基于MVC設(shè)計模式的虛擬實驗平臺模塊化設(shè)計＊

張 原，張 昭，劉 蕊

（1.海軍航空兵學院，遼寧 葫蘆島125001；2.海軍航空工程學院，山東 煙臺264001）

1 引言

虛擬實驗系統(tǒng)是指采用網(wǎng)絡(luò)、遠程控制、虛擬現(xiàn)實、計算機仿真、多媒體等技術(shù)實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)境，它涵蓋了兩個層面：一是基于Web對真實儀器設(shè)備的遠程控制和遙控操作；二是以 Web為基礎(chǔ)的面向教學的純粹由軟件實現(xiàn)的虛擬實驗環(huán)境［1］。

目前我國信息化教學多以文字加圖片的教學方式為主，注重理論教學，缺乏實驗內(nèi)容。對一些過程復雜、空間感強的內(nèi)容尚不能充分描述清楚。另一方面，院校現(xiàn)有實驗教學中普遍存在人均實驗設(shè)備擁有量少、設(shè)備更新周期長以及學習時間沖突等問題。利用虛擬現(xiàn)實以及多媒體技術(shù)構(gòu)建一個具有動態(tài)交互能力的虛擬實驗系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)充實實驗內(nèi)容，增開綜合性實驗項目是必要且緊迫的［1～4］。

許多學者在虛擬現(xiàn)實方面做出相應(yīng)的工作，如利用Java、VRML、Labview等構(gòu)建虛擬實驗平臺。但是，很多方法的構(gòu)建效率較低，穩(wěn)定性較差，且平臺通用性不好，Java運行過程中客戶端還需下載插件。Flash技術(shù)由于其采用了矢量圖形技術(shù)，所生成的動畫體積很小，跨平臺性好且圖形可以任意縮放，這正符合了氣動實驗高度動態(tài)表現(xiàn)力的要求。隨著ActionScript 3.0（AS 3.0）的出現(xiàn)，近年來國內(nèi)在Flash虛擬實驗平臺開發(fā)方面有了較大發(fā)展，但開發(fā)的過程往往為了項目實現(xiàn)而未能充分考慮到系統(tǒng)的拓展性和代碼重用性。虛擬實驗平臺是未來實驗建設(shè)的方向，如果每次都重頭開發(fā)，則原來的代碼浪費了，非?？上?，而且開發(fā)的效率也很低。

為了解決以上問題，本文采用MVC設(shè)計模式開發(fā)了空氣動力學虛擬實驗室系統(tǒng)，而具有優(yōu)秀的Web應(yīng)用特性和良好的跨平臺特性的豐富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用RIA（Rich Internet Application）技術(shù)成為更合適的虛擬實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。

2 RIA技術(shù)與ActionScript 3.0

2006年起，RIA以其良好的用戶體驗、快速的響應(yīng)速度、出色的兼容性以及卓越的Web應(yīng)用特性和優(yōu)秀的跨平臺特性迅速贏得了大家的青睞，將RIA技術(shù)整合到虛擬實驗室系統(tǒng)的建設(shè)中去，是解決當前虛擬實驗室存在的問題的一個有效方法。

ActionScript 3.0（AS 3.0）是目前最流行的RIA開發(fā)語言，它們可運行在瀏覽器的Flash Player中，或?qū)dobe AIR作為一個桌面應(yīng)用程序運行在移動設(shè)備上。與 AS 1.0和 AS 2.0不同，AS 3.0與ECMAScript標準兼容，引入了一些其他領(lǐng)域新的或更強的功能，它對面向?qū)ο缶幊蘋OP語言完全支持，深層優(yōu)化了OOP架構(gòu)，徹底更新了顯式對象系統(tǒng)架構(gòu)，全面支持正則表達式并采用了先進的E4X，新增強大的異常處理機制。AS 3.0強大的新特性使其對于大型應(yīng)用程序開發(fā)更有吸引力。同時，新一代ActionScript引擎AVM2（ActionScript Virtual Machine2）較 AS 2.0時代的AVM1性能大幅增加，ActionScript 3.0代碼執(zhí)行速度最多可以比原有ActionScript代碼快10倍［5］。

