基于Unity 3D的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究

王　娜, 徐魯雄

(福建師范大學(xué)福清分校 電子與信息工程學(xué)院, 福建 福清　350300)

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基于Unity 3D的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究

王娜, 徐魯雄

(福建師范大學(xué)福清分校 電子與信息工程學(xué)院, 福建 福清350300)

針對傳統(tǒng)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本高、維護(hù)難的問題,將Unity 3D與3D Max相結(jié)合,以面向?qū)ο蟮能浖こ谭椒橹笇?dǎo)思想,提出了一種基于Unity 3D的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的解決方案。該方案應(yīng)用Unity 3D和3D Max構(gòu)建三維場景,用Apache為Web服務(wù)器,并運(yùn)用PHP網(wǎng)絡(luò)腳本語言實(shí)現(xiàn)后臺數(shù)據(jù)庫MySQL與Apache服務(wù)器的連接。系統(tǒng)設(shè)計采用三層的 B/S 架構(gòu),表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)存儲層的分離有利于各層邏輯的復(fù)用,并便于維護(hù)。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)； 虛擬實(shí)驗(yàn)室； Unity 3D

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程是計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信等專業(yè)的必修課程。學(xué)生通過學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)知識和親身實(shí)踐,能夠掌握計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本概念和基本原理,從而具備熟練安裝及調(diào)試網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能力。近年來,隨著高校規(guī)模的不斷擴(kuò)大,一些傳統(tǒng)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室存在著設(shè)備老化、數(shù)量短缺或亟需修繕等問題,無法適應(yīng)教學(xué)需要。在傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)和時間是被限定的,通常只是讓學(xué)生完成數(shù)據(jù)讀取、分析與處理等規(guī)定操作,因而大大制約了對學(xué)生的工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1]。虛擬實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能,特別是在具有一定危險性或高成本的大型實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,虛擬仿真技術(shù)能夠改變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建模式,提升實(shí)驗(yàn)儀器的整體性能,提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[2]。基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)室雖然在一定程度上滿足了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的需要,但是仍存在建模效果與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境差異較大的問題。因此,基于Unity 3D的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室采用Unity 3D和3D Max開發(fā)三維場景,讓使用者，特別是學(xué)生用戶在非常接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),有助于激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣,提高其動手能力。

1　計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的體系架構(gòu)

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室采用了基于瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server,簡稱B/S)的體系架構(gòu)。所謂B/S架構(gòu),是在服務(wù)器端安裝數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序,客戶只需通過瀏覽器便可訪問服務(wù)器端的Web 應(yīng)用程序和進(jìn)行相應(yīng)的操作[3]。相對于客戶端/服務(wù)器架構(gòu)(Client/Server,簡稱C/S),B/S架構(gòu)將開發(fā)和維護(hù)工作集中在服務(wù)器端,構(gòu)件的重用性較好,具有維護(hù)簡便、成本低和安全性高的特點(diǎn)。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的體系架構(gòu)見圖1。

圖1　計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的體系架構(gòu)圖

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室采用的是3層B/S結(jié)構(gòu),在數(shù)據(jù)管理層和用戶界面層增加了1層結(jié)構(gòu),稱為中間件,利用中間件將應(yīng)用分別表示為表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)存儲層3個不同的處理層[4]。用戶通過Web瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)送登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室的請求,Web服務(wù)器根據(jù)用戶請求生成相應(yīng)的虛擬機(jī)資源并管理遠(yuǎn)程桌面和虛擬環(huán)境供用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。場景庫包括虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)及周邊環(huán)境以及聲音等的數(shù)據(jù)；模型庫包括用戶在虛擬實(shí)驗(yàn)中用到的各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備的信息；文件數(shù)據(jù)庫中存儲了各種用戶的信息、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及其過程的相關(guān)數(shù)據(jù)和表格等。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室采用Windows作為開發(fā)平臺,運(yùn)用PHP網(wǎng)絡(luò)腳本語言和MySQL數(shù)據(jù)庫,在Apache服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)了B/S模式的體系架構(gòu)。

