基于VRML技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

陳強(qiáng)等

摘 要：虛擬實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的形式，VRML語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室提供了經(jīng)濟(jì)有效的手段。基于VRML技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室可提高教學(xué)效率、降低教學(xué)成本。本文主要介紹了VRML語(yǔ)言，提出了使用VRML技術(shù)開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和實(shí)現(xiàn)方法，希望使其成為一種有效的輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段。

關(guān)鍵詞：VRML；虛擬實(shí)驗(yàn)室；虛擬環(huán)境；交互控制

在世界范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)代信息化的到來(lái)正在進(jìn)一步推動(dòng)高等教育的發(fā)展。遠(yuǎn)程教育的廣泛興起，使得校園的圍墻逐漸消失，學(xué)生對(duì)教師面對(duì)面授課的依賴(lài)性也逐步降低，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)受到挑戰(zhàn)。網(wǎng)上虛擬課堂的新型教學(xué)模式已悄然而至。

實(shí)驗(yàn)是許多課程教學(xué)活動(dòng)中一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)。遠(yuǎn)程教育中，理論知識(shí)的教學(xué)形式比較成熟，但是實(shí)驗(yàn)教學(xué)卻存在著困難。許多實(shí)驗(yàn)只能通過(guò)觀看演示錄像的方式進(jìn)行，甚至根本不安排實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，這不可避免地造成了理論與實(shí)踐脫節(jié)，影響學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解和掌握。正基于此，目前國(guó)內(nèi)外有很多組織和大學(xué)紛紛開(kāi)展了基于計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究和建設(shè)工作，以Web為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，把一系列軟件和實(shí)驗(yàn)硬件有機(jī)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)虛擬而又逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬。學(xué)生只需要在終端顯示器上點(diǎn)擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)，即可完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

虛擬實(shí)驗(yàn)室具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，決定了它在科研、教育（特別是遠(yuǎn)程教育）中的良好應(yīng)用前景。這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力及動(dòng)手能力，都有著其他環(huán)節(jié)不可替代的重要作用。

一、VRML技術(shù)概述

1.VRML的發(fā)展

VRML是虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言（即Virtual Reality Modeling Language）的簡(jiǎn)稱(chēng)。它是由SGI公司提出，可以進(jìn)行全面定義的一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下描述虛擬三維模型、渲染以及提供交互操作的跨平臺(tái)、開(kāi)放式、解釋性文本語(yǔ)言。它本身的定義就具有對(duì)三維實(shí)體真實(shí)顯示的能力，滿足了機(jī)械設(shè)計(jì)中對(duì)機(jī)械零部件三維造型的要求，而且VRML文件比較小，滿足了在Internet/ Intranet網(wǎng)上交流機(jī)械零部件三維信息的要求，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬設(shè)計(jì)。

自1994年開(kāi)發(fā)出三維瀏覽器Lab-

yrinth，經(jīng)過(guò)發(fā)展，1995年VRML1.0版本正式推出。1996年，在對(duì)1. 0版本進(jìn)行重大改進(jìn)的基礎(chǔ)上推出了2. 0版本，其中添加了場(chǎng)景交互、多媒體支持、碰撞檢測(cè)等功能。VRML工程組在1997年4月提出了以VRML2.0為基礎(chǔ)制訂的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案。VRML標(biāo)準(zhǔn)是至今為止唯一的一個(gè)采用HTML方式發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，這充分反映了VRML技術(shù)的廣泛認(rèn)可和開(kāi)放性。在VRML發(fā)展的過(guò)程中，不斷與相關(guān)技術(shù)進(jìn)行融合，包括HTML、Open Inventor、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、Java技術(shù)和XML技術(shù)，顯示了VRML技術(shù)的包容性和創(chuàng)新性。

2.VRML組成部分

在語(yǔ)法上， VRML以節(jié)點(diǎn)（Node）作為基本單位。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)單一的3D造型，也可以是一個(gè)造型的材質(zhì)，還可以是動(dòng)畫(huà)定時(shí)器、傳感器等。VRML2.0中就定義了54個(gè)節(jié)點(diǎn)，如造型節(jié)點(diǎn)、編組節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、腳本節(jié)點(diǎn)等。節(jié)點(diǎn)包括域和事件，各種信息可以在節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)路由傳遞。

