基于EON實(shí)現(xiàn)的校園局域網(wǎng)虛擬體驗(yàn)系統(tǒng)

徐昌彪，盧 山，劉雪亮

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的問世，為人機(jī)交互等開辟了廣闊的天地，同時(shí)也帶來了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。在虛擬世界中，人與虛擬世界可進(jìn)行自然的交互，能實(shí)時(shí)產(chǎn)生與真實(shí)世界相同的感覺[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在許多學(xué)科都取得了前所未有的研究成果，推進(jìn)了軍事、醫(yī)學(xué)、航空、協(xié)同設(shè)計(jì)等研究領(lǐng)域的發(fā)展，如軍事仿真、虛擬手術(shù)、大型體育場(chǎng)館協(xié)同設(shè)計(jì)等[2]。由于虛擬網(wǎng)絡(luò)提供了通信網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信流程最直觀的表現(xiàn)形式，方便實(shí)驗(yàn)者對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全局了解，從而可促進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)，從而讓人們對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)有更深的了解。文獻(xiàn)[3-4]講述了如何對(duì)復(fù)雜的三維場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建以及場(chǎng)景優(yōu)化，文獻(xiàn)[5]開發(fā)了一個(gè)虛擬校園系統(tǒng)原型，用戶可在其中進(jìn)行三維空間漫游探索、點(diǎn)坐標(biāo)量測(cè)和地物屬性的查詢等操作。筆者開發(fā)的通信網(wǎng)絡(luò)虛擬體驗(yàn)系統(tǒng)，不僅創(chuàng)建了虛擬校園這樣的三維立體場(chǎng)景，并且把通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)、系統(tǒng)功能以及數(shù)據(jù)包發(fā)送的流程通過三維立體虛擬交互式場(chǎng)景展現(xiàn)出來。

1 系統(tǒng)描述

通信網(wǎng)絡(luò)虛擬體驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)集通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)原理、硬件設(shè)備三維一體的虛擬體驗(yàn)系統(tǒng)，可為不同用戶提供不同層次的體驗(yàn)服務(wù)。可提供網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)原理、硬件設(shè)備等完備體驗(yàn)，也可根據(jù)用戶需要分層次、有側(cè)重地提供某一方面或幾方面的相對(duì)獨(dú)立的體驗(yàn)。虛擬體驗(yàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，從不同層面體現(xiàn)不同類型的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。

該系統(tǒng)應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層以TCP/IP協(xié)議棧為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)鏈路層與物理層根據(jù)不同的物理網(wǎng)絡(luò)而考慮，如以太網(wǎng)主要考慮以IEEE802.3協(xié)議方式工作。各層主要體現(xiàn)為上層提供服務(wù)以及為實(shí)現(xiàn)對(duì)等層通信而規(guī)定的相關(guān)協(xié)議。表現(xiàn)對(duì)等層之間的通信，亦包括相鄰層之間的數(shù)據(jù)交互，體現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送流程。通過鼠標(biāo)的拖拽和點(diǎn)擊操作，用戶完成實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)過程，使通信過程中微觀的數(shù)據(jù)傳輸過程能客觀地展現(xiàn)，體驗(yàn)者可更直觀地從局域網(wǎng)中理解和學(xué)習(xí)通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)以及傳輸原理，以重慶郵電大學(xué)為例，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)用戶需求，在跟蹤數(shù)據(jù)傳輸過程中，設(shè)定不同程度的演示效果。登陸系統(tǒng)設(shè)置成初級(jí)、中級(jí)或高級(jí)用戶，以適合不同的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)者進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)。通過設(shè)計(jì)不同的模塊，不同用戶調(diào)用不同的模塊。該系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)包傳輸過程，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤顯示。從源端到終端的過程顯示出來，表現(xiàn)動(dòng)態(tài)性和交互性。

為了讓體驗(yàn)者更好地學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程，促進(jìn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在研究3ds Max，EON Studio的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)虛擬的校園局域網(wǎng)，人們可在其中進(jìn)行漫游，以虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性真實(shí)地體驗(yàn)學(xué)習(xí)通信網(wǎng)絡(luò)并對(duì)構(gòu)建的三維立體虛擬場(chǎng)景進(jìn)行交互操作。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中箭頭表示各功能模塊之間的數(shù)據(jù)流方向。其中，局域網(wǎng)通信虛擬體驗(yàn)系統(tǒng)是核心模塊，其他模塊都是在其基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

