一種基于異構(gòu)資源集成的算法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究及其實(shí)現(xiàn)

杜鎮(zhèn)，盛羽，彭悅，陳天賜

(中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

在信息類(lèi)課程中存在很多算法設(shè)計(jì)類(lèi)課程，如數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)字圖像處理，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)不同方法學(xué)習(xí)掌握相應(yīng)算法的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法，其中，實(shí)驗(yàn)是這些課程學(xué)習(xí)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所學(xué)的算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)、改進(jìn)和重新設(shè)計(jì)，并對(duì)算法的處理效果進(jìn)行分析和比較，從而有效地加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。目前，信息類(lèi)課程中的算法設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)2 種方式進(jìn)行：(1) 學(xué)生使用一種編程語(yǔ)言，如C，C++，Java 和匯編語(yǔ)言等，對(duì)在課程中所學(xué)習(xí)到的算法予以實(shí)現(xiàn)、改進(jìn)和設(shè)計(jì)。這種方法使用靈活，與所學(xué)知識(shí)結(jié)合緊密，但是，學(xué)生使用這種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前往往需要首先搭建復(fù)雜的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，特別是當(dāng)需要對(duì)第三方軟件(如Matlab)進(jìn)行調(diào)用時(shí)，這種設(shè)置過(guò)程將變得更加復(fù)雜，而這將導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中難以將精力集中于算法設(shè)計(jì)。同時(shí)，在這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，學(xué)生往往難以對(duì)其設(shè)計(jì)的算法的正確性和效果進(jìn)行測(cè)試和分析。(2) 使用Multisim 和LabVIEW 等軟件進(jìn)行模擬仿真[1]。借助這些軟件，學(xué)生可以在一定程度上擺脫繁瑣的工程計(jì)算，將更多精力投入到基本概念的理解中。但是，這種方式只局限于在實(shí)驗(yàn)室中的計(jì)算機(jī)上使用，而且這種方法對(duì)學(xué)生的編程語(yǔ)言有很大限制。虛擬實(shí)驗(yàn)室是指借助于計(jì)算機(jī)軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所建立的一個(gè)可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量研究，如：Yaron等[2]建立了一個(gè)在線(xiàn)的普通化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以自由選取虛擬實(shí)驗(yàn)室中的化學(xué)儀器和試劑進(jìn)行組合配置以進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)；Bal 等[3]使用LabView 作為用戶(hù)操作界面，通過(guò)Matlab&Simulink 實(shí)現(xiàn)對(duì)Matlab 的調(diào)用，建立了一個(gè)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)室；Olabarriaga 等[4]基于荷蘭的網(wǎng)格計(jì)算平臺(tái)并利用MOTEUR 數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送，建立了醫(yī)學(xué)圖像分析虛擬實(shí)驗(yàn)室；Schaffer 等[5]基于HP 集群服務(wù)器建立了虛擬計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，用戶(hù)可以通過(guò)RDP協(xié)議或SSH 協(xié)議獲取所需的虛擬機(jī)資源完成計(jì)算工作；Gustavsson 等[6]利用網(wǎng)格技術(shù)建立了一個(gè)連接多臺(tái)硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備的電子與機(jī)械震動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室，使多個(gè)學(xué)生可以同時(shí)使用后臺(tái)硬件設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；Kumar等[7]建立了一個(gè)基于Internet 的心電圖設(shè)備及數(shù)據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生可以遠(yuǎn)程使用心電圖設(shè)備或者數(shù)據(jù)以輔助學(xué)習(xí)；Araiza-Esquivel 等[8]建立的數(shù)字化全息照相技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于課堂及遠(yuǎn)程教學(xué)，學(xué)生可以在系統(tǒng)中對(duì)二進(jìn)制全息圖進(jìn)行創(chuàng)建、刪減和放大等操作。Li[9]建立了一種基于虛擬機(jī)的分布式入侵檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)不同虛擬機(jī)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行了比較分析。 Li 等[10]從虛擬實(shí)驗(yàn)室的理論基礎(chǔ)、框架和特點(diǎn)幾個(gè)方面介紹了中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其理論基礎(chǔ)是受行為主義、認(rèn)知主義和建構(gòu)主義的啟發(fā)，其框架面向于群組實(shí)驗(yàn)和指導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)，包括提供了電子、光學(xué)和滑輪組幾個(gè)實(shí)驗(yàn)類(lèi)型。本文作者所在課題組[11-14]也基于Java Applet 技術(shù)建立了計(jì)算機(jī)組成原理、數(shù)字圖像處理和匯編語(yǔ)言等課程的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。這些虛擬實(shí)驗(yàn)室有著各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但也普遍存在一些不足，如：它們大部分采用基于組件的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，利用一種編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，普遍缺乏對(duì)異構(gòu)資源的支持，不熟悉該語(yǔ)言則無(wú)法開(kāi)發(fā)組件，并且很多成熟的異構(gòu)資源也不能集成到平臺(tái)之中，無(wú)法重用這些軟件資源；利用CORBA 和DOM 技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)對(duì)象的通信，但是，它們基于特定的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，而且不能跨越防火墻，具有很大的局限性。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出一種面向異構(gòu)資源集成的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)利用Web 服務(wù)技術(shù)，將異構(gòu)組件發(fā)布為Web 服務(wù)組件。Web 服務(wù)組件是一種分布式組件，它具有語(yǔ)言獨(dú)立性、高度可集成性、松散耦合和使用協(xié)議普遍等特點(diǎn)[15]，因此，平臺(tái)可以集成異構(gòu)組件，實(shí)現(xiàn)組件的重用；并且平臺(tái)支持用戶(hù)利用自己熟悉的語(yǔ)言自主開(kāi)發(fā)組件，平臺(tái)會(huì)將它們自動(dòng)注冊(cè)為Web 服務(wù)組件，集成到平臺(tái)中，提高用戶(hù)的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。利用Web 服務(wù)技術(shù)通過(guò)重用異構(gòu)組件和用戶(hù)自主設(shè)計(jì)組件，可以迅速組裝具有高度可重用性、可維護(hù)性和個(gè)性化的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)分析，本文采用Java 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能，采用JavaBean 技術(shù)開(kāi)發(fā)同構(gòu)的JavaBean 組件，采用Web 服務(wù)技術(shù)對(duì)異構(gòu)組件進(jìn)行封裝，開(kāi)發(fā)Web服務(wù)組件。其架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Architecture design of virtual laboratory platform

