基于虛擬技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)探討

趙曉春

黑龍江科技學(xué)院 150090

前言

為提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)，必須完善實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。但普遍存在的是各高校教育投資經(jīng)費(fèi)不足也使高校很難建立完善的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室，一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展和學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而通過基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建，不僅可以充分利用教育投入，有利于改善辦學(xué)條件和提高辦學(xué)綜合水平。因此，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室具有深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。

1. 基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的定義

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室(Virtual Laboratory)，又稱為合作實(shí)驗(yàn)室(Collaborative Laboratory)，即利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算機(jī)模擬，為學(xué)生提供虛擬環(huán)境進(jìn)行電子儀器設(shè)備、實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目互動(dòng)操作練習(xí)。對于網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室來說，用戶操作只需通過聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)的Internet瀏覽器，就可直接訪問專用虛擬實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器的頁面，在瀏覽器中實(shí)時(shí)地操作從而完成各種實(shí)驗(yàn)。

2. 基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的特性

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)結(jié)合，在現(xiàn)有軟硬件的基礎(chǔ)上開發(fā)的系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)室與服務(wù)對象有機(jī)結(jié)合在一起，用軟件編程替代實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有效解決高校辦學(xué)中由于經(jīng)費(fèi)投入緊張帶來的實(shí)際問題，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)將成為未來教育發(fā)展的必然趨勢。一個(gè)合格的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)當(dāng)滿足以下幾個(gè)重要特性。

（1）具有交互性、自主性

在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)者可以根據(jù)自身的實(shí)驗(yàn)需要利用網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室提供的虛擬器件組建、設(shè)計(jì)具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容, 同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中提供控制技術(shù)控制實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程并對實(shí)驗(yàn)者的操作提供反饋信息。

（2）具備開放性

開放性指的是要打破使用者操作時(shí)間、地域及應(yīng)用平臺的限制，通過任何一臺連接網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)終端均可通過網(wǎng)頁進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。

（3）一致性和協(xié)作性

所有的參與實(shí)驗(yàn)者對于虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境有一致的感覺并能進(jìn)行彼此交流和協(xié)作。

（4）具有實(shí)時(shí)性

虛擬實(shí)驗(yàn)室與使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的用戶之間有良好的實(shí)時(shí)性交互。

（5）擁有良好的真實(shí)感

能夠提供良好的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，采用多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)增進(jìn)實(shí)驗(yàn)的身臨其境的感覺。

3. 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的發(fā)展

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)提供了良好的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具和技術(shù)。虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的關(guān)鍵是采用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。按照構(gòu)建技術(shù)不同可以分為虛擬儀器、虛擬實(shí)驗(yàn)室和網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。

發(fā)展至今的第四代虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)軟件等技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，虛擬儀器的理念就是以計(jì)算機(jī)為核心，用計(jì)算機(jī)的顯示器模擬各種儀器，實(shí)現(xiàn)聲光電等多種形式輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并將虛擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?；诰W(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室是創(chuàng)建一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)對象可以通過鼠標(biāo)的操作進(jìn)行虛擬的實(shí)驗(yàn)，突破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3.2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室基本要求

正確認(rèn)識虛擬實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室之間的關(guān)系。虛擬實(shí)驗(yàn)室是現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的擴(kuò)展和補(bǔ)充，它并不能完全替代現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室。虛擬實(shí)驗(yàn)室在功能上應(yīng)該具備完整模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能模擬實(shí)驗(yàn)儀器并進(jìn)行相應(yīng)操作，模擬整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程并能將實(shí)驗(yàn)結(jié)果在計(jì)算機(jī)中采用聲音、顯示技術(shù)等反饋出來。