2.1 創(chuàng)建虛擬校園的三維場(chǎng)景

虛擬校園三維場(chǎng)景是通信網(wǎng)絡(luò)虛擬體驗(yàn)系統(tǒng)中局域網(wǎng)的基礎(chǔ)，通過虛擬校園這一載體展現(xiàn)概念中的通信網(wǎng)絡(luò)，使用3ds Max對(duì)虛擬校園進(jìn)行建模，實(shí)驗(yàn)者不僅可在創(chuàng)建好的虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行交互式的漫游，還可切身體驗(yàn)到通信的流程，比如數(shù)據(jù)包從一終端（PDA/主機(jī)）經(jīng)過TCP/IP的各層協(xié)議、路徑最終發(fā)送到另一終端（PDA/主機(jī)）或兩臺(tái)主機(jī)間的發(fā)送流程，可讓實(shí)驗(yàn)者清晰明了地掌握其通信過程。系統(tǒng)功能模塊創(chuàng)建流程如圖3所示。

在創(chuàng)建場(chǎng)景時(shí)，考慮到系統(tǒng)渲染的速度，對(duì)于校園中的典型和主要建筑物，采用3ds Max（8.0）建模，盡可能地減少鋸齒邊，增加場(chǎng)景真實(shí)感。并且，EON Studio的抗鋸齒功能讓實(shí)驗(yàn)者更好地體驗(yàn)三維虛擬場(chǎng)景的沉浸性。

采用3ds Max中的紋理映射技術(shù)、實(shí)例化技術(shù)以及放樣和布爾運(yùn)算等功能創(chuàng)建復(fù)雜的三維立體圖像。在創(chuàng)建實(shí)例后，采用成組以及凍結(jié)，有利于其他實(shí)例的導(dǎo)入，也可導(dǎo)入其他格式3D圖形文件，如Maya創(chuàng)建的實(shí)例場(chǎng)景，以彌補(bǔ)3ds Max在建模方面的不足。

2.2 虛擬場(chǎng)景動(dòng)態(tài)交互設(shè)置

該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)教學(xué)樓、辦公樓、圖書館、實(shí)驗(yàn)樓等主要建筑物采用創(chuàng)建簡(jiǎn)單的3ds Max物體模型，通過貼圖烘焙方式導(dǎo)入格式文件創(chuàng)建，以有效減少.max文件在EON Studio的面數(shù)，這樣整個(gè)系統(tǒng)在演示、實(shí)驗(yàn)的過程中可以達(dá)到很高的幀率，可大大降低鋸齒數(shù)，并提高虛擬場(chǎng)景的真實(shí)度和沉浸性。

使用3ds Max的插件EON Raptor將建立好的3D模型、模型材質(zhì)貼圖、模型動(dòng)畫等導(dǎo)入EON Studio中進(jìn)行二次開發(fā)。在導(dǎo)入并載入.max文件后，通過對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的場(chǎng)景實(shí)例的設(shè)置，設(shè)置各個(gè)對(duì)象屬于自身以及相互間的觸發(fā)（如鍵盤的按鍵操作，鼠標(biāo)的點(diǎn)擊操作以及定時(shí)觸發(fā)器），針對(duì)一個(gè)或多個(gè)不同的激勵(lì)做出相應(yīng)的反應(yīng)（物體的顏色、光線）包括點(diǎn)擊式（左鍵）觸發(fā)以及鍵盤按鍵鼠標(biāo)滾輪等平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、拾取等對(duì)局域網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中）中節(jié)點(diǎn)的操作相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景變化，如圖4所示。

在EON中提供了一百多個(gè)不同功能的節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)很多不同的功能。常用的節(jié)點(diǎn)有Walk、KeybordSensor、ClickSensor、MouseSensor節(jié)點(diǎn)、貼圖節(jié)點(diǎn)、材質(zhì)節(jié)點(diǎn)、全景節(jié)點(diǎn)、視角節(jié)點(diǎn)等。其中Walk節(jié)點(diǎn)用來控制攝像機(jī)（Camera）的移動(dòng)，KeybordSensor節(jié)點(diǎn)用于接收用戶的鍵盤輸入信號(hào)。ClickSensor和MouseSensor節(jié)點(diǎn)用于接收用戶的鼠標(biāo)輸入信號(hào)。這些節(jié)點(diǎn)主要用來對(duì)場(chǎng)景的對(duì)象做動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)、聲音導(dǎo)入以及視頻導(dǎo)入的設(shè)置。

2.3 模擬樹結(jié)構(gòu)

使用EON Studio中模擬樹結(jié)構(gòu)（Simulation Tree，ST）為場(chǎng)景文件設(shè)置節(jié)點(diǎn)，場(chǎng)景的模擬樹模塊為了便于實(shí)驗(yàn)者的瀏覽和信息查詢，將虛擬場(chǎng)景以樹形結(jié)構(gòu)顯示，場(chǎng)景樹中的節(jié)點(diǎn)與三維場(chǎng)景中的對(duì)象是一一對(duì)應(yīng)的。

