云教育平臺虛擬實驗室構建

張新朝 李夢雪

摘 要：為使學生自主設置實驗條件、節約實習經費，結合云教育平臺和虛擬現實技術，提出一種新穎的虛擬實驗室環境構建方法。首先，利用云計算技術搭建云教育數據中心，并配置應用程序和用戶終端服務;其次，通過虛擬現實技術創建虛擬實驗室場景，主要包括虛擬教師人物、虛擬儀器設備和虛擬實驗工具;然后，將虛擬機實驗室資源轉化為云服務資源，同時整合云教育平臺的優勢;最后，學生通過云終端進入虛擬實驗環境。測試結果表明，基于云教育平臺構建的虛擬實驗室具有較高的使用價值。

關鍵詞：云教育平臺;虛擬現實技術;虛擬實驗室;教育環境;資源整合

DOI：10. 11907/rjdk. 182631

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）006-0151-03

Abstract：In order to enable students to set experimental conditions and reduce internship funds， this paper proposes a novel virtual laboratory environment based on cloud education platform and virtual reality technology. First， the cloud computing technology is used to build a cloud education data center， and applications and user terminal services are configured. Secondly， virtual lab scenarios which mainly include virtual teacher characters， virtual instruments and virtual experiment tools are created through virtual reality technology. Then the virtual machine lab resources are transformed into cloud service resources， while the advantages of the cloud education platform are integrated. Finally， students are set in a virtual lab environment by the cloud terminal. The test results show that the virtual laboratory built on the cloud education platform has high use value.

Key Words：cloud education platform;virtual reality;virtual laboratory;educational environment;resource integration

0 引言

虛擬實驗室是基于虛擬現實技術（VR）和網頁技術建構的開放式網絡化虛擬實驗教學系統，可將現有多種教學和實驗設備及實驗室數字化、虛擬化[1]。近年來，國外虛擬仿真實驗教學應用常見表現形式主要有以多媒體技術為主的交互式虛擬實驗室、以增強現實技術為主的3D虛擬實驗室、以3D打印技術為主的綜合設計實驗室和以遙現技術為主的運程協同實驗室等，其特點主要表現在可移動性、即時性、共享性和遠程控制等方面[2]。與此同時，隨著互聯網技術及虛擬仿真技術的飛速發展，虛擬仿真實訓平臺教育資源也逐漸受到我國教育界人士的青睞，但目前國內投入運營的虛擬仿真實訓平臺屈指可數[3]。

虛擬教學方法在國內外教學中均改善了教學效果，但在具體應用過程中也出現了一些問題，如部分學校計算機設備老舊，網絡資源匱乏，虛擬平臺運行速度較慢;推廣速度、覆蓋院校范圍不盡如人意;虛擬仿真實訓平臺使用頻率較低，平臺資源沒有得到充分利用。本文通過引入云計算技術手段，對解決上述問題提供一條新思路，以期推廣虛擬仿真實訓平臺在實踐教學中的應用。

1 需求分析

因受更新成本、地域經濟發展、運維水平等因素約束，教育資源使用效率與逐年遞增的更新成本的矛盾日益突出。重視課堂理論教學，忽視成本高、難度與質量彈性較大的實踐教學已成趨勢，這與競爭激烈的市場經濟所需的創新、實踐能力要求逐步提高的人才發展方向背道而馳。基于云計算教育平臺的虛擬實驗室研究，要求將云計算低成本運維、高性能、可伸縮的服務定制、穩定高效等優勢與教育資源信息化原則有機結合[4-6]。裝備一間標準教學實驗室時，搭建標準機房和云計算虛擬實驗室費用見表1。

將虛擬現實技術與云教育平臺結合是一種嘗試性的技術創新，目標是實現低成本、高效率、高可用性和便捷性。低成本在于云教育平臺客戶端的更新、維護成本低;高效率表現在虛擬現實大量三維實時數據的處理來自于云計算超高計算能力的運作[2];高可用性則是云教育平臺構建的容錯技術和負載均衡可有力支持用戶數據安全與穩定;便捷性則充分體現了云計算無所不在，提供瀏覽器的各種設備如智能手機、平板電腦等，均可借助云教育平臺的支持，獲得對虛擬實驗室實時、交互性訪問。以上特性為偏遠鄉村與經濟欠發展、教育失衡地區的遠程教育提供了符合教材要求的實驗環境[6-7]。

