基于VRML技術的虛擬實驗室構建

陳強等

摘 要：虛擬實驗室為實驗教學提供了新的形式，VRML語言為開發網絡虛擬實驗室提供了經濟有效的手段。基于VRML技術的虛擬實驗室可提高教學效率、降低教學成本。本文主要介紹了VRML語言，提出了使用VRML技術開發虛擬實驗室的結構類型和實現方法，希望使其成為一種有效的輔助實驗教學手段。

關鍵詞：VRML；虛擬實驗室；虛擬環境；交互控制

在世界范圍內，網絡時代信息化的到來正在進一步推動高等教育的發展。遠程教育的廣泛興起，使得校園的圍墻逐漸消失，學生對教師面對面授課的依賴性也逐步降低，傳統的課堂教學受到挑戰。網上虛擬課堂的新型教學模式已悄然而至。

實驗是許多課程教學活動中一個不可或缺的環節。遠程教育中，理論知識的教學形式比較成熟，但是實驗教學卻存在著困難。許多實驗只能通過觀看演示錄像的方式進行，甚至根本不安排實驗環節，這不可避免地造成了理論與實踐脫節，影響學生對所學理論知識的理解和掌握。正基于此，目前國內外有很多組織和大學紛紛開展了基于計算機和互聯網技術的虛擬實驗系統的研究和建設工作，以Web為實現平臺，把一系列軟件和實驗硬件有機結合起來，構建一個虛擬而又逼真的實驗環境，實現對真實實驗過程的計算機模擬。學生只需要在終端顯示器上點擊和拖動鼠標，即可完成整個實驗，觀察實驗現象，記錄實驗結果。

虛擬實驗室具有傳統實驗室無法比擬的優點，決定了它在科研、教育（特別是遠程教育）中的良好應用前景。這對培養學生的創新意識、創新能力及動手能力，都有著其他環節不可替代的重要作用。

一、VRML技術概述

1.VRML的發展

VRML是虛擬現實造型語言（即Virtual Reality Modeling Language）的簡稱。它是由SGI公司提出，可以進行全面定義的一種網絡環境下描述虛擬三維模型、渲染以及提供交互操作的跨平臺、開放式、解釋性文本語言。它本身的定義就具有對三維實體真實顯示的能力，滿足了機械設計中對機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網上交流機械零部件三維信息的要求，可實現網絡化的虛擬設計。

自1994年開發出三維瀏覽器Lab-

yrinth，經過發展，1995年VRML1.0版本正式推出。1996年，在對1. 0版本進行重大改進的基礎上推出了2. 0版本，其中添加了場景交互、多媒體支持、碰撞檢測等功能。VRML工程組在1997年4月提出了以VRML2.0為基礎制訂的國際標準草案。VRML標準是至今為止唯一的一個采用HTML方式發布的標準，這充分反映了VRML技術的廣泛認可和開放性。在VRML發展的過程中，不斷與相關技術進行融合，包括HTML、Open Inventor、面向對象技術、Java技術和XML技術，顯示了VRML技術的包容性和創新性。

2.VRML組成部分

在語法上， VRML以節點（Node）作為基本單位。一個節點可以是一個單一的3D造型，也可以是一個造型的材質，還可以是動畫定時器、傳感器等。VRML2.0中就定義了54個節點，如造型節點、編組節點、傳感器節點、腳本節點等。節點包括域和事件，各種信息可以在節點之間通過路由傳遞。

與HTML類似，VRML的解釋執行和演示是通過瀏覽器來完成的，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文件并生成場景圖，場景圖除了包括節點和路由圖外，還包括處理事件、讀取編輯路由圖及觸發節點改變的執行引擎。

3.基于VRML技術的虛擬實驗室的特點

VRML具有強大的網絡功能，它能夠創建三維造型，實現多媒體制作，可以利用感知傳感器節點來感受用戶及造型之間的動態交互感覺。因此，基于VRML技術的虛擬實驗室具有以下特點。

（1）成本低廉。虛擬實驗室在可視化方面的強大優勢以及可交互性，不僅大大降低了實驗的材料成本費用，而且還可以節省場地和人力資源成本，減小實驗損耗。此外，基于VRML的虛擬實驗可以實現資源共享，避免軟件、儀器及設備等相關資源的重復投資。

