虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)的分析與探討*

高宏遠(yuǎn) 文福安 李建偉

北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)文化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100088

1 前言

“虛擬實(shí)驗(yàn)室”最早由William Wolf于1989年提出，在很短的時(shí)間里，因其廣闊的應(yīng)用前景在各國(guó)均得到大力開(kāi)發(fā)。在我國(guó)，隨著高等教育體制的深入改革及招生規(guī)模的日益擴(kuò)大，教育軟件與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合是未來(lái)發(fā)展方向[1-2]。目前國(guó)內(nèi)外常用的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)主要有Java、ActiveX、VRML、QuickTime VR和Flash，本文主要總結(jié)這5種開(kāi)發(fā)技術(shù)的工作原理、工作條件及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并展望其發(fā)展前景，為虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)技術(shù)的分析與探討

2.1 幾種虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)

1）基于Java的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)。Java是一種可以撰寫(xiě)跨平臺(tái)應(yīng)用軟件的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，它已廣泛應(yīng)用于虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)，如普渡大學(xué)的交互式硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和北京大學(xué)的3WNVLAB系統(tǒng)等。Java技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要包括：①可移植性，它具有代碼、硬件平臺(tái)及操作可移植性；②安全穩(wěn)定性，它的下標(biāo)檢查機(jī)制以及自動(dòng)內(nèi)存管理機(jī)制使其具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和安全性[3]；③面向?qū)ο笮?，便于開(kāi)發(fā)大型、復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)；④交互性，applet與多線程可以提供靈活的顯示與強(qiáng)大交互作用。Java技術(shù)也存在不足：①對(duì)設(shè)計(jì)人員的編程要求較高；②單純應(yīng)用Java設(shè)計(jì)出的實(shí)驗(yàn)缺乏真實(shí)性；③Java 3D創(chuàng)建的三維場(chǎng)景在播放時(shí)會(huì)出現(xiàn)不流暢的現(xiàn)象[4]。

2）基于ActiveX的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)。ActiveX技術(shù)是Microsoft將OLE技術(shù)在Internet上的重定義，是一組應(yīng)用COM/DCOM模型實(shí)現(xiàn)軟件部件在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行交互的技術(shù)集。大連理工大學(xué)的氣相色譜儀系統(tǒng)便是利用ActiveX技術(shù)開(kāi)發(fā)的[5]。ActiveX技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要有：①允許不同軟件開(kāi)發(fā)的組件在網(wǎng)絡(luò)上交互作用；②代碼的復(fù)用性[3]。ActiveX技術(shù)的缺點(diǎn)有：①安全隱患大；②生成的作品靈活性和動(dòng)感不強(qiáng)；③移植性和通用性比較差[6]；④占用空間大，易造成客戶端軟件垃圾增多[7]。

3）基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)。VRML采用文本信息描述三維場(chǎng)景，在本地機(jī)上由VRML的瀏覽器依據(jù)VRML規(guī)范生成三維場(chǎng)景。VRML廣泛應(yīng)用于生活、生產(chǎn)、科研、商務(wù)甚至軍事等各領(lǐng)域。VRML技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要有：①平臺(tái)獨(dú)立性；②可擴(kuò)展性；③低帶寬要求；④靈活高效地創(chuàng)建三維場(chǎng)景；⑤實(shí)時(shí)的圖形渲染；⑥良好的交互能力[5]。它的缺點(diǎn)主要有：①交互能力不強(qiáng)[4]；②本身不能計(jì)算和處理數(shù)據(jù)；③缺少程序邏輯的隨意性和可擴(kuò)充性；④要求高，基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)制作復(fù)雜，成本高，運(yùn)行VRML對(duì)客戶端計(jì)算機(jī)的性能要求高[9]。

