（计算机应用技术专业论文）基于vrml的数字逻辑电路虚拟实验室的设计方法研究.pdf

摘要 摘要 借助于现代化通讯、计算机和虚拟现实技术，我们开发出了基于v p , m l 的数 字逻辑电路的网上虚拟实验室系统。 文章首先介绍了虚拟现实技术及其在虚拟实验室中的应用，并通过对构建 虚拟实验室的几种关键技术的分析，确定了本系统开发所要使用的技术一v r 儿； 其次通过对虚拟实验室系统分析，提出了构建虚拟实验室的功能要求、性能要 求及动画设计要求，并设计出网上虚拟实验室系统的模块结构；给出了构建三 维实验场景及交互式虚拟实验的具体实现方法；最后利用d r e a w e a v e r 构建了数 字逻辑电路虚拟实验室的网页结构，并实现网上发布。 本系统的主要特点：1 真实感强。该虚拟实验室提供了三维实验环境，界面 具有身临其境的真实感。自主实验方式使实验更具有真实性，充分显示出了系统 的实用性和先进性。2 扩充性强。该虚拟实验室系统的开发过程是一个通用的设 计模式，可适用于其它虚拟实验室的开发。3 交互性好。本系统提供了用户与环 境动态交互的内容和方式，用户可对实验过程进行实时操控，具有操作性强，参 与性好等优点，达到了锻炼实验者动手能力的目的。 关键词：虚拟实验室；虚拟实验；虚拟现实建模语言；数字逻辑电路实验 a b s t r a c t a b s t r a c t w ed e v e l o p l ) e dw e bv i r t u a ld i g i t a ll o g i cc i r c u i tl a b o r a t o r yb a s eo nv r m lw i t h t h ea i do f t h em o d e mc o m m u n i c a t i o n , c o m p u t e ra n dv i r t u a lr e a l i t yt e c h n i q u e f i r s t , t h ep a p e ri n t r o d u c e dav i r t u a lr e a l i t yt e c h n i q u ea n di ti si nt h ea p p l i c a t i o n i nt h ev i t t l l a ll a b o r a t o r y , a n dp a s st oaf e w a n a l y s i sw i t ht e c h n i c a lk e y st h a ts e t su p - , v , i l t l l a ll a b o r a t o r y , m a k es u r et h i ss y s t e md e v e l o p m e n tw a n tt ou s eo ft e c h n i q u e v r m l s e c o n d , a tt ov i r t u a ll a b o r a t o r ys y s t e ma n a l y t i c a lf o u n d a t i o n 叩，p u tf o r w a r d s e t t i n gu pt h ef u n c t i o nr e q u e s t , f u n c t i o nr e q u e s ta n dt h ea n i m a t i o nd e s i g nr e q u e s to f t h i sv i r t u a ll a b o r a t o r ys y s t e m , a n dd e s i g n e dan e tu pt h em o l dp i e c eo ft h ev i r t u a l l a b o r a t o r ys y s t e ms t r u c t u r e g i v es e tu pa3 de x p e r i m e n taf i c l dav i e wa n dh a n d o v e ! l w i t he a c ho t h e rt h et y p ec o n j e c t u r ea l le x p e r i m e n to fc o n c r e t ec a r r yo u ta m e t h o d e n d , m a d eu s eo fd r e a w e a v e rt os e tu pn u m e r i c a ll o g i ce l e c t r i cc i r c u i tt h e w e b p a g es t r u c t u r eo f t h ev i r t u a ll a b o r a t o r y , a n dr e l e a s ei tt h r o u g hi n t e m e t t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so f t h i ss y s t e m ：f i r s t , t h e r ei si n t e n s i v e l ya c t u a lf e e l i n g i nm u t u a li n t e r