一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理模式研究

曹利

摘 要：計(jì)算機(jī)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是學(xué)生教育的重要環(huán)節(jié)，因此許多高職院校都成立了專業(yè)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)組成原理、操作系統(tǒng)等多門課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)。由于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備多，使用對(duì)象也比較復(fù)雜，因此傳統(tǒng)的人工管理模式已經(jīng)不適用，文章在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的3D建模，將所有的設(shè)備、人員信息錄入到系統(tǒng)中，該系統(tǒng)不僅能夠通過電腦登錄，還可以通過智能手機(jī)登錄，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、人員、課程等信息加工和處理，具有重要的作用和意義。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；實(shí)驗(yàn)室；人機(jī)交互；3D建模

中圖分類號(hào)：G647 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）07-0132-03

Abstract： The computer is a very practical course， and the experiment teaching is an important link of the education of students in higher vocational colleges， so many higher vocational schoolshave set up a professional computer lab， computer network system， whichcan realize the principle， operating system and other experimental courses teaching. Because the computer laboratory equipmentis so many and the use of the object is so complex that the traditional manual management mode is not suitable.This paper introduced the virtual reality technology in computer lab management， and implemented 3D model of hardware， which can input all the equipment， personnel information into the system，and the system can not only login through the computer， but also login through the intelligent mobile phone，processing the information of laboratory equipment， personnel and courses， and it plays an important role and significance.

Keywords： virtual reality； laboratory； human-computer interaction； 3D modeling

一、概述

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高職院校的一項(xiàng)重要工作，其可以有力支撐理論教學(xué)，培養(yǎng)實(shí)踐型、創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要場(chǎng)所，其擁有的設(shè)備不僅包括顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、主機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)、路由器等，同時(shí)還包括各類型的教學(xué)輔助設(shè)備，比如液晶電視墻、電腦桌、電腦椅等，這些設(shè)備數(shù)量多、種類復(fù)雜，使用對(duì)象也很多，管理起來非常復(fù)雜和困難[1]。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)踐型人才的培養(yǎng)場(chǎng)所，其不僅是現(xiàn)代化信息技術(shù)的重要體現(xiàn)，同時(shí)還滲透了許多先進(jìn)的管理方法和理念，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室管理手段的不斷豐富和變革。

本文為了提高計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理的效率，構(gòu)建一個(gè)開放的、共享的、自動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，引入了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，該技術(shù)能夠利用3D建模、人機(jī)交互、機(jī)器學(xué)習(xí)、云計(jì)算等建立一個(gè)并發(fā)性的管理系統(tǒng)，錄入計(jì)算機(jī)設(shè)備信息，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的使用人數(shù)、時(shí)間、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種集成多媒體、人機(jī)交互、設(shè)備建模的信息技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、圖像處理，是計(jì)算機(jī)發(fā)展到一定階段的高科技產(chǎn)物。虛擬現(xiàn)實(shí)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤用戶手勢(shì)，感知用戶的邏輯業(yè)務(wù)操作，然后生成一個(gè)虛擬的、沉浸的操作環(huán)境，整合多種信息技術(shù)，將其輸出到視頻顯示器中，同時(shí)可以配合語音輸出到播放器，具有重要的作用。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到普及，比如可以應(yīng)用到古跡文物保護(hù)、工業(yè)制造裝配、娛樂游戲、旅游展覽、飛行訓(xùn)練，形成了一個(gè)強(qiáng)大的科研教學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)、精工制造平臺(tái)[2]。我國作為一個(gè)強(qiáng)大的歷史古國，文化古跡眾多，利用虛擬現(xiàn)實(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)文化古跡的復(fù)原，把數(shù)字化的虛擬影像提供給參觀者，不僅可以使其清晰地看到文字解說，同時(shí)還可以重構(gòu)古跡文物。工業(yè)制造裝配流程復(fù)雜，如果采用傳統(tǒng)的模式將會(huì)耗費(fèi)巨大的人力物力資源，因此可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)提供輔助信息，預(yù)先裝配一個(gè)產(chǎn)品，查看是否存在運(yùn)行故障，這樣就可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)制造的裝配操作。虛擬現(xiàn)實(shí)可以讓位于不同地點(diǎn)的玩家進(jìn)入到一個(gè)仿真的環(huán)境中，以虛擬替身為操作對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)游戲的操作。

三、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理模式研究

（一）計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理需求分析

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理的設(shè)備非常多，使用的學(xué)生和教師分布于不同的院系、年級(jí)，因此管理起來非常復(fù)雜，本文針對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理人員、使用人員進(jìn)行調(diào)研，導(dǎo)出了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的邏輯業(yè)務(wù)需求，將其劃分為四個(gè)關(guān)鍵功能，分別是系統(tǒng)管理功能、教學(xué)服務(wù)管理功能、簽到打卡管理功能、設(shè)備管理功能，詳細(xì)描述如下：