JavaBean 組件在客戶(hù)端運(yùn)行，具有較高的運(yùn)行效率，主要用于實(shí)現(xiàn)獲取用戶(hù)及系統(tǒng)的輸入以及在客戶(hù)端顯示實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果等功能；Web 服務(wù)組件主要用于封裝異構(gòu)資源，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源的重用。在此基礎(chǔ)上，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用B/S 架構(gòu)模式，由Applet 客戶(hù)端、Web 服務(wù)器端和分布式Web 服務(wù)資源3 部分組成。

Java Applet 客戶(hù)端為用戶(hù)提供圖形化的操作界面，用戶(hù)通過(guò)它與平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器直接訪(fǎng)問(wèn)客戶(hù)端，從而屏蔽了不同操作系統(tǒng)之間的差異，具有良好的跨平臺(tái)性?？蛻?hù)端開(kāi)始運(yùn)行后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)注冊(cè)中心請(qǐng)求所有虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的描述信息，并利用獲取的描述信息動(dòng)態(tài)地更新平臺(tái)的組件信息列表。在平臺(tái)中，用戶(hù)可以通過(guò)鼠標(biāo)拖拽創(chuàng)建虛擬儀器，并添加虛擬儀器之間的連接線(xiàn)，定制個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)流程。當(dāng)用戶(hù)選中虛擬儀器時(shí)，可以在組件參數(shù)配置面板中設(shè)置或修改其參數(shù)內(nèi)容，并且可以在組件說(shuō)明面板中查看虛擬儀器所對(duì)應(yīng)組件的描述說(shuō)明信息，以增強(qiáng)對(duì)組件的理解。在搭建實(shí)驗(yàn)流程、設(shè)置虛擬儀器的參數(shù)內(nèi)容之后，用戶(hù)就可以開(kāi)始執(zhí)行實(shí)驗(yàn)并查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。平臺(tái)還為用戶(hù)提供了保存實(shí)驗(yàn)、裝載實(shí)驗(yàn)、新建實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)典實(shí)驗(yàn)等功能。更為重要的是，平臺(tái)為用戶(hù)提供了多種Web 服務(wù)發(fā)布接口，用戶(hù)可以提交自己設(shè)計(jì)的算法的源代碼，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)將其發(fā)布為Web 服務(wù)，并與當(dāng)前平臺(tái)集成，供用戶(hù)使用?？蛻?hù)端直接關(guān)系到用戶(hù)的操作體驗(yàn)，是平臺(tái)中非常重要的內(nèi)容。