（2）省時高效。與傳統實驗相比，虛擬實驗無需大量繁瑣的實驗準備和儀器設備維護工作。用戶可以避免受傳統實驗不可預知情況以及無關細節的影響，集中精力研究實驗對象本身的特性和規律。虛擬實驗還能實現將緩變的實驗過程快速化和將快變過程慢速回放，大大增強了實驗的直觀性，提高了學生學習和研究效率。

（3）交互靈活。虛擬實驗通過人機交互環境，對用戶的實驗過程做出及時反饋，并對實驗結果進行實時分析和評價，實現了教與學的雙向交流，提高用戶學習的興趣和效率。

（4）用戶自主。虛擬實驗解決了傳統實驗中，實驗人數與實驗場地和時間安排之間的難題，用戶不僅可以隨時隨地進行虛擬實驗，還可以自我探索和設計新的實驗，有利于培養學生分析問題和解決問題的能力。

二、虛擬實驗室的結構與實現

1.基于VRML技術的虛擬實驗室的結構組成

虛擬實驗室包含下面幾個重要的組成部分：提供遠程用戶訪問的Web服務器；用于存儲虛擬實驗基礎數據和實驗結果數據的數據庫系統；用于數據處理、分析、存儲并使這幾個過程可視化的實驗處理軟件。這可以是基于專業的仿真軟件系統，也可以是自主開發的基于Web的實驗軟件系統。

互聯網為虛擬實驗室的實現提供了一種基礎平臺，基于Web的瀏覽器/服務器（B/S）計算模式是一種三層計算模型，也是實現網上虛擬實驗室的一種基本模式。它由瀏覽器、服務器和數據服務器組成，其體系結構如圖1所示。

B/S體系結構是利用超文本傳輸協議HTTP的消息傳輸機制，客戶端通過瀏覽器訪問服務器發出的服務請求，服務器進行響應處理后將響應結果返回給客戶端。學習者在客戶端進行實驗操作，實驗過程中的數據和實驗結果數據放置于服務器端，服務器端的后臺數據庫提供了可以共享的實驗數據和實驗方法。endprint

VRML在系統中用來描述三維虛擬場景和設備， 為了加快VRML文件的加載速度，將VRML文件和相關的網頁存儲在Web 服務器上，用戶的相關信息則存放在數據庫服務器上。客戶機采用嵌入了VRML 插件的通用Web 瀏覽器， 負責向Web服務器發送用戶請求，并顯示Web服務器通過解析所返回的結果數據。由于嵌入了VRML插件，客戶機的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三維場景。Web 服務器接收客戶機瀏覽器傳來的HTTP 請求并傳給應用服務器， 應用服務器將請求轉換成為數據庫能辨識的SQL 語句，并向數據庫服務器發出請求。數據庫服務器接收應用服務器的請求，然后執行相應的操作并將結果集返回給應用服務器，應用服務器把結果集進行分析處理并以瀏覽器能接受的形式發送給Web服務器，最后Web服務器把結果信息返回給Web 瀏覽器。這樣，用戶通過VRML 插件就能在客戶機端瀏覽器上操縱虛擬儀器進行虛擬實驗了。

2.系統結構的具體實現

（1）虛擬環境的建立。虛擬環境的視覺效果是影響虛擬現實系統真實感的最重要因素。為了使用戶能夠真正對一個由計算機生成的虛擬環境產生認同感，必須使生成的環境足夠逼真和自然。虛擬環境的構建首先要完成的是對實驗室場景的三維建模，三維模型是虛擬實驗室系統實現的基礎。

虛擬環境建模主要包括三維視覺建模和三維聽覺建模，三維視覺建模主要包括實驗室中各類實體的幾何建模和行為建模，聽覺建模則是把交互的聲音響應添加到用戶和對象的活動中。如圖2所示虛擬場景系統。

所謂三維實體模型的構建，就是將傳統實驗中各類實體，大到復雜的實驗器材，小到連接芯片的導線，進行三維建模。實體的形狀由構成實體的各個多邊形、頂點、曲面等來確定，實體的外觀由其表面紋理、顏色、材質等來確定。