1. 系統(tǒng)管理功能

系統(tǒng)管理主要完成用戶對(duì)象、設(shè)備對(duì)象等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，同時(shí)可以完成系統(tǒng)使用權(quán)限的設(shè)置、賦予功能。系統(tǒng)用戶管理可以為用戶分配密碼、錄入個(gè)人信息，分配賬戶的角色權(quán)限，保障系統(tǒng)用戶的合法性和和合規(guī)性。比如，當(dāng)系統(tǒng)新添加一個(gè)用戶時(shí)，可以錄入該用戶的姓名、編號(hào)、性別、年級(jí)、院系，設(shè)置這個(gè)用戶的角色，選擇教師、學(xué)生、管理員等；如果一個(gè)賬戶不再使用，可以及時(shí)地刪除該用戶信息，避免賬戶濫用，保障賬戶的安全性。

2. 設(shè)備管理功能

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備很多，包括計(jì)算機(jī)組成設(shè)備、教學(xué)輔助設(shè)備，這些設(shè)備在使用過程中，由于設(shè)備自身制造固有的原因，使用一段時(shí)間之后就會(huì)產(chǎn)生問題，需要維護(hù)或更換，因此設(shè)備管理需要滿足添加、刪除、修改、查詢功能，同時(shí)還要讓用戶能夠申請(qǐng)使用設(shè)備，記錄設(shè)備的維護(hù)次數(shù)，保證設(shè)備處于正常使用狀態(tài)。

3. 教學(xué)服務(wù)管理功能

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室最為關(guān)鍵的功能就是教學(xué)服務(wù)，以便提高學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，具有重要的作用和意義。教學(xué)服務(wù)管理功能可以上傳、審批學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告是學(xué)生根據(jù)實(shí)踐操作結(jié)果體會(huì)撰寫的文件，能夠總結(jié)計(jì)算機(jī)實(shí)踐操作。學(xué)生上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告之后，教師就可以批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告，同時(shí)也可以幫助學(xué)生預(yù)約實(shí)驗(yàn)室，保障實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)利用，優(yōu)化學(xué)生的資源配置，具有重要的作用和意義。

4. 簽到打卡管理功能

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的適用對(duì)象多為教師和學(xué)生，學(xué)生人數(shù)非常多，為了提高計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理效率，實(shí)驗(yàn)室管理引入了簽到打卡管理，簽到打卡可以利用指紋記錄上課學(xué)生，同時(shí)也可以針對(duì)學(xué)生進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生的出勤率，保證學(xué)生均可以參與實(shí)踐訓(xùn)練。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，充分地利用先進(jìn)的云計(jì)算、多媒體、人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室人員、設(shè)備精細(xì)化管理。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，該技術(shù)引入云計(jì)算技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的分布式存儲(chǔ)，可以描述不同運(yùn)算規(guī)則之間的數(shù)據(jù)交換[3]。實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)允許應(yīng)用程序之間共享數(shù)據(jù)資源，分散了代碼單元操作，能夠利用XML等技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)一個(gè)跨平臺(tái)、跨操作、跨語言的應(yīng)用軟件。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)秉承著軟件就是服務(wù)的原則，順應(yīng)計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)的潮流，引入了先進(jìn)的分布式計(jì)算、透明化存儲(chǔ)技術(shù)，進(jìn)一步改進(jìn)了軟件資源共享處理能力[4]。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