Web 服務(wù)器端為用戶(hù)提供Java Applet 應(yīng)用程序、配置文件以及其他一些資源，其中還包括服務(wù)注冊(cè)中心和服務(wù)發(fā)布引擎。當(dāng)用戶(hù)通過(guò)瀏覽器登錄客戶(hù)端時(shí)，就會(huì)從服務(wù)器端獲取Applet 應(yīng)用程序和平臺(tái)支持文件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的訪(fǎng)問(wèn)。服務(wù)器端的服務(wù)注冊(cè)中心保存了JavaBean 組件和Web 服務(wù)組件的描述信息，其中主要包括組件的分類(lèi)信息、訪(fǎng)問(wèn)地址信息、調(diào)用接口信息和組件說(shuō)明信息等?？蛻?hù)端啟動(dòng)時(shí)，將向服務(wù)注冊(cè)中心查詢(xún)組件信息，從而更新自己的組件信息列表。服務(wù)發(fā)布引擎為用戶(hù)提供Web 服務(wù)發(fā)布的功能，當(dāng)用戶(hù)通過(guò)客戶(hù)端提交算法實(shí)現(xiàn)的源碼時(shí)，服務(wù)發(fā)布引擎根據(jù)用戶(hù)提交源代碼的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的類(lèi)型，自動(dòng)將其發(fā)布為Web 服務(wù)，并將該Web 服務(wù)的描述信息注冊(cè)到服務(wù)注冊(cè)中心，同時(shí)返回給客戶(hù)端，以便客戶(hù)端更新組件信息列表，實(shí)現(xiàn)組件的即時(shí)發(fā)布。

Web 服務(wù)資源層主要包括Web 服務(wù)組件庫(kù)、JavaBean 組件庫(kù)和經(jīng)典實(shí)驗(yàn)庫(kù)等。Web 服務(wù)組件庫(kù)是大量Web 服務(wù)的集合，它可以位于不同的服務(wù)器上，減輕單一服務(wù)器的負(fù)載壓力。Web 服務(wù)組件是各種異構(gòu)組件的服務(wù)化封裝，JavaBean 組件是Java 類(lèi)的組件化封裝。為了方便用戶(hù)的使用，本文采用一種可視化機(jī)制，對(duì)Web 服務(wù)組件和JavaBean 組件進(jìn)行處理，將它們映射為可視化的虛擬儀器，如圖2 所示。經(jīng)典實(shí)驗(yàn)庫(kù)為用戶(hù)提供了課程中所包含的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)集合，方便用戶(hù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用J2EE 體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，具有良好的穩(wěn)定性、可移植性和跨平臺(tái)性。利用Web 服務(wù)技術(shù)，提高了平臺(tái)的可重用性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性以及個(gè)性化。

圖2 服務(wù)及組件的可視化機(jī)制Fig.2 Visualization mechanism of services and components

2 平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 異構(gòu)資源的Web 服務(wù)化封裝

Web 服務(wù)技術(shù)通過(guò)Internet 和SOAP 協(xié)議進(jìn)行通信，具有很強(qiáng)的可移植性和互操作性。它向外界提供服務(wù)和資源的接口，而不涉及其內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)方式，屏蔽了異構(gòu)系統(tǒng)之間的區(qū)別，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)異構(gòu)資源的封裝和調(diào)用。

學(xué)生在進(jìn)行算法類(lèi)課程實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)用到多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)工具，如OpenCV，C/C++，Java 和MATLAB 等。為了實(shí)現(xiàn)這些異構(gòu)組件之間的通信，平臺(tái)利用Web 服務(wù)技術(shù)將它們統(tǒng)一封裝為Web 服務(wù)，組成Web 服務(wù)組件庫(kù)。Web 服務(wù)技術(shù)作為Web 服務(wù)發(fā)布和調(diào)用的規(guī)范，有效地解決了異構(gòu)組件之間的互操作問(wèn)題。為了進(jìn)一步了解異構(gòu)組件的服務(wù)化封裝機(jī)制，本文以MATLAB 組件為例說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)異構(gòu)資源自動(dòng)封裝發(fā)布的過(guò)程。