2　計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的用戶角色和功能

基于Unity 3D的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的用戶角色有3種,分別是學(xué)生、教師和管理員,每種角色的權(quán)限不同。本文采用面向?qū)ο蟮能浖こ谭椒≧ational Unified Process(統(tǒng)一開發(fā)過程,RUP)[5-6]作為軟件開發(fā)策略,以Unified Modeling Language(統(tǒng)一建模語言,UML)和Rational Rose分別作為建模語言和可視化建模工具,對系統(tǒng)進(jìn)行需求分析。UML是由一系列標(biāo)準(zhǔn)的圖形符號組成的建模語言,它用于描述軟件系統(tǒng)分析、設(shè)計和實(shí)施中的各種模型[7]。

2.1學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)的操作

學(xué)生注冊并通過管理員審核后,可以登入計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。在課前,學(xué)生可以預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,觀看實(shí)驗(yàn)教學(xué)的PPT及教學(xué)視頻。在實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生查看實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,在逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中選擇適當(dāng)?shù)奶摂M實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行連線及調(diào)試,在實(shí)驗(yàn)過程中保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前提交實(shí)驗(yàn)報告。對于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),學(xué)生能夠在線向教師提問；對于多人協(xié)作性實(shí)驗(yàn),學(xué)生之間可以進(jìn)行交流；對于實(shí)驗(yàn)測試,學(xué)生與他人不能進(jìn)行交流。將上述功能模型通過用例圖可以清晰地描述出來,以便從用戶的角度展示系統(tǒng)的功能。用例圖是由參與者、功能用例以及它們之間的關(guān)系構(gòu)成的圖,其目的是描述系統(tǒng)功能[8]。每個用例描述了參與者和系統(tǒng)之間的交互序列[9]。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的用例見圖2。

2.2教師對于實(shí)驗(yàn)的管理

教師注冊并通過審核后,可以查看本班學(xué)生的信息、制定實(shí)驗(yàn)計劃、添加或刪除虛擬實(shí)驗(yàn)器件、上傳PPT或教學(xué)視頻。在一些需要交流和討論的實(shí)驗(yàn)中,教師可以對學(xué)生進(jìn)行在線指導(dǎo),包括發(fā)出提示性文字信息或者遠(yuǎn)程協(xié)助等。在實(shí)驗(yàn)過程中,教師可以在線監(jiān)控各個學(xué)生機(jī),實(shí)時把握學(xué)生的操作進(jìn)度。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,教師要批改學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報告,給出評語并導(dǎo)出學(xué)生成績。

2.3管理員對于用戶信息、實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室的管理

管理員賬號能夠?qū)θ魏斡脩舻膫€人信息進(jìn)行增加、刪除、編輯、查詢。管理員具有用戶角色分配功能,即在提交的用戶注冊申請中,賦予部分用戶的權(quán)限為教師，而大部分用戶的權(quán)限為學(xué)生。管理員可以刪除轉(zhuǎn)專業(yè)學(xué)生的信息或者禁止惡意用戶的登錄,還可以查詢學(xué)生、教師的個人信息,保管其賬號和密碼。管理員負(fù)責(zé)添加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或者對已有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行編輯或修改,還可以刪除不必要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在實(shí)驗(yàn)室管理方面,管理員在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室中可以添加或編輯與實(shí)驗(yàn)相匹配的實(shí)驗(yàn)室的信息,編寫實(shí)驗(yàn)室使用說明或注意事項(xiàng)等。

圖2　計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的用例圖

3　計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)流程

3.1三維建模

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的三維建模主要包括對虛擬環(huán)境和虛擬設(shè)備的建模。

