基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)儀器分析實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)研究

張 巖

（江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 淮安 220003）

1 引言

虛擬實(shí)驗(yàn)室（VL）是為了實(shí)現(xiàn)研究、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)作或各種創(chuàng)新活動(dòng)，通過(guò)分布式信息通信技術(shù)產(chǎn)生并發(fā)布結(jié)果的電子工作室。虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作直觀、成本低廉、利用率較高，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同地域、不同人群集中起來(lái)，實(shí)現(xiàn)合作實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、協(xié)同研究[1]。在日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中借助虛擬實(shí)驗(yàn)室不僅可以緩解教學(xué)資源的困難，也解決了實(shí)驗(yàn)時(shí)空受限和管理繁瑣等多方面問(wèn)題。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）是利用計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)世界，從而形成虛擬環(huán)境的技術(shù)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)模擬出一種具有較高仿真度的虛擬場(chǎng)景[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言（VRML）是一種建模語(yǔ)言，是桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中最著名、最經(jīng)典的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。使用VRML實(shí)現(xiàn)的虛擬仿真儀器分析實(shí)驗(yàn)室，瀏覽者可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤利用瀏覽器實(shí)現(xiàn)從各個(gè)角度、對(duì)實(shí)驗(yàn)室的各種儀器進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，播放實(shí)驗(yàn)步驟的視頻等，使學(xué)生真正沉浸在虛擬場(chǎng)景中。因此，本文就儀器分析實(shí)驗(yàn)室用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行開發(fā)研究，以期為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2 場(chǎng)景中模型的虛擬實(shí)現(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)室虛擬場(chǎng)景中，簡(jiǎn)單的造型如墻面、實(shí)驗(yàn)臺(tái)等在確立整體的坐標(biāo)系直接使用VRML建模；復(fù)雜的造型如各種實(shí)驗(yàn)儀器在確定了儀器型號(hào)后，根據(jù)實(shí)物圖在3DS MAX中進(jìn)行1:1建模，能使用貼圖方式顯示模型效果的對(duì)象最好用此方式建模。在此以紫外分光光度計(jì)和窗戶為例，分別說(shuō)明復(fù)雜造型的創(chuàng)建方法以及貼圖創(chuàng)建模型的方法[3]。

復(fù)雜造型以紫外分光光度計(jì)為例，首先在3DS MAX中利用基本幾何體和復(fù)合運(yùn)算等方法創(chuàng)建出該實(shí)驗(yàn)設(shè)備的造型，以ziwaiyi.wrl為名導(dǎo)出，圖1（a）是參考實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原型，圖1（b）為設(shè)計(jì)的虛擬紫外分光光度計(jì)外觀，最后經(jīng)過(guò)調(diào)整坐標(biāo)和修改比例之后，再通過(guò)VRML 內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)把模型導(dǎo)入到實(shí)驗(yàn)室的虛擬環(huán)境中，導(dǎo)入過(guò)程的代碼如下。

圖1 紫外分光光度計(jì)實(shí)物圖與模型圖

#紫外分光光度計(jì)

在模型制作過(guò)程中，使用紋理映射的方法構(gòu)建出實(shí)驗(yàn)室窗戶的表面，用數(shù)碼相機(jī)拍攝出真實(shí)窗戶的樣式，通過(guò)VRML的紋理映射（text）節(jié)點(diǎn)，在對(duì)應(yīng)的多邊形上“貼上”相應(yīng)的紋理圖片，用來(lái)代替具體的模型。通過(guò)這種方法實(shí)現(xiàn)的墻壁上窗戶效果，既降低了模型的多邊形數(shù)量和減少了模型的復(fù)雜程度，提高了圖像在輸出時(shí)的速度，又不會(huì)降低場(chǎng)景效果的逼真程度[4]。

參考代碼如下：

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景的整體建模

虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景是由多個(gè)仿真模型構(gòu)成，每個(gè)仿真模型又由若干個(gè)幾何體構(gòu)成。為了體現(xiàn)VRML編程的面向?qū)ο笮?，把若干個(gè)子模型成組。成組的模型便于系統(tǒng)整體操作，若要對(duì)模型進(jìn)行修改，可以先解組后經(jīng)過(guò)修改再成組。