MATLAB 是一套科學(xué)計(jì)算軟件，具有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力，很強(qiáng)的圖形繪制與處理能力，并且擁有應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱。但是，它局限于自己的運(yùn)行環(huán)境，而不便于集成到其他應(yīng)用程序中。將MATLAB 組件封裝為Web 服務(wù)，有效地解決了這一問(wèn)題。MATLAB 作為后臺(tái)服務(wù)器和服務(wù)提供者，可向服務(wù)請(qǐng)求者提供強(qiáng)大的功能支持，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MATLAB功能組件的軟件重用。由于目前還沒(méi)有直接將MATLAB 組件發(fā)布為Web 服務(wù)的方法，所以，需要利用MATLAB 與高級(jí)編程語(yǔ)言的接口，以高級(jí)編程語(yǔ)言作為橋梁，幫助實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化。比較通用的就是利用C/C++作為中間橋梁來(lái)實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化，本文也采用這種方式。

MATLAB 與C/C++的接口有3 種形式：MEX 文件、MAT 文件應(yīng)用程序和引擎應(yīng)用程序。為方便對(duì)MATLAB 組件封裝，本文采用引擎應(yīng)用程序模式，實(shí)現(xiàn)C/C++與MATLAB 的混合編程。引擎應(yīng)用程序?qū)嵸|(zhì)上是把MATLAB 作為一個(gè)后臺(tái)引擎，并允許C/C++程序通過(guò)引擎接口，從后臺(tái)啟動(dòng)這個(gè)引擎，并利用引擎庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)MATLAB 的調(diào)用。常用的引擎庫(kù)函數(shù)有：engOpen，用于開(kāi)啟MATLAB 引擎；engClose，用于關(guān)閉MATLAB 引擎；engPutVariable，用于給MATLAB 引擎?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)；engGetVariable，用于從MATLAB 引擎獲取數(shù)據(jù)；engEvalString，用于對(duì)MATLAB 語(yǔ)句的調(diào)用執(zhí)行。MATLAB 和C/C++數(shù)據(jù)類(lèi)型不同，為實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)傳遞，MATLAB 提供了一個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型mxArray，用以在C/C++程序中表示 MATLAB 數(shù)據(jù)，并提供了 mxCreateXXX 和mxDestroyArray 函數(shù)，在C/C++程序中實(shí)現(xiàn)mxArray類(lèi)型數(shù)據(jù)的創(chuàng)建和刪除。通過(guò)MATLAB 與C/C++的編程接口，將MATLAB 組件封裝為一個(gè)C/C++組件，然后，利用C/C++組件的服務(wù)發(fā)布方法，將MATLAB組件發(fā)布為Web 服務(wù)。

本文采用gSoap 作為C/C++組件的SOAP 運(yùn)行環(huán)境，將C/C++與MATLAB 混合編程的組件發(fā)布為Web服務(wù)。其服務(wù)發(fā)布過(guò)程如下：首先，創(chuàng)建一個(gè)C/C++的H 頭文件，在其中設(shè)置服務(wù)名稱(chēng)、服務(wù)調(diào)用方式、服務(wù)編碼方式以及服務(wù)命名空間等信息；然后，提取C/C++組件中方法的函數(shù)聲明，并將其按照gSoap 要求的格式，保存在該頭文件中，假設(shè)頭文件的名稱(chēng)為ws.h；利用gSoap 提供的工具soapcpp2，并以ws.h 文件作為參數(shù)，生成服務(wù)發(fā)布需要的支持文件，主要有soapC.cpp，soapH.h，soapServer.cpp，soapStub.h，soapObject.h 和ws.nsmap，還需要對(duì)C/C++組件按照gSoap 的要求進(jìn)行改裝；最后，將C/C++組件和服務(wù)發(fā)布支持文件利用C/C++編譯器進(jìn)行編譯，生成CGI文件，再將該CGI 文件配置到Tomcat 服務(wù)器，即完成了服務(wù)的發(fā)布工作。服務(wù)請(qǐng)求者便可以通過(guò)CGI 方式訪(fǎng)問(wèn)該Web 服務(wù)，調(diào)用MATLAB 提供的強(qiáng)大功能。為實(shí)現(xiàn)MATLAB 組件的自動(dòng)化發(fā)布，需要用戶(hù)提供MATLAB 組件中方法的C/C++類(lèi)型的聲明，平臺(tái)可以利用此聲明，自動(dòng)化地生成ws.h 文件和對(duì)MATLAB組件進(jìn)行封裝的C/C++組件文件。然后，調(diào)用soapcpp2工具，生成服務(wù)發(fā)布需要的支持文件。平臺(tái)采用Makefile 技術(shù)，將支持文件與C/C++組件文件組成一個(gè)編譯項(xiàng)目，并對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)化編譯，生成CGI文件，實(shí)現(xiàn)MATLAB 組件的自動(dòng)化服務(wù)發(fā)布。例如，對(duì)于用戶(hù)提交的函數(shù)Complex[] fft(double sig[], int size)，經(jīng)過(guò)包裝后形成的代碼部分為：