f a c e t h i sv i r t u a ll a b o r a t o r y p r o v i d e s at h r e ed i m e n s i o n a l i t y e x p e r i m e n te n v i r o n m e n t , w h i c hh a st h et r u ef e e lo fp a r t i c i p a t i n gi ns l ：e l l ea n dt h e v i r t u a lc h a r a c t e r , a n dt h eu s e rc a nc h o i c ef i l le x p e r i m e n tw a yf o rt h e m , t h u st h i s s y s t e mi sa d v a n c e da n da p p l i e d s e c o n d , t oe x t e n di sv e r ye a s y t h ed e s i g np r o c e s s o f t h ev i r t u a ll a b o r a t o r ys y s t e mc a nc o n c l u d eag e n e r a lm a l n n c rs oc ：8 , 1 1e x p l o i to t h e r v i r t u a ll a b o r a t o r i e s t h i r d , t h e r ei sb e t t e rm u t u a lt r a i t t h i sv i r t u a ll a b o r a t o r y p r o v i d e st h em u t u a la n dd r n a m i ec o n t e n t sa n dm o d e l sa m o n gt h eu s e 孵a n dv i l t u a l e n v i r o n m e n t t h eu 曩璐c a l lc o n t r o la n do p e r a t ee x p e r i m e n t a lp r o c e s si nr e a lt i m e t h e r ei sal o to fa d v a n t a g ei no p e r a b i 娃t ya n dp a r t i e i p a t i n g , i tc a l le x e r c i s e st h e o p e r a t i o na b i l i t yo f u s e r s k e yw o r d s ：v m u a ll a b o r a t o r y ；v i r t u a le x p e r i m e n t ；v r m l ；n u m e r i c a l d i g i t a ll o g i cc i r c u i te x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云湟太堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：柝2 月z ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云湟太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门或机构递交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：矿产7 阴汐日 签字日期： 7 而粝 驴1 年j 口bu 第一章绪论 第一章绪论 1 1 虚拟现实技术综述 1 i 1 虚拟现实 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机 系统。这里的。虚拟世界”又被称为虚拟环境，是指具有真实感的立体图形。它 既可以是某种特定现实世界的真实再现，也可以是纯粹构想的世界。操作者可以 通过视觉、听觉和触觉等与之交互，从而能产生“身临其境”的感觉。通常v r 系统具有多种输出形式( 如图形、声音、文字等) 和处理多种输入设备的能力，为 人机交互提供了新的交互媒体，并且能够进行碰撞检测、实时交互、视点控制及 复杂行为建模等。目前，v r 技术在军事仿真，娱乐、游戏、教育、医学、遥控机 器人、虚拟设计、虚拟制造等领域都已得到了广泛的应用“1 。 1 1 2 虚拟现实技术的特征 虚拟现实的基本特征可用b u r d e a g 提出的“虚拟现实技术的三角形”简洁地 说明，即3 个“i ”( 见图1 1 ) ：它们是强烈的身临其境“沉浸性”( i m m e r s i o n ) 、 友好亲切的人机“交互性” ( i n t e r a c t i o n ) 、令人遐想的“多感知 性”( i m a g i n a t i o n ) 。这3 个“i ”突出 了人在虚拟系统中的主导作用：( 1 ) 人 不再是被动地通过键盘、鼠标等输入设 备与计算环境中的单维数字化信息发生 交互作用，从计算机系统的外部去观测 计算处理的单调结果，而是能够主动地 沉浸到计算机系统所创建的环境中去。 