與HTML類(lèi)似，VRML的解釋執(zhí)行和演示是通過(guò)瀏覽器來(lái)完成的，瀏覽器接受特定文件格式的用戶輸入以及用戶接口模式。其中，分析程序讀取VRML文件并生成場(chǎng)景圖，場(chǎng)景圖除了包括節(jié)點(diǎn)和路由圖外，還包括處理事件、讀取編輯路由圖及觸發(fā)節(jié)點(diǎn)改變的執(zhí)行引擎。

3.基于VRML技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)

VRML具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，它能夠創(chuàng)建三維造型，實(shí)現(xiàn)多媒體制作，可以利用感知傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)感受用戶及造型之間的動(dòng)態(tài)交互感覺(jué)。因此，基于VRML技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室具有以下特點(diǎn)。

（1）成本低廉。虛擬實(shí)驗(yàn)室在可視化方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)以及可交互性，不僅大大降低了實(shí)驗(yàn)的材料成本費(fèi)用，而且還可以節(jié)省場(chǎng)地和人力資源成本，減小實(shí)驗(yàn)損耗。此外，基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)資源共享，避免軟件、儀器及設(shè)備等相關(guān)資源的重復(fù)投資。

（2）省時(shí)高效。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)無(wú)需大量繁瑣的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和儀器設(shè)備維護(hù)工作。用戶可以避免受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不可預(yù)知情況以及無(wú)關(guān)細(xì)節(jié)的影響，集中精力研究實(shí)驗(yàn)對(duì)象本身的特性和規(guī)律。虛擬實(shí)驗(yàn)還能實(shí)現(xiàn)將緩變的實(shí)驗(yàn)過(guò)程快速化和將快變過(guò)程慢速回放，大大增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的直觀性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)和研究效率。

（3）交互靈活。虛擬實(shí)驗(yàn)通過(guò)人機(jī)交互環(huán)境，對(duì)用戶的實(shí)驗(yàn)過(guò)程做出及時(shí)反饋，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了教與學(xué)的雙向交流，提高用戶學(xué)習(xí)的興趣和效率。

（4）用戶自主。虛擬實(shí)驗(yàn)解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人數(shù)與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和時(shí)間安排之間的難題，用戶不僅可以隨時(shí)隨地進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，還可以自我探索和設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

1.基于VRML技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)組成

虛擬實(shí)驗(yàn)室包含下面幾個(gè)重要的組成部分：提供遠(yuǎn)程用戶訪問(wèn)的Web服務(wù)器；用于存儲(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；用于數(shù)據(jù)處理、分析、存儲(chǔ)并使這幾個(gè)過(guò)程可視化的實(shí)驗(yàn)處理軟件。這可以是基于專(zhuān)業(yè)的仿真軟件系統(tǒng)，也可以是自主開(kāi)發(fā)的基于Web的實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)。

互聯(lián)網(wǎng)為虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)提供了一種基礎(chǔ)平臺(tái)，基于Web的瀏覽器/服務(wù)器（B/S）計(jì)算模式是一種三層計(jì)算模型，也是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的一種基本模式。它由瀏覽器、服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器組成，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

B/S體系結(jié)構(gòu)是利用超文本傳輸協(xié)議HTTP的消息傳輸機(jī)制，客戶端通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器發(fā)出的服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)器進(jìn)行響應(yīng)處理后將響應(yīng)結(jié)果返回給客戶端。學(xué)習(xí)者在客戶端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)放置于服務(wù)器端，服務(wù)器端的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)提供了可以共享的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)方法。endprint