3.3 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室建模

建模是實(shí)驗(yàn)環(huán)境虛擬化的基礎(chǔ)，仿真模擬是建模的目的。建模反映了實(shí)驗(yàn)實(shí)體儀器及過程在計(jì)算機(jī)中的虛擬模型之間的關(guān)系，完成實(shí)體到抽象模型的數(shù)學(xué)模型建立并進(jìn)行算法的處理。虛擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型主要是對實(shí)驗(yàn)真實(shí)環(huán)境中所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行模擬控制，完成與用戶的交互。一個(gè)完整的虛擬實(shí)驗(yàn)過程要由實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)圖像模型結(jié)合并協(xié)調(diào)工作的，虛擬實(shí)驗(yàn)過程中首先接受實(shí)驗(yàn)操作指令，然后有數(shù)學(xué)模型進(jìn)行處理并由模擬模型在顯示器上反映實(shí)驗(yàn)過程，待處理結(jié)果出來后再由圖像模型將結(jié)果反映出來。在整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)過程中體現(xiàn)出真實(shí)的交互性能，即具有良好的真實(shí)感。

3.4 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)很多，但是設(shè)計(jì)思路都是一樣的，即使用軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和過程的模擬。常用技術(shù)大致有以下幾種。

1）Java技術(shù)開發(fā)

美國的Sun公司開發(fā)的Java技術(shù)隨著網(wǎng)絡(luò)的迅速普及和發(fā)展應(yīng)用越來越廣泛，Java語言具有簡單、易用的特點(diǎn)，用Java語言開發(fā)的軟件具有可視化、良好互動(dòng)性的交互動(dòng)畫表現(xiàn)形式。這些特性應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建非常適用。但是Java技術(shù)也有其缺點(diǎn)，即無法滿足實(shí)驗(yàn)環(huán)境的三維模擬效果實(shí)

2）Flash技術(shù)開發(fā)

Flash技術(shù)在圖形圖像處理上具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，針對較為復(fù)雜的圖形對象使用較少的數(shù)據(jù)就可以描述，非常適合于網(wǎng)際間交換數(shù)據(jù)，多媒體支持上也非常靈活，支持流行的Mp3格式音頻流播放，生成的動(dòng)畫體積小、音畫同步、調(diào)用速度快的特性。

3）VRML技術(shù)開發(fā)

VRML建模語言可以在網(wǎng)頁上實(shí)現(xiàn)虛擬三維場景，這在一定程度上彌補(bǔ)了Java技術(shù)的不足。該技術(shù)可以開發(fā)集音、像及其他多媒體技術(shù)的3D模式的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，但該技術(shù)在數(shù)據(jù)處理方面還存在缺陷，需要結(jié)合其他算法語言才能較好完成數(shù)據(jù)處理。實(shí)際設(shè)計(jì)中計(jì)算能力對虛擬實(shí)驗(yàn)過程控制上要求很高。

4）NET技術(shù)

微軟公司推出的.NET技術(shù)提供了一個(gè)安全、穩(wěn)定的跨平臺語言環(huán)境，用戶可以選擇熟悉的語言開發(fā)設(shè)計(jì)頁面交互程序。并可以開發(fā)多層次系統(tǒng)，包括C/S、B/S架構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)。該技術(shù)是創(chuàng)建網(wǎng)頁應(yīng)用的首選平臺，它可以開發(fā)將任何瀏覽器或外設(shè)作為目標(biāo)的網(wǎng)頁應(yīng)用程序，這些特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建有利因素。

4. 虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的發(fā)展趨勢

1）加強(qiáng)協(xié)作方式構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)本身就是一種相互合作的活動(dòng)，是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中比較重要的過程，未來基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)不同地域、不同平臺之間的相互合作。

2）自適應(yīng)特征。虛擬實(shí)驗(yàn)室將具有能從實(shí)驗(yàn)過程中獲取實(shí)驗(yàn)信息，并根據(jù)信息的變化修正實(shí)驗(yàn)環(huán)境和性能，以提供給實(shí)驗(yàn)者一個(gè)具備自適應(yīng)特征的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境。

3）實(shí)驗(yàn)環(huán)境向視覺仿真模式發(fā)展。仿真技術(shù)的發(fā)展將促使虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境更加真實(shí)，更先進(jìn)的三維技術(shù)和三維視覺技術(shù)（如谷歌的3D眼鏡技術(shù)）將更加有機(jī)結(jié)合，提供給實(shí)驗(yàn)對象更加真實(shí)的感官接觸，使實(shí)驗(yàn)者有身臨其境的感覺。

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