程新麗　蘇雪

摘 要：3D可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)和多媒體通信技術(shù)是虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境的實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。首先闡述新一代虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)給出新一代虛擬教學(xué)環(huán)境的定義、研究現(xiàn)狀，主要對(duì)虛擬教學(xué)環(huán)境的體系結(jié)構(gòu)、構(gòu)建的方法以及如何實(shí)現(xiàn)手段進(jìn)行剖析研究，最后對(duì)虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)訓(xùn) 教學(xué)環(huán)境 構(gòu)建方法 體系架構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）005-159-02

1 概述

3D可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)和多媒體通信技術(shù)是虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境的實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。本研究首先介紹了新一代的虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)。進(jìn)一步研究和分析了新一代虛擬教學(xué)環(huán)境的定義、研究現(xiàn)狀、構(gòu)建方法、體系結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)手段。隨后對(duì)虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)3D可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)和多媒體通信技術(shù)進(jìn)行了探討與解析。對(duì)于3D可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，主要闡述了適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的Web3D技術(shù)最新趨勢(shì)，特別是對(duì)基于Javascript的WebGL及其引擎SpiderGL的分析研究、應(yīng)用方式和具體實(shí)現(xiàn)過程。對(duì)基于WebGL進(jìn)行3D可視平臺(tái)設(shè)計(jì)，用戶可以使用通用瀏覽器訪問3D可視化平臺(tái)，體驗(yàn)3D虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程而在不需要插件的情況下。對(duì)虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境中的語音、視頻等多媒體通信技術(shù)進(jìn)行研究是本文最后的關(guān)鍵。主要研究了下一代核心網(wǎng)IMS的系統(tǒng)構(gòu)成及開發(fā)部署過程，以及基于HTML5的多媒體通信系統(tǒng)的開發(fā)和部署過程。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境定義

根據(jù)虛擬教學(xué)環(huán)境的特征，我們研究給出如下定義：虛擬教學(xué)環(huán)境是指利用計(jì)算機(jī)設(shè)備，將高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與交互式多媒體工作站相結(jié)合，營(yíng)造出一個(gè)可以感知的，相似于現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境的，具備了現(xiàn)實(shí)的教學(xué)環(huán)境中需要的基本功能和大多數(shù)的延伸功能，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)出的一種教學(xué)環(huán)境。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

虛擬環(huán)境（Virtual Environment）技術(shù)是一項(xiàng)從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)派生出來的新技術(shù)，是VR技術(shù)的核心內(nèi)容。從其誕生至今，此項(xiàng)技術(shù)就強(qiáng)調(diào)用戶以自然方式與虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，以觸摸、聆聽、沉浸其中進(jìn)而體驗(yàn)虛擬的三維世界。虛擬（環(huán)境）實(shí)驗(yàn)室概念的提出至今僅20余年，但由于應(yīng)用前景是很廣闊。它可應(yīng)用于建模與仿真、科學(xué)計(jì)算可視化、設(shè)計(jì)與規(guī)劃、教育與訓(xùn)練、遙作與遙現(xiàn)、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)與娛樂等多個(gè)方面。

目前，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)相當(dāng)普及。日本開發(fā)了宇宙開發(fā)地面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其實(shí)，很早以前美國(guó)就有將虛擬實(shí)驗(yàn)室作為其科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃項(xiàng)目。首先提出虛擬實(shí)驗(yàn)室概念，并具有雄厚的科研實(shí)力和強(qiáng)大財(cái)力的美國(guó)，從一開始就十分重視虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與開發(fā)，他們?cè)谠擃I(lǐng)域的研究己處于領(lǐng)先地位。另外，許多國(guó)外的大學(xué)己組建了遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室，例如：在意大利帕瓦多大學(xué)建立了遠(yuǎn)程虛擬教育實(shí)驗(yàn)室；在德國(guó)的漢諾威大學(xué)建立了虛擬自動(dòng)化工作平臺(tái)；在新加坡國(guó)立大學(xué)開發(fā)了遠(yuǎn)程示波器實(shí)驗(yàn)和壓力容器實(shí)驗(yàn)?？傊瑖?guó)外已出現(xiàn)了幾種用于e-learning的遠(yuǎn)程虛擬教學(xué)系統(tǒng)，能夠提供虛擬教學(xué)環(huán)境，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。

