組件式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)面向?qū)ο蟮膶?shí)現(xiàn)方法

劉 峰，陳 媛，范 偉

(重慶理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

虛擬實(shí)驗(yàn)是使用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，操作者可以像在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［1-3］。虛擬實(shí)驗(yàn)有實(shí)驗(yàn)開設(shè)不受時(shí)間、地點(diǎn)限制，能降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)成本投入，緩解高校招生規(guī)模不斷擴(kuò)大與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)相對(duì)滯后的矛盾等特點(diǎn)。同時(shí)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力，虛擬實(shí)驗(yàn)還可以擴(kuò)展出許多現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)無法完成的功能，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)管理和實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)的效率。

目前，國內(nèi)外很多高校和科研機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)方面的探索性應(yīng)用研究［4-7］。經(jīng)過多年發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用還未到成熟及普及的階段。虛擬實(shí)驗(yàn)主流開發(fā)多采用“建模+交互”的方式，即先用3dMax、Pro/E、VRML、Flash等軟件建立模型，然后使用編程工具(如Java、VRML EAI等)讀取、控制模型，完成場景和模型的控制與交互功能［8-10］。這種開發(fā)方式存在對(duì)第三方軟件依賴性大、不同軟件間數(shù)據(jù)融合導(dǎo)致模型讀取效率低等缺點(diǎn)。即便使用了三維模型和場景，但如果沒有虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)輔助反饋設(shè)備的支持，設(shè)計(jì)完成的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仍然存在參與感不強(qiáng)、現(xiàn)場感缺失等缺點(diǎn)。

本文提出了一種基于“.NET”框架下的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)方法，以對(duì)象的方式來存儲(chǔ)及處理實(shí)驗(yàn)場景中的虛擬器件。器件模型使用二維矢量圖繪制，在本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中創(chuàng)建和管理，避免了與第三方建模軟件或系統(tǒng)的交互，具有運(yùn)行效率高的特點(diǎn)。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及技術(shù)交流平臺(tái)，由系統(tǒng)管理、器件庫管理、實(shí)驗(yàn)控制調(diào)度、實(shí)驗(yàn)輔助管理等功能模塊構(gòu)成，如圖1所示。系統(tǒng)管理模塊完成操作用戶定義及權(quán)限分配等功能。操作用戶分管理教師和學(xué)生2類角色，分別有不同的操作權(quán)限。器件庫管理模塊完成虛擬實(shí)驗(yàn)圖形庫及參數(shù)庫的管理，并完成實(shí)驗(yàn)中需要的多種虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備外觀圖形的定制，器材接口參數(shù)(個(gè)數(shù)、類型)定義，非幾何屬性定義等功能。實(shí)驗(yàn)控制與調(diào)度模塊完成具體實(shí)驗(yàn)的定義功能，是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心，包括從器件庫中選取器件來搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境、設(shè)置各器件間的關(guān)聯(lián)參數(shù)及控制表達(dá)式、為虛擬設(shè)備綁定及注冊(cè)相應(yīng)事件等功能。實(shí)驗(yàn)輔助管理模塊提供實(shí)驗(yàn)相關(guān)幫助、實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)及回放、實(shí)驗(yàn)成績?cè)u(píng)價(jià)、成績查詢等功能。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能

2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

面向?qū)ο?object oriented，OO)是一種編程技術(shù)，對(duì)象和類是面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)的核心。面向?qū)ο蠼M件式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將需要管理的實(shí)驗(yàn)設(shè)備(虛擬器件或元件)抽象為對(duì)象模型，以“對(duì)象”的方式來管理。

從圖形、描述屬性和輸入輸出(IO)參數(shù)3方面可以完整地表述一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)器件。圖形描述表達(dá)了實(shí)驗(yàn)器件的外觀信息。描述屬性指虛擬實(shí)驗(yàn)器件所具有的如編號(hào)、名稱、分類等描述性信息。輸入輸出參數(shù)是虛擬實(shí)驗(yàn)場景中器件間關(guān)聯(lián)的控制參數(shù)。描述屬性和輸入輸出參數(shù)也稱虛擬實(shí)驗(yàn)器件的非圖形屬性。

定義1 虛擬設(shè)備圖形描述。定義為:Obj=(Id，n，{E1，E2，…，En})，其中:Id 為設(shè)備編號(hào)，具有全局唯一性;n為該虛擬設(shè)備的構(gòu)成圖元個(gè)數(shù);En為具體圖元的定義信息，En=(Eid，Etype，Line-Type，LineWidth，LineColor，HatchColor，F(xiàn)eature-Poins)，Eid為子圖元序號(hào)，Etype為圖元類型(含點(diǎn)、直線、折線、圓形、圓弧、橢圓、矩形、多邊形等)，LineType為線型(實(shí)線、點(diǎn)劃線、虛線)，Line-Width為線條寬度，LineColor為線條顏色，Hatch-Color為填充顏色，F(xiàn)eaturePoins為序列特征點(diǎn)。

定義2 虛擬設(shè)備非圖形屬性。定義為:D=(P，S)，其中 P=I∪O∪T，P 為設(shè)備接口參數(shù)集合，I={I1，I2，…，In}為虛擬設(shè)備的輸入?yún)?shù)，O={O1，O2，…，Om)為虛擬設(shè)備的輸出參數(shù);T={t1，t2，...tk}，為虛擬設(shè)備的臨時(shí)參數(shù)(為了簡化控制表達(dá)式的書寫需定義臨時(shí)參數(shù));S是虛擬設(shè)備的描述屬性，對(duì)于任意一個(gè)屬性Si，有Si={SName，SKind，SValue}，SName為屬性名，SKind為屬性類型，SValue為屬性值。

