基于VRML的虚拟实验的构建探究

摘 要：在各级学校的教学过程中，理论教学和实验教学是相辅相成的两种教学方式，但是，传统意义上的实验室容易受到各种控件和时间等因素的限制，且建设专门的实验室环境投入较大，且效费比较低，所以，采用虚拟现实技术来构建虚拟实验平台也就逐渐发展起来。在此背景下，本位以计算机组成原理的实验需求为例进行开发，设计了基于VRML（Virtual Reality Model Language）的虚拟实验室系统，通过采用一种新的虚拟模型实现与网站的连接，可以在一定程度上解决传统方式的缺陷。

关键词：虚拟实验室；虚拟实验；虚拟现实建模语言

中图分类号：TP391.9

在学校教学环节中，为了实现教学目标，需要将理论教学和实验教学相结合才可以。而对于大学教学中的理工科教学，由于各类课程更具有较高的实践性，也就使得实验教学更成为不可缺少的环节。通过实验教学环节，可以有效提供学生的动手能力，也可以更好的掌握和理解教学内容，深入理解教学知识。不过，传统的实验教学容易受到多种因素的限制，比如时间和空间层面的限制等。

作为实现与虚拟环境进行交互的重要手段，虚拟现实技术已经成为一种丰富人类科研方式、提高技术水平和拓宽生产实践领域的一种重要手段和方式。构建虚拟实验室，其根本出发点就是采用虚拟实验环境中的一体化平台，让参与者能够体验到真实的实验环境。所以，文中才对基于VR技术的虚拟实验室进行研究。

1 虚拟实验室工具

在技术发展的推动下，诞生了基于计算机屏幕的桌面虚拟现实技术，可以为用户提供观察虚拟环境的窗口，利用计算机外部设备，比如键盘和鼠标实现对虚拟环境对象的操控。虽然这种基于桌面的虚拟现实技术的真实感低于沉浸虚拟现实，但是具有技术简单、成本较低的特点，所以，可以很好的满足教学过程中的实验教学环节，成为虚拟实验室开发的主要工具。

现在，能够用于虚拟现实开发的技术有多种，比较主流的包括VRML、Cuh3D、Java3D、OpenGL等，这些技术和平台，可以根据其自身的特点，有针对性的应用在多种虚拟现实领域中。而文中所重点研究的虚拟现实建模语言VRML，作为一种三维造型和渲染的图形描述语言，具有多种特性和优点，比如交互性、平台无关性以及可扩展性等。尽管VRML平台所构建的三维造型，其视觉感官性比不上专业三维软件的性能，但是，采用VRML语言所构建的模型文件更小，模型的灵活性更高，易于在网络环境中采用，也适合在网络平台下传输。

所以，文中所研发系统就是采用VRML技术。现在，能够使用的VRML开发工具也比较多，比如基于可视化的Internet Space、基于文本的VrmlPad，以及三维建模软件3DSMAX等，不过，考虑到实验室虚拟环境构建的方便性和通用性，文中主要采用基于VrmlPad的VRML集成环境来完成具体开发过程，该集成环境能够为开发人员提供制作三维模型的可视化编程界面，大幅减少程序代码的输入量，提供整个虚拟环境的开发效率。

2 虚拟实验室体系结构与原理

在虚拟实验的开发之初，就考虑到通过学校的校园网络来完成虚拟实验的需要，制定了构建Web环境下的虚拟实验室开发方案。采用这种形式的虚拟实验室构造方式，根本上属于基于Web的软件仿真实验，需要采用基于C/S模式的多层体系结构来构建。这种软件架构以Web应用为核心，主要包括客户端、Web服务器和数据库等3个不同的层。采用这种软件模式，也与VRML的访问方式符合，其中，Web服务器能够为系统提供VRML文件和资源，客户端则支持VRML通过网络浏览器实现文件下载，从而为本地虚拟场景的生成提供支持。具体结果如图1中所示。

