多功能動(dòng)態(tài)三維GC－MS虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

林叢叢，張永策，付曉靚，劉志廣

（大連理工大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧 大連116024）

0 引 言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室已成為研究熱點(diǎn)，其仿真性、交互性、資源共享性、用戶自主性［1］等方面的不斷提升使虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)逐漸發(fā)揮出來(lái)。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)室得到了科學(xué)研究、教育培訓(xùn)等方面的普遍認(rèn)可，并取得了較快的發(fā)展［2－14］，但如何提高虛擬實(shí)驗(yàn)室的沉浸感、交互性、人性化則是關(guān)注的焦點(diǎn)。

氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用 （GC－MS）技術(shù)是應(yīng)用廣泛的一種聯(lián)用儀器技術(shù)，集中了兩種分析儀器的優(yōu)點(diǎn)，因而以其為研究對(duì)象來(lái)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室具有較大的挑戰(zhàn)性，特別是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、由虛擬人物引導(dǎo)、可進(jìn)行非線性交互操作等多功能模式的GC－MS虛擬實(shí)驗(yàn)室，目前還未見(jiàn)報(bào)道。基于此，本文以Flash為工作站開(kāi)發(fā)平臺(tái)、Virtools為三維場(chǎng)景開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并引入虛擬人物，構(gòu)建了一個(gè)可進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化、初步譜圖數(shù)據(jù)查詢解析，能提供實(shí)時(shí)指導(dǎo)與評(píng)價(jià)及數(shù)據(jù)處理功能的網(wǎng)絡(luò)化多功能動(dòng)態(tài)GC－MS虛擬實(shí)驗(yàn)室。所構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室沉浸感強(qiáng)、功能完善、交互操作逼真，而且譜圖庫(kù)采用開(kāi)放性設(shè)計(jì)，可以根據(jù)需求向譜圖庫(kù)中自行、無(wú)限制添加譜圖，從而制作出自己的完整GC－MS虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。其構(gòu)建模式及技術(shù)也將對(duì)其它分析儀器虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究具有借鑒意義。

1 氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀虛擬實(shí)驗(yàn)室的總體設(shè)計(jì)

高交互的GC－MS虛擬實(shí)驗(yàn)需要實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化、譜圖數(shù)據(jù)分析查詢等多種功能，則必然涉及到數(shù)據(jù)與信息的實(shí)時(shí)傳遞，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和功能的多樣性，下面對(duì)GC－MS虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行總體框架結(jié)構(gòu)與功能的設(shè)計(jì)。

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、場(chǎng)景化、高交互、智能化的GC－MS虛擬實(shí)驗(yàn)室需要包括虛擬場(chǎng)景、虛擬儀器和虛擬人物3個(gè)主要的因素。按照真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，將虛擬實(shí)驗(yàn)室分為 “實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)”、“儀器介紹”、“氣瓶室”、“樣品分析室”、“指導(dǎo)與評(píng)價(jià)”、“譜圖分析”六大模塊，其中作為整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程核心的 “樣品分析室”又可分為自由操作和線性操作兩種平行模式。通過(guò)調(diào)節(jié)載氣流速，設(shè)定進(jìn)樣量和程序升溫等條件獲得不同的色譜分析流出曲線，進(jìn)而得到各個(gè)組分的質(zhì)譜圖和其檢索結(jié)果，完成定性分析。模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)與信息的實(shí)時(shí)傳遞，構(gòu)成完整的氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀虛擬實(shí)驗(yàn)室。其總體框架如圖1所示。

