分布式三維虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計

莫　陽　申衛(wèi)國　翟淑軍

摘 要:本文首先介紹了三維虛擬校園及其發(fā)展現(xiàn)狀和分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種以用戶為中心,可以實現(xiàn)在三維虛擬場景里進行生活、學習的令人身臨其境的分布式三維虛擬校園環(huán)境。

關(guān)鍵詞:三維 虛擬校園 分布式

中圖分類號:TP311.1 文獻標識碼:B 文章編號:1673-8454(2009)17-0034-03

三維虛擬校園可以將學校的各種場景、細節(jié)和體驗完全復(fù)制到互聯(lián)網(wǎng)上,讓學生和教師不受時間和空間的限制,僅需通過電腦和網(wǎng)絡(luò),就能夠身臨其境地感受優(yōu)美的校園風光、良好的教學環(huán)境和優(yōu)秀的教學資源。

一、三維虛擬校園及其發(fā)展現(xiàn)狀

1.三維虛擬校園

三維虛擬校園基于因特網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感(RS)、空間定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)等。該技術(shù)的應(yīng)用對現(xiàn)實校園三維景觀和教學環(huán)境的數(shù)字化和虛擬化有很多輔助作用。

2.虛擬校園的發(fā)展現(xiàn)狀

早在1996年,天津大學在SGI公司的硬件平臺上,基于VRML國際標準,最早開發(fā)了虛擬校園。隨著寬帶技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用,國內(nèi)其他高校也開始逐步推廣、使用虛擬校園模式。然而這些虛擬校園大多都是以實現(xiàn)瀏覽功能為主,不能讓用戶體驗在三維虛擬校園里面的學習生活氛圍?，F(xiàn)在,人們不再滿足于只是對校園環(huán)境的瀏覽,而是期待一種以用戶為中心,可以實現(xiàn)在虛擬場景里進行生活、學習、工作的三維虛擬校園環(huán)境。

二、分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)簡稱DVR,是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一種類型。它是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境,在這個環(huán)境中,位于不同物理環(huán)境位置的多個用戶或多個虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接,或者多個用戶同時參加一個虛擬現(xiàn)實環(huán)境,通過計算機與其他用戶進行交互,并共享信息。在分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中,多個用戶可通過網(wǎng)絡(luò)對同一虛擬世界進行觀察和操作,以達到協(xié)同工作的目的。

三、分布式三維虛擬校園系統(tǒng)的整體構(gòu)想

分布式三維虛擬校園系統(tǒng)是利用分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù),構(gòu)建的基于網(wǎng)絡(luò)的三維虛擬校園環(huán)境。本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從總體上講,系統(tǒng)主要由以下三個部分組成:三維虛擬人物、三維虛擬校園場景和學習資源。

1.三維虛擬人物

用戶通過注冊之后可以登錄到三維虛擬校園系統(tǒng)中,登錄后可以根據(jù)自己的愛好設(shè)計三維化身,設(shè)置自己的基本資料,在虛擬校園中進行學習、工作和交流。按照不同的權(quán)限,系統(tǒng)中的用戶可以分為三種:系統(tǒng)管理員用戶、助管用戶、普通用戶。具體來說各類用戶的權(quán)限主要表現(xiàn)在:

(1)系統(tǒng)管理員用戶

系統(tǒng)管理員是整個系統(tǒng)中權(quán)限最高的用戶,負責管理整個系統(tǒng),系統(tǒng)管理員可以對系統(tǒng)的用戶進行管理,包括處理用戶的注冊申請、分配用戶權(quán)限、添加刪除用戶等;另外系統(tǒng)管理員可以對系統(tǒng)中的教學樓、實驗室、辦公場所、休閑娛樂場所等虛擬校園內(nèi)的硬件設(shè)施進行管理,以及對系統(tǒng)中的資源進行管理。

(2)助管用戶

助管用戶是由系統(tǒng)管理員指定,分配一定的權(quán)限之后,協(xié)助管理員進行管理的用戶。助管用戶可以在自己的職權(quán)范圍之內(nèi)對三維數(shù)字校園內(nèi)的虛擬建筑物、資源及特定的用戶進行管理。助管用戶具體來說包括虛擬教室管理員、虛擬實驗室管理員、虛擬圖書館管理員、虛擬教師用戶、虛擬學習社區(qū)管理員、虛擬購物場所管理員。

