网络虚拟实验室及其实现方法研究

1、 文章编号:1672-7010(200403-083-03网络虚拟实验室及其实现方法研究许又泉1,2,谭敏生1,3,邓轶华2(1.湖南大学计算机与通信学院,湖南长沙410082;2.邵阳学院软件工程学院,湖南邵阳422004;3.南华大学网络中心,湖南衡阳421001摘要:文章描述了网络虚拟实验室的定义、框架结构、特点以及面临的关键技术,并且就当前实现网络虚拟实验室的几种主流技术进行了比较和概括.关键词:虚拟实验室;Java ;Flash ;VRM L ;ActiveX;QuickT ime VR中图分类号:TP303+.1文献标识码:AThe Study of R ealization On

2、 Virtual LabX U Y ou -quang1,2,T AN Min -sheng1,3,DE NG Y i -hun2(1.College o f Computer &Communication ,Hunan Univer sity ;(2.So fturare engineering department o f Shaoyang Univer sity ;3.South China o f Univer sity Abstract :In this paper ,we not only describe the definition ,the frame structu

3、re ,the characteristic and key technology of netork virtual lab ,but als o com pare the several kinds of major technology at present ,with which we can realize netw ork virtual lab.K ey w ords :virtual lab ;jave ;flash ;VRM L ;activeX;quick time VR收稿日期:2004-04-29作者简介:许又泉(1968-,男,湖南邵阳人,湖南大学硕士研究生,研究兴趣

4、为虚拟技术,数据库.利用现代计算机技术进行虚拟实验室的研究,国际上始于20世纪90年代,是近几年来国内外研究的一个热点.虚拟实验就是利用鼠标的点击、拖动,将微机上虚拟的各种仪器,按实验要求、过程组装成一个完整的实验系统,同时在这个系统上完成整个实验,包括原材料的添加;实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟、分析.它突出了“软件即仪器”的新概念.虚拟实验室就是虚拟实验运行的载体,是虚拟实验的运行环境.一般认为网络虚拟实验室它是一个无墙的中心,基于临理论和远程控制技术,在网络环境下协同工作实现虚拟实验和设计,充分实现资源共享的实验平台1.1网络虚拟实验室的基本工作原理按实现方式国网络虚拟实验室

5、分4种2:软件共享网络虚拟实验室:其特点为,共享服务端的虚拟实验室模拟软件平台,接受客户端发送的实验请求,分析和处理实验参数,经过计算模拟最终将结果返回客户端.整个系统不涉及具体的实验仪器硬件设备,只是利用软件模拟实验的过程.数据共享的网络虚拟实验室:其特点为实验数据已存在于远程数据库中,服务器接收客户端请求在数据库中检索实验数据并返回客户端.仪器共享网络虚拟实验室:服务端同样接受客户端的实验请求和实验参数,使用实验参数配置与之连接的实验仪器硬件设备,由实验仪器硬件设备进行实验,并将实验结果返回服务端,最后返回到用户端,实现实验仪器和实验数据的共享.在实验进行过程中客户端无法对其进行远程控制.

6、远程控制网络虚拟实验室:与仪器共享网络虚拟实验室最大的区别在于,除了实验仪器实验数据的共享之外,其还要实现客户端对实验仪器设备的远程控制.基于WE B 的远程控制网络虚拟实验室框架图如图1所示.软件共享网络实验室及数据共享实验室主要是用于演示性或验证性实验以及在虚拟仿真中的设计与分析.而共享仪器的网络实验室主要是为了提高大型、贵重仪器设备的利用,以便这些仪器为尽可能多的研究工作者服务.比较著名的象美国的Illinois 大学的Nmr 2scope 系统.通过Internet ,研究人员在任何地方都能使第1卷第3期邵阳学院学报(自然科学版V ol.1.N o.32004年9月Journal of

7、 Shaoyang University (Natural Sciences Sep.,2004图1远程控制网络虚拟实验室框架图用Illinois大学的仪器.如NMRI(核磁共振仪的使用,只要向该大学递交了一个样品之后,经过授权的研究人员就可以与服务器联机,服务器将显示出一张表示仪挪置的表格和功能清单,通过点击屏幕上的按钮就可以进行实验,生成的图像将被传回到研究人员的计算机屏幕上3.2网络虚拟实验室的特性一个好的网络虚拟实验室应满足以下几个重要特性4.交互性、自主性在虚拟实验中实验者可以根据自身的需要利用虚拟实验室提供的虚拟器件搭建、设计具体实验,同时在实验中提供控制手段控制实验的进程并对实验