圖1 三維GC－MS虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)框架

虛擬實(shí)驗(yàn)室中的工作站、譜圖的動(dòng)態(tài)繪制分析界面是工作的重點(diǎn)之一。本文曾采用Virtools中的二維幀 （2D Frame）進(jìn)行制作，但其實(shí)現(xiàn)過(guò)程只是將使用位圖的二維幀進(jìn)行簡(jiǎn)單的顯示、隱藏和其腳本模塊的羅列，靈活性不強(qiáng)，并且位圖過(guò)多還會(huì)導(dǎo)致文件容量增大，降低系統(tǒng)運(yùn)行效率。基于此本文采用了圖像質(zhì)量精確、交互功能強(qiáng)大的Flash為工作站的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，而實(shí)驗(yàn)儀器操作環(huán)境則選用能實(shí)現(xiàn)更佳視覺(jué)效果和沉浸感的Virtools三維開(kāi)發(fā)平臺(tái)構(gòu)建，但由此面臨著如何將Flash和Virtools兩種軟件作品整合以及如何實(shí)現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)通信等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。有關(guān)構(gòu)建方法及技術(shù)將在后面討論。

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化功能：使用者可以通過(guò)改變分析參數(shù)，觀察條件改變后總離子流色譜圖中各組分的保留時(shí)間、分離度等的變化來(lái)確定最佳實(shí)驗(yàn)條件。本文通過(guò)確立數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)色譜保留時(shí)間，實(shí)現(xiàn)分析參數(shù)與工作站間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞，并繪制不同實(shí)驗(yàn)條件下的總離子流色譜圖。

（2）質(zhì)譜圖解析查詢功能：使用者可將質(zhì)譜圖導(dǎo)入，通過(guò)系統(tǒng)把譜圖數(shù)據(jù)化來(lái)識(shí)別、重繪，得到質(zhì)荷比 （m/z）和質(zhì)荷比的差值，根據(jù)事先輸入的化學(xué)規(guī)則來(lái)初步推斷化合物類型、是否含有同位素離子峰、最右端的峰是否具有合理的質(zhì)量丟失等信息。同時(shí)，還可通過(guò)輸入化合物的分子量、分子式、中文名稱和英文名稱來(lái)進(jìn)行質(zhì)譜圖和相應(yīng)裂分過(guò)程的檢索。

（3）儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理的可視化功能：GC－MS為封閉運(yùn)行且價(jià)格比較昂貴，為了讓使用者對(duì)儀器有直觀的認(rèn)識(shí)，本文中可以通過(guò)點(diǎn)擊來(lái)移動(dòng)儀器外殼以便觀察儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及連接狀態(tài)，并可利用鼠標(biāo)拖拽從不同角度查看，有利于了解GC－MS的結(jié)構(gòu)流程。另外，為了讓使用者對(duì)GC－MS工作原理有具體的認(rèn)識(shí)，還通過(guò)二維交互動(dòng)畫(huà)方式展現(xiàn)其工作過(guò)程。

（4）監(jiān)控評(píng)價(jià)功能：對(duì)使用者的操作過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤評(píng)價(jià)體現(xiàn)了虛擬軟件的人性化設(shè)計(jì)，本文通過(guò)對(duì)線性操作模式和自由操作模式分別進(jìn)行操作步驟跟蹤提示和錯(cuò)誤警告，將動(dòng)態(tài)交互操作數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與管理的同時(shí)跟蹤操作質(zhì)量，根據(jù)分?jǐn)?shù)和實(shí)驗(yàn)時(shí)間最終給予評(píng)價(jià)。

2 氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)討論

虛擬實(shí)驗(yàn)中裝置儀器和工作站是主體，交互操作是核心，跟蹤評(píng)價(jià)為靈魂。GC－MS虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建過(guò)程中，對(duì)儀器設(shè)備及場(chǎng)景環(huán)境進(jìn)行三維建模及優(yōu)化是整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作的基礎(chǔ)。同時(shí)基于Flash的工作站和譜圖分析也是虛擬實(shí)驗(yàn)室的重要部分。下面就對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的具體構(gòu)建方法進(jìn)行討論。

