虛擬實驗室的研究與應用現狀綜述

劉世偉 田世鵬 甘濤 蔣婷 楊明翰

摘 要：文中介紹了虛擬實驗室在教育領域和工業領域的現實意義及國內外比較有代表性的虛擬實驗室研究成果、前沿科技和發展趨勢。簡要介紹了應用云計算和虛擬現實技術的虛擬實驗室和多人協作虛擬實驗室。

關鍵詞：虛擬實驗室；現實意義；研究現狀；發展趨勢

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-0082-02

0 引 言

近幾十年來，科學技術呈現爆炸式發展，改變了很多領域的工作方式，以往人們只能在實驗室做實驗，但是自1989年美國教授提出虛擬實驗室的概念至今，虛擬實驗室得到了極大的重視，也有了很大發展，很多傳統實驗室的工作內容也逐漸轉移到虛擬實驗室中。所謂虛擬實驗室，即利用現有的數學建模技術、計算機仿真技術、多媒體技術、虛擬現實技術等構建一個用軟件來模擬硬件設備進行實驗的運行在計算機上的實驗室。

1 虛擬實驗室的現實意義

1.1 教育領域

學校里的很多課程都需要通過實驗來輔助教學，尤其是理工科，但由于很多實驗器材極其昂貴，并非每個學校都能負擔，因此選用虛擬實驗室來替代昂貴的實驗儀器。

學校使用的實體實驗器材會隨著時間及使用次數的增加而慢慢老化、損壞，這就為學校增添了許多財務開支，而虛擬實驗室卻不存在這個問題，不僅可以減輕學校負擔，還可以對落后地區的教育起到重要支撐作用。

在傳統的教學方式中，學校可以通過讓學生在實驗室做實驗的方式來使學生更好地理解課程內容，而遠程教育則很難做到這一點。但隨著Internet技術和計算機技術的發展，學生可以通過電腦用虛擬實驗室完成所需實驗，完美的彌補了遠程教育的缺點。

1.2 工業領域

由于虛擬實驗室必須具有強大的模擬功能，可以用其對產品進行輔助設計。要設計一個新產品，進行一項工程，在完工之前無法知曉它是否滿足要求，若貿然生產建造，即使只生產樣品也費時費工，但如果事先用虛擬實驗室進行可行性研究，在虛擬實驗室中對工程進行危機測試后再生產實體，就可以節約資源。

2 發展現狀

虛擬實驗室由于其巨大的應用前景而受到了世界各國和各大學的高度重視，國外具有代表性的部分成果如下所示：

（1）德國Ruhr大學網絡虛擬實驗室。該實驗室是一個有關控制工程的學習系統，通過虛擬現實技術模擬實驗場景，可以很好的進行交互操作。

（2）麻省理工學院Web Lab遠程實驗室。提供用于進行微電子學和電路設計課程的實驗教學，用戶在電腦上設計電路模型，然后通過專用的Web瀏覽器上的遠程用實物實驗設備來測試。該實驗室是在線虛擬實驗室的杰出代表。

（3）新加坡國立大學遠程示波器和壓力容器虛擬實驗室。該實驗室基于網絡、虛擬現實等技術，可以遠程控制實驗儀器。

國內具有代表性的部分成果如下所示：

（1）nobook虛擬實驗室。該實驗室可以為學生提供初高中課程所需實驗，物理虛擬實驗室尤為出色。由于使用了公式算法引擎，因此可以隨意更改實驗參數，使得實驗更為靈活，更貼近真實實驗，是虛擬實驗室商業化的代表作。

（2）中南大學虛擬實驗平臺主要針對基于構件和Web服務的虛擬實驗平臺中的關鍵技術進行研究，并設計實現計算機、通信和信息安全專業主要專業課程的虛擬實驗室系統。

（3）北京大學地球科學虛擬仿真實驗教學中心主要面向地質學、地球化學、地理信息系統、地理科學、資源環境與城鄉規劃管理、地球物理學、空間科學與技術、大氣科學共8個地球學科專業以及北大基礎學科通選課的實驗教學，提供多層次、多方法的虛擬仿真實驗教學平臺和綜合性強、創新性強、復雜度高的典型實驗項目。

3 前沿技術與發展趨勢

3.1 基于網絡應用云計算技術

自從人類進入網絡時代后，網絡就滲透進了各行各業，將網絡技術、云計算技術應用于虛擬實驗室后，便無需下載大量軟件，可在網頁端進行虛擬實驗儀器的控制。云計算技術（Cloud Computing）是分布式計算（Distributed Computing）、并行計算（Parallel Computing）、效用計算（Utility Computing）、網絡存儲（Network Storage Technologies）、虛擬化（Virtualization）、負載均衡（Load Balance）、熱備份冗余（High Available）等技術和網絡融合的產物，可以為在線虛擬實驗室提供充足的計算資源和存儲資源，為虛擬實驗室的應用提供便利。

3.2 虛擬現實

虛擬現實又叫虛擬實境（Virtual Reality，VR），可以讓使用者通過視覺、聽覺、嗅覺來感受人工模擬的三維虛擬世界的技術，集計算機圖形、計算機仿真、人工智能、傳感、現實及網絡并行處理等技術于一體，使用戶身臨其境。將虛擬現實技術應用于虛擬實驗室可以為虛擬實驗室的人機交互提供更好的體驗，使虛擬實驗室更接近傳統實驗室。

虛擬現實起步于20世紀20年代，建立在實時三維圖形生成技術、多傳感器交互技術、高分辨率顯示技術的基礎上，具有模擬性、交互作用、人工現實、網絡通信、沉浸性等特點，可以分為非交互式體驗、人-虛擬環境交互式體驗和群體-虛擬環境交互式體驗。

3.3 多人協作虛擬實驗室

很多實驗都需要多人協作來完成，所以建立一個可以多人協作的虛擬實驗平臺很有必要。CVL就是這樣一種可以滿足實驗者在網絡空間中進行人機交互、人人交互的多人協作虛擬實驗系統，CVL可以為地域分散的用戶提供一個共享協作式實驗環境。虛擬實驗平臺基于網絡和實驗分工系統，不應拘泥于一個學院，一所學校，而應該是一個連接廣泛的實驗平臺，要支持不同科研單位之間的協作研究。

4 結 語

虛擬實驗室采用軟硬件結合的方式，因其巨大的現實價值越來越受到人們的重視，高端虛擬實驗室應用多種前沿技術，有助于推廣實驗教育的改革，彌補傳統實驗室的不足。但虛擬實驗室不能完全取代傳統實驗室，虛擬實驗室具有便捷、安全、低價的優點，但在鍛煉實際操作能力方面與傳統實驗室還有一定差距。所以應將兩者的優勢互補，協同發展，共同為科研和教育服務。

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