3.1 實(shí)驗(yàn)室房間的創(chuàng)建

地面使用原始坐標(biāo)系，實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建在地面的后部，可以先將坐標(biāo)系移到實(shí)驗(yàn)室地面的中心，創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)室的墻體、墻體上的窗戶；在此基礎(chǔ)上，再將坐標(biāo)系移到實(shí)驗(yàn)臺(tái)底面的中心，創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)臺(tái)和電源插座等。

3.2 燈光設(shè)置

光照是一種非常重要的場(chǎng)景效果，但是VRML中并不存在光源的實(shí)體模型，觀察到的只是該光源所模擬出的光照效果。按照光源發(fā)射光線的方向VRML光源可以分為平行光源、錐形光源和點(diǎn)光源3種類型[5]。本次研究以點(diǎn)光源作為實(shí)驗(yàn)室的燈光。在VRML中使用點(diǎn)光照效果節(jié)點(diǎn)（Pointlight節(jié)點(diǎn)）來(lái)創(chuàng)建點(diǎn)光源，因?yàn)榭紤]到還會(huì)調(diào)用這個(gè)點(diǎn)光源，所以在這里定義了light1，其代碼如下：

3.3 視頻演示實(shí)驗(yàn)步驟

為了使學(xué)生更好地了解實(shí)驗(yàn)步驟，在墻壁上的電視機(jī)以動(dòng)畫紋理的方式加入視頻畫面，當(dāng)瀏覽者走至儀器前，電視機(jī)開始播放該實(shí)驗(yàn)儀器的操作步驟，通過(guò)視頻播放實(shí)驗(yàn)的演示過(guò)程，而當(dāng)瀏覽者離開時(shí)，視頻會(huì)停止播放。此處利用Movie Texture節(jié)點(diǎn)和感知型傳感器實(shí)現(xiàn)瀏覽者和對(duì)象之間的交互。當(dāng)瀏覽者漫游到Proximity Sensor節(jié)點(diǎn)的感知空間后，傳感器的enterTime事件記錄下觸發(fā)到該敏感區(qū)的時(shí)間，再把該時(shí)間值傳遞給聲音節(jié)點(diǎn)的startTime，當(dāng)接收到該信號(hào)之后預(yù)設(shè)視頻文件開始播放；而瀏覽者離開這個(gè)敏感區(qū)后，傳感器再把這個(gè)時(shí)間值輸入到exitTime內(nèi)，聲音節(jié)點(diǎn)的stopTime接收到由路由事件傳遞過(guò)來(lái)的退出時(shí)間值后，視頻文件被關(guān)閉。

3.4 插入視點(diǎn)

在實(shí)際的開發(fā)工作中所創(chuàng)建的VRML空間通常是很復(fù)雜的。在瀏覽器上漫游時(shí)，除了可以通過(guò)鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)自由瀏覽的目的，也可以使用提前設(shè)置好瀏覽路線的方法實(shí)現(xiàn)虛擬瀏覽。在虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中，瀏覽者會(huì)瀏覽自己想要學(xué)習(xí)和操作的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在VRML虛擬環(huán)境中，通過(guò)對(duì)視點(diǎn)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。通過(guò)在場(chǎng)景的合適位置上添加視點(diǎn)，在瀏覽器上用視點(diǎn)控制方式進(jìn)行瀏覽，可以提高虛擬瀏覽的速度。

在虛擬場(chǎng)景中設(shè)置多個(gè)視點(diǎn)，在瀏覽的過(guò)程中無(wú)論在這個(gè)虛擬空間中的任何位置都可以通過(guò)切換到這些視點(diǎn)而快速地到達(dá)相應(yīng)的空間位置上。

4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在虛擬儀器分析實(shí)驗(yàn)室里，以紫外分光光度計(jì)的樣品吸光度測(cè)定為例，對(duì)其進(jìn)行具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)思路是按照實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行模型創(chuàng)建，然后進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，最后測(cè)試修改。

紫外分光光度計(jì)模型的創(chuàng)建方法主要使用3DS MAX軟件進(jìn)行大部分設(shè)備組件的模擬建模，完成后再將文件轉(zhuǎn)化為VRML文件格式，然后在VRML Pad中對(duì)需要進(jìn)一步交互的組件進(jìn)行手工代碼建模。