由于MATLAB 語(yǔ)言是一種解釋性語(yǔ)言，對(duì)于變量的類(lèi)型是沒(méi)有明確定義的，例如函數(shù)fft_sig(sig)中的變量sig 既可以是復(fù)數(shù)，也可以是實(shí)數(shù)，它是根據(jù)用戶(hù)輸入的數(shù)據(jù)來(lái)判斷類(lèi)型的。由于C/C++是強(qiáng)制類(lèi)型語(yǔ)言，因此，在M 文件 (MATLAB 語(yǔ)言編寫(xiě)的腳本文件)注冊(cè)時(shí)，必須指定M 函數(shù)中各種變量的具體類(lèi)型，客戶(hù)端向服務(wù)端傳遞了4 種不同功能的參數(shù)類(lèi)型：輸入?yún)?shù)類(lèi)型、輸出參數(shù)類(lèi)型、返回參數(shù)類(lèi)型和執(zhí)行類(lèi)型。根據(jù)面向?qū)ο缶幊痰乃枷?，設(shè)計(jì)了一個(gè)抽象的Type 類(lèi)，該類(lèi)記錄了名字、類(lèi)型類(lèi)別和輸出緩沖空間等信息，利用Java 的List 構(gòu)成鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。擁有一個(gè)抽象的方法write( )，子類(lèi)通過(guò)實(shí)現(xiàn)該方法來(lái)實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型代碼的自動(dòng)生成。

最終代碼自動(dòng)生成的關(guān)鍵代碼如下：

通過(guò)解析M 文件注冊(cè)的XML 配置文檔，利用基于反射的簡(jiǎn)單工廠模式生成不同的Type 實(shí)例，在其初始化的過(guò)程便調(diào)用write 方法完成了相應(yīng)代碼的生成。

2.2 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的調(diào)度機(jī)制

在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)客戶(hù)端中，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，選擇虛擬實(shí)驗(yàn)儀器組件通過(guò)連線(xiàn)的方式建立組建之間的數(shù)據(jù)通路。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)流程中，各種虛擬一起組件之間通過(guò)連線(xiàn)形成了一個(gè)有機(jī)整體。由于組件之間的連接關(guān)系非常復(fù)雜，為了保證實(shí)驗(yàn)有序、順利、高效地執(zhí)行，需要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行調(diào)度機(jī)制。

實(shí)驗(yàn)流程在視覺(jué)上給用戶(hù)的展示就是多個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間通過(guò)連線(xiàn)連接起來(lái)，宏觀上就是1 個(gè)圖。每個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以抽象為圖結(jié)構(gòu)中的1 個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 個(gè)引腳之間的連線(xiàn)可以抽象為1 條有向邊。在這個(gè)有向圖中，對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，只有其所有的父節(jié)點(diǎn)執(zhí)行完畢，并將數(shù)據(jù)傳遞給它，才能執(zhí)行。因此，實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行順序就是按照?qǐng)D的拓?fù)渑判蚝蟮捻樞騺?lái)執(zhí)行的。

