實驗展示臺、網線、打線器、配線架、機柜和線槽等，建模要求的數量多，形狀復雜，直接采用虛擬語言逐一編寫模型代碼非常繁瑣，因此，本文采用3DMAX工具預先建立三維模型，在應用環境中對建模進行拍錯調整，減小文件大小，以更好的匹配實際的實驗場景模型[4-5]。其中，實驗室環境模型主要是靜態試題模型，如:門，窗，實驗臺，凳子等，可采用幾何建模技術實現，通過VRML自身自帶功能，如Scale，Inline等實現環境造型，且數據量小，方便網絡傳輸應用。而其他實驗器材工具模型的構建非常復雜度，需要借助三維建模軟件建模，本文采用3DMAX軟件完成，但是，采用3DMAX建模對不規則物體建模轉換為VRML代碼后，產生大量無效代碼，影響瀏覽效果，需要對代碼進行優化。

首先，VRML文件的數據量直接影響網絡實時瀏覽，需要減少文件傳輸數據。三維模型中的重復建模造成VRML文件存在重復代碼，通過重用代碼來減小代碼的數量;同時，適當降低數據精度，在可接受的瀏覽效果范圍內，盡量多采用整數數據，并對數據進行壓縮處理。其次，提高渲染速度。多使用規則幾何節點來建模，簡化模型的復雜度;實驗場景光照單一，相應使用單一光源;非關鍵部分使用貼圖的形式。本虛擬實驗室的模型如圖1所示。

2.3 虛擬實驗交互設計

VRML文件包括場景描述與動態交互處理，采用場景描述來構造實驗虛擬場景，實驗場景由各種實驗器材或場景實物節點組成，它們之間通過消息來進行聯系。動態交互處理通過VRML的節點和路由連接而成，節點產生事件，路由傳播和處理事件[6-7]。虛擬實驗項目操作過程即為事件的動態處理過程，VRML中定義了時間感應器、觸發感應器、鄰近感應器、可見感應器、平面感應器、球面感應器和圓柱感應器來對不同的動態變化進行檢測，經過感應器檢測動態交互引起的動態變化。

VRML的節點之間的事件處理只能達到簡單虛擬動態變化效果，不能滿足實驗虛擬操作的細節要求，為了提高VRML事件之間的控制能力，擴展交互功能，采用Java編程為VRML瀏覽器提供相應的功能增強支持。通過VRML內部Script節點和外部編程接口與java連接，管理內部事件之間的變化和網絡交互控制。將Java與VRML結合，能夠很好地實現網絡虛擬實驗平臺。使用VRML進行場景構造，內嵌用Java編寫的程序設計實現對象的編程行為。這使VRML在網上創建充滿真實感的三維虛擬世界，為用戶提供一種自然的、身臨其境的體驗方式，包括交互性、動態效果、連續性及參與感。

3 結論

本文闡述了虛擬實驗教學在實踐教學中的發展意義，對結構化綜合布線實驗進行了系統的分析、設計與實現。并研究了3D建模技術和虛擬現實編程語言等關鍵技術，結合結構化綜合布線的實際問題，選用適當的三維建模工具和網上交互方式，以達到結構化綜合布線實驗的實踐教學要求。

參考文獻:

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