图i i 虚拟现实技术的基本特征 计算机将根据用户的特定行为而不是接口设备的状态实现人机交互；( 2 ) 人借 助多种传感器与多维化信息系统的环境发生交互，即用集视、听、嗅、触等多种 感知于一体的、人类更为适应的认知方式和便利的操作方式，以自然、直观的人 机交互方式来实现高效的人机协作，从而使用户沉浸其中，使参与者有“真实” 的体验；( 3 ) 人能像对待一般物理实体一样去直接体验和操作信息，并在体验 中插上想象的翅膀，翱翔于这个多维信息构成的虚拟空间中，成为和谐人机环境 的主导者“捌。 1 2 虚拟现实技术在虚拟实验室中的应用 应用虚拟现实技术创建虚拟实验室是教育领域应用信息技术的一种创新。 ( 1 ) 它可以更加合理地配置教育资源，解决资金投入与人才培养之间的矛 第一章绪论 盾，有利于从整体上改善办学条件和提高教学水平。 ( 2 ) 它可以有效地提高学生的动手能力。虚拟实验允许学生按自己的设想 动手，在网上进行实验研究，允许失败、允许犯错误，允许仪器设备“损坏” 或“灾难性事故”的发生；并通过正、反两方面的经验教训培养学生的想象力 和创造力。 ( 3 ) 利用仿真和多媒体技术进行模拟实验，提高学生对于实验教程的学习 兴趣，有利于培养学生分析问题和解决问题的能力。 ( 4 ) 支持远程教育实验教学，能够培养学生的科学实验能力。基于因特网 的虚拟实验室远程教育模式能够灵活地提供给用户不同的实验教学内容，用户 可以根据实际情况灵活确定学习的内容和进程，从而最大限度地满足用户的不 同需要。 1 3 虚拟实验室在国内外发展现状 虚拟实验室( 、r m m l l a b o r a t o r y ) 概念，最早在1 9 8 9 年由美国的w i l l i a m w o l f 教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。美国国家研究委员 会的定义为：虚拟实验室是一个无墙的中心。研究人员能在其中从事科学研究 和工程设计，不必顾及地理位置的限制，实现同行间、同事间的互动；共享仪 器、设备、数据、计算资源以及数字图书馆的信息。该定义强调三个方面的问 题：一是现代实验室应当是一个无墙的中心，这个中心可以有逻辑上的限制， 但没有物理空间的限制，其基础是i n t e r n e t ；二是协同工作环境，即计算机支持 的工作环境；三是充分地实现资源共享 3 4 1 。 虚拟实验室概念的提出至今仅为十余年的时间，但因其诱人的应用前景， 使得各国均在大力开发，并己取得了一些进展。 目前，虚拟实验室在发达国家已经十分普及。美国非常重视信息技术的研 究，并已将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划。在1 9 9 1 年底，美国科学基 金会、美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了一个“全 国( 科学) 合作实验室委员会”，其任务是调查科学家对信息技术的需求，协调 科研合作关系，组织并实施具体技术开发。此后，美国联邦政府投入资金在海 洋学、天体物理学和分子生物学三大领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工 程，开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。目前，越来越多的科学家 正投身于构筑一个覆盖全美国的虚拟实验室的工作中来。在美国，虚拟仪器系 统及其图形编程语言已成为各大学理工科学生的一门必修课，其普及程度是相 当广泛的”1 。其他国家的一些大学也已组建了远程虚拟实验室。如德国r u h r 大 学建立了网络虚拟实验室；西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台； 2 第_ 章绪论 意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室；新加坡国立大学开发了远程示 波器实验和压力容器实验。 在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视，已有部分高校初步建立 了虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；华 中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供 远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二 线综合测试仪”，将8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统：复旦大学、上海 交通大学、广州暨南大学等一批高校也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学 和科研闺。 虚拟实验室具有传统实验室无法比拟的特点，决定了它在科研、教育( 特别 是远程教育) 中的良好应用前景。 1 4 构建虚拟实验室使用的技术 构建网上虚拟实验室就是用软件方法模拟硬件设备的功能，并通过互联网 来发布。