第1 種實(shí)驗(yàn)調(diào)度流程就是按照拓?fù)鋱D的結(jié)構(gòu)從上級(jí)到下級(jí)依次執(zhí)行每個(gè)實(shí)驗(yàn)組件，這個(gè)調(diào)度流程簡(jiǎn)單明了，但存在一定缺陷。Web 服務(wù)組件在調(diào)用時(shí)需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，假設(shè)A 和B 是2 個(gè)Web 服務(wù)組件，且A 是B 的父節(jié)點(diǎn)，C 和D 分別為A 和B 這2個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的服務(wù)端的Web 服務(wù)。按照這種調(diào)度流程，執(zhí)行過(guò)程如下：A 根據(jù)服務(wù)的接口信息和參數(shù)內(nèi)容向C 發(fā)送SOAP 請(qǐng)求數(shù)據(jù)，C 處理完畢后向A 回發(fā)SOAP 響應(yīng)數(shù)據(jù)；A 將數(shù)據(jù)傳遞給B，B 同樣根據(jù)服務(wù)的接口信息和參數(shù)內(nèi)容向D 發(fā)送SOAP 請(qǐng)求數(shù)據(jù)，D 處理完畢后向B 回發(fā)SOAP 響應(yīng)數(shù)據(jù)。在整個(gè)過(guò)程中，客戶(hù)端與服務(wù)器存在4 次數(shù)據(jù)傳輸，但經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析后，4 次數(shù)據(jù)傳輸可以減少為2 次數(shù)據(jù)傳輸?？梢詫 和B 看作為1 個(gè)Web 服務(wù)組合組件，客戶(hù)端請(qǐng)求執(zhí)行Web 服務(wù)組合組件，將執(zhí)行信息發(fā)送給服務(wù)端，服務(wù)端接收到請(qǐng)求后，依次執(zhí)行A 和B 這2 個(gè)Web 服務(wù)組件，然后，將結(jié)果返回給客戶(hù)端，這樣，可以將原有的4 次數(shù)據(jù)交換減少為2 次數(shù)據(jù)交換。顯然，若相互關(guān)聯(lián)的Web 服務(wù)組件越多，則節(jié)省的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送次數(shù)就越多。為此，本文提出了一種基于Web 服務(wù)組件組合優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)調(diào)度流程，它可以在存在多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的Web 服務(wù)組件的情況下，減少網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)交換次數(shù)，提升實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行效率。

基于Web 服務(wù)組件組合優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)調(diào)度流程的執(zhí)行步驟如下。

步驟1 檢查實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D是否為空，若為空，則實(shí)驗(yàn)執(zhí)行流程結(jié)束。

步驟2 按照拓?fù)漤樞?，從?shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D中取出實(shí)驗(yàn)組件，判斷實(shí)驗(yàn)組件的類(lèi)型。若組件類(lèi)型為Web 服務(wù)組件，則繼續(xù)執(zhí)行步驟1；若組件類(lèi)型為本地組件，則轉(zhuǎn)入步驟3。

步驟3 判斷本地組件是否有前驅(qū)，若存在前驅(qū)，則轉(zhuǎn)入步驟4；否則，執(zhí)行本地組件，從實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D中刪除該節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)入步驟1。

步驟4 將本地組件的所有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)取出來(lái)，行成1 個(gè)待執(zhí)行的Web 服務(wù)組件列表，并從實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D中刪除這些前驅(qū)節(jié)點(diǎn)。

步驟5 根據(jù)步驟4 中的Web 服務(wù)組件列表構(gòu)建發(fā)往服務(wù)器的節(jié)點(diǎn)列表，將列表發(fā)往服務(wù)器；

步驟6 根據(jù)服務(wù)器執(zhí)行的返回結(jié)果獲取本地組件需要的參數(shù)執(zhí)行本地組件，并將該節(jié)點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D中刪除，轉(zhuǎn)入步驟1。

通過(guò)步驟2 和3 可以保證實(shí)驗(yàn)流程圖中連續(xù)的Web 服務(wù)組件一起打包發(fā)往服務(wù)器上執(zhí)行，原先的2N次數(shù)據(jù)傳輸(N 是連續(xù)Web 服務(wù)組件的個(gè)數(shù))降為2 次數(shù)據(jù)傳輸。圖3 所示為試驗(yàn)運(yùn)行調(diào)度流程圖。