8、者的操作提供反馈信息.开放性、扩展及重用性开放性就是要打破使用者时间、地域及平台的限制,通过任何一台连网的终端均可进入虚拟实验室进行虚拟实验.扩展及重用性就是要使虚拟实验室尽量采用组件的设计思想做到易扩充、易维护.用户可以根据自己的实验需要构造新的实验模块、添加新的实验仪器或在已有的功能模块的基础上用改进.组合或混合方法构建新的模块.一致性和协作性所有的实验参与者对于环境有一致的感觉并能进行彼此交流和协作.实时性虚拟实验室的用户与虚拟实验室之间有良好的交互实时性.良好的真实和沉浸感提供良好的虚拟实验环境,采用虚拟现实技术、多媒体技术增强实验的身临其境的感觉.3网络虚拟实验室的关键技术构建基于I

9、NTERNET的协同工作环境,真正实现共享虚拟实验室工作空间.实够于INTERNET的远程控制和监测.由于In2 ternet是基于Best-effort的服务机制,难以满足远程控制对网络服务质量要求(QOS,如实时性要求以及多媒体信息等所需要的网络带宽.另一方面由于大量的仪器设备不支持TCPIP协议,有必要研究仪器控制服务器与仪器设备之间的通信和控制问题.构造具体研究的计算模型及可视化计算.可视化计算就是通过建立虚拟实验模型将计算公式可视化的表现出来.如改变电路中的虚拟变阻器的电阻值可以动态地计算可调彩灯的电流等.虚拟现实技术在虚拟实验室中的应用,增强虚拟实验的真实感和实验参与者的身临其境的

10、沉浸感.4网络虚拟实验室的实现技术基于VRM L技术VRM L即虚拟现实建模语言(Virtual Reality M odeIing language,于1994年提出,1996年发布了VRM L2版本. VRM L具有相对简单易用性、完善的外部接口、真正的三维效果等特点.它是一种基于W eb的、用于描述可交互三维世界对象及其行为的语言,它在网络上传输的不是动画图像,而是文本文件,即只传送描述场景的模型,把动画帧的生成放在本地,所以用VRM L实现动画和互动效果的程序所占的存储空间甚至比用Flash实现还要小,大大缓解了网络传输速度慢的问题.浏览者通过鼠标可以在虚拟的世界漫游,而3D动画并不能

11、让浏览者进入虚拟世界随意漫游.VRM L浏览器可以是一个独立的浏览器,也可以是WE B浏览器的一个插件. VRM L简单交互的实现主要是通过改变节点的exposed2 Field的域值,esposedField域的动态变化通过向节点中发送事件(Event来实现.节点的EventIn接收事件,并发送一条消息给VRM L的节点内部,说明要改变的域及其数值,节点内部收到此条消息,对域值即可做出相应的改变,并刷新场景,用户就可以看到场景的变化.同时节点的Eventout也可以向外发送另一事件.虽然VRM L 提供了大量的造型手段,但直接用VRM L编程来构建场景模型是非常困难的.虚拟实验平台在构建时通

12、常采用3DM AX进行造型.3DM AX不仅提供了VRM L2.0的接口,而且具有即时修改和所见即所得的特点,处理方式多样.在3DM AX中进行材质、纹理等处理后输出,再利用编组节点G roup、T rans form把它们按照层次体系组织起来,反映境界的空间结构,构成场景图(Scene G raph,为了更好地构建场景图,利用原型节点PROT O84邵阳学院学报(自然科学版第1卷 及DFF、USE等方法来实现VRM L场景的模块化、结构化设计,利用VRM L的事件(Event和路由(R oute机制,通过传感器节点及Script节点形成路由图(R oute-G raph,确定境界随时间的推移

13、如何动态变化,从而实现动态场景的构建.VRM L技术适宜构建虚拟实验室中的所谓“硬件”部分,在实验数据处理方面尚有不足.基于JAVA技术JAVA自诞生以来已成为了在INTERNET上普遍使用的编程语言.它面向对象的特性使虚拟实验中对虚拟仪器的重用提供了方便.面向对象的技术将现实的事物按分类方式抽象出来,在需要属于该类的一个对象时只要将该类实例化即可,这个对象封装了它自身的属性和方法.类的继承性使得对事物的分层抽象有了更实际的意义,通过继承父类并扩展子类来满足用户的开发需要.网络虚拟实验室的客户端就是网络浏览器,不需要任何软件的安装和维护工作,网络浏览器即用户界面,它既是信息交换的平台,又是Ja