(3)普通用戶

普通用戶是整個系統(tǒng)中權(quán)限最小的角色,在三維虛擬校園系統(tǒng),普通用戶登錄后可以在三維場景里漫游,在虛擬教室上課,在虛擬實驗室做實驗,還可以與其他用戶進行交流,進行一些休閑娛樂活動。

2.三維虛擬校園場景

系統(tǒng)中的虛擬校園場景是根據(jù)學校的地形地貌,利用三維建模技術(shù),將實際生活中的學校環(huán)境重現(xiàn)在計算機上,為用戶提供一個三維顯示的具有真實情境感的學習環(huán)境,通過在虛擬環(huán)境中集成各種媒體,可以讓用戶獲得視覺、聽覺等多方面的感知,同時用戶可以與虛擬環(huán)境和虛擬環(huán)境中的虛擬人物進行交互,讓用戶能夠體驗到一種主體存在感和沉浸感。

系統(tǒng)中的三維虛擬場景主要包括以下幾個部分:虛擬教室、虛擬實驗室、虛擬圖書館、虛擬生活休閑場景。

用戶瀏覽校園時通過點擊查看建筑物屬性,可以查詢此時此棟教學樓有哪些教室在上課,虛擬教師在特定的虛擬教室中組織教學。學習者進入教室后,可以自己選擇座位坐下,開始聽課,學習者在聽課的同時可以看到教室中的虛擬教師和其他學習者,并可以與他們進行交流。

虛擬教師如果要教授實驗部分的知識或者學習者要在虛擬環(huán)境中做實驗,可以選擇去虛擬實驗室。虛擬實驗室中有必要的實驗設(shè)施,可以讓用戶對實驗設(shè)施進行操作。

虛擬圖書館是運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字技術(shù)將文獻信息資源以及各種數(shù)字資源整合,通過網(wǎng)絡(luò)提供遠程服務(wù),使處在不同地理位置的用戶可以方便地利用這里的數(shù)字化信息資源。虛擬圖書館中按照各種不同專業(yè)類別將電子圖書分類放在不同的書架上,用戶進入虛擬圖書館后可以在虛擬圖書館內(nèi)行走,并可以根據(jù)自己的需求選擇圖書。

虛擬生活休閑場景就是指除了虛擬教室、虛擬實驗室和虛擬圖書館以外的一些學校校園場景,包括一些購物場所、健身場所、行事辦公場所,以及學校的花草樹木等。

3.虛擬學習資源

為了更好地促進學習者的學習,三維虛擬校園中必須提供充足的學習資源供學習者使用,系統(tǒng)不僅提供學習者學習過程中需要的學習資源,圖書館的圖書資源,還提供一些可以供用戶隨時下載的資源。這些資源不僅是文本性質(zhì)的,還包括一些聲音、圖片、圖像等,給用戶提供全方位、多感知的學習資源。

四、分布式三維虛擬校園系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu),基于VRML-Java的分布式多用戶虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),實現(xiàn)了多個用戶共享一個三維虛擬校園環(huán)境,實現(xiàn)人機交互。服務(wù)器端的場景管理器負責整個系統(tǒng)的用戶登錄/注銷管理、場景更新、多用戶連接時的線程管理,并負責接受各個用戶的場景更新數(shù)據(jù)包;客戶端采用裝有可顯示VRML場景的Applet插件的瀏覽器來充當,負責本地的場景繪制渲染,通過鍵盤、鼠標等實現(xiàn)用戶與虛擬場景之間的交互,接受服務(wù)器發(fā)送的場景更新數(shù)據(jù),并維持同服務(wù)器之間的Socket連接。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.客戶端

客戶端環(huán)境是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的用戶在虛擬環(huán)境中協(xié)同工作的場所。本系統(tǒng)采用3D MAX等建模軟件對校園模型進行建模,然后轉(zhuǎn)換成.wrl文件,再利用VRML腳本語言給模型添加一些交互行為,但是VRML只能實現(xiàn)有限的交互性,而且這些交互都是一些單一的、缺乏內(nèi)在的邏輯控制的交互行為。