本實(shí)驗(yàn)調(diào)度流程的正確執(zhí)行程度主要取決于步驟4 中的構(gòu)建的發(fā)往服務(wù)器的節(jié)點(diǎn)列表。該列表不僅需記錄組件的執(zhí)行順序，而且攜帶組件執(zhí)行所需的參數(shù)。本文采用XML 文檔構(gòu)造此節(jié)點(diǎn)列表。構(gòu)造XML 文檔時(shí)，用1 對(duì)描述1 個(gè)Web 服務(wù)組件的執(zhí)行信息。method 元素包括4 個(gè)屬性：serviceurl，nameSpace，methodName 和id。其中：serviceurl 記錄Web 服務(wù)的地址；nameSpace 記錄Web 服務(wù)模式名字空間；methodName 記錄Web 服務(wù)的接口名；id 是按升序生成的序列值，用來(lái)唯一標(biāo)識(shí)每個(gè)Web 服務(wù)組件。method 元素下面有2 種類(lèi)型子元素：param 和ret。param 用于表示參數(shù)方面的信息，它有一個(gè)固定的屬性type，用于表示參數(shù)的類(lèi)型。若這個(gè)參數(shù)的內(nèi)容是依賴(lài)于其他Web 服務(wù)組件執(zhí)行的返回值，則會(huì)有另外一個(gè)屬性pid，用來(lái)表示所依賴(lài)的組件的id。否則，元素param 的內(nèi)容就是參數(shù)內(nèi)容字符形式。ret 用于表示W(wǎng)eb 服務(wù)組件的返回類(lèi)型。該文檔中所有method標(biāo)簽對(duì)都是按照Web 服務(wù)組件的執(zhí)行順序排列的。服務(wù)器為了保證這些Web 服務(wù)組件的執(zhí)行，需要建立一個(gè)Hash 表，其鍵值是Web 服務(wù)組件的id，映射的值就是Web 服務(wù)組件執(zhí)行的結(jié)果。服務(wù)器根據(jù)接收到的節(jié)點(diǎn)列表，依次解析出其中的每個(gè)method 元素，若其參數(shù)值是依賴(lài)于其他組件，就根據(jù)其依賴(lài)的pid 值到Hash 表找到對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，然后執(zhí)行組件，執(zhí)行完后將結(jié)果寫(xiě)入到Hash 表中。所有的Web 服務(wù)組件執(zhí)行完后，將執(zhí)行結(jié)果以XML 格式返回給客戶(hù)端，這樣就完成多個(gè)Web 服務(wù)組件的執(zhí)行。另外，為了減少執(zhí)行過(guò)程中的流量，本文對(duì)調(diào)度中傳遞的XML 文檔采用7Z 技術(shù)進(jìn)行壓縮。

圖3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行調(diào)度流程圖Fig.3 Flow chart of experimental running

3 平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

數(shù)字信號(hào)處理是一門(mén)內(nèi)容十分抽象、公式繁多以及理論性很強(qiáng)的課程，單純的理論教學(xué)容易使學(xué)生感到枯燥乏味，喪失學(xué)習(xí)興趣，不利于學(xué)生對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以跳出對(duì)理論的單一理解；通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，又可以激勵(lì)學(xué)生對(duì)理論的進(jìn)一步學(xué)習(xí)。這種理論-實(shí)驗(yàn)的良性循環(huán)有利于學(xué)生學(xué)習(xí)這門(mén)課程。而在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街?，學(xué)生需要安裝相應(yīng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境特別是需要安裝Matlab 軟件才能完成實(shí)驗(yàn)，其過(guò)程比較復(fù)雜，且學(xué)生對(duì)其所實(shí)現(xiàn)的算法也難以進(jìn)行性能和處理效果的比較分析。依托面向虛擬異構(gòu)資源集成的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，所開(kāi)發(fā)的數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)則可以為學(xué)生提供一個(gè)操作簡(jiǎn)單，能靈活定義實(shí)驗(yàn)流程并能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

本文以數(shù)字信號(hào)處理課程中的巴特沃斯低通濾波實(shí)驗(yàn)為例說(shuō)明虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)流程的搭建和運(yùn)行。其具體步驟如下。