2 研究內容

本文研究內容為采用虛擬現實技術，構建一個PC機組裝、維護與維修的網絡虛擬實驗室，作為云教育平臺的應用實例[8]。在該虛擬場景中，可實現實驗教學資源共享、實驗原理和操作動態演示、沉浸式PC機組裝、維護與維修元器件（包括工具使用）的仿真操作、實驗教學管理、教師在線實驗答疑等主要功能[9-10]。然而，在形成貼近實際環境，具有實時、流暢自然的交互操作時，需要計算機提供高性能的計算能力、大容量的存儲空間及穩定、安全地處理海量數據的能力，在現有計算環境中無法實現低成本、高效率、高可用運作。具備高性能、高可用的計算環境、大容量存儲、低成本客戶端運行與維護、可伸縮與擴展的服務提供等特征的云計算教育平臺，為實現虛擬實驗室全三維、高交互提供了較為理想的解決方案。虛擬實驗室網絡拓撲結構如圖1所示。

文中選擇PC機組裝、維護與維修虛擬實驗室作為研究對象。其中，設計由虛擬人物引導，完整模擬PC機拆裝、測試、維護與維修的板卡級操作與數據處理，并能對實現操作對象給予貼近自然的交互性操作。以往由于大量三維數據的處理依賴于單臺計算機軟、硬件的局限，從而導致 VR 技術構建的三維實時性交互場景難以流暢實現[11]。同時，采用多臺高性能計算機組建集群受限于網絡帶寬，難以完成低成本、高效率、貼近自然交互的虛擬場景目標。云計算教育平臺以低成本、高效率、易用、易維護、需求可伸縮的原則，對上述VR技術中出現的眾多難以解決的問題給予了較為理想的支持。如云數據中心虛擬化技術提供了多臺虛擬機組建超高性能資源池，充分保障了處理三維海量數據的實時性;再者，虛擬現實技術描述虛擬場景生成的計算力全部來自于云計算教育平臺，云終端用戶VR場景設計、實施與本地設備性能高低關系不大，從而使獲得三維實時場景交互變得簡單易行[12-13]。因此，在研究采用VR技術構建虛擬實驗室系統的各種方案基礎上，包括系統架構模式、實現方法和技術路線，綜合比較后確定案例實驗室構建將基于云教育平臺，采用3DS Max、Maya等建模工具及Virtools整合工具實現。具體實現內容見圖2。

首先，構建云計算教育平臺數據中心，為虛擬實驗室全三維、高交互、低成本運維提供良好的實現平臺;其次，構建虛擬實驗室場景中的虛擬教師人物、儀器、必備的實驗工具等模型，并為實時交互操作提供合理的分層方案（例如設備組裝、部件維修均需分層表現細節部分）;第三，在低成本的云終端上實現基于RDP或PCoIP協議的虛擬桌面、高性能云服務應用，并進行海量數據的集群存儲等技術開發與實現;最后，整合云計算教育平臺的優勢及虛擬現實（VR）技術提供的特色內涵，建立實用的PC機組裝、維護與維修網絡虛擬實驗室。部分關鍵技術與需要注意的問題說明如下：

（1）層次化建模表現虛擬儀器內部結構及其各零部件是成功實現PC機組裝、維護與維修的關鍵技術之一。利用數據結構中樹形層次結構作為參考構架，可實現部件內部結構展現清晰化、組裝規范化、維修可控化和部件模型修改靈活性等優勢，為今后交互控制腳本中代碼編寫與維護打下良好基礎[14]。另外，建立適應發展需要的部件庫是必不可少的。

（2）設計一名女性教師，可在實驗室場景中漫游，引導學生開展虛擬實驗。在3DS Max設計環境中將臉部形狀進行UV坐標圖像展開后，轉到Photoshop中進行臉部和衣物的繪制以構建虛擬人物;利用角色工作室設置骨骼動畫，表情動畫可選擇通過 Maya工具軟件實現;虛擬人物導入到虛擬場景的工作則由Virtools軟件工具實現[15]。因此，需要為場景中的每個物體創建合理的材質。利用貼圖烘培、次世代圖形圖像技術對材質信息進行優化與簡化，如何導入到虛擬開發平臺中獲得優異表現是虛擬場景材質構建中需要注意的重要問題之一。