Java語言不僅具有跨平臺性,而且語言還具有強大的邏輯控制功能,同時Java Applet可以調(diào)用VRML規(guī)范所提供的EAI接口來對VRML場景進行控制,Java Applet還可以通過VRML嵌入到網(wǎng)頁中。所以系統(tǒng)中客戶端為裝有插件的瀏覽器,客戶端程序以Applet的方式運行在瀏覽器中,用于創(chuàng)建與服務(wù)器之間的Socket連接,接收服務(wù)器的廣播報文進行解析,從而實現(xiàn)客戶虛擬場景的更新,可以通過鍵盤、鼠標等控制用戶虛擬化身在三維虛擬校園場景中的位置、方向和視角,實現(xiàn)用戶與場景的交互。

2.服務(wù)器端

服務(wù)器端主要由三部分組成:Web服務(wù)器、場景及用戶數(shù)據(jù)庫、場景管理器。Web服務(wù)器負責提供基于WWW的Internet服務(wù),將系統(tǒng)站點發(fā)布出去供客戶端訪問,用戶可以通過客戶端瀏覽器登錄,進入三維虛擬校園系統(tǒng);場景及用戶數(shù)據(jù)庫用來管理系統(tǒng)的三維虛擬場景和用戶的基本信息,其中保存了系統(tǒng)可調(diào)用的三維虛擬場景信息、進入場景中漫游的用戶名稱、用戶密碼,以及用戶在虛擬場景中的虛擬化身等信息;場景管理器是服務(wù)器端的主要部分,它連接了Web服務(wù)器和場景及用戶數(shù)據(jù)庫,主要用于維護用戶的登錄/注銷,管理不同用戶與服務(wù)器之間的連接,從用戶端接收數(shù)據(jù)報文,這些報文主要分為狀態(tài)更新、加入/退出請求等幾類,在解析這些報文以后,服務(wù)器再將這些信息以廣播的方式發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)上的每一臺客戶機,用以更新客戶機的虛擬場景,從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上客戶與虛擬場景以及客戶與客戶之間的動態(tài)交互。

3.數(shù)據(jù)庫連接

用戶登錄后與系統(tǒng)的交互不僅僅是靠客戶端基于VRML場景本身所提供的數(shù)據(jù)信息進行交互,更多的是與系統(tǒng)中的其他用戶的協(xié)作交互,而這些信息不能完全存儲在客戶端,這就需要數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供相應(yīng)的支持。數(shù)據(jù)庫中不光要存儲用戶的數(shù)據(jù)信息,學習資源的信息,最主要的還是要存儲分布式系統(tǒng)中登錄的不同客戶端在場景中改變的數(shù)據(jù),而且這些改變的數(shù)據(jù)還可以被不同客戶端讀取。由于VRML沒有直接定義訪問數(shù)據(jù)庫的語句,因此VRML場景與數(shù)據(jù)庫的連接一般是通過VRML規(guī)范所提供的EAI接口發(fā)送給Java Applet,由Java Applet實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問,最后將結(jié)果通過EAI接口返回給VRML客戶端場景,從而實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的相互操作。

4.系統(tǒng)的時鐘同步

分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中一個關(guān)鍵的技術(shù)就是時鐘同步技術(shù),由于不同的計算機有自己的物理時鐘,兩臺計算機的時鐘不可能實現(xiàn)完全的同步。這是由于計算機的時間是由其固定的晶體振蕩頻率所決定的。雖然兩個時鐘之間的振蕩周期的偏差可能相對很小,但是經(jīng)過多次的累加之后會在時鐘計數(shù)器中形成可以觀察到的差異。因此,當系統(tǒng)長期運行時,這種差異就有可能影響到系統(tǒng)的實時性。為了消除這種實時性問題,可以利用統(tǒng)一的外部時間源來同步進程的時鐘,也就是外部同步。當外部同步滿足一定的精度,就能夠通過本地時鐘度量發(fā)生在不同計算機上的兩個事件的間隔,達到內(nèi)部同步。因此可以使用一個事件同步服務(wù)器,連接到一個接受UTC(Universal Time Coordinated,通用協(xié)調(diào)時)信號的設(shè)備上,用于實現(xiàn)系統(tǒng)外部同步。

五、結(jié)束語

利用分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的三維分布式虛擬校園系統(tǒng)使得位于不同物理環(huán)境位置的多個用戶

可以通過網(wǎng)絡(luò)對三維虛擬校園進行觀察和操作,與其他用戶進行交互,共享信息。用戶不僅可以瀏覽到校園的風景,更可以感受到校園的文化氛圍,可以更有效地促進學習者的學習。

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