总结目前国内外开发者所使用的技术，大体上可以将这些技术划分为 以下几类： ( 1 ) 使用j a v a 进行开发。j a v a 语言是一种很重要的网上通用语言。利用 它开发的程序具有两种层次上的可移植性：源代码级可移植性和二进制级可移 植性，j w ( j a v a 虚拟机) 的存在使得这种可移植性成为可能。另外j a v a 语言 的下标检查机制和自动内存管理机制也为其增加了较强的稳定性和安全性，这 一点对于构建网上虚拟实验室系统来说是非常关键的。目前利用这种技术开发 出来的系统有：普渡大学的交互式硬件实验系统、北京大学的3 w n v l a b 系统等。 ( 2 ) 使用a c t i v e x 控件进行开发。a c t i v e x 使用了微软的组件对象技术使 得本地的组件可以和网络上的组件进行通信，允许不同软件开发的组件在网络 上互相进行操作。使用a c t i v e x 进行开发的另一个好处在于它的代码复用性， 也就是说在虚拟实验室的开发过程中，一个实验仪器可以在多个实验环境中重 复使用，这一点对于持续开发尤为重要。这种技术使得一个大的工程项目可以 划分成小块的组件，完成了每个组件之后集成起来就可以得到最终结果。可以 开发a c t i v e x 组件的环境有很多，其中开发效率最高和最易上手使用的是 v i s u a lb a s i c 。利用a c t i v e x 技术开发出来的系统有：大连理工大学的虚拟实 验气相色谱仪，这个系统实现了分析仪器和化学滴定分析实验平台，在国内一 些高校中得到了应用。 ( 3 ) q u i c k t i m ev r 技术。它是美国苹果公司开发的新一代虚拟现实技术， 是一种基于静态图像处理的，在p c 平台上能够实现的初级虚拟现实技术，属于 桌面虚拟现实的一类。虽然它是初级的虚拟现实技术，但由于具有对硬件无特 第一章绪论 殊要求、图像质量高、真实性强、造型数据量小、无需编程实现等优点，因此 它在立体空间、立体物体的展示，展品的介绍，虚拟空间的营造与虚拟场景的 构造等方面得到了广泛的应用。另外，由于其在呈现知识信息方面也具有独特 的优势，因此它在教育领域中的应用前景也日益广阔m 】。 ( 4 ) 使用v r m l 技术进行三维虚拟实验室的开发。v r m l 是第二代w e b 上 的关键技术，是一种三维场景的描述性语言，也是在i n t e r n e t 网上实现虚拟现 实的关键性技术。它的基本原理是用文本信息描述三维场景，在i n t e r n e t 网上 传输，在本地机上由v r m l 的浏览器解释生成三维场景，解释生成的标准规范即 是v r 札规范。正是这种思想使得在i n t e r n e t 上传输很少的数据，就可以在w e b 上实现三维虚拟场景浏览。 前面介绍的三种技术和v p o j l 技术之间的关键区别在于v r 札可以生成网络 上的三维场景，并且在这个虚拟的三维场景中可以实现人机的“动态交互”。虽 然j a v a 技术现在支持三维场景的创建，但是我们知道使用j a v a3 d 创建虚拟场 景不是那么容易的事情，和v r m l 相比它的开发周期较长，也没有v 跚l 技术那 么成熟。在i n t e r n e t 上用v r 札实现虚拟现实交互的好处是：丰富了媒体表现 形式、协同工作角色的可视化管理、改善了协同环境的用户界面、增强了协同 环境的交互性。可见，将v r 儿融合到网上虚拟实验室的开发过程中，既可以增 强表现力和用户的接受力，又可以实现较好的协同工作虚拟化环境，因此本系 统的开发就采用了这种技术。 1 5 本论文的研究目标 1 设计与开发虚拟实验平台；包括基于v r m l 的虚拟实验室的场景，电子 元器件和实验过程控制等。 2 实验管理：实现网上选择实验方式，填写实验报告，批阅实验报告，浏 览实验报告。 1 6 本论文的组织结构 第一章综述了虚拟现实技术及其在虚拟实验室中的应用，总结了目前虚拟 实验室在国内外的发展现状，并通过对构建虚拟实验室所使用的几种技术的对 比，确定了本系统开发所使用的技术一- - v r m l 。 第二章介绍虚拟现实建模语言( v l i m l ) 。 第三章通过对虚拟实验室系统的分析，提出了设计本系统的功能要求、性 能要求及动画要求，同时也给出虚拟实验的两种操作方式，即随机操作方式和 串行操作方式。 4 第一章绪论 第四章介绍了构建三维实验场景的方法。 第五章详细讲述了交互式虚拟实验的具体实现方法。 第六章实验管理。实现网上选择实验方式，填写实验报告，批阅实验报告， 浏览实验报告。 第七章根据论文所做的工作和研究得出结论。 第二章虚拟现实建模语言( v r m l ) 第二章虚拟现实建模语言( v r m l ) y r m l ( 、r l r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g c ) 意思是“虚拟现实建模语言”， 是一种用来描述交互或3 d 对象和境界的文件格式u ”。它的出现使得虚拟现实 象多媒体和因特网一样逐渐走进我们的生活，简单地说，以v r m l 为基础的第 二代万维网= 多媒体+ 虚拟现实+ 因特网n 1 】。第一代万维网是一种访问文档的媒 体，能够提供阅读的感受，使那些对w i n d o w b 风格的p c 环境熟悉的人们容易 使用因特网，而以v r m l 为核心的第二代万维网将使用户如身处真实世界，在 一个三维环境里随意探究因特网上无比丰富的巨大信息资源。