VRML技術虛擬實驗范文

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1虛擬實驗的設計

1．1虛擬實驗室的實現模式

虛擬實驗室的建立，使得處于不同位置的學習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提供了一種基礎平臺，基于WEB的B／S構建模式是實現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據的服務器(女口超級計算機中心高性能的計算機系統)；第二，用于存儲模擬數據初始條件和邊界條件以及實驗結果數據的數據庫系統；第三，連接于網絡的科學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都是基于專業的仿真軟件系統的，它們用于數據處理、分析、存儲并使這幾個過程可視化．這幾個部分的緊密結合就組成了一個虛擬實驗室．

1．2虛擬實驗的體系結構

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

(1)系統結構為3層B／S結構，由客戶端、網絡服務器和數據庫服務器組成．B／S結構簡化了客戶端軟件，只須安裝Web瀏覽器作為客戶端的運行平臺，采用該結構實現的共享虛擬環境比較穩定和健壯，可擴展性較好．系統版本的升級及維護均在web服務器端進行的，用戶需要訪問時才動態下載，這就保證了用戶每次使用的都是最新版本．

(2)客戶端與服務器端的通信采用基于TCP//P協議的．1avaSocket通信技術，Java對網絡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協議提供了良好的支持．

獨立運行的服務器應用程序主線程負責監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．在服務器上建立一個共享對象的數據庫上面有所有變動對象的當前信息．當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據庫中，同時通過該數據庫讀取共享對象的信息，并將這些信息在本地機器上的VRML世界中表現出來．

(3)服務器與數據庫的通信技術是基于JDBC．

(4)VRML與Java間的通信是基于SAI．

綜上所述，系統采用Web、VRML、SAI、Java、JDBC、SQL等主要開發技術．虛擬單元作為實驗的主體，提供不同的設定參數，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構

虛擬實驗系統遵循模塊化設計的原則，采取類ISO協議的分層技術，無論是什么課程的虛擬實驗系統，最終的程序遵循以下的層次結構：上層是實驗接口層；中間是Web服務接口、仿真服務接口以及中間件等．下層是后臺服務程序．

(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(實驗環境)．同時引導用戶了解、熟悉、掌握虛擬實驗軟件的基本使用方法；收集用戶設置的實驗參數和數據；檢查用戶的實驗環境是否配置正確．提供與web服務接口的相關函數．另外，還要完成實驗結果的采集、處理、優化和顯示，可以包括各種數據的圖形化、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服務接口的主要功能：負責管理虛擬實驗系統的一般Web服務請求，負責接受虛擬實驗原始數據，向客戶端發送虛擬實驗結果．負責通知消息的，統計網絡狀態信息，調整用戶權限等．

(3)服務接口的主要功能：負責調度后臺虛擬服務程序，接收上層接口傳遞的實驗數據，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接口模塊提供通用的接口，向下負責發送調度指令和接收結果，向上負責接收調度指令和發送結果．

(5)服務程序的主要功能：第三方服務程序，提供相應的服務．[

2虛擬實驗的實現

2．1虛擬實驗的運行環境

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

2．2虛擬實驗的模塊實現

系統在服務器端和IIS建立irW站點，服務器端與客戶端設置套接字端口號，并在VRML文件中也設置一致的端口號，運行服務器程序．客戶機端瀏覽器裝載VRML插件，登錄服務器Html文件，經過身份驗證后進行在線虛擬實驗系統．用戶可以使用鼠標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的用戶名及密碼，經過身份識別后才能進入相應的頁面進行下一步的操作．如驗證通過。用戶就可以根據虛擬實驗環境提供的一些準備資料進行實驗準備，比如熟悉實驗設備器材、了解實驗目的、學習實驗原理等，然后實驗者就可以進行實驗了．

當用戶登錄系統時，首先在客戶端，根據服務器名和端口連接服務器，并啟動一個客戶端線程：

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

同時服務器端會根據客戶端的連接請求創建一個線程Vuser來負責交互，并把該線程加入到服務器端的線程列表中，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

在虛擬環境的漫游中，建立了一個虛擬實驗教室環境，體現了虛擬實驗環境的真實感．虛擬實驗環境的交互控制，主要是改變用戶視點的位置或視線方向，從而實現在三維場景中的漫游．用戶可以通過左側及下側的控制按鈕來對這個虛擬實驗教室進行全方位觀察，三維場景根據用戶的交互控制命令連續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備f如鼠標、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先定義的觀察位置和空間朝向，使用視點控制，可以實現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callback0，該函數執行時會把當前用戶視角的位置和方向參數送給服務器：