在創建復雜的VRML場景時，除了創建大量的模型外，還必須考慮兩件事，VRML文件的長度和場景的渲染速度。VRML文件的大小會影響到場景，渲染的速度則直接影響瀏覽者瀏覽的速度，速度過低將使場景失去真實感。所以在創建場景的同時必須要考慮對場景的優化。

利用VRML設計虛擬實驗環境時，最簡單的方法是利用文本編輯器編寫源代碼，并保存為“.wrl”擴展名的網頁文件。這一過程類似于傳統意義上的程序設計，其方法簡單方便，但缺點是源代碼函數過于復雜，不易掌握，而且對設計者的空間想象能力要求也較高，設計的效率較低。現在很多可視化的VRML設計工具，已經將VRML的標準節點做成可視的組件，開發者只需拖動這些組件構建自己需要的虛擬場景即可，而且實現了整個設計過程的“所見即所得”，大大提高了設計效率。設計完畢后，系統設計工具可以自動將這些可視的虛擬場景生成標準的VRML描述文本。當這些文本傳送到用戶的瀏覽器后，便會在用戶的屏幕上重現這個虛擬場景。

對于一些較為復雜的三維模型及動畫，直接使用可視化的VRML設計工具有時也難以達到理想的效果，因此，在虛擬實驗環境構建過程中，系統開發者還需要運用一些成熟的三維建模工具，如3D Studio Max、SolidWorks等。為了達到比較理想的效果，可以結合可視化的VRML設計工具與三維建模工具的各自優勢，利用三維建模工具建立虛擬實驗模型，利用VRML工具進行交互設計。

（2）交互控制。交互控制是構建虛擬實驗室需要解決的核心問題，用戶必須通過鼠標、鍵盤、音頻和視頻等輸入設備與虛擬環境以及其他用戶進行交互。為了清晰、直觀地實現復雜的交互控制，在虛擬實驗的總體操作框架上采用串行的操作方式，即用戶必須嚴格按照實驗物理模型給定的操作順序進行實驗。采用這種操作方式可以使實驗過程清晰， 實驗系統設計簡單，能夠比較好地運用于為初學者設計的虛擬實驗。

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Script接口節點，它是VRML與其他編程語言如Java的一個接口，

VRML允許擴展它的功能。如圖3所示。

第二種方式是通過VRML2.0瀏覽器外部編程接口EAI（External Authoring Interface外部程序接口）進行編程，發送或讀取三維場景中節點的事件消息，使VRML2.0虛擬世界與外部網頁上其他對象溝通，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Web Page下，以Java Applet作為控制的核心，VRML場景作為三維展示的平臺。

（3）系統的整體設計。本虛擬實驗室是在網絡環境中使用的，這就需要把它做成網頁發布出去，這樣才能夠實現遠程教學。一方面實驗者可以通過Internet訪問虛擬實驗室，進行遠程實驗操作，填寫和瀏覽實驗報告，另一方面實驗指導教師也可以通過Internet來批閱實驗報告。網絡虛擬實驗的特點決定了文件占據的空間要少，對圖像、聲音都要支持，必須支持交互等。因此采用3DMAX、VrmlPad、Dreamweaver工具結合VRML技術、Java技術、Web技術來實現虛擬實驗是可行的。

圖5為系統整體設計結構。

使用VRML語言開發網絡虛擬實驗室，其制作方法簡單，成本較低。與HTML相結合，可以在互聯網上構建網絡虛擬實驗環境，更多的人可以通過網絡來完成各種實驗，彌補真實實驗室的局限性，也為遠程教學的實施提供了一種更好的實驗手段。

盡管虛擬實驗室相對于傳統實驗室有著很多的便利之處，但需要指出的是，虛擬實驗只能作為實驗教學的輔助手段，決不能取代實際實驗操作。虛擬實驗只有與傳統實驗教學有機結合起來，通過交互式虛擬實驗手段形象、生動地再現完整的實驗過程，使得用戶在完成實驗的同時，進一步加深對實驗原理和現象的理解和掌握，才能切實起到輔助實驗教學的作用。

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（作者單位：裝甲兵工程學院機械工程系 ）endprint