元件視窗（Components Window）中選定好的節(jié)點(diǎn)（Nodes）以鼠標(biāo)拖到元件樹狀結(jié)構(gòu)（ST）中，這樣可以非常清楚地知道在虛擬場(chǎng)景中包含哪些節(jié)點(diǎn)，這樣這些節(jié)點(diǎn)彼此之間的從屬關(guān)系就清晰明了。在元件視窗（CW）中編輯各節(jié)點(diǎn)的屬性。通過定義視窗連接兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)，并且從定義視窗中發(fā)現(xiàn)明確節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系以及關(guān)鍵性的觸發(fā)行為，如圖5所示。

圖5中，（1）為元件視窗（Components Window），所有的功能節(jié)點(diǎn)與已設(shè)定功能節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景與物件（Prototupe）在此顯示。（2）為場(chǎng)景的整體樹狀結(jié)構(gòu)圖，將不同的節(jié)點(diǎn)以拖動(dòng)的方式在此區(qū)編輯并進(jìn)行模擬。（3）為對(duì)操控行為定義視窗（Routes Simulation）節(jié)點(diǎn)或場(chǎng)景與物（Prototype）之間所傳達(dá)的視窗進(jìn)行編輯與定義。

通過場(chǎng)景樹交互式地拾取虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象，并對(duì)該對(duì)象觸發(fā)系統(tǒng)提供激勵(lì)，對(duì)其進(jìn)行操作并可查閱相關(guān)信息，這樣完成系統(tǒng)觸發(fā)式的交互過程。如某教學(xué)樓的主機(jī)接入局域網(wǎng)和交換機(jī)、路由器的使用情況，圖書館的相關(guān)信息，可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)樓操作主機(jī)，查看實(shí)驗(yàn)樓的機(jī)構(gòu)分布和設(shè)置情況等，使實(shí)驗(yàn)者在虛擬場(chǎng)景中及時(shí)獲得所需信息，亦可看到通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)以及數(shù)據(jù)包的收發(fā)流程。

2.4 實(shí)驗(yàn)者對(duì)相應(yīng)場(chǎng)景實(shí)體的信息查詢

通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫返回相應(yīng)的數(shù)值信息，系統(tǒng)通過對(duì)模擬樹結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)操作實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)信息的連接。這樣便于信息的查詢和系統(tǒng)的維護(hù)。在場(chǎng)景樹中通過彈出選單的方式進(jìn)行信息查詢，當(dāng)實(shí)驗(yàn)者用鼠標(biāo)點(diǎn)擊場(chǎng)景結(jié)構(gòu)圖中的節(jié)點(diǎn)時(shí)，就會(huì)彈出相應(yīng)的信息查詢方式。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者用鼠標(biāo)單擊場(chǎng)景中的實(shí)例（如實(shí)驗(yàn)室）時(shí)，彈出實(shí)驗(yàn)室相應(yīng)的信息，利用數(shù)據(jù)庫管理場(chǎng)景中的相關(guān)信息和數(shù)據(jù)，比如在左鍵點(diǎn)擊圖書館場(chǎng)景模型后，彈出圖書館主機(jī)數(shù)量、MAC地址、小型局域網(wǎng)參數(shù)等信息對(duì)話框，也可單擊主機(jī)使之開機(jī)，利用EON Studio中提供的模擬樹結(jié)構(gòu)以及模擬樹中的節(jié)點(diǎn)組件實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

筆者在對(duì)EON Studio研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)三維立體的交互式虛擬校園，并且把通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)以及原理融入到虛擬校園中，在創(chuàng)建虛擬校園的基礎(chǔ)上大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的功能，實(shí)驗(yàn)者可在虛擬校園中漫游，完成交互式的操作和信息查詢，在對(duì)虛擬校園體驗(yàn)的同時(shí)，可深入學(xué)習(xí)通信網(wǎng)絡(luò)的原理，通過模擬樹結(jié)構(gòu)清晰地了解校園局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，對(duì)大規(guī)模復(fù)雜場(chǎng)景的模型創(chuàng)建要求會(huì)越來越高。文中基于3ds Max建模軟件和EON開發(fā)平臺(tái)，使用最能體現(xiàn)真實(shí)感、提高實(shí)時(shí)性和交互性的三維建模技術(shù)，取得了良好的現(xiàn)實(shí)結(jié)果。

[1]YAHAYA R A.Assessing the effectiveness of virtual reality technology as part of an authentic learning environment[C]//Proc.ICALT'06.[S.l.]：IEEE Press，2006：1-2.

[2]潘志庚.虛擬現(xiàn)實(shí)及應(yīng)用[J].國際學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，2009（6）：20-31.

[3]屈宏偉，張琦.基于EON Studio的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)信息化，2002，31（6）：37-38.

[4]YUICHI I，MIWA K.VRML animation from multi-view images[C]//Proc.Multimedia and Expo，2002.ICME'02.[S.l.]：IEEE Press，2002：881-884.

[5]龔建華，林琿，譚倩.虛擬香港中文大學(xué)校園的設(shè)計(jì)與初步試驗(yàn)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2002，3l（1）：39-43.