图1 系统所采用体系结构模型图

采用此类型的结构，其具体工作过程是先由客户终端向Web服务器发起服务请求，然后在通过Web服务器向数据库服务器提供请求，在服务器接收到数据库服务器的响应后，向客户终端返回服务请求结果。这样，就可以在客户端与数据库服务器不进行直接联系的情况下，完成数据传输和共享，保证了数据的安全性。在网络环境搭建中，采用基于.NET平台来完成，该平台能够提供集成的、无缝的连接组件库，为用户提供动态虚拟网站的快速开发支持。

3 建立实验室虚拟对象

通过虚拟实验室来完成实验过程，需要对实验器件进行操作。所以，就应该针对实验中所采用的各种器件进行模型构建。此处以计算机组成原理的课程实验为例，对一系列的芯片模型进行构建，其中包括了电源、开关、LED等多种元器件，这些元器件的模型构建则参考Prote 99SE中元器件的构造和外观来进行。具体过程为：

首先，对各种元器件的基本结构和框架图进行绘制，选择和确定每个元器件的物理外观和外形特征；接着，在VrmlPad文本编辑器中完成代码编辑，充分发挥可视化编程的特点，对模型进行实时调整，以实现与真实元器件相似的效果；最后，生成模型文件。

在虚拟实验室中，需要进行建模的对象通常会有多种，所以，对于外观和造型相似的对象，就应该设计通用的模型文件来表示，而其他模型只要在通用模型上增加或者改变一些特性即可。此处以计算机组成原理教学过程中的实验芯片74LS181为例，阐述其几个建模过程，构建起外形。脚本如下：

Background{skyColor 1.0 1.0 1.0} #这设置芯片的背景颜色

Shape{appearance Appearance{Material Material{} geometry Box{}}#构造芯片形状

Transform { geometry Text{ string 74LS181 maxExtent 2.0}}#设置芯片坐标和坐标转换

利用上述脚本，基本可以完成该芯片的实体构建，如果还想对其他74LS系列芯片进行构建，则只需要在这些脚本的基础上改变相应的语句值即可，或者添加一些特殊性质的语句，避免了重新构造过程。这样，就可以大大减少工作量，提高模型构建的效率。

完成了元器件模型的构建后，采用*.wrl格式进行存储。不过，在大量文件模型存在的情况下，难以对想要的模型进行快速查找，所以，还需要将每个模型文件的存储地址都保存到数据库表中。这样，就可以在需要调用某个模型文件时，通过数据库对其进行调用即可，如果需要进行元器件的扩展，则只需要将扩展的新元器件文件地址更新到数据库中，通过对元器件位置的调用，就可以完成系统更新。

4 虚拟实验室系统应用

完成了对虚拟对象的建模过程后，也就实现了对虚拟实验环境的构建。接着，就需要通过虚拟网站的构建来完成模型连接过程，进而构成一个交互性的网络系统，使用用户通过网站登录来进行实验操作过程。通常，可以通过网页中的控件完成虚拟模型的调用，完成对不同模型的交互调用。不过，考虑到模型文件的具体格式，在将VRML文件嵌入到网页时，需要添加一些脚本。

模型间的交互过程中，需要在网页中嵌入大量虚拟建模语言，以及程序脚本，而在实际的开发过程中，这种方式的是实现难度较大，且频繁对后台数据库进行调用，会增加服务器的工作负担，从而给虚拟实验室的整体性能产生影响。

所以，为了避免出现该问题，文中采用了另一种连接方式，具体如图2中所示。完成了具体对象模型的构建后，则可以创建一个主虚拟文件，即Main.wrl，其能够对具体的对象模型进行调用，且作为这些模型的承载和调用平台，能够通过Vrmlpad的可视化编程对各个模型的位置坐标和布局进行自动设定。实验过程中，需要通过网络将Main.wrl文件下载到客户端，这样，就不需要对平台进行频繁的访问，可以利用一次访问对所有的虚拟部件进行下载。

图2 客户端连接模型

5 结束语

在教学过程中采用虚拟现实技术，是构建实验室环境的一种新技术，使得教学过程可以在虚拟环境下完成实验操作，还可以突破时间和空间的诸多限制，环节实验室建设的成本和资金压力，对实验室的发展具有非常重要的意义。

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作者简介： 谢文达，男，广东阳江人，硕士，教师，讲师，研究方向：计算机应用、虚拟现实。

作者单位：江门职业技术学院，广东江门 529000