基于EON實現的校園局域網虛擬體驗系統

徐昌彪，盧 山，劉雪亮

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065）

0 引言

虛擬現實（VR）技術的問世，為人機交互等開辟了廣闊的天地，同時也帶來了巨大的社會和經濟效益。在虛擬世界中，人與虛擬世界可進行自然的交互，能實時產生與真實世界相同的感覺[1]。虛擬現實（VR）技術在許多學科都取得了前所未有的研究成果，推進了軍事、醫學、航空、協同設計等研究領域的發展，如軍事仿真、虛擬手術、大型體育場館協同設計等[2]。由于虛擬網絡提供了通信網絡硬件設施以及網絡內部通信流程最直觀的表現形式，方便實驗者對計算機網絡進行全局了解，從而可促進通信網絡的學習實驗，從而讓人們對通信網絡有更深的了解。文獻[3-4]講述了如何對復雜的三維場景進行構建以及場景優化，文獻[5]開發了一個虛擬校園系統原型，用戶可在其中進行三維空間漫游探索、點坐標量測和地物屬性的查詢等操作。筆者開發的通信網絡虛擬體驗系統，不僅創建了虛擬校園這樣的三維立體場景，并且把通信網網絡的架構、系統功能以及數據包發送的流程通過三維立體虛擬交互式場景展現出來。

1 系統描述

通信網絡虛擬體驗系統是一個集通信網絡架構、技術原理、硬件設備三維一體的虛擬體驗系統，可為不同用戶提供不同層次的體驗服務?？商峁┚W絡架構、技術原理、硬件設備等完備體驗，也可根據用戶需要分層次、有側重地提供某一方面或幾方面的相對獨立的體驗。虛擬體驗系統的網絡架構基于計算機通信網絡，從不同層面體現不同類型的計算機通信網絡。

該系統應用層、傳輸層、網絡層以TCP/IP協議棧為基礎，數據鏈路層與物理層根據不同的物理網絡而考慮，如以太網主要考慮以IEEE802.3協議方式工作。各層主要體現為上層提供服務以及為實現對等層通信而規定的相關協議。表現對等層之間的通信，亦包括相鄰層之間的數據交互，體現數據傳送流程。通過鼠標的拖拽和點擊操作，用戶完成實驗和學習過程，使通信過程中微觀的數據傳輸過程能客觀地展現，體驗者可更直觀地從局域網中理解和學習通信網絡的架構以及傳輸原理，以重慶郵電大學為例，其網絡拓撲結構如圖1所示。

根據用戶需求，在跟蹤數據傳輸過程中，設定不同程度的演示效果。登陸系統設置成初級、中級或高級用戶，以適合不同的網絡學習者進行計算機網絡的學習。通過設計不同的模塊，不同用戶調用不同的模塊。該系統可動態顯示數據包傳輸過程，對數據進行跟蹤顯示。從源端到終端的過程顯示出來，表現動態性和交互性。

為了讓體驗者更好地學習計算機網絡以及進行實驗課程，促進計算機網絡的發展，在研究3ds Max，EON Studio的基礎上，構建了一個虛擬的校園局域網，人們可在其中進行漫游，以虛擬現實的沉浸性真實地體驗學習通信網絡并對構建的三維立體虛擬場景進行交互操作。

2 系統實現

系統的功能結構如圖2所示，圖中箭頭表示各功能模塊之間的數據流方向。其中，局域網通信虛擬體驗系統是核心模塊，其他模塊都是在其基礎上進行的。

2.1 創建虛擬校園的三維場景

虛擬校園三維場景是通信網絡虛擬體驗系統中局域網的基礎，通過虛擬校園這一載體展現概念中的通信網絡，使用3ds Max對虛擬校園進行建模，實驗者不僅可在創建好的虛擬場景中進行交互式的漫游，還可切身體驗到通信的流程，比如數據包從一終端（PDA/主機）經過TCP/IP的各層協議、路徑最終發送到另一終端（PDA/主機）或兩臺主機間的發送流程，可讓實驗者清晰明了地掌握其通信過程。系統功能模塊創建流程如圖3所示。

在創建場景時，考慮到系統渲染的速度，對于校園中的典型和主要建筑物，采用3ds Max（8.0）建模，盡可能地減少鋸齒邊，增加場景真實感。并且，EON Studio的抗鋸齒功能讓實驗者更好地體驗三維虛擬場景的沉浸性。

采用3ds Max中的紋理映射技術、實例化技術以及放樣和布爾運算等功能創建復雜的三維立體圖像。在創建實例后，采用成組以及凍結，有利于其他實例的導入，也可導入其他格式3D圖形文件，如Maya創建的實例場景，以彌補3ds Max在建模方面的不足。

2.2 虛擬場景動態交互設置

該網絡系統對教學樓、辦公樓、圖書館、實驗樓等主要建筑物采用創建簡單的3ds Max物體模型，通過貼圖烘焙方式導入格式文件創建，以有效減少.max文件在EON Studio的面數，這樣整個系統在演示、實驗的過程中可以達到很高的幀率，可大大降低鋸齒數，并提高虛擬場景的真實度和沉浸性。