（3）虛擬實驗室場景的交互設計實現需要完成4個內容：①動作交互，即需要對不同的虛擬部件提供旋轉方向、壓力大小、正負極區別與選擇等模擬動作，而這些行為必須與實際操作過程中的相關內容一致;②視角交互，主要表現在模擬設備故障定位時采用溫控法獲取目標，實現的難點在于如何將在虛擬環境中表現的溫度控制特征與現實生活中的表現統一。若將虛擬操作順序、操作錯誤、得分及操作時耗作為評定手段，必然涉及到數據管理工作[14，16-17];③同時，軟件安裝、維護與維修能力評定等在虛擬場景中的實時數據表現也是需要重點解決的問題;④實驗設計交互，目的在于用戶可自由選擇實驗種類，依據性能指標完成對應板卡選擇和軟、硬件性能測試等方案的設計，讓虛擬實驗室成為一個極佳的測試平臺。在上述復雜的交互過程中，參數優化、部件超頻等操作將是研究中不可避免的問題。

3 技術路線

目前虛擬實驗室的開發技術主要包括：VRML技術、X3D技術、Flash技術、Viewpoint技術、Cult 3D技術、Java技術和Virtools技術。主流3D建模軟件如3DS Max、Maya等均配有專用導出插件，完全支持動作數據處理和3D角色控制，自身也提供腳本語言支持，從而能快速簡潔地生成豐富、對話式的3D作品等優點[18-20]。因此，本文擬采用Virtools技術構建基于云教育平臺的PC機組裝、維護與維修虛擬實驗室，云教育平臺基礎架構采用VMware公司提供的ESX Sphere云操作系統。技術路線總體框架如圖3所示。

為構建虛擬實驗室的各種PC機及眾多如板、卡、部件、外設等設備模型，必須在建模前分清儀器設備可控部件與固定不變部件。對于固定部分，在建模時可作為一個整體使用;對于可控部分，則需單獨建模從而有利于交互對象的選擇和交互事件的添加。由于需要展示PC機內部結構并實現故障定位、診斷與維修功能，需構建虛擬設備內部部件結構，虛擬儀器通常由成百上千個零部件組成，各個零部件之間存在一定的主從關系[21-22]。

在虛擬實驗中，虛擬角色可以是教師、學生或教學員工，用戶可把這些角色作為指導教師或自己的化身，與虛擬角色進行情感交流，使軟件更加人性化、更貼近現實。其次，實驗場景設計需解決布局及實驗設備擺放問題，基本原則是真實美觀、方便實驗對象操作和實驗現象呈現。構建的實驗室環境應包括實驗室房間、試驗臺、黑板、投影儀、打印機、壁櫥、空調、座椅、壁報等。

采用Virtools作為基于云教育平臺下三維虛擬實驗室的開發平臺，開發流程可分模型構建階段、模型導入階段、內容開發階段、體驗測試階段等4個階段。系統具體開發過程采用Autodesk公司提供的3DS Max 2009構建虛擬實驗室模型，結合Photoshop軟件修改和創建模型貼圖素材，并導入到Virtools開發平臺中[23]。通過Virtools強大的實時渲染引擎和云教育平臺提供的高性能計算、負載均衡和高可用性，同時，利用其完善的交互引擎BB模塊和VSL編程，模擬實驗操作全部過程并進行數據采集和處理，其結果通過網頁形式發布并利用三維設備輸出。

4 結語

本文將云計算技術引入虛擬實驗室構建中，消除了傳統虛擬實驗室計算力度、存儲空間、終端運行、維護成本與應用可伸縮性等多方面的瓶頸問題，擴大了虛擬實驗室應用范圍，同時也為今后該種模式建立規范的評測標準和可擴展軟件的設計提供參照。可以預見，虛擬實驗環境在教育行業的應用也將呈現持續上升趨勢。

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（責任編輯：江 艷）