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室中模型的構(gòu)建

本文采用3ds Max進(jìn)行建模，建模過(guò)程中需要考慮優(yōu)化問(wèn)題，在保持物體相像的同時(shí)盡量降低面的使用，一些具體技巧如下：①模型的頂點(diǎn)和邊要對(duì)齊，并焊接位置重合的點(diǎn)；②次要模型要簡(jiǎn)化，刪除不在場(chǎng)景中顯示的面；③Loft（放樣）建模，盡量減少放樣路徑和截面形體的Steps；④若場(chǎng)景中有多個(gè)相同物體，采用Instances（關(guān)聯(lián)復(fù)制）復(fù)制出其它物體，這樣復(fù)制的模型導(dǎo)入Virtools中共用一個(gè)Mesh，有效地減少了面數(shù)，如試樣瓶、溶劑瓶的建模。所構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室和工作站如圖2所示。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)室及工作站界面

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)三維場(chǎng)景中交互的實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)中的儀器操作、人物的控制、自動(dòng)跟蹤評(píng)價(jià)等內(nèi)容均在Virtools中實(shí)現(xiàn)。本文采用將BB模塊與VSL編程結(jié)合的方法進(jìn)行制作。下面就以自動(dòng)進(jìn)樣盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)樣和自動(dòng)跟蹤操作步驟為例對(duì)實(shí)現(xiàn)交互的具體構(gòu)建方法進(jìn)行討論。

2.2.1 自動(dòng)進(jìn)樣盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)效果的制作方法及技巧

自動(dòng)進(jìn)樣器具有效率高、精度高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。本文模擬的自動(dòng)進(jìn)樣器中的進(jìn)樣盤(pán)，可以根據(jù)在工作站中設(shè)定的試樣瓶編號(hào)和進(jìn)樣前后洗針次數(shù)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)洗針、取樣和進(jìn)樣。實(shí)現(xiàn)此效果，首先要確定進(jìn)樣盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，由圖3可知進(jìn)樣盤(pán)上相鄰兩瓶之間的角度θ為（360°－95°）/10。在采用VSL編程的wash1模塊中，設(shè)置輸入?yún)?shù)pIn，將洗針次數(shù)xizhen1的值賦給pIn。定義變量i代表循環(huán)次數(shù)，經(jīng)過(guò)一次wash1模塊，i＋＋。當(dāng)i小于pIn時(shí)，重復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)洗針；當(dāng)i等于pIn時(shí)，洗針結(jié)束，繼續(xù)向下激活取樣模塊。此時(shí)進(jìn)樣針對(duì)準(zhǔn)溶劑瓶A，要實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣針按要求轉(zhuǎn)到指定的試樣瓶上，運(yùn)用Calculator、Bezier Progression、Rotate模塊連接，將樣品瓶編號(hào)SampleNum的值賦給a。可以推出溶劑瓶A和試樣瓶a之間的角度為（11－a）θ。因此在Calculater模塊中輸入公式 （11－a）＊26.5/180＊π，即可計(jì)算出進(jìn)樣盤(pán)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的弧度。交互腳本如圖4所示。

圖3 進(jìn)樣盤(pán)設(shè)計(jì)

圖4 Virtools中的進(jìn)樣盤(pán)交互腳本流程

2.2.2 自動(dòng)跟蹤操作步驟功能的實(shí)現(xiàn)

交互操作中采用同步顯示操作步驟的方式來(lái)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)。例如圖5中第1步，當(dāng)虛擬人物打開(kāi)氣瓶間的門(mén)進(jìn)入時(shí)，連接的send message模塊即向level層里如圖6所示的ID Resolution模塊發(fā)送消息A00，第一步文字后面就會(huì)出現(xiàn) “√”，表示此步驟已完成，圖6中快捷方式Section Array為所選試樣對(duì)應(yīng)的操作步驟。

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室中二維工作站和查詢解析系統(tǒng)的構(gòu)建