4）基于QuickTime VR（QTVR）的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)。QTVR是美國(guó)蘋(píng)果公司開(kāi)發(fā)的基于靜態(tài)圖像的、在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的初級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。QTVR系統(tǒng)軟件包括創(chuàng)作軟件與播放軟件，創(chuàng)作軟件是將離散的圖像拼合成全景圖像，再將全景圖像制作成QTVR格式的文件。QTVR的優(yōu)勢(shì)包括：①設(shè)備要求低；②真實(shí)感強(qiáng)[3]；③可創(chuàng)建三維空間；④交互性；⑤開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單[5]。

5）基于Flash的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)。Flash是由美國(guó)Macromedia公司創(chuàng)建的基于矢量圖形的交互式多媒體創(chuàng)作軟件，在虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)中主要應(yīng)用于模擬復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。Flash的優(yōu)勢(shì)主要包括：①動(dòng)畫(huà)編輯功能強(qiáng)大；②交互作用強(qiáng)；③易學(xué)易用[8]，適用于要求不是很高的虛擬實(shí)驗(yàn)[6]。但是單純使用Flash設(shè)計(jì)出的實(shí)驗(yàn)缺乏真實(shí)性，F(xiàn)lash的交互性不如VRML，數(shù)據(jù)處理能力不如Java，適用于演示性的虛擬實(shí)驗(yàn)[5]。

2.2 五種技術(shù)的分析與探討

1）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景角度分析。從實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景角度分析，QTVR采用實(shí)景建模。Flash軟件通過(guò)Flash3D引擎可實(shí)現(xiàn)三維效果，適用于要求不高的虛擬實(shí)驗(yàn)。VRML技術(shù)雖然三維效果比較好，但開(kāi)發(fā)難度高，對(duì)三維虛擬環(huán)境的建模非常復(fù)雜，經(jīng)常與3DMAX結(jié)合應(yīng)用[7]。

2）人機(jī)交互能力分析。Java通過(guò)applet與多線程可以提供靈活的顯示與強(qiáng)大交互作用。VRML利用軟件設(shè)置一個(gè)傳感器附 在一個(gè)造型上來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)觀察者的移動(dòng)、點(diǎn)擊和拖動(dòng)，但它直接接收實(shí)驗(yàn)者輸入的實(shí)驗(yàn)參數(shù)的能力很弱。QTVR技術(shù)使參與者可以自己控制體驗(yàn)的進(jìn)程和順序，可以只挑選自己感興趣的部分。Flash具有強(qiáng)大的交互能力，在Flash MX版本中的腳本語(yǔ)言（Action Script）功能強(qiáng)大，通過(guò)它可開(kāi)發(fā)出很強(qiáng)功能的交互式網(wǎng)絡(luò)動(dòng)畫(huà)。

3）網(wǎng)絡(luò)適用性分析。Flash適用于所有系統(tǒng)，包括Linux、Unix的各種變種，具有完全的平臺(tái)無(wú)關(guān)性。ActiveX只能應(yīng)用在微軟的Windows瀏覽器上。VRML要在不同平臺(tái)安裝不同的播放器才能應(yīng)用。VRML和Flash最終發(fā)布的文件都非常小，適合于網(wǎng)絡(luò)上的傳送[9]。

4）開(kāi)發(fā)難易程度分析。在這幾種技術(shù)中，F(xiàn)lash可直接編寫(xiě)服務(wù)端的程序并從服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)。VRML不具有網(wǎng)絡(luò)編程功能，必須借助其他語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，不能通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)建模，必須借助其他數(shù)學(xué)運(yùn)算工具[4]。ActiveX技術(shù)通過(guò)DCOM進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，效率十分高。Java技術(shù)的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，組件實(shí)現(xiàn)工作量大，經(jīng)常調(diào)用MATLAB功能函數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化其算法的復(fù)雜性[10]。

3 結(jié)論

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)舞臺(tái)上發(fā)揮著越來(lái)越重要的優(yōu)勢(shì)，各種虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)也日益完善。各種技術(shù)在構(gòu)建虛擬場(chǎng)景、實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互性以及對(duì)平臺(tái)的適用性和開(kāi)發(fā)的難易程度上各有千秋，在今后的研究與應(yīng)用中應(yīng)重視各種技術(shù)的結(jié)合。

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