國(guó)內(nèi)出現(xiàn)有關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)的最早一篇文章是發(fā)表在《國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)》1997年第3期上的《虛擬電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》，討論了以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)的電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)成及原理，并給出了以ElectronicsWorkbenchV4.0為實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電路實(shí)驗(yàn)例子和在計(jì)算機(jī)上做電路實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)，它的實(shí)際應(yīng)用在理工科的教學(xué)中應(yīng)有較大作為。武漢大學(xué)投資1200多萬元建成的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)室將其虛擬實(shí)驗(yàn)室成果在網(wǎng)上公開展示，供遠(yuǎn)程教育使用；四川聯(lián)合大學(xué)基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思路，研制了航空電臺(tái)二線綜合測(cè)試儀組成虛擬儀器系統(tǒng)；復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、暨南大學(xué)等一批高校也開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研等。

4 研究方案及技術(shù)路線

4.1 研究方法

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在注重理論分析的同時(shí)，更加注重實(shí)驗(yàn)研究。項(xiàng)目研究的最大特色是將負(fù)荷均衡技術(shù)和分布式技術(shù)結(jié)合，以提升系統(tǒng)性能和適應(yīng)性。同時(shí)注重開放性，以提高研究成果的實(shí)用價(jià)值。

4.2 技術(shù)路線

4.2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境構(gòu)建

4.2.2 虛擬教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)流程

在環(huán)境、資源及用戶建模中，數(shù)學(xué)模型的建模過程基本相同（如SPICE模型）。過程如下：（1）建立基本模型；（2）確定參數(shù)；（3）加入隨機(jī)誤差和隨機(jī)化初始條件。

為了達(dá)到逼真的模擬場(chǎng)景、儀器和元器件的外形和操作的效果，虛擬實(shí)驗(yàn)一般采用三維建模和繪制技術(shù)進(jìn)行環(huán)境、資源和用戶的實(shí)體建模。

實(shí)體模型包括靜態(tài)部分和動(dòng)態(tài)部分。靜態(tài)建模是指建立虛擬實(shí)驗(yàn)中個(gè)對(duì)象模型的所有三維幾何模型-儀器、元器件和場(chǎng)景。動(dòng)態(tài)建模是使用Canvas、Frame copy、掩碼透明貼圖等動(dòng)態(tài)繪制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化（電路搭接操作、示波器波型變化、儀表表盤指示等）。

實(shí)驗(yàn)儀器及元器件是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，因此，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行建模是非常合適的。面向?qū)ο蟮慕＿^程分解為如下步驟（如圖1）：（1）確定系統(tǒng)中虛擬器件對(duì)象；（2）確定每個(gè)虛擬器件的屬性和動(dòng)態(tài)行為，將其映射為對(duì)象的屬性值和行為；（3）確定每個(gè)虛擬器件對(duì)象的接口。

5 研究前景展望

虛擬教學(xué)環(huán)境中，3D可視化平臺(tái)（虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的展示）和多媒體通信平臺(tái)（互動(dòng)學(xué)習(xí)過程的支撐）的構(gòu)建是關(guān)鍵。WebGL是3D可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，開源SpiderGL是一個(gè)可行的基礎(chǔ)。多媒體通信平臺(tái)有兩種構(gòu)建方案，基于HTML5的方案更符合Web應(yīng)用開發(fā)潮流。目前我國(guó)的寬帶網(wǎng)工程也已經(jīng)取得了很大的成就，ADSL，光纖網(wǎng)等正逐漸成為網(wǎng)絡(luò)的主流，網(wǎng)絡(luò)帶寬已經(jīng)可以負(fù)擔(dān)虛擬教學(xué)環(huán)境的數(shù)據(jù)傳輸。抓住當(dāng)前機(jī)遇，利用虛擬教學(xué)環(huán)境為e-learning遠(yuǎn)程教學(xué)提供更為直觀和逼真的學(xué)習(xí)條件，有利于學(xué)習(xí)過程的開展，推動(dòng)我國(guó)的e-learning和遠(yuǎn)程教學(xué)事業(yè)水平的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1] Draft ETSI TS 182 027 V0.0.9 （2007-04），Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking （TISPAN）；IPTV Architecture；IPTV functions supported by the IMS subsystem，ETSI Technical Specification Draft，2007.

[2] M.Siebert，B.Xu，M.Grigat，E.Weis，N.Bayer，D.Sivchenko et al.ScaleNet–Converged Networks of the future.it–Information Technology of Informatics and Information Technology 48 5/2006. October 2006，Oldenbourg Wissenschaftsverlag，ISSN 1611-2776，pp：253-263.

[3] 李興敏，葉成林.下一代互聯(lián)網(wǎng)及其對(duì)E-learning的影響[J].電化教育研究，2006（7）.