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1虛擬實驗的設(shè)計

1．1虛擬實驗室的實現(xiàn)模式

虛擬實驗室的建立，使得處于不同位置的學(xué)習(xí)者可以同時對一個實驗項目進行實驗工作．Web為虛擬實驗室的實現(xiàn)提供了一種基礎(chǔ)平臺，基于WEB的B／S構(gòu)建模式是實現(xiàn)虛擬實驗室的一種基本模式．

完善的虛擬實驗室包含下面幾個重要的組成部分：第一，能處理大量模擬操作數(shù)據(jù)的服務(wù)器(女口超級計算機中心高性能的計算機系統(tǒng))；第二，用于存儲模擬數(shù)據(jù)初始條件和邊界條件以及實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；第三，連接于網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)實驗儀器及合作工具等；第四，實驗處理軟件，每一個虛擬實驗系統(tǒng)都是基于專業(yè)的仿真軟件系統(tǒng)的，它們用于數(shù)據(jù)處理、分析、存儲并使這幾個過程可視化．這幾個部分的緊密結(jié)合就組成了一個虛擬實驗室．

1．2虛擬實驗的體系結(jié)構(gòu)

虛擬實驗根據(jù)參與感知交互方式的不同，主要分為三類：桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、座艙式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)后兩類虛擬實驗系統(tǒng)需要昂貴的設(shè)備，創(chuàng)建一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的花費是相當(dāng)巨大的，無論是從軟件還是從硬件，普通的用戶都無法承擔(dān)．因此在目前階段還不可能大規(guī)模應(yīng)用，其僅僅運用在軍事和航空航天等方面囝I(lǐng)本文研究的虛擬實驗系統(tǒng)屬于第一類，即桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)．和用軟件編程方法在輸出設(shè)備(如顯示器)上輸出逼真的具有虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)特征的三維場景．網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺采用的是vrml-Java同步協(xié)調(diào)技術(shù)．總體的設(shè)計思想如下：

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為3層B／S結(jié)構(gòu)，由客戶端、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成．B／S結(jié)構(gòu)簡化了客戶端軟件，只須安裝Web瀏覽器作為客戶端的運行平臺，采用該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的共享虛擬環(huán)境比較穩(wěn)定和健壯，可擴展性較好．系統(tǒng)版本的升級及維護均在web服務(wù)器端進行的，用戶需要訪問時才動態(tài)下載，這就保證了用戶每次使用的都是最新版本．

(2)客戶端與服務(wù)器端的通信采用基于TCP//P協(xié)議的．1avaSocket通信技術(shù)，Java對網(wǎng)絡(luò)通信提供了強有力的支待，其中Java．net包中的InetAddress、URL、Socket等類對TCP／IP協(xié)議提供了良好的支持．

獨立運行的服務(wù)器應(yīng)用程序主線程負責(zé)監(jiān)聽客戶端的連接請求，連接上后生成另外一個線程與客戶端通過‘IEP／IP進行通信．在服務(wù)器上建立一個共享對象的數(shù)據(jù)庫上面有所有變動對象的當(dāng)前信息．當(dāng)一個新用戶連接進來的時候，他的信息將寫入該共享對象數(shù)據(jù)庫中，同時通過該數(shù)據(jù)庫讀取共享對象的信息，并將這些信息在本地機器上的VRML世界中表現(xiàn)出來．

(3)服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫的通信技術(shù)是基于JDBC．

(4)VRML與Java間的通信是基于SAI．

綜上所述，系統(tǒng)采用Web、VRML、SAI、Java、JDBC、SQL等主要開發(fā)技術(shù)．虛擬單元作為實驗的主體，提供不同的設(shè)定參數(shù)，以JavaApplet形式運行，并通過VRML腳本編程接口SAI與Java進行通信翻．

1．3虛擬實驗的功能層次結(jié)構(gòu)

虛擬實驗系統(tǒng)遵循模塊化設(shè)計的原則，采取類ISO協(xié)議的分層技術(shù)，無論是什么課程的虛擬實驗系統(tǒng)，最終的程序遵循以下的層次結(jié)構(gòu)：上層是實驗接口層；中間是Web服務(wù)接口、仿真服務(wù)接口以及中間件等．下層是后臺服務(wù)程序．

(1)用戶實驗接口的主要功能：作為虛擬實驗室客戶端模塊的一部分，主要完成“所見即所得”功能，給用戶提供一個良好的界面(實驗環(huán)境)．同時引導(dǎo)用戶了解、熟悉、掌握虛擬實驗軟件的基本使用方法；收集用戶設(shè)置的實驗參數(shù)和數(shù)據(jù)；檢查用戶的實驗環(huán)境是否配置正確．提供與web服務(wù)接口的相關(guān)函數(shù)．另外，還要完成實驗結(jié)果的采集、處理、優(yōu)化和顯示，可以包括各種數(shù)據(jù)的圖形化、圖表、動畫顯示及打印輸出．具備簡單的智能分析功能，給用戶提供方便的處理接口．