紫外分光光度計(jì)測(cè)定樣品吸光度的實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先調(diào)節(jié)波長(zhǎng)旋鈕，使波長(zhǎng)顯示窗數(shù)字為所需波長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)設(shè)置為260 nm。然后打開比色室的蓋子放入空白比色皿，調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)后再將樣品比色皿放入到比色室的卡座中?？ㄗ瓧U拉出使樣品液位于光路中，顯示窗中出現(xiàn)的數(shù)字即為樣品吸光度，按下“print鍵”打印結(jié)果。

4.1 利用VRML實(shí)現(xiàn)基本交互

在VRML虛擬場(chǎng)景中，通過(guò)交互方式使瀏覽者能夠控制場(chǎng)景，真正感受生動(dòng)的效果。當(dāng)瀏覽者瀏覽場(chǎng)景時(shí)，鼠標(biāo)是主要的輸入裝置，檢測(cè)器檢測(cè)出鼠標(biāo)的各種動(dòng)作，如指向、單擊和拖曳等操作，場(chǎng)景迅速做出響應(yīng)。能實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能的檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)主要包括：圓柱監(jiān)視器(CylinderSensor)節(jié)點(diǎn)、平面監(jiān)視器（PlaneSensor）節(jié)點(diǎn)、球體監(jiān)視器（SphereSenor）節(jié)點(diǎn)以及觸摸監(jiān)視器（TouchSensor）節(jié)點(diǎn)[6]。

調(diào)節(jié)波長(zhǎng)旋鈕，使波長(zhǎng)顯示窗數(shù)字為260nm。

打開比色室的蓋子放入空白比色皿，利用接觸型的傳感器方法，選用TouchSensor節(jié)點(diǎn)。用鼠標(biāo)對(duì)紫外分光光度計(jì)比色室蓋子上的黑色拉手進(jìn)行點(diǎn)擊，比色室蓋子移動(dòng)直到打開蓋門。然后再單擊空白比色皿的模型，使其移動(dòng)到比色室內(nèi)。

從上面的代碼可以知道，場(chǎng)景中設(shè)置了動(dòng)畫效果，但如果不接觸定點(diǎn)設(shè)備，蓋子不動(dòng)，當(dāng)用鼠標(biāo)單擊定點(diǎn)設(shè)備拉手時(shí)，比色室的蓋子會(huì)自動(dòng)打開。同樣去單擊比色皿時(shí)，會(huì)使比色皿移動(dòng)到比色室內(nèi)。

4.2 基于Script節(jié)點(diǎn)的交互

在使用紫外分光光度儀對(duì)樣品溶液進(jìn)行吸光度分析時(shí)，當(dāng)樣品開始分析時(shí)，提示信號(hào)燈紅燈亮起，經(jīng)過(guò)多次操作完成分析后，綠燈亮起提示實(shí)驗(yàn)完成，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。這個(gè)邏輯控制用傳感器和插補(bǔ)器是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，需運(yùn)用腳本的應(yīng)用邏輯進(jìn)行控制。

4.3 打印實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)綠燈亮起提示實(shí)驗(yàn)完成后，顯示窗口中的數(shù)字即為樣品吸光度，在這里顯示的數(shù)值只是用來(lái)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作步驟過(guò)程。按print鍵會(huì)將結(jié)果打印出來(lái)。在打印紙帶的過(guò)程中，紙帶可以中途暫停打印，然后再開始打印，所以這需要重新定義TimeSensor節(jié)點(diǎn)，并運(yùn)用原型機(jī)制。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)世界從而形成虛擬環(huán)境的技術(shù)。而虛擬實(shí)驗(yàn)室在高校的教學(xué)和科研活動(dòng)中發(fā)揮著極大的作用，因此，本文介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)室的總體設(shè)計(jì)規(guī)劃和場(chǎng)景分析，使用VRML及相關(guān)的工具對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室整體的場(chǎng)景進(jìn)行建模，并以紫外分光光度儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備為例，簡(jiǎn)述如何通過(guò)該儀器完成實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)現(xiàn)儀器分析實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)功能，完成實(shí)驗(yàn)開發(fā)。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)為高校的教學(xué)模式創(chuàng)新提供新的思路。