每个人都可以从 不同的路线进入虚拟世界，和虚拟物体交互，这样控制感受的就不再是计算机， 而是用户自己，人们可以以习惯的自然方式访问各种场所，在虚拟环境中“直接” 进行交流【1 2 j 。 2 1v r m l 的工作原理及其基本特性 用文本信息描述三维场景，在i n t e r n e t 网上传输，在本地机上由v r b l l 浏 览器解释生成三维场景，基于v p j h l 的这种工作机制，才使其可能在网络应用中 有很快的发展。正是由于文本描述的信息在网络上的传输比图形文件迅速，所 以当初v r m l 的设计者们避开在网络上直接传输图形文件而改为传输图形文件 的文本描述信息，把复杂的处理任务交给本地机来完成，从而减轻了网络的负 担。v r 札是用a s c i i 文本格式来描述世界和链接的，这就保证了在各种平台上 的通用性，从而降低了数据量，使其在低带宽的网络上也可以实现。 v r 札的访问方式是基于客户服务器模式。其中服务器提供v r m l 文件及支 持资源( 图像、视频、声音等) ，客户端通过网络下载希望访问的文件，并通过 本地平台上的v r m l 浏览器交互式地访问该文件描述的虚拟境界。由于浏览器是 本地平台提供的，从而实现了平台无关性。图2 1 描述了v r m l 的工作方式。 构建 3 d 造型、动画、 交互、声音 图2 1v r m l 的工作方式 6 客户端呈 现与交互 第二章虚拟现实建模语言( v p 3 1 l ) 传统的v r 中使用的实时3 d 着色引擎在v r 札中得到了更好的体现。这一特 性把v r 的建模与实时访问更明确地隔离开来，也是v r 不同于三维建模和动画的 特征。后者虽预先着色，但不能提供交互。v r m l 提供了6 + 1 个自由度，即三个方 向的移动和旋转，同时还可以建立与其它3 d 空间的超链接( a n c h o r ) ，因此v r 地 是超空间的。 v p , m l 是一个开发标准。为了加强协作，避免技术重复和市场冲突而鼓励其他 技术引用v r 札或成为v p , m l 的一部分，因此v p , m l 是可扩充的。与v r 札关系密切的三 项技术是j a v a 3 d 、m p e g - 4 和c h r o m e 。其中j a v a3 d 和v p , m l 都把3 dw e b 作为关键应 用对象，前者的优势在于程序设计，后者的优势在于场景构造，二者在可编程性 3 dw e b 应用方面密切合作。胛e p 4 面向基于内容的交互式视讯应用，可以为v p , m l 提供流技术、压缩和音响同步技术，而m p e c , - 4 用v p & i l 来描述3 d 内容。在2 d 页面集 成方面，可以探索v r 儿和l i i c r o s o f t 的c h r o m e 协作的可能性“”。 2 2v r m l 的对象化特征 v r m l 不是一种造型语言，而是一种建模语言。这就是说，在v r l v i l 中 并不需要将虚拟世界中事物的构造过程表述清楚，而只需给出其确切模型即可。 这种与问题直接对应而不需考虑到具体实现的思想已经和面向对象方法具有相 同的思想基础【1 4 1 。 2 2 1v r m l 对面向对象概念的支持 v r m l 直接支持对象概念，其对应关系为： i v r m l 节点节点名 域 s c r i p t 节点i 私有域i 共有域 l 标准o o对象对象标认属性方法l 私有属性i 公有属性 图2 2 m 也对对象概念的支持 v r m l 直接支持类的概念，其对应关系为： i 坠些i 蕉堡堇盛i 堇盛鱼i 塑i 墨! 巫垡羔盛i f 标准o ol 类 i 类名i 属性l方法 l 图2 3v i 强几对类概念的支持 v r m l 中有三种类的定义方法。第一为基本类，共5 4 个，作用相当于c + + 中的类库，其实现由v r m l 浏览器完成；第二为用户自定义类，由p r o t o 标 识，该类型由用户自定义，极大地丰富了v 】；m 几的表达能力；第三为外部自定 义类，由咖r p r 0 1 o 标识，它为v r m l 应用类提供了新的思路。 v r m l 直接支持“消息通信”，但其方法比传统o o 方法更科学，更新颖。 乱概念对应 7 第二章虚拟现实建模语言( v p , m l ) l 标准o o消息名 消息通知消息入口参数消息出口参数l l v r m l t o u c h e v e n to u t 名 e v e n t i n e v e n t i n 参数e v e n t o u t 参数i 图2 av r 对消息通信的支持 b 消息路由：在v r i v i l 中，用r o u t e t o 结构表现出清晰的消息路由， 可以表达一系列事件通过因果关系相继发生的现象。 c 封装的实现：在v r m l 中，通过将域、域方法，消息结构的实现隐藏， 并通过私有域标识使m 皿对象的私有属性受到保护，从而实现了面向对象中 最基本的概念一一封装。 2 2 2v r m l 在消息机制方面的特点 v r m l 不是一种通用型的程序设计语言，而是一种专用于三维场景建模的 专用型语言。v r m l 在面向对象理论方面具有其独到的特点。