14、va Applet 运行时的环境.服务器端由网络服务器、数据库服务器、仪器控制服务器及中间件组成,其中,服务器与数据库通信采用JDBC联接,为了使用组件技术,可以运用JNI(Java Native Interface,本地方法技术实现相关的方法.如普渡大学的交互式硬件实验系统、北京大学的3W NV LAB系统等均采用了JAVA技术.利用JAVA技术难以实现3D效果,一般采用JAVA+VRM L混合编程5.基于ActiveX控件技术Activex技术是M icrosoft为适应网络发展的需要而将O LE技术在Internet上的重定义,Activex技术是通过构建Activex控件进行应用的,而

15、Activex控件是基于C OM和DC OM模型的通用组件.可以利用VB、VC+、Delphi、Builder等任何一种支持C OM规范的开发工具来进行Activex控件的开发.Activex技术允许不同软件开发的组件在网上互相进行操作;本地的组件可以和网络上的组件进行通信;代码复用性,即在开发过程中,一个实验仪器可以在多个实验环境中重复使用,便于持续开发.虚拟实验室实际上就是依据一定数学模型关系而建立的专业性Activex控件,能够完成特定的任务.这种技术可使一个大的工程项目划分为小块组件进行开发,而后将每个组件集成就可以组成最终的项目.但客户端在第一次运行时需要在注册表中进行注册,给用户造

16、成一定不便,另外Activex占用的空间大,易造成客户端软件垃圾增多.基于Flash技术Flash作为一种矢量多媒体技术是为创作网络交互式动画所开发的,由于其采用了矢量图形技术,因此图形可以任意缩放,另外它所生成的动画体积很小,可直接在网络上运行.其Flash5.0和Flash MX版本中的脚本语言(Actionscript功能大大增强,通过编程可开发出具有一定功能的交互式网络动画.Actionscript是一种面向对象的脚本语言,当特定的事件发生时动作控制着对象,这种特性使得它适合交互式虚拟实验室的建立.强劲的新HT M L和X M L性能及一个附带类似Javascript 的手工引擎给用户

17、带来满意和挑战.Flash5.0中的工作组功能极为强大,它包含一套新的工作流程最优化特点,可自动更新Flash网站的数据驱动,从而大大节约了开发者的时间.它的交互性不如VRM L,数据处理能力不如JAVA.我们认为它比较适合做演示性的虚拟实验,开发周期短.基于QuickT ime VR技术QuickT ime的苹果公司的一个重要产品,在Quick2 T ime3.0之后就开始支持QuickT ime VR.这是一种实景建模的虚拟现实技术,和传统的虚拟现实技术的不同之处在于其实现平台只需PC机,而不需要图形工作站或者数据手套等高额昂贵的硬件设备支持.和传统影视媒体相比,传统影视媒体只能按照录制的

18、顺序播放,参与者不可改变其播放顺序缺乏交互性;而QT VR技术使参与者可以自己控制体验的进程和顺序,可以挑选自己感兴趣的环节而略过其他部分.和传统虚拟现实技术相比,QT VR不需要特殊的硬件和附属设备,在普通的PC机或M acintosh机上即可实现虚拟现实的效果. QT VR可以应用照片、录象或数字图象来创建虚拟环境,这就不同于静止的C AD或G IS制作,使它较之传统的虚拟现实技术有着更高的真实感、更丰富的图象和更鲜明的细节特征.和多媒体软件相比,多媒体在感知领域的应用不及VR广泛,且多媒体技术所操纵的对象都是二维的,QT VR技术拥有比多媒体技术更强的真实感.6结束语网络虚拟实验室不只是解决远程教育中实验的一种方法,更是除理论与实验外的第三种科学研究与工程设计方法,随着网络技术、虚拟现实技术、多媒体技术.虚拟仪器技术等的发展,虚拟实验室的研究会越来越受到人们的重视和关注.参考文献:1李仁发等.虚拟实验室网络体系结构研究J.系统仿真学报,2002,14(3.2周毅等.基于虚拟仪器的网络虚拟实验室构建J.今日电子