网络虚拟实验系统的设计与实现研究.docx

网络虚拟实验系统的设计与实现研究【摘要】本文简述了网络虚拟实验系统的内涵与主要功能，基于实际项目案例，给出其体系组成，重点阐述了系统在设计与实现技术方面的关键技术和存在的问题，并加以分析和探讨。【关键词】虚拟实验网络实现研究设计【中图分类号】TP311【文献标识码】A【文章编号】1674－4810（2011）24－0041－01一网络虚拟实验系统及其主要功能的特点网络虚拟实验系统以计算机系统为核心虚构出三维可视的实验场景，仿真复杂多变的实验现象，支持实验数据的采集和实验结果的模拟、分析。学习者通过网页访问的方式观察逼真的模拟实验环境，并通过普通的图形界面交互技术改变实验条件和参数，将各种虚拟仪器按实验要求、过程进行操作或组装，并从中获得良好的个人体验或发现。它一般包括相应的实验环境，有关的实验仪器设备，实验对象以及实验信息资源等。网络虚拟实验系统属于桌面式虚拟现实系统，在一定程度上具有虚拟现实技术的沉浸性、交互性和想象性特点，可以提供一些在现实中无法体验的情境，能避免真实实验或操作所带来的各种危险。彻底打破空间、时间的限制，学习者随时进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验，共享仪器设备，共享数据，甚至和异地的学习者合作进行实验等。特别适合在实验设备、实验场地、教学经费缺乏等低成本的限制条件下应用，较适合于网络教育和移动学习。二网络虚拟实验系统的基本体系组成1．表现层展现实验场景，用户主要包括学习者、教师和管理员。通过注册登录，下载支持IE的3D浏览器插件后，即可进入三维虚拟实验环境中进行实验。用户通过简单和友好的界面，可实现与虚拟实验的3D对象、虚拟角色的交互，或虚拟角色相互之间的交互。2．业务逻辑层服务器的主要作用是开放式交互实验环境以及动态网页的生成；网页Web应用服务器数据库的主要作用则是提供Web接入服务、用户认证管理、账号管理、动态网页的生成。作为整个虚拟实验系统的核心模块，虚拟实验应用服务器主要作用是控制和管理实验仪器、采集和处理实验数据；交互控制影响学习者的实验请求并做出相应的反应，处理多用户协同通信时出现的问题。3．数据访问层主要是对原始数据（数据库或者文本文件等存放数据的形式）的操作。数据库主要包含用户信息库、3D对象服务器、知识库、教学资源库。用户信息库包含用户（学习者、教师）的初始数据，如用户个人信息、登录信息、首次测试水平、实验仪器设备信息和学习记录等，存储在数据库服务器中。3D对象服务器包括3D场景模型、3D虚拟角色模型和3D实验仪器设备模型等。文件服务器包含Word、PPT等教学文本文档以及预设的HTML模板。三网络虚拟实验系统的关键设计一是许多网络虚拟实验系统功能更关注在实验现象和行为的模拟演示，系统的交互性和监控性有限。功能设计中需要增强对实验数据的统计分析和实验过程监控等功能，从而增强教学的评价功能。二是网络虚拟实验系统更多地集中于通过网络共享实验资源，共享数据。支持多用户协作式，分布式共享同一实验空间的系统并不多。分布式系统功能设计能进一步增强系统的实用性，同时带来更大的设计和实现的复杂度。四网络虚拟实验系统的实现技术1．环境建模技术虚拟实验环境和实验仪器的建立是虚拟实验系统的重要内容。常用的建模多使用3DMax、Maya等工具软件完成。制作人员完成建模和贴图的工作量比较大。数字三维扫描技术快速、精确地生成实体模型，与软件建模方式相结合能够缩短工作时间，提高效率。2．实时三维图形生成技术三维图形的生成技术已较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成与显示。对于具有一定复杂度的模型，如何达到实时显示和便于网络传输的目的，又要保证图形的帧率和质量，需要进一步研究。3．立体显示和传感器技术虚拟现实的沉浸感和交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的桌面虚拟现实系统大多使用鼠标加键盘的WIMP图形界面，在人机交互方式上存在着较大的局限性。近年来，手写板与触摸式显示屏等新兴的人机交互设备大规模地进入应用领域，其更加自然的交互方式突破原有鼠标加键盘的WIMP桌面系统，桌面虚拟现实系统的二维交互方式带来的约束，手写板技术和触屏技术的发展与应用虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。4．应用系统开发工具虚拟现实应用的设计关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。应用系统开发工具需要强大的平台支撑，为不同的开发者和设计者提供良好的支持，提供功能丰富且方便的工具包SDK来支持便捷的二次开发，以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量、降低开发成本。目前国际上比较著名的VR技术的开发工具和平台有VRML、Cult3D、EON、Quest3D、Virtools等，不同的平台各有其特点，通常实际使用开发平台所提供的一些实用功能模块，需要的附加也是需要考虑的重