首先，選擇實(shí)驗(yàn)所需的各種實(shí)驗(yàn)組件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求，從信號(hào)源分類(lèi)組件庫(kù)中選取2 個(gè)余弦波發(fā)生器，從信號(hào)處理組件庫(kù)中選取信號(hào)濾波器(FIR)、巴特低通濾波系數(shù)產(chǎn)生器和FIR 頻率響應(yīng)器，同時(shí)，根據(jù)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果需求，從圖形展示組件庫(kù)中選取若干圖形展示組件。其中，巴特低通濾波系數(shù)產(chǎn)生器是Web服務(wù)組件，其他的是Java 組件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程，為組件之間搭線(xiàn)。圖4 所示為實(shí)驗(yàn)搭建后的流程圖。

圖4 巴特沃斯低通濾波實(shí)驗(yàn)Fig.4 Experiment of Butterworth LPF

然后，設(shè)置實(shí)驗(yàn)組件參數(shù)。完成實(shí)驗(yàn)流程的搭建后，還需對(duì)組件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。用鼠標(biāo)左鍵單擊設(shè)計(jì)面板中的1 個(gè)實(shí)驗(yàn)組件，右邊的參數(shù)編輯窗口就會(huì)自動(dòng)裝載組件的參數(shù)內(nèi)容，單擊相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行編輯。對(duì)1 個(gè)余弦波發(fā)生器組件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表1 所示。由表1 可知：余弦波的頻率被設(shè)為16，采樣頻率設(shè)為64 次，相位設(shè)為0 V。

表1 配置組件參數(shù)表Table 1 Parameters of component configuration

最后，執(zhí)行實(shí)驗(yàn)流程。實(shí)驗(yàn)執(zhí)行完畢后，單擊結(jié)果展示面板組件會(huì)彈出實(shí)驗(yàn)結(jié)果窗口。輸出面板是將1 個(gè)實(shí)數(shù)數(shù)組用X-Y 坐標(biāo)系的方式展示出來(lái)。它首先遍歷收到的數(shù)組，獲取到最大值和最小值，通過(guò)最大值和最小值的差值得到圖像展示區(qū)的相對(duì)高度H，以數(shù)組的長(zhǎng)度作為圖像展示區(qū)的相對(duì)長(zhǎng)度L。根據(jù)實(shí)際可用于顯示的區(qū)間，假設(shè)其高度為H1，寬度為L(zhǎng)1，則映射到數(shù)組序列中的單位高度為H1/H，單位長(zhǎng)度L1/L，以圖像展示區(qū)的左下角作為X-Y 坐標(biāo)系的原點(diǎn)，將數(shù)組的每個(gè)元素布局在面板上。圖5(a)和5(b)所示為2個(gè)輸入信號(hào)的波形，圖5(c)所示為2 個(gè)輸入信號(hào)混合疊加后的信號(hào)波形，圖5(d)所示為經(jīng)過(guò)巴特沃斯低通濾波之后形成的波形。從實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果可知：可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)輸出面板很直觀地看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并可實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行對(duì)比。

圖5 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果Fig.5 Experiment results

從搭建實(shí)驗(yàn)到完成實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相比，用戶(hù)可以通過(guò)基于異構(gòu)資源集成的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將OpenCV 組件和Matlab 組件等自己熟悉的語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的組件集成到當(dāng)前平臺(tái)中，更能提高用戶(hù)的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力；通過(guò)異構(gòu)組件發(fā)布的方式能為用戶(hù)提供豐富的Web 服務(wù)組件，為用戶(hù)實(shí)驗(yàn)提供極大方便，提高了組建的重用度；而且平臺(tái)簡(jiǎn)單易用，具有良好的互操作性、維護(hù)性、擴(kuò)展性和重用性，為其他虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)提供了重要參考。

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)信息類(lèi)課程中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街兴惴?lèi)型實(shí)驗(yàn)所存在的問(wèn)題，提出了一種面向異構(gòu)資源集成的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

(2) 以數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例說(shuō)明了該平臺(tái)的應(yīng)用方法和使用效果。

(3) 該平臺(tái)能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)簡(jiǎn)單易用的算法類(lèi)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生在無(wú)需配置復(fù)雜開(kāi)發(fā)環(huán)境下能夠集成異構(gòu)實(shí)驗(yàn)資源對(duì)自己所設(shè)計(jì)算法進(jìn)行正確性檢測(cè)和性能分析。

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