虛擬實(shí)驗(yàn)場景中，某些設(shè)備之間是有關(guān)聯(lián)的。一個(gè)虛擬設(shè)備屬性的變化會(huì)引起關(guān)聯(lián)設(shè)備屬性的變化，這種關(guān)聯(lián)可通過虛擬對(duì)象綁定事件來驅(qū)動(dòng)，當(dāng)“對(duì)象的屬性值改變”事件發(fā)生時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的行為。

定義3 虛擬設(shè)備行為。定義為A=(Aname，Asender，Areceiver，Aparam)，其中:Aname為行為名;Asender為行為的發(fā)送者;Areceiver為行為的接受者;Aparam為行為相關(guān)參數(shù)。

3 實(shí)現(xiàn)過程的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 器件存儲(chǔ)、復(fù)用及操作

虛擬設(shè)備庫是實(shí)驗(yàn)場景定義時(shí)器件取用的資源庫。虛擬器件分類保存在庫中，圖形屬性信息和非圖形屬性信息分開存儲(chǔ)。虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖形信息以二進(jìn)制流的方式記錄了如線段端點(diǎn)坐標(biāo)、圓弧半徑、起始角度、線條顏色、背景色等特征信息。器件復(fù)用時(shí)，系統(tǒng)為實(shí)例化的器件指定唯一的設(shè)備ID編號(hào)。在虛擬實(shí)驗(yàn)場景中，按該設(shè)備編號(hào)綁定該虛擬器件所具有的非圖形屬性類信息，讀取虛擬場景中圖形對(duì)象的特征數(shù)據(jù)。采用“.NET”框架下GDI+Graphics對(duì)象提供的繪圖方法，在Graphics畫布上繪圖完成虛擬場景的圖形展現(xiàn)。處理Graphics畫布的鼠標(biāo)事件，使用“點(diǎn)在直線上”、“點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)”等判斷算法［11］，實(shí)現(xiàn)虛擬場景中器件的選擇等操作。

3.2 控制表達(dá)式解析

各虛擬器件輸入、輸出參數(shù)之間存在復(fù)雜的控制邏輯，這些控制邏輯在定義虛擬實(shí)驗(yàn)場景時(shí)，由操作者以表達(dá)式的方式定義。表達(dá)式分為邏輯表達(dá)式和算術(shù)表達(dá)式。其中對(duì)算術(shù)表達(dá)式的解析求值是一項(xiàng)復(fù)雜且關(guān)鍵的任務(wù)［12］。中綴表達(dá)式因?yàn)闀鴮懼庇^、符合傳統(tǒng)習(xí)慣，在表達(dá)式定義和存儲(chǔ)時(shí)被采用。后綴表達(dá)式求值過程編程實(shí)現(xiàn)簡單，因此可先將中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)成后綴表達(dá)式，再進(jìn)行后綴表達(dá)式的解析計(jì)算。將中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)成后綴表達(dá)式的流程如圖2所示。設(shè)置操作符棧，用來暫存操作符。按從左至右順序掃描中綴表達(dá)式，當(dāng)遇到操作數(shù)時(shí)直接輸出。如遇到操作符，則比較該操作符與棧頂操作符的優(yōu)先級(jí)(當(dāng)前操作符優(yōu)先級(jí)記為mcp，棧頂操作符優(yōu)先級(jí)記為msp)，若mcp大于msp，則當(dāng)前操作符入棧，否則操作符棧退棧輸出，再進(jìn)行比較，如此循環(huán)直到當(dāng)前操作符得到處理。當(dāng)掃描完畢并且操作符棧為空，則轉(zhuǎn)換完成。

圖2 中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)后綴表達(dá)式處理流程

后綴表達(dá)式求值流程:①初始化2個(gè)實(shí)型數(shù)據(jù)棧，一個(gè)是操作數(shù)棧，用于暫時(shí)存放操作數(shù)，另一個(gè)是參數(shù)棧，用于暫存計(jì)算函數(shù)時(shí)的函數(shù)參數(shù)。②從左至右順次掃描后綴表達(dá)式各項(xiàng)，根據(jù)取得的符號(hào)類型作相應(yīng)操作。若為操作數(shù)，則將其壓入操作數(shù)棧;若為算術(shù)運(yùn)算操作符，則從操作數(shù)棧取相應(yīng)操作數(shù)作相應(yīng)的運(yùn)算，再將結(jié)果壓入操作數(shù)棧;若是逗號(hào)，則從操作數(shù)棧彈出一個(gè)數(shù)據(jù)壓入?yún)?shù)棧;若為函數(shù)操作符，則從操作數(shù)棧中取第1個(gè)參數(shù)，從參數(shù)棧依次取其余的參數(shù)作相應(yīng)的函數(shù)計(jì)算，并壓棧。③表達(dá)式掃描完成，棧頂數(shù)為最終計(jì)算結(jié)果。

3.3 器件間參數(shù)傳遞

從器件庫中取出虛擬器件，由操作用戶按照一定的連接規(guī)則，在虛擬實(shí)驗(yàn)場景中搭建出實(shí)驗(yàn)場景。使用“.NET”框架下的委托和事件機(jī)制來實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)器件間控制參數(shù)及狀態(tài)值的傳遞時(shí)機(jī)和行為［13］，處理方法為:

4 結(jié)束語

基于“.NET”框架，按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，使用GDI+圖形圖像編程等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)組件式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在不使用其他建模工具及虛擬現(xiàn)實(shí)支撐軟件的情況下，完成了虛擬實(shí)驗(yàn)器件的二維建模、實(shí)驗(yàn)調(diào)度及控制等功能。該系統(tǒng)有一定的實(shí)用性，其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)有一定的參考及借鑒意義。

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