VRML在系統(tǒng)中用來(lái)描述三維虛擬場(chǎng)景和設(shè)備， 為了加快VRML文件的加載速度，將VRML文件和相關(guān)的網(wǎng)頁(yè)存儲(chǔ)在Web 服務(wù)器上，用戶的相關(guān)信息則存放在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上。客戶機(jī)采用嵌入了VRML 插件的通用Web 瀏覽器， 負(fù)責(zé)向Web服務(wù)器發(fā)送用戶請(qǐng)求，并顯示W(wǎng)eb服務(wù)器通過(guò)解析所返回的結(jié)果數(shù)據(jù)。由于嵌入了VRML插件，客戶機(jī)的Web瀏覽器不但能夠顯示一般的HTML文本及圖像信息，還能顯示VRML三維場(chǎng)景。Web 服務(wù)器接收客戶機(jī)瀏覽器傳來(lái)的HTTP 請(qǐng)求并傳給應(yīng)用服務(wù)器， 應(yīng)用服務(wù)器將請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成為數(shù)據(jù)庫(kù)能辨識(shí)的SQL 語(yǔ)句，并向數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器接收應(yīng)用服務(wù)器的請(qǐng)求，然后執(zhí)行相應(yīng)的操作并將結(jié)果集返回給應(yīng)用服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器把結(jié)果集進(jìn)行分析處理并以瀏覽器能接受的形式發(fā)送給Web服務(wù)器，最后Web服務(wù)器把結(jié)果信息返回給Web 瀏覽器。這樣，用戶通過(guò)VRML 插件就能在客戶機(jī)端瀏覽器上操縱虛擬儀器進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)了。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)

（1）虛擬環(huán)境的建立。虛擬環(huán)境的視覺(jué)效果是影響虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)真實(shí)感的最重要因素。為了使用戶能夠真正對(duì)一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境產(chǎn)生認(rèn)同感，必須使生成的環(huán)境足夠逼真和自然。虛擬環(huán)境的構(gòu)建首先要完成的是對(duì)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景的三維建模，三維模型是虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

虛擬環(huán)境建模主要包括三維視覺(jué)建模和三維聽(tīng)覺(jué)建模，三維視覺(jué)建模主要包括實(shí)驗(yàn)室中各類(lèi)實(shí)體的幾何建模和行為建模，聽(tīng)覺(jué)建模則是把交互的聲音響應(yīng)添加到用戶和對(duì)象的活動(dòng)中。如圖2所示虛擬場(chǎng)景系統(tǒng)。

所謂三維實(shí)體模型的構(gòu)建，就是將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中各類(lèi)實(shí)體，大到復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)器材，小到連接芯片的導(dǎo)線，進(jìn)行三維建模。實(shí)體的形狀由構(gòu)成實(shí)體的各個(gè)多邊形、頂點(diǎn)、曲面等來(lái)確定，實(shí)體的外觀由其表面紋理、顏色、材質(zhì)等來(lái)確定。

在創(chuàng)建復(fù)雜的VRML場(chǎng)景時(shí)，除了創(chuàng)建大量的模型外，還必須考慮兩件事，VRML文件的長(zhǎng)度和場(chǎng)景的渲染速度。VRML文件的大小會(huì)影響到場(chǎng)景，渲染的速度則直接影響瀏覽者瀏覽的速度，速度過(guò)低將使場(chǎng)景失去真實(shí)感。所以在創(chuàng)建場(chǎng)景的同時(shí)必須要考慮對(duì)場(chǎng)景的優(yōu)化。

利用VRML設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境時(shí)，最簡(jiǎn)單的方法是利用文本編輯器編寫(xiě)源代碼，并保存為“.wrl”擴(kuò)展名的網(wǎng)頁(yè)文件。這一過(guò)程類(lèi)似于傳統(tǒng)意義上的程序設(shè)計(jì)，其方法簡(jiǎn)單方便，但缺點(diǎn)是源代碼函數(shù)過(guò)于復(fù)雜，不易掌握，而且對(duì)設(shè)計(jì)者的空間想象能力要求也較高，設(shè)計(jì)的效率較低。現(xiàn)在很多可視化的VRML設(shè)計(jì)工具，已經(jīng)將VRML的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)做成可視的組件，開(kāi)發(fā)者只需拖動(dòng)這些組件構(gòu)建自己需要的虛擬場(chǎng)景即可，而且實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的“所見(jiàn)即所得”，大大提高了設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)完畢后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具可以自動(dòng)將這些可視的虛擬場(chǎng)景生成標(biāo)準(zhǔn)的VRML描述文本。當(dāng)這些文本傳送到用戶的瀏覽器后，便會(huì)在用戶的屏幕上重現(xiàn)這個(gè)虛擬場(chǎng)景。