v r m i ，对面向对 象理论的最大贡献在于其消息处理机制，具体内容表现在以下几个方面： ( 1 ) 消息通信形式：在所有面向对象方法中，对象间的通信都是用消息 的方式进行的，这比传统的函数调用从概念上讲更有利于信息隐蔽和处理局部 化，模块之间的关系也简化了。但是，消息通信机制却是通过函数调用的形式 实现的，这种形式导致在实际的软件设计活动中削弱了消息通信机制的优势【1 2 】。 ( 2 ) 消息路由：v r m l 中“消息路由”指由一个事件触发，而引发一系 列对象行为的消息传递关系，这是 v q l l v i l 面向对象中最有特色的性质。 事实上，这类带有时序性、过程性的消息序列关系，在面向对象方法中是 较难处理的。这一做法的优点是保证了对象的封装性，但缺点则是面对控制性， 过程性较强的系统，从需求分析到系统设计不能做到无缝连接。 ( 3 ) 时戳( t i m e s t a m p ) ：v r m l 作为虚拟现实建模语言，其实时性的要求 是较高的。所以在v r m l 中显式地将时戳关系加入消息通信机制中。时戳是 v r m l 中最重要的概念之一，用于标志事件发生的时间，当事件发生时，由浏 览器产生并显式地传递给事件相应的方法1 1 犁4 1 。 ( 4 ) 传感器：传感器可视为用户与虚拟现实软件系统之间的一层界面。 传感器获取外围设备( 用户输入) 的信息，事件( 包括时间、空间及控制信息) ， 然后经过判断( 包括时间、空间及控制类型) ，将信息事件传递给相应的对象， 并触发相应的事件。在v r m l 基本类库中，有p l a n e s e n a o r 等六类传感器节点， 经过用户自定义，可以有更多的传感器节点，可实现对虚拟空间中对象从时间 到空间的任意类型的控制0 1 1 。 2 3v r m l 编程概念 8 第二章虚拟现实建模语言( v r 虬) v r m l 编程概念和通常所指的编程不尽相同。v p , m l 编程是指建立脚本 ( s c r i p t ) 节点，在s c r i p t 节点中用j a v a 和眦s c d p t 语言实现它对接口输入 输出事件的处理逻辑。本文中所指的编程既包括用各种v r n i l 内部直接支持的 s 呻t 节点的编程，也包括描述v r m l 场景节点的空间几何信息。 ( 1 ) v p a f i s c r i p t 的基本特征 为了增加交互性，舢7 提供了一种可以直接对场景进行操作的脚本语言 y r m l s c r i p t 。v r m l s c r i p t 是j a v a s c r i p t 的一个子集，直接支持v r m l 的数据类 型，这是其它脚本语言所不能及的“” v p 4 4 l s c r i p t 在v r m l 场景操作能力上的优势有两点。 a 支持v r m l 节点的分布式应用，支持s c r i p t 节点的u r l 域支持的协议； b 直接处理e v e n t l n 事件：送到s c r i p t 节点的事件被传递给相应的 v r m l s c r i p t 函数。函数的名字与e v e n t i n 一样，e v e n t i n 事件的值v a l u e 和事 件的发生时间t i m e s t a m p 作为参数传递。 由于v r m l s c r i p t 是脚本语言，不是编译后运行，而是直接解释执行的， 这便于对其运行过程进行分析，下面我们对于v r m l s c r i p t 事件处理过程进行分 析，就可以对v r m l 的事件体系有比较深入的了解。事件处理的过程和步骤如下。 a 参数传递与e v e n t i n 函数 当s c r i p t 节点收到一个e v e n t i n 时，在u r l 域被指定的一个相应的函数 被调用，它有两个参数。e v e n t i n 的值v a l u e 作为第一个参数被传递， t i m e s t a m p ( 时戳) 作为第二参数被传递。v a l u e 的类型与e v e n t i n 的类型一样， t i m e s t a m p 的类型是s f u r i 哪。 b i n i t i a l i z e ( ) 方法 在事件值传入后，该方法首先被运行，以对脚本和系统进行必要的初始化 工作，其作用相当于c 抖中的构造函数。 c e v e n t o u t 当执行的函数运行完毕后发送这个事件。这意味在函数执行一次的过程中 e v e n t o u t 可被多次赋值，只有最后赋值的e v e n t o u t 被送出。 v r m l s c r i p t 也有功能的限制。v r m l s c r i p t 节点几乎可以访问v r m l 场景的 所有节点，但是它的语言处理能力比较有限。它提供了系统类和m a t h 类可以完 成一些计算，并具备有限的对象定义功能，但不能访问外部系统的c o m 对象， 比h t m l 中的j a v a s c r i p t 提供的系统功能少很多，甚至连e v a l0 函数都没有。 在我们的虚拟实验室系统中，我们重点利用其完善的事件响应机制，其主 要作用在于对v p 强4 l 场景数据的初始化处理以及在节点数据的基础上增加一些 简单的处理逻辑。 