實驗室信息化虛擬實驗設計與實現

曹劍文

（武漢紡織大學 數學與計算機學院實驗室，湖北 武漢 430000）

隨著高校實驗室資源的擴充，實驗室信息化逐漸被提上日程。 所謂實驗室信息化，就是指從實驗課的編排，到實驗室的開放，再到實驗教學，全部基于網絡實現，真正構建出基于網絡信息化的實驗室教學管理系統。另一方面，虛擬現實技術逐漸得到了廣泛的研究與應用，如何利用虛擬現實技術構建出虛擬實驗，成為實驗室信息化的一個重要構成， 這也是很多高校實驗室管理部門重點解決的技術問題之一。

1 實驗室信息化管理設計方案

1.1 功能設計

（1）實驗信息管理。 實驗信息管理主要包括對實驗室工作人員、實驗室規章制度、實驗室通知以及實驗室辦公文件等信息的集中管理。 （2）實驗課程管理。 實驗課程管理是指面向不同的老師、不同的開設班級，對實驗課程進行編排，以完成實驗課程的統一集中管理，做到實驗課程的時間、教室不沖突。（3）實驗設備管理。 實驗設備是實驗教學過程中的重要資源，對實驗設備統一進行信息登記和管理，有助于實現對實驗設備的網絡化管理。（4）實驗教學管理。 實驗教學管理主要包括實驗課程的準備，學生實驗過程視頻的保存，實驗報告的電子化及成績評定，以及實驗教學總結。

1.2 模式設計

該設計采用了C/S 模式和B/S 模式相結合的設計模式。 整個實驗室信息管理系統在WEB 環境下運行，客戶端與數據庫服務器之間采用B/S 模式，從而避免了客戶端專用程序的開發；而數據庫服務器與應用服務器之間采用C/S 模式， 適宜滿足應用程序和數據庫系統之間的大批量數據訪問和調用， 從而提高了數據訪問的靈活性。另一方面，由于數據全部存儲在專用的數據庫服務器上， 而應用程序服務器和客戶端只負責發出相應的數據請求指令，這樣在一定程度上也提高了數據的安全性，后期維護也更加趨于合理。

2 虛擬現實技術在虛擬實驗中的設計與應用

2.1 虛擬現實技術的應用方法

要將傳統的動手實驗演變為基于虛擬現實技術的虛擬實驗，必須要完成三維建模、虛擬場景重建以及動作響應設定等一系列設置，這樣才能夠實現實驗教學的信息化和虛擬化。 目前三維建模主要依賴Solid Works 三維軟件完成，而虛擬場景的重新構建，在很大程度上依賴于LabView 等圖形化編程軟件的使用。

要實現虛擬實驗系統的設計， 離不開數據庫系統的應用，因為在虛擬實驗操作過程中，離不開對數據庫的實時動態訪問，因此如何快速訪問數據庫系統成為虛擬技術應用的關鍵。 目前應用在虛擬實驗系統中的數據庫訪問技術， 主要是依賴于數據的快速存儲方式。 對于底層傳遞來的數據，按照數據自身的屬性進行分類，從而將數據自動劃分到不同的數據類中。 在同一數據類中，按照所定義的關鍵字對數據進行存儲。 采用分類的數據存儲和訪問方式，能夠極大地提高數據庫訪問的效率。

2.2 機電一體化實驗的虛擬化設計應用

本研究課題以具體的機電一體化實驗為例探討虛擬實驗系統的設計與應用。

機電一體化實驗主要完成傳感器檢測、數據濾波、數據采集、數據顯示、電機控制等一系列任務。 針對該實驗的內容，虛擬化和信息化可以按照如下步驟實施：

（1）三維建模。借助于Solid Works 三維軟件對傳感器、濾波器、數據采集卡、數碼管、CPU 控制器、步進電機等進行三維建模，實驗室內的萬用表、示波器等其他實驗儀器也要建模，以增強實驗環境的真實性。

（2）場景重建。 利用LabView 圖形化編程軟件，將上述三維模型進行空間布局設置，構建與實驗室完全一致的實驗場景。

（3）界面接口設計。 僅僅有圖形化場景是遠遠不夠的，還必須借助LabView 圖形化編程軟件對接口進行設計。 比如數據采集卡的接口應當與傳感器的輸出接口保持相同的電平規格；再比如，CPU 控制器的輸出脈沖應當跟步進電機的驅動電流保持相同電平規格，以確保電機能夠被驅動。

（4）虛擬動作響應。 設計了界面接口，就能夠利用VRML 工具對虛擬動作響應進行設定， 通過設定使虛擬實驗系統能夠智能地感知到操作者的意圖，從而順利完成虛擬實驗。

（5）數據庫的快速訪問。 在機電一體化實驗中，需要保存的數據有傳感器采集數據、數據采集卡的采集頻率、CPU 控制器的輸出脈沖規格以及步進電機的相關參數。 這些參數按照其自身屬性可以劃分為采集數據、控制數據和輸出數據三大類，將上述的數據自動地劃分到這三大類中。 當虛擬動作響應需要訪問數據庫系統查詢上述相關數據時， 可以首先按照數據所在的大類進行查詢，這樣有助于提高數據庫系統訪問的快速性和準確性。

3 結語

虛擬現實技術是一種將現實中的情景進行虛擬化并重現的技術，在三維場景建設技術中有著重要的應用。 本研究課題將虛擬現實技術與虛擬實驗室建設相結合， 探討了實驗室的信息化及虛擬實驗系統的設計， 結合具體的機電一體化實驗給出了虛擬現實技術在虛擬實驗設計中的具體應用。

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