(2)WEB服務(wù)接口的主要功能：負責(zé)管理虛擬實驗系統(tǒng)的一般Web服務(wù)請求，負責(zé)接受虛擬實驗原始數(shù)據(jù)，向客戶端發(fā)送虛擬實驗結(jié)果．負責(zé)通知消息的，統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，調(diào)整用戶權(quán)限等．

(3)服務(wù)接口的主要功能：負責(zé)調(diào)度后臺虛擬服務(wù)程序，接收上層接口傳遞的實驗數(shù)據(jù)，記錄用戶的實驗過程．

(4)a0間件模塊的主要功能：為仿真后臺程序和仿真服務(wù)接口模塊提供通用的接口，向下負責(zé)發(fā)送調(diào)度指令和接收結(jié)果，向上負責(zé)接收調(diào)度指令和發(fā)送結(jié)果．

(5)服務(wù)程序的主要功能：第三方服務(wù)程序，提供相應(yīng)的服務(wù)．[

2虛擬實驗的實現(xiàn)

2．1虛擬實驗的運行環(huán)境

本系統(tǒng)的服務(wù)器試驗運行環(huán)境為：WindowsNT、MSIIS、JDK1．2．2、CoronaSAI包，客戶端的試驗環(huán)境為：WindowsNT、IE6．0、CoronaVRMLClient．在服務(wù)器端用IIS建立wWw站點，設(shè)置套接字端口號和VRML文件中一致，并運行服務(wù)器程序．客戶端瀏覽器裝載VRML插件，登陸服務(wù)器Html文件，連接成功后可進行相應(yīng)的操作．

2．2虛擬實驗的模塊實現(xiàn)

系統(tǒng)在服務(wù)器端和IIS建立irW站點，服務(wù)器端與客戶端設(shè)置套接字端口號，并在VRML文件中也設(shè)置一致的端口號，運行服務(wù)器程序．客戶機端瀏覽器裝載VRML插件，登錄服務(wù)器Html文件，經(jīng)過身份驗證后進行在線虛擬實驗系統(tǒng)．用戶可以使用鼠標(biāo)或者鍵盤在場景中漫游，進行交互．

主要模塊描述如下：

（1)用戶的驗證登錄

實驗者首先通過輸入相應(yīng)的用戶名及密碼，經(jīng)過身份識別后才能進入相應(yīng)的頁面進行下一步的操作．如驗證通過。用戶就可以根據(jù)虛擬實驗環(huán)境提供的一些準備資料進行實驗準備，比如熟悉實驗設(shè)備器材、了解實驗?zāi)康?、學(xué)習(xí)實驗原理等，然后實驗者就可以進行實驗了．

當(dāng)用戶登錄系統(tǒng)時，首先在客戶端，根據(jù)服務(wù)器名和端口連接服務(wù)器，并啟動一個客戶端線程：

thread=newClientThread(this，hotname，port，UselTh~lrle，avatarURL)；thread．star@

同時服務(wù)器端會根據(jù)客戶端的連接請求創(chuàng)建一個線程Vuser來負責(zé)交互，并把該線程加入到服務(wù)器端的線程列表中，同時通過user．sendALLFields((VU~r)user)把用戶添加到所有用戶的場景中去．如下：

sCene．setViewpointPosition((VSFVec3Ovalue)；

scene．setViewpointOrientation((VSFRotation)value)；

(2)虛擬實驗教室漫游

在虛擬環(huán)境的漫游中，建立了一個虛擬實驗教室環(huán)境，體現(xiàn)了虛擬實驗環(huán)境的真實感．虛擬實驗環(huán)境的交互控制，主要是改變用戶視點的位置或視線方向，從而實現(xiàn)在三維場景中的漫游．用戶可以通過左側(cè)及下側(cè)的控制按鈕來對這個虛擬實驗教室進行全方位觀察，三維場景根據(jù)用戶的交互控制命令連續(xù)不斷地改變視點位置或視線方向并渲染場景．另外，用戶也可以通過輸入設(shè)備f如鼠標(biāo)、鍵盤)完成多個視點的切換和視角的變換．VRML虛擬場景中的視點是一個在所瀏覽的立體空間中預(yù)先定義的觀察位置和空間朝向，使用視點控制，可以實現(xiàn)虛擬場景的自動漫游功能．對于場景的漫游，涉及到用戶視角的移動與變換，會觸發(fā)callback0，該函數(shù)執(zhí)行時會把當(dāng)前用戶視角的位置和方向參數(shù)送給服務(wù)器：