對(duì)于一些較為復(fù)雜的三維模型及動(dòng)畫(huà)，直接使用可視化的VRML設(shè)計(jì)工具有時(shí)也難以達(dá)到理想的效果，因此，在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建過(guò)程中，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者還需要運(yùn)用一些成熟的三維建模工具，如3D Studio Max、SolidWorks等。為了達(dá)到比較理想的效果，可以結(jié)合可視化的VRML設(shè)計(jì)工具與三維建模工具的各自?xún)?yōu)勢(shì)，利用三維建模工具建立虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停肰RML工具進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。

（2）交互控制。交互控制是構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室需要解決的核心問(wèn)題，用戶必須通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、音頻和視頻等輸入設(shè)備與虛擬環(huán)境以及其他用戶進(jìn)行交互。為了清晰、直觀地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的交互控制，在虛擬實(shí)驗(yàn)的總體操作框架上采用串行的操作方式，即用戶必須嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)物理模型給定的操作順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用這種操作方式可以使實(shí)驗(yàn)過(guò)程清晰， 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，能夠比較好地運(yùn)用于為初學(xué)者設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)。

目前VRML2.0瀏覽器支持兩種水平上的編程。第一種是在VRML中有一個(gè)Script接口節(jié)點(diǎn)，它是VRML與其他編程語(yǔ)言如Java的一個(gè)接口，

VRML允許擴(kuò)展它的功能。如圖3所示。

第二種方式是通過(guò)VRML2.0瀏覽器外部編程接口EAI（External Authoring Interface外部程序接口）進(jìn)行編程，發(fā)送或讀取三維場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)的事件消息，使VRML2.0虛擬世界與外部網(wǎng)頁(yè)上其他對(duì)象溝通，而此程序本身又能夠完成其他的用戶需求功能，從而擴(kuò)大了VRML的用途。這一思想如圖4所示，就是將VRML和Java Applet置于同一個(gè)Web Page下，以Java Applet作為控制的核心，VRML場(chǎng)景作為三維展示的平臺(tái)。

（3）系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。本虛擬實(shí)驗(yàn)室是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用的，這就需要把它做成網(wǎng)頁(yè)發(fā)布出去，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)。一方面實(shí)驗(yàn)者可以通過(guò)Internet訪問(wèn)虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作，填寫(xiě)和瀏覽實(shí)驗(yàn)報(bào)告，另一方面實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師也可以通過(guò)Internet來(lái)批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)決定了文件占據(jù)的空間要少，對(duì)圖像、聲音都要支持，必須支持交互等。因此采用3DMAX、VrmlPad、Dreamweaver工具結(jié)合VRML技術(shù)、Java技術(shù)、Web技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)是可行的。

圖5為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

使用VRML語(yǔ)言開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，其制作方法簡(jiǎn)單，成本較低。與HTML相結(jié)合，可以在互聯(lián)網(wǎng)上構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，更多的人可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成各種實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的局限性，也為遠(yuǎn)程教學(xué)的實(shí)施提供了一種更好的實(shí)驗(yàn)手段。

盡管虛擬實(shí)驗(yàn)室相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室有著很多的便利之處，但需要指出的是，虛擬實(shí)驗(yàn)只能作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助手段，決不能取代實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作。虛擬實(shí)驗(yàn)只有與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)交互式虛擬實(shí)驗(yàn)手段形象、生動(dòng)地再現(xiàn)完整的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，使得用戶在完成實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，進(jìn)一步加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和現(xiàn)象的理解和掌握，才能切實(shí)起到輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳小紅.虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2010（17）：107—109.

[2]單美賢，李 藝.虛擬實(shí)驗(yàn)原理與教學(xué)應(yīng)用[M].北京：教育科學(xué)出版社，2005.

[3]劉筱蘭，張 薇，程惠華，王本應(yīng). 虛擬實(shí)驗(yàn)室的類(lèi)型及發(fā)展趨勢(shì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004（11）.

[4]戴 俊，沈建華.基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與實(shí)現(xiàn)[J].艦船電子工程，2009（4）：126—128.

[5]劉紅玲，楊 凱.基于VRML的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J]. 徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（5）：101—104.

（作者單位：裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系 ）endprint