使用3ds Max的插件EON Raptor將建立好的3D模型、模型材質貼圖、模型動畫等導入EON Studio中進行二次開發。在導入并載入.max文件后，通過對各個節點以及節點相應的場景實例的設置，設置各個對象屬于自身以及相互間的觸發（如鍵盤的按鍵操作，鼠標的點擊操作以及定時觸發器），針對一個或多個不同的激勵做出相應的反應（物體的顏色、光線）包括點擊式（左鍵）觸發以及鍵盤按鍵鼠標滾輪等平移、旋轉、縮放、拾取等對局域網（網絡拓撲結構中）中節點的操作相對應的場景變化，如圖4所示。

在EON中提供了一百多個不同功能的節點，可以實現很多不同的功能。常用的節點有Walk、KeybordSensor、ClickSensor、MouseSensor節點、貼圖節點、材質節點、全景節點、視角節點等。其中Walk節點用來控制攝像機（Camera）的移動，KeybordSensor節點用于接收用戶的鍵盤輸入信號。ClickSensor和MouseSensor節點用于接收用戶的鼠標輸入信號。這些節點主要用來對場景的對象做動態運動、聲音導入以及視頻導入的設置。

2.3 模擬樹結構

使用EON Studio中模擬樹結構（Simulation Tree，ST）為場景文件設置節點，場景的模擬樹模塊為了便于實驗者的瀏覽和信息查詢，將虛擬場景以樹形結構顯示，場景樹中的節點與三維場景中的對象是一一對應的。

元件視窗（Components Window）中選定好的節點（Nodes）以鼠標拖到元件樹狀結構（ST）中，這樣可以非常清楚地知道在虛擬場景中包含哪些節點，這樣這些節點彼此之間的從屬關系就清晰明了。在元件視窗（CW）中編輯各節點的屬性。通過定義視窗連接兩個以上的節點，并且從定義視窗中發現明確節點之間的聯系以及關鍵性的觸發行為，如圖5所示。

圖5中，（1）為元件視窗（Components Window），所有的功能節點與已設定功能節點的場景與物件（Prototupe）在此顯示。（2）為場景的整體樹狀結構圖，將不同的節點以拖動的方式在此區編輯并進行模擬。（3）為對操控行為定義視窗（Routes Simulation）節點或場景與物（Prototype）之間所傳達的視窗進行編輯與定義。

通過場景樹交互式地拾取虛擬場景中的對象，并對該對象觸發系統提供激勵，對其進行操作并可查閱相關信息，這樣完成系統觸發式的交互過程。如某教學樓的主機接入局域網和交換機、路由器的使用情況，圖書館的相關信息，可進入實驗樓操作主機，查看實驗樓的機構分布和設置情況等，使實驗者在虛擬場景中及時獲得所需信息，亦可看到通信網絡的架構以及數據包的收發流程。

2.4 實驗者對相應場景實體的信息查詢

通過調用數據庫返回相應的數值信息，系統通過對模擬樹結構中的節點操作實現與數據庫中相應信息的連接。這樣便于信息的查詢和系統的維護。在場景樹中通過彈出選單的方式進行信息查詢，當實驗者用鼠標點擊場景結構圖中的節點時，就會彈出相應的信息查詢方式。當實驗者用鼠標單擊場景中的實例（如實驗室）時，彈出實驗室相應的信息，利用數據庫管理場景中的相關信息和數據，比如在左鍵點擊圖書館場景模型后，彈出圖書館主機數量、MAC地址、小型局域網參數等信息對話框，也可單擊主機使之開機，利用EON Studio中提供的模擬樹結構以及模擬樹中的節點組件實現。

3 結論

筆者在對EON Studio研究的基礎上，構建了一個三維立體的交互式虛擬校園，并且把通信網絡的架構以及原理融入到虛擬校園中，在創建虛擬校園的基礎上大大提高了整個系統的功能，實驗者可在虛擬校園中漫游，完成交互式的操作和信息查詢，在對虛擬校園體驗的同時，可深入學習通信網絡的原理，通過模擬樹結構清晰地了解校園局域網中的網絡拓撲結構。隨著虛擬現實技術應用領域的拓寬，對大規模復雜場景的模型創建要求會越來越高。文中基于3ds Max建模軟件和EON開發平臺，使用最能體現真實感、提高實時性和交互性的三維建模技術，取得了良好的現實結果。

[1]YAHAYA R A.Assessing the effectiveness of virtual reality technology as part of an authentic learning environment[C]//Proc.ICALT'06.[S.l.]：IEEE Press，2006：1-2.

[2]潘志庚.虛擬現實及應用[J].國際學術動態，2009（6）：20-31.

[3]屈宏偉，張琦.基于EON Studio的虛擬維修訓練系統研究[J].制造業信息化，2002，31（6）：37-38.

[4]YUICHI I，MIWA K.VRML animation from multi-view images[C]//Proc.Multimedia and Expo，2002.ICME'02.[S.l.]：IEEE Press，2002：881-884.

[5]龔建華，林琿，譚倩.虛擬香港中文大學校園的設計與初步試驗[J].測繪學報，2002，3l（1）：39-43.