工作站是儀器的重要部分，基于Flash的GC－MS虛擬工作站對(duì)三維儀器操作面板上輸入的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)譜圖的動(dòng)態(tài)繪制和分析。根據(jù)不同的條件進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)輸出，通過(guò)分析總離子流色譜圖得出相應(yīng)組分的質(zhì)譜圖。

2.3.1 數(shù)學(xué)模型確立和流出曲線的繪制

本文采用式 （1）預(yù)測(cè)保留時(shí)間、式 （2）確定色譜流出峰的半峰寬Y1/2和式 （3）修正的高斯分布模型［5］來(lái)描述組分色譜峰y

式中：k——分配比、L——色譜柱長(zhǎng)、T——分離柱溫度、u——載氣流速、σ——標(biāo)準(zhǔn)偏差、cpara——組分含量修正的峰高值，常數(shù)項(xiàng)A、B、m、n均可根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定?；谏鲜鰯?shù)學(xué)模型，采用ActionScript 2.0編寫(xiě)流出曲線繪制程序，根據(jù)樣品種類、設(shè)定的柱溫、流速、進(jìn)樣量等參數(shù)，計(jì)算得出不同總離子流色譜圖。動(dòng)態(tài)出圖的部分程序代碼如下：

＿global.draw＿curve＝function （target：Object）｛

target.createEmptyMovieClip （" ＿curve"，2）；

target.＿curve.lineStyle（0，0x0000FF，100）；

var a＝real＿pixel（0，0）；

target.＿curve.moveTo （a ［0］，a ［1］）；n＝0；

refreshme＝function（）｛n＋＋；

Var h＝ normalCurve （tr1，0.12，sigma1，n/60）＋normalCurve （tr2，0.25，sigma2，n/60）＋normalCurve（tr3，0.25，sigma3，n/60）＋normalCurve （tr4，0.35，sigma4，n/60）＋normalCurve（tr5，0.4，sigma5，n/60）＋2；

a＝real＿pixel（n/60，h）；

target.＿curve.lineTo （a ［0］，a ［1］）；｝；

intervalID＝setInterval（refreshme，1000/60）；｝；

2.3.2 譜圖查詢和解析功能的實(shí)現(xiàn)

譜圖查詢界面如圖7所示，查詢界面上設(shè)置輸入文本，使用者輸入要查詢的化合物，點(diǎn)擊查詢按鈕，系統(tǒng)調(diào)入檢索外部XML數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索，當(dāng)變量中的數(shù)據(jù)與XML數(shù)據(jù)中某一項(xiàng)相匹配時(shí)，系統(tǒng)調(diào)入譜圖庫(kù)中對(duì)應(yīng)的譜圖。此外還運(yùn)用FileReference類把質(zhì)譜圖調(diào)入系統(tǒng)，采用鼠標(biāo)Press事件調(diào)用BitmapData.getPixel（）方法，獲得譜線的顏色值，通過(guò)判斷顏色來(lái)比較得出相同橫坐標(biāo)上縱坐標(biāo)最大的點(diǎn)，用lineTo方法函數(shù)垂直橫坐標(biāo)畫(huà)線即可重繪譜圖，從中提取峰信息，使用者點(diǎn)擊質(zhì)荷比差單元格時(shí)，DataGrid.cellPress向偵聽(tīng)器廣播，調(diào)用結(jié)構(gòu)判斷函數(shù)，在右側(cè)顯示可能的結(jié)構(gòu)。如圖8所示。

3 三維儀器場(chǎng)景和二維工作站之間消息傳遞的實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室涉及到進(jìn)樣口溫度、程序升溫及載氣流速等參數(shù)在二維和三維軟件之間的數(shù)據(jù)通信和信息共享，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。通過(guò)將Virtools和Flash導(dǎo)出成網(wǎng)頁(yè)格式，放在xampp/htdocs下的文件夾中，用Dreamweaver將這兩個(gè)網(wǎng)頁(yè)整合在一起，編輯HTML源代碼，給＜head＞標(biāo)簽添加JavaScript，如下所示，實(shí)現(xiàn)三維儀器設(shè)備交互操作和二維工作站間數(shù)據(jù)與信息的傳遞：