9 第二章虚拟现实建模语言( v r m l ) ( 2 ) p r o t 0 节点的面向对象编程 在虚拟实验室设计中，需要创建大量的新的节点类型。我们希望新创建的 节点类型具有自己独立的节点类型名，能定义自己的字段，能够添加自己的代 码。为了提高代码效率，增加代码的可重用性，在设计时也要求使用面向对象 的编程思想。即要求创建的新节点类型应该具有封装性和继承性。这时，就需 要使用到v r m l 9 7 提供的p r o t o 节点类型。 一个p r o t o 定义描述了一个新的节点类型，像任何一个节点类型一样， 新节点类型需要一个节点名、一个包括f i e l d 、e x p o s e d f i e l d 、e v e n t l n 和e v e n t o u t 字段的列表，一个关于节点功能的描述【1 1 1 。 从p r o t o 特点可以看出，完全可以用p r o t o 进行面向对象的编程。如 果把p r o t o 看成面向对象语言里的类定义，我们可以根据面向对象语言的特 性，进行如下分析： 缸封装性 用p r o t o 定义的新节点类型中，f i e l d 字段可以在新节点类型被实例化的 时候确定，运行时在节点外不能对它进行修改，e x p o s e d f i e l d 既可以在实例化的 时候给定初值，也可以在运行时在节点外进行修改。同时，这两种字段都有初 始值，如果在实例化时不做说明，则字段值为初始值。因此，f i e l d 字段相当于 类的私有变量，e x p o s e d f i e l d 字段相当于类的公有变量。而那些节点内部使用的 字段、变量，由于它们没有被引出节点，所以在节点外是不可见的。 当其它节点向新节点类型的实例节点的e v e n t l n 发送消息的时候，节点会 做出一定的反应，最后通过e v e n t o u t 字段发出处理的结果，如果在节点中用 s c r i p t 节点接收输入事件，则可以用输入事件触发一段对应的程序脚本。这样， 向节点发送事件就相当于调用类的方法。方法的返回值是e v e n t o u t 事件，而那 些在节点内部调用的函数、方法、事件，由于它们没有被引出节点，所以在节 点外是不可见的。 因此，用p r o t o 定义的新节点类型，在封装性方面完全满足面向对象编 程的要求。 b 继承性 虽然在v r m l 9 7 标准中没有明确说明继承性的概念，但在v r m l 语言的 各个节点中存在着事实上的继承关系。用p r o t o 定义的新节点类型也是一样。 新节点实际上继承了它在节点体中出现的第一个节点的节点类型，因此可以认 为新节点是从第一个出现的节点继承来的。如果新节点要继承这个节点的方法 ( e v e n t l n ，e v e n t o u t ) 和属性( f i e l d ，e x p o s e d f i e l d ) ，也可以用i s 关键字显式 地引用。 1 0 第三章虚拟实验室系统的设计 第三章虚拟实验室系统的设计 文中所述系统方案主要实现了如下内容： 乱创建虚拟实验环境的、，i c 界面。以面向对象的方法为设计原则，利用v r m l 、 3 d sm a x 等工具，研究虚拟实验、】l 场景及形体的构造和渲染。 b 设计并实现基于v p , m l 的虚拟实验环境的操作平台的功能。具体有以下内 容；实验器材的设计，包括基本电子元器件、实验设备和操作平台的交互功能等。 设计实现基于知识的数字逻辑电路仿真计算，该模块在后台运行，为系统提供识 别、纠错、运行状态显示等强有力的计算支持。 c 实验管理。对实验过程进行监控以及其他的辅助功能模块。 3 1 系统分析 本文的设计目标是借助于计算机、虚拟现实和网络通信技术，采用v r m l 与 3 dm a x 相结合的技术路线，开发大学计算机专业本科生数字逻辑电路的网上虚拟 实验室。数字逻辑电路网上虚拟实验室作为一个虚拟实验环境，应符合两方面的 要求，一方面作为一个虚拟现实环境，系统应具有基本的虚拟现实功能和特征； 另一方面作为一个数字逻辑电路实验环境，系统应突出其数字电路实验的能力和 效果。 图3 1 虚拟实验过程模型 上图所反映的是具有一般性的虚拟实验过程，本文应用软件模拟了这一模型 所反映的内容和过程。虚拟实验过程是真实实验过程在虚拟空间的映射。在虚拟 空间中，实验内容和过程由软件来模拟，施加输入信号的任务在虚拟空间中进行， 输出结果在虚拟空间中以符合客观规律的形式显示给实验者( 如图3 2 ) 。与在真 实环境中不同的是虚拟环境中的实验者在v r 环境中通过鼠标操作和虚拟的实验 对象交互，其交互的方式和结果同样应符合客观规律。 3 1 1 系统功能要求 结合虚拟现实系统、实验环境和网络教育的综合要求，根据上文中所得到的 客观要求，系统功能划分为两个主要模块： 第三章虚拟实验室系统的设计 图3 2 虚拟实验平台的逻辑结构 ( 1 ) 实验系统的v r 环境构建：构建逼真三维效果的空间场景和实体。这些 场景和实体与真实世界的几何特征和物理特性基本相同，提供实验环境和进行实 验操作的虚拟空间。实验者在进行实验时，能够体验到具有基本真实感的三维视 觉空间。本虚拟实验室需要进行建模的实验实体有实验室场景( 包括墙壁、地面、 顶棚、灯光、实验台) 、集成电路实验板( 俗称面包板) 、t t l 系列芯片、导线等。 