(1) 虛擬環(huán)境。對虛擬環(huán)境進(jìn)行建模之前要收集足夠的素材,包括確定實(shí)驗(yàn)樓的規(guī)模大小及其周圍建筑物及設(shè)施的位置、尺寸。由于人工測量的方法會帶來巨大的數(shù)據(jù)量,因此本文選取拍照并結(jié)合電子地圖的數(shù)據(jù)完成了場景素材的收集。首先利用Photoshop對照片進(jìn)行處理,然后用3D Max將模型導(dǎo)入Unity,在Unity的編輯面板中編寫腳本代碼,使三維模型能夠成為能夠編輯的虛擬對象。最后,利用Unity的場景面板對場景全貌進(jìn)行渲染,實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的3D場景能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的移動、縮放和旋轉(zhuǎn)。

(2) 虛擬設(shè)備。由于虛擬設(shè)備真實(shí)反映了客觀世界中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,因此虛擬設(shè)備建模的好壞會對整個虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大的影響。虛擬設(shè)備的構(gòu)建是在Unity模型的基礎(chǔ)上通過紋理映射和渲染等效果實(shí)現(xiàn)的。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬設(shè)備主要包括個人計算機(jī)或服務(wù)器、中繼器、交換機(jī)、網(wǎng)橋、路由器、網(wǎng)關(guān)、防火墻、光纖等。如路由器模型,其外觀大小和與實(shí)物成比例,顏色、紋理來源于數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片。利用3D Max提供的建模工具對路由器模型進(jìn)行分層渲染,新建一個長方體,用切片法將網(wǎng)絡(luò)接口、電源接口等幾何圖形從長方體上分離出來,再將數(shù)碼照片圖像附于路由器的表面,即貼圖。在不影響視覺效果的前提下去除模型中冗余的部分并合并部分面片,這樣做能夠降低模型的復(fù)雜度。在3D Max中合成的路由器的三維效果見圖3。由于用戶不直接接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備,虛擬實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計了可供用戶進(jìn)行360度觀察的三維虛擬設(shè)備以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感。

圖3　路由器的三維效果圖

3.2漫游交互

在仿真過程中,系統(tǒng)將仿真數(shù)據(jù)和三維場景實(shí)體實(shí)時地顯示給用戶,并支持實(shí)時交互控制[10]。用戶通過輸入正確的用戶名和密碼登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室后,通過鼠標(biāo)和鍵盤操作來實(shí)時更改視點(diǎn)位置和觀察方向以實(shí)現(xiàn)對場景環(huán)境漫游的交互控制,此外使用鼠標(biāo)的滾輪可以放大場景局部的三維圖片[11]。漫游交互的開發(fā)過程主要是通過編寫交互式腳本并將其以組件的形式添加到相機(jī)。用戶使用鍵盤或鼠標(biāo)能夠控制模型的觀看角度,相機(jī)旋轉(zhuǎn)的部分腳本代碼如下:

if(Input.GetKey(KeyCode.W))

{

this.transform.Translate (Vector3.forward *Time.deltaTime*1);

}

else if(Input.GetKey(KeyCode.S))

{

this.transform.Translate(Vector3.forward*Time.deltaTime*-1 );

}

if(Input.GetKey(KeyCode.A ))

{

this.transform.Rotate (Vector3.up*Time.deltaTime*-11);

}

else if(Input.GetKey(KeyCode.D))

{

pos=Input.mousePosition.x;

this .transform.Rotate (Vector3.up*Time.deltaTime*11);

}

3.3錯誤檢測

色彩豐富、圖文并茂的人機(jī)交互方式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,但是當(dāng)學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中難免會出現(xiàn)各種錯誤,虛擬實(shí)驗(yàn)室作為一種教學(xué)方式應(yīng)該給予學(xué)生直觀的出錯提示。在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中如果出錯,出錯信息以彈窗外加警示音的方式提示給學(xué)生。如網(wǎng)絡(luò)接口配置實(shí)驗(yàn)中的命令較多,如果學(xué)生沒有熟記這些命令就有可能出錯,虛擬實(shí)驗(yàn)室的診斷功能能夠幫助學(xué)生對實(shí)驗(yàn)錯誤進(jìn)行糾正,這樣節(jié)約了教師幫助學(xué)生調(diào)試實(shí)驗(yàn)的時間。

4　計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)

4.1用戶管理的實(shí)現(xiàn)