虛擬現(xiàn)實(shí)最為關(guān)鍵的技術(shù)就是渲染環(huán)境、手勢(shì)交互[4]。渲染環(huán)境可以利用計(jì)算機(jī)軟件生成，這些軟件可以構(gòu)建多種對(duì)象，比如在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，可以生成路由器、交換機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)線、終端等。手勢(shì)交互就是識(shí)別用戶的動(dòng)作，目前常見的手勢(shì)交互技術(shù)包括圖像處理、特征識(shí)別，這樣就可以在自然環(huán)境下根據(jù)用戶需求生成一個(gè)對(duì)象，取代了傳統(tǒng)電腦的鼠標(biāo)操作，更好地模擬自然環(huán)境，創(chuàng)建一種沉浸感[5]。虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)能夠提供高并發(fā)、易擴(kuò)展、高可用的分布式搜索引擎，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供一個(gè)易于查詢和共享的接口，成為了一種電信級(jí)大數(shù)據(jù)解決方案的關(guān)鍵工具。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用特性包括多租戶支持、分布式、高可用性、全文搜索和索引機(jī)制。虛擬現(xiàn)實(shí)提供了一個(gè)單一架構(gòu)和服務(wù)的數(shù)據(jù)中心，為用戶提供定制化服務(wù)，可以支持多個(gè)索引間的數(shù)據(jù)隔離，從底層支持多用戶技術(shù)。如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)處于同一個(gè)網(wǎng)段下，可以設(shè)置相同的集群名稱，組成一個(gè)分布式的集群，設(shè)計(jì)一個(gè)良好的橫向擴(kuò)展模式。虛擬現(xiàn)實(shí)采用無中心化的集群設(shè)計(jì)模式，集群中的中央節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障之后，虛擬現(xiàn)實(shí)能夠遴選出一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)，將這個(gè)新的中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遷移操作，保證用戶數(shù)據(jù)的安全訪問。虛擬現(xiàn)實(shí)引入了索引、索引類型、Mapping和數(shù)據(jù)類型，具有關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢(shì)，但是豐富和擴(kuò)展了許多功能，并且利用索引機(jī)制實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，具有重要的作用和意義。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)采用先進(jìn)的云計(jì)算、MapReduce、Hadoop等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集抽取、清洗轉(zhuǎn)換、加載存儲(chǔ)、提供應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)可視化顯示、標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)信息加工和服務(wù)。數(shù)據(jù)采集抽取功能可以從組網(wǎng)設(shè)備、操作系統(tǒng)設(shè)備等一系列軟硬件系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)資源，將這些信息保存到數(shù)據(jù)倉庫。清洗轉(zhuǎn)換可以針對(duì)采集到的實(shí)驗(yàn)室管理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用歸一化方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗轉(zhuǎn)換，刪除許多的噪聲數(shù)據(jù)或無用數(shù)據(jù)。加載存儲(chǔ)由兩個(gè)關(guān)鍵程序組成，數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)和建設(shè)完成之后，可以將數(shù)據(jù)裝載到中心存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)加載存儲(chǔ)需要大量的時(shí)間進(jìn)行裝載操作，能夠?yàn)橛脩籼峁┮粋€(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)加載引擎，按照變動(dòng)的操作實(shí)現(xiàn)信息加工。實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)為用戶提供一個(gè)報(bào)表撰寫、存儲(chǔ)加工、分析應(yīng)用和直接查詢的操作，將這些操作通過后臺(tái)進(jìn)行分析，具體的實(shí)驗(yàn)室管理數(shù)據(jù)應(yīng)用包括三個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，首先實(shí)驗(yàn)室管理數(shù)據(jù)需要以維度的模式展現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)信息加工、存儲(chǔ)和訪問；其次，實(shí)驗(yàn)室管理數(shù)據(jù)中心需要涵蓋原子數(shù)據(jù)，利用原子數(shù)據(jù)構(gòu)建強(qiáng)大的操作。

3D建模是本文提出系統(tǒng)的一個(gè)重要功能。3D建模能夠利用特征提取、模式匹配等關(guān)鍵技術(shù)，為計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的每一個(gè)設(shè)備提供3D模型，用戶可以通過該模型查看相關(guān)的信息運(yùn)行情況。3D建模過程中，首先就是利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)特征提取，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的關(guān)鍵特征，特征提取完畢之后，圖像識(shí)別就可以將這些特征與模式庫中保存的信息進(jìn)行匹配，匹配也是模式搜索、對(duì)比的過程。圖像識(shí)別可以設(shè)置一個(gè)模式匹配操作閾值，比如可以利用相似度作為度量，然后設(shè)置一個(gè)閾值，閾值設(shè)置完畢之后就可以進(jìn)行對(duì)比，如果相似度超過規(guī)定閾值，則判定模式匹配成功。目前，模式匹配最常用的算法為BM算法，這個(gè)算法是精確字符串匹配算法的改進(jìn)，引入了模糊匹配的關(guān)鍵功能，能夠從右向左進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，同時(shí)利用了啟發(fā)式的比較規(guī)則，也即是壞字符規(guī)則和好后綴規(guī)則，來決定向右跳躍的距離。BM算法實(shí)現(xiàn)模式匹配速度快，并發(fā)性好，更加適用于當(dāng)前的不動(dòng)產(chǎn)登記系統(tǒng)，具有重要的作用。模式匹配成功之后，圖像識(shí)別能將機(jī)器語言轉(zhuǎn)換為人們的自然語言，這樣就可以使用語義分析技術(shù)，將識(shí)別的結(jié)果提供給人們，幫助人們進(jìn)行決策，比如下達(dá)下一步操作指令等。語義分析過程中，系統(tǒng)需要審查識(shí)別出來的每一個(gè)字符，針對(duì)字符進(jìn)行編譯，編譯可以按照系統(tǒng)規(guī)定的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)邏輯處理，翻譯為自然語言，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

四、結(jié)束語

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理采用人工模式、半自動(dòng)化模式已經(jīng)較為落后，因此可以引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備進(jìn)行建模，構(gòu)建一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)信息交互和管理?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)可以有效解決當(dāng)前管理模式中存在的問題，提高了設(shè)備的可維護(hù)性，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的開放性、共享性和自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理的智能化，利用現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)提高實(shí)驗(yàn)室工作效率及管理水平。

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