AS 3.0和AVM2帶來的變革使得RIA極具潛力與活力。結(jié)合Java組件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，RIA可以實現(xiàn)與MATLAB、C＋＋、C＃等語言的協(xié)同開發(fā)［6］，如今利用 AS 3.0在3D 領(lǐng)域進行虛擬現(xiàn)實也已經(jīng)實現(xiàn)，隨著AS語言的完善和AVM的發(fā)展，其性能也必將更加強大。同時，AVM2和Flex在開源的方向上大步邁進，這意味著AS與RIA將有超強的生命力和號召力。

3 MVC設(shè)計模式

設(shè)計模式是指一系列從實踐中總結(jié)出來的、可重復使用的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法。MVC設(shè)計模式是許多交互和界面系統(tǒng)的構(gòu)成基礎(chǔ)，實現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)、界面設(shè)計、控制功能的分離，使得各部分修改時相對獨立，代碼的可維護性增強；同時，也提高了應(yīng)用程序的重用性，便于擴展，開發(fā)速度也有了顯著提高。

大型軟件開發(fā)的可持續(xù)性與易維護性取決于軟件設(shè)計階段對設(shè)計模式的選擇。虛擬實驗系統(tǒng)作為推廣性、擴展性強的開放式互動系統(tǒng)，一方面，隨著實驗要求的提高和實驗種類的增加，極有可能需要拓展新的實驗模塊；另一方面，作為互動平臺的虛擬實驗室在設(shè)計過程中難免出現(xiàn)對使用者操作考慮不周的情況，故系統(tǒng)出現(xiàn)BUG、功能異常及存在人性化設(shè)計缺陷的情況不可避免。如果在設(shè)計階段沒有一個合理的設(shè)計模式做基礎(chǔ)，將會導致所開發(fā)的系統(tǒng)完成后不僅難于擴展新功能，更不利于代碼的維護和更新。

教學用虛擬實驗室系統(tǒng)可以分為三個部分：模型及后臺數(shù)據(jù)、用戶界面和用戶操作。MVC模式正是使應(yīng)用程序按上述三個部分劃分所需要的對象：M為模型（Model），也包括后臺數(shù)據(jù)，一個模型能為多個視圖提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。同一個模型可以被多個視圖重用。V為視圖（View），指用戶界面，可以向模型查詢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，但不能直接改變模型中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。視圖還能接收模型發(fā)出的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)更新事件，從而對用戶界面進行同步更新。C代表控制器（Controller），即用戶操作，接收用戶的輸入并調(diào)用模型和視圖去完成用戶的請求。MVC模式的簡單結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Figure 1 MVC structure diagram圖1 MVC結(jié)構(gòu)示意圖

首先，操作者根據(jù)視圖提供的界面對其進行操作，控制器接收到視圖轉(zhuǎn)發(fā)過來的用戶的輸入信息，并通知相應(yīng)的模型做出處理；然后，模型用相應(yīng)的方法來處理這些信息并返回數(shù)據(jù)；最后，通過控制器通知與這些數(shù)據(jù)相關(guān)的視圖更新［7］。顯然，對于具有這種體系結(jié)構(gòu)的可視化組件，可以利用這樣的內(nèi)部機制，通過模型對數(shù)據(jù)的存儲及維護功能，控制輸入和輸出。使用MVC需要花費一定的時間和精力去進行精心的設(shè)計，但采用它將會使軟件在健壯性、代碼重用和結(jié)構(gòu)方面上一個新臺階。盡管在最初構(gòu)建MVC框架時會花費一定的工作量，但從長遠角度看，它會大大提高后期軟件開發(fā)的效率。

4 空氣動力學虛擬實驗平臺的構(gòu)建

下面以開發(fā)全機氣動力系數(shù)測量實驗（界面見圖2）為例，說明設(shè)計方案的形成過程。

Figure 2 Aerodynamic coefficients of the whole aircraft measurement interface圖2 全機氣動力系數(shù)測量實驗界面