三维实验环境构建包括两个方面： a 静态环境 首先应该是对虚拟空间的显示。这主要指大场景的显示，包括室内和室外环 境。室内环境指一般的建筑特征( 如地面、墙壁、屋顶等) 和装饰特征( 如工作 台等的基本摆设和所有实体的外观效果) ，也包括一般虚拟空间中的少量交互功能 ( 如实验室门的开启等) 。另外还有实验器材的显示，即实验元件和实验设备。实 验元件包括数字电路芯片，导线等；实验设备有面包板等。各种实验器材在外观 和功能上均与实际器材保持基本一致。 b 动态环境 包括器材的功能显示和实验过程的控制。虚拟空间中的器材与客观世界中一 样，除相同的外观外，也有相似的动态效果，如电源按键的按下和弹起等效果， 使实验者在虚拟空间中所获得的操作知识和能力可以同样用于实际器材的操作。 实验过程是人在虚拟空间中与实验器材的相互作用。在本系统中，这一过程的显 示效果包括了器材的运动过程( 如芯片插入面包板的过程) 和在实验过程中器材 的相互作用( 如输入开关的开关对输出小灯泡的输出结果的影响等) 。 ( 2 ) 虚拟实验的构建。这是实现系统功能的主要部分。实验者在虚拟实验环境 中完成数字电路实验的各个环节。系统根据实验要求提供了面包板等虚拟实验器 第三章虚拟实验室系统的设计 材，所有器材的功能和性能与真实材料是基本相同的。在本系统中，实验者可选 择“按提示实验”和“自主实验”两种不同方式。“按提示实验”是由虚拟系统提 供一个操作标记，指导实验者一步步按照提示来操作。“自主实验”是实验者依据 面包板上的电路图随意连接导线。两种实验方式都把操作送入后台进行计算后， 再将操作结果以相应形式反馈给实验者。实验过程和计算、反馈过程是同步的， 这显示了过程的真实性。 该虚拟实验系统的一个重要特点是交互界面较好。实验者的指令直接发送给 虚拟空间，虚拟空间管理用户消息，并将请求传递给相应的脚本程序，在计算结 束后，再以相应的虚拟现实效果反馈给实验者。 虚拟实验的构建包括三个方面： 乳器材功能的构建。虚拟器材不但在外观和动态效果上与实际器材基本相同， 而且具备相应的特定功能。 b 实验过程的控制。在虚拟实验空间里，系统支持实验者在一定程度上随意 操作，如芯片反插，自主实验方式中的导线任意连接等，这也是本实验系统的主 要特征之一。 c 结果反馈。实验过程也对应着后台的逻辑处理过程，这是本实验系统的另 一个主要特征。在对数字电路功能进行模拟仿真后，将逻辑电路的输入状态进行 处理，最后以相应的输出结果反馈给实验者；着出现故障，则有相应的故障效果 ( 如给出芯片插反提示，电路连不通等) 。 ( 3 ) 其它功能 乱实验管理：包括选择实验方式，实验报告的填写、批阅、浏览。 b 实验帮助：随时点击获取帮助信息。 c 三维环境辅助；在本系统中，实验者可通过选择不同视点参观整个虚拟实 验场景。 3 1 2 系统性能要求 本系统的性能要求主要是针对与虚拟现实有关的系统特征提出的，主要有以 下几个方面：、 ( 1 ) 真实性。虚拟现实真实性包括空间特征的真实性、物理特性的真实性和交 互方式的真实性。完全实现这三类真实性不但不可能，而且还会对系统某些功能 的实现产生影响，所以应该在保证系统功能和考虑到软硬件平台限制的基础上来 实现虚拟现实的真实性。 ( 2 ) 速度和图形效果。由于本系统是应用于网络环境的，所以其速度受两个因 素影响，即网络传输速度和图形渲染速度。这两个因素分别取决于网络条件和实 验者机器的配置，是系统无法控制的。为了提高速度，应控制软件规模。 第三章虚拟实验室系统的设计 ( 3 ) 可移植性。要求系统在移植到其它平台上的时候应尽量少或不进行改动。 如操作系统可适应w i n d o w s2 0 0 0 ，u n i x ，l i n u x 等，浏览器可适应i e 、n e t s c a p e 等。 ( 4 ) 可扩充性。这包括两个层次的含义：在功能层次上，要求系统可以扩充新 的器材( 元件及设备) 、新的电路模拟算法以及其它功能；在设计模式层次上要求 系统的设计开发过程可以总结为一个通用的设计模式，以应用于其它虚拟实验室 的开发。 3 1 3 系统动画设计要求 在虚拟实验室中，多数用户的输入工具是键盘和鼠标，显示工具只是显示器， 所以进行完全的三维操作是很困难的。因此某些在操作上比较复杂，但对实验结 果影响不大的动作可由动画来表示。结合虚拟实验室的要求，虚拟实验中的动画 设计应满足以下要求： ( 1 ) 真实性。动画作为虚拟实验中最具表现力的行为之一，真实性是非常重 要的。 7 ( 2 ) 生成的代码文件要小。由于虚拟实验是在网上进行的，需要在网络上传 播实验场景和实验数据，所以为了提高传输速度，要求代码文件要尽可能的小。 因此，在实现动画时，需要采用根据运动学和动力学对动画过程进行建模，并结 合关键帧位置动画的技术来实现。 ( 3 ) 可重用性。由于在实验中要用到许多动画，因此采用合理的动画实现机 制，增加代码的可重用性，对提高设计效率，最终将单个的虚拟实验发展成一个 虚拟实验设计平台有着非常重要的意义。 3 2 系统设计 3 2 1 构建虚拟实验室的基本元素 我们从虚拟实验环境中抽象出它的一些基本元素，这些基本元素都代表虚拟 实验环境中的一些基本功能单元。以下针对这些基本元素进行详细说明。 ( 1 ) 实验场景。实验场景是用v r m l 建立的描述实验的虚拟现实环境，是实验 者进行实验的外围场景。实验者在实验场景中