＜script language＝"JavaScript"for＝"VT"EVENT＝"VirtoolsEvent（EventName，EventData）" ＞

SendToFl（EventData）；

function SendToFl（EventData）

｛ window.document.fl.SetVariable （ EventName，EventData）；

if（EventName＝＝"start"）｛

window.document.fl.TGotoLabel （" —root"，"start"）；｝ ｝

＜script language＝"JavaScript"for＝"FL" ＞

function SendToVT （Tag，Msg）

｛var cmd ＝ "SendMessage" ＋′′＋ "′" ＋ Tag＋"′" ＋″＋"′" ＋Msg＋"′"；

var object＝ document.getElementById （"VT"）；document.VT.DoCommand （cmd）；｝

3.1 Virtools向Flash消息的傳遞

利用Virtools中的Fire Virtools Event模塊在網(wǎng)頁(yè)中觸發(fā)virtools事件，并在Dreamweaver中編輯HTML源代碼獲得此模塊的兩個(gè)參數(shù) （EventName和EventData），通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)消息的傳遞。一是在EventName處寫(xiě)入要向Flash中傳數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)文本絕對(duì)路徑，此模塊激活時(shí)便不斷向動(dòng)態(tài)文本發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步顯示；二是在EventName處寫(xiě)入一個(gè)名稱，例如寫(xiě)入start，用上面的代碼：if（EventName＝＝"start"）在網(wǎng)頁(yè)內(nèi)判斷，如果為真，則運(yùn)用TGotoLabel（target，label）函數(shù)跳轉(zhuǎn)到" —root"目標(biāo)時(shí)間線上"start"指定的幀標(biāo)簽。

3.2 Flash向Virtools消息的傳遞

交互設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)同步顯示操作步驟，當(dāng)二維工作站中點(diǎn)擊相應(yīng)操作按鈕時(shí)，即向Virtools發(fā)送消息：getURL（"javascript：SendToVT （tag，msg）"）。其中tag為發(fā)送消息的目標(biāo)位置，msg為發(fā)送的消息。例如圖5中，第10步點(diǎn)擊二維工作站中的 “編輯方法”按鈕，在 “編輯方法”按鈕上寫(xiě)入代碼：on（release） ｛getURL （"javascript：SendToVT （′level′，′A09′）" ）；｝，當(dāng) 按 鈕被點(diǎn)擊 時(shí)，即 向level層發(fā)送消息A09，圖6所示的ID Resolution模塊接收消息，實(shí)現(xiàn)Flash向Virtools的消息傳遞。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以GC－MS為研究對(duì)象，以Flash為工作站開(kāi)發(fā)平臺(tái)、Virtools為三維場(chǎng)景開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并引入虛擬人物，構(gòu)建了一個(gè)二維與三維結(jié)合的、可進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化、譜圖數(shù)據(jù)分析查詢，能提供復(fù)雜交互操作、數(shù)據(jù)處理及實(shí)時(shí)跟蹤評(píng)價(jià)功能的網(wǎng)絡(luò)化多功能動(dòng)態(tài)GC－MS虛擬實(shí)驗(yàn)室。所構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了二維工作站中總離子流色譜流出曲線的動(dòng)態(tài)繪制、Virtools和Flash之間的消息數(shù)據(jù)傳遞及多種功能的交互設(shè)計(jì)，同時(shí)譜圖庫(kù)采用開(kāi)放性設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了軟件的靈活性和擴(kuò)展性。在儀器操作培訓(xùn)、GC－MS實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)等方面具有較大的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)今后復(fù)雜系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)，也對(duì)相關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)作品的構(gòu)建具有一定的借鑒作用。

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