用戶輸入計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的IP地址后,系統(tǒng)打開虛擬實(shí)驗(yàn)室的登錄界面,見圖4。用戶在首次使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的時候需要注冊,以后使用設(shè)置好的賬號和密碼進(jìn)行登錄即可。用戶輸入用戶名和正確的密碼即可登錄成功。如果用戶是在自己的計算機(jī)上進(jìn)行登錄,可以勾選“十天免登錄”復(fù)選框,這樣在下次登錄的時候可以省去輸入賬號和密碼的過程。

圖4　計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的登錄界面

4.2虛擬實(shí)驗(yàn)

以路由連接虛擬實(shí)驗(yàn)為例。該實(shí)驗(yàn)考查學(xué)生對路由的使用,桌面上設(shè)有6臺電腦,包括3臺筆記本和3臺臺式機(jī),要把桌面上的電腦連接起來,需要用多少個路由器(有4個LAN口)才能保證每臺都能上網(wǎng),并且節(jié)省路由。 參考答案是用一個路由A的WLAN口連接外網(wǎng),路由A3個LAN口連接3臺電腦,路由A的另一個LAN口連接路由B的WLAN,路由B的3個LAN口連接另外3臺電腦,共用需要2個路由器。為了培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的精神,界面中沒有給出路由A、B的標(biāo)志。

4.3網(wǎng)上發(fā)布

Unity 3D引擎支持多平臺,包括 PC、Android和 IOS 平臺的發(fā)布。在Unity 3D中,把作品發(fā)布成網(wǎng)頁形式非常便捷,導(dǎo)出的作品放在Web服務(wù)器中,供用戶使用。Unity 3D發(fā)布的流程為:在菜單欄選擇【File】→ 【Build Settings】打開Build Settings 窗口,選擇【W(wǎng)eb Player】,然后選擇【Switch Platform 】將當(dāng)前工程轉(zhuǎn)為Web Player 工程[12]。

5　結(jié)語

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計算機(jī)類、通信類、信息類等專業(yè)的重要課程之一,由于其內(nèi)容豐富,理論性、實(shí)踐性強(qiáng),學(xué)生如果不認(rèn)真做實(shí)驗(yàn)將難以把握課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式存在設(shè)備更新緩慢、器件不容易購買、場地限制等問題,利用基于Unity 3D的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠很好地解決此類問題。本文設(shè)計了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的體系架構(gòu),以3層B/S架構(gòu)將數(shù)據(jù)信息的傳遞和動態(tài)網(wǎng)頁的生成及虛擬實(shí)驗(yàn)室對數(shù)據(jù)庫的訪問等工作交給Web Server完成,虛擬設(shè)備可以根據(jù)需要進(jìn)行增減,整個系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性。采用Unity 3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠帶給用戶身臨其境的漫游效果,彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、短缺的不足,擴(kuò)充了教學(xué)內(nèi)容,是傳統(tǒng)教學(xué)方式的有益補(bǔ)充。

References)

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Research on construction of computer network virtual laboratory based on Unity 3D

Wang Na, Xu Luxiong

(School of Electronics and Information Engineering, Fujian Normal University (Fuqing),Fuqing 350300,China)

Regarding the problem of high cost and difficult maintenance of the traditional computer network experimental equipment,a network virtual laboratory based on Unity 3D is proposed,which comes from the idea of object-oriented software engineering method. The three-dimensional scenes are built with Unity 3D and 3D Max. Apache and PHP are adopted to construct the connection of the background database MySQL and Apache server. The three layers of B/S architecture are designed to achieve the separation of presentation layer,business logic layer and data storage layer,which is beneficial for multiplexing logic layers and easy maintenance.

computer network; virtual laboratory; Unity 3D

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.064

2016-03-21修改日期：2016-05-11

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016J01293)；福建省中青年教師教育科研社科A類項(xiàng)目(JAS14789)；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA15574)

王娜(1978—),女,河北保定,碩士,副教授,研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí).

E-mail：studyres@126.com

TP391.9

A

1002-4956(2016)9-0242-04