4.1 設(shè)計方案

分析實驗的運行流程，判斷其所有可能的操作及相應(yīng)事件。全機氣動力系數(shù)測量實驗基本流程如圖3所示。

4.2 確定MVC設(shè)計模式中的模型、視圖及控制器

根據(jù)如圖3所示的流程圖可以看出，居中一列在虛擬實驗平臺中負責對數(shù)據(jù)和各控件參數(shù)進行初始化，響應(yīng)用戶操作并根據(jù)實驗原理調(diào)用內(nèi)部算法對參數(shù)進行更新，最后將結(jié)果傳遞出去，這一部分承擔了模型（Model）的主要職責；右側(cè)一列主要負責界面各個控件的顯示，根據(jù)模型返回的數(shù)據(jù)實時調(diào)整機體的姿態(tài)位置、顯示測量結(jié)果，即可將該部分看做視圖（View）；而靠左一列控制著實驗的流程，傳遞著用戶的指令，實現(xiàn)了界面和算法的交互，即扮演著控制器（Controller）的角色。通過上面的劃分，對虛擬實驗平臺進行總體設(shè)計，將整個開發(fā)項目分作界面層、控制層、數(shù)據(jù)層三層，并對開發(fā)小組進行分工，同步對三層進行開發(fā)，界面定制完畢后通過類綁定與控制層、數(shù)據(jù)層進行交互和通信，三者相互協(xié)調(diào)，完成實驗所需的功能。

Figure 3 Aircraft aerodynamic coefficients measurement basic flowchart圖3 全機氣動力系數(shù)測量實驗基本流程圖

5 模塊化控件開發(fā)

在虛擬實驗平臺具體的開發(fā)實現(xiàn)中，選擇Flash作為主體工具，本節(jié)將重點關(guān)注如何利用Flash進行可重用控件的開發(fā)，再將這些控件進行有機組合，并結(jié)合實驗原理通過模塊內(nèi)部的算法來復現(xiàn)實驗現(xiàn)象。

虛擬教學實驗平臺中的不同實驗科目之間有很多相通之處，為降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，在系統(tǒng)設(shè)計時采用了模塊化理念，其主要思想是把實驗中相通的部分看作一個模塊，將它們做成一個或一組影片剪輯（MovieClip）。例如，可將風洞開關(guān)或?qū)嶒炚f明作為一個模塊，設(shè)計實驗場景時只需將它拖入舞臺，根據(jù)需要稍加修改即可。

要實現(xiàn)模塊化，類綁定技術(shù)將大量運用。以往的Flash開發(fā)多將代碼寫在幀上，雖然幀代碼直接、簡單，但代碼分散在不同層、不同影片剪輯的不同幀中，因此代碼不易于維護且?guī)缀鯖]有重用性。要想使一個控件具有較好的可移植性，或者希望一類控件都具有良好的可移植性，就需要使用類綁定降低代碼和影片的耦合度。

以全機氣動力系數(shù)測量實驗中的風洞開關(guān)按鈕為例，這個按鈕上有靜態(tài)文字，以便需要更換按鈕的說明文字時不必對按鈕的每一幀都修改，另外當鼠標在按鈕或文本上時，鼠標均會變成手指的形狀，該按鈕的功能是點擊開啟風洞，同時初始化各項參數(shù)開始實驗。為了實現(xiàn)這些效果和功能，首先將按鈕外觀設(shè)計好，再設(shè)置一個靜態(tài)文本“開啟風洞”轉(zhuǎn)化為影片剪輯并命名為label＿txt，將兩者放在同一個影片剪輯中，將BasicButton.as綁定到該影片剪輯上，BasicButton.as代碼如下：

package｛

import flash.display.＊；

import flash.events.＊；

import flash.text.＊；

public class BasicButton extends MovieClip｛

private var＿lable：String；

private var allButtons：Array；

public function BasicButton（）｛

buttonMode＝true；

label＿txt.mouseEnabled＝false；

this.addEventListener（MouseEvent.CLICK，clickButton）；

function clickButton（evt：MouseEvent）：void｛

Global.windstatus＝true；

var wag：windArrowGroup＝ new windArrowGroup（）；

wag.x＝230；

wag.y＝15；

stage.addChild（wag）；

｝

｝

｝

｝

代碼中windArrowGroup為影片剪輯（MovieClip），它包含一組表示風向的箭頭，并令其為ActionScript導出，從而自動生成默認的類來進行綁定。這樣我們需要批量創(chuàng)建類似的按鈕時，只需要改變靜態(tài)文本和BasicButton.as中的功能代碼即可。比如要實現(xiàn)關(guān)閉風洞的按鈕功能時，只需在庫中復制開啟風洞的 MovieClip，并將新MovieClip的靜態(tài)文本改成“關(guān)閉風洞”，同時將BasicButton.as中addChild換成removeChild，另存為BasicButton2.as并將其綁定在關(guān)閉風洞的MovieClip上即可。這樣進行控件開發(fā)省時省力，更重要的是結(jié)構(gòu)清晰，易于維護和查錯。

利用MVC設(shè)計模式和模塊化思想，能使開發(fā)周期大大縮短，隨著開發(fā)的進行，加入一個新的實驗功能往往只需一到兩天便可實現(xiàn)。

6 容錯系統(tǒng)與代碼維護

6.1 容錯系統(tǒng)與誤操作提示功能

實驗操作者對界面功能不熟悉，在實驗中難免出現(xiàn)流程錯誤或參數(shù)輸入錯誤，因此在本系統(tǒng)中設(shè)置了實驗容錯系統(tǒng)和誤操作提示功能。例如，在雷諾實驗中測定下臨界雷諾數(shù)時，若未將無級調(diào)速器開至最大位置就點擊開始實驗，系統(tǒng)將提示學員首先操作可控無級調(diào)速器。

在翼型表面壓力分布測量實驗時，如果調(diào)節(jié)風洞風速過大，則會提示到達風洞風速上限。這種人性化的提示使實驗過程更加完整，方便學員熟悉實驗流程，具有更強的沉浸感，使虛擬實驗逐漸回歸現(xiàn)實［8］。

6.2 異常處理機制

使用異常處理機制的最主要原因是讓程序更加健壯、更加易于維護。有時，根本不能通過修改代碼來處理異常，原因是有的異?？赡軄碜杂诘谌浇M件或者源碼的缺陷。如果是第三方編譯好的組件，則不能訪問其代碼。如果是源碼，可能由于其結(jié)構(gòu)龐大，缺少詳細文檔，查錯困難，不如在自己的代碼中集中處理這些異常。因此，在本系統(tǒng)的代碼設(shè)計中，碰到異常就盡可能就地解決。如果在當前代碼中無法處理，那么再繼續(xù)拋出，并寫好注釋，方便日后修改和調(diào)試。

異常發(fā)生后，系統(tǒng)將在代碼及使用的第三方工具中，記錄下異常的發(fā)生原因、次數(shù)和發(fā)生場景，生成的錯誤日志對日后的調(diào)試和維護非常重要。同時，注重編程規(guī)范，杜絕使用空代碼處理異常的現(xiàn)象［5，9］。

7 結(jié)束語

本文在對空氣動力學的理論研究和實驗研究的基礎(chǔ)上，采用MVC設(shè)計模式站在全局規(guī)劃的高度，利用模塊化思想構(gòu)建了界面友好實時交互的網(wǎng)絡(luò)化空氣動力學虛擬實驗室。該系統(tǒng)的設(shè)計思路更加清晰，可操作性強，便于多人分工協(xié)作，注重代碼的重用性和健壯性，方便了系統(tǒng)功能的拓展和維護，并為接下來進行的虛擬現(xiàn)實項目打下了基礎(chǔ)。

通過學生對該虛擬實驗平臺的使用，對比仿真實驗的模擬結(jié)果與真實實驗結(jié)果可以看到，虛擬實驗平臺能夠獲得較準確合理的結(jié)果。而在Linux服務(wù)器上，該平臺亦能穩(wěn)定運行。本文設(shè)計的空氣動力學虛擬實驗平臺更加人性化，操作簡便，功能較全面，跨平臺、跨操作系統(tǒng)的能力強，可適用多種網(wǎng)絡(luò)交互客戶端。同時，系統(tǒng)虛擬的實驗過程完整，更具沉浸性，使虛擬實驗逐漸回歸現(xiàn)實，并可以利用Flash的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢輕松實現(xiàn)在線互動。使用者通過模擬過程，可達到熟悉實驗儀器和裝置、掌握實驗操作過程的目的，能夠滿足儀器操作培訓、實驗教學的網(wǎng)絡(luò)學習等方面的需要。

憑借其獨有的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，虛擬儀器和虛擬實驗室將成為今后實驗室建設(shè)的研究重點并具有廣闊的發(fā)展前景。在下一步的工作中，將進一步深入研究加入語音的實時交互與更多線上交互功能，未來的方向主要是實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實儀器協(xié)同化、同步化，真正建立起立體化全時空的網(wǎng)絡(luò)三維仿真虛擬實驗室。

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