（信号与信息处理专业论文）基于Web的网络化虚拟仪器的研究(1).pdfVIP

摘要 攘要 实验教学相对于理论教学而言更具有直观性、实践性和创新性，它是理：口斗 教学中的重要环节之一。随潜我国近几年高校的扩招，学校的仪器设备资源显得 越来越紧张，使学生实验受刘限制。为了缓解这一矛盾，我们希望通过网络实现实 验仪器设餐资源共享，建立网络虚毅实验室，剥瘸丽络进行数据传送、处理和控 制。溺络廉襁实验室实现的基确是多媒体计箕机技术、网络技术与仪器技术的结 合。通过网络虚拟实验室学生可以随时自由地进入虚拟实验室操作仪器，进行各 种实验。不但为实验类课程的教学改革提供了条件和技术支持，还可以随时为学 生提供受多、更新、更好的仪器。 本文在分手厅虚拟实验及寝叛实验室的产生及露内外的发震状瑰豹蒸础上，完 成了掏建网络虚拟实验室的方案研究，网络体系软件漫计帮实验溺试。主要工 乍 有以下几个方面： ( 1 ) 以计算机技术、网络技术、虚拟仪器技术为依据，研究了构建网络虚拟实验 室的方法。通过对b r o w s e r s e r v e r 和c l i e n t s e r v e r 两种网络结构的特点避行分 橇和比较，最终选定b r o w s e r s c 聃, e r 体系结构。在可靠 生、保密性、跨乎台特性、 软件羹翻性警方面，更符台纂予w e b 静丽缨寝拟实验室的要求。 ( 2 ) 通过对国内外实现虚拟实验室的几项关键技术和软件工具的分析比较，完成 了本系统的方案研究。方案中采用了j a v a 作为客户端、服务器端的刀：发工具， 选择了j d b c 作为数据库的开发平台。在仪器控制端利用g p i b 总线，把仪器设 各与计冀撬亘连，采用l a b w i n d o w s c v l 为开发平台。 ( 3 ) 本文竞成了示波器帮函数发生嚣的网络化静谤究郭设计，完成了客户端、鼹 务器端和仪器控制端的软件设计，并进行了实验测试，测试结果表明，该系统能 够正确完成测试任务的提交，实现远程仪器的控制，并能将测试数据正确返回至 客户端。 关键蠲：鲻络实验室：b s ；虚拟仪器 a b s 鼍翟a c t a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lt e a c h i n gi sc o n s i d e r e di m p o r t a n ti nf i e l do fs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c o m p a r e dw i t ha c a d e m i ct e a c h i n gi t i sm o r ei n t u i t i o n i s t ，r e a l i z a b l ea n di n n o v a t i v e 。 w i t ht h ee x p a n d i n go fm a t r i c u l a t e ，t h e r ea r em o r ea n dm o r eu n i v e r s i t i e sf a c i n g s h o r t n e s so fe x p e r i m e n t a lr e s o u r c ei nr c c e n ty e a r s h o w e v e rp e r h a p st h ep r o b l e mc a n b es o l v e db ys h a r i n gi n s t r u m e n t st h r o u g hn e t w o r k ，s u c ha sv i r t u a ll a b o r a t o r yo n i n t e r n e t b u i l to ni n t e r n e t ，t h el a b o r a t o r yc a nr e a l i z et h ef u n c t i o n o ft r a n s m i t t i n g ， p r o c e s s i n ga n dc o n t r o l l i n go fd a t at h r o u g hi n t e r n e t v i r t u a ll a b o r a t o r yo ni n t e r n e ti s b a s e do nc o m p u t e rt e c h n o l o g yo ft h em u l t i m e d i a ，n e t w o r kt e c h n o l o g ya n dv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y s t u d e n t sc a ne n t e rv i r t u a ll a b o r a t o r ya n do p e r a t ei n s t r u m e n t w h e n e v e r 。t h o s en o to n l yp r o v i d et h ec o n d i t i o nb yw h i c hat e c h n o l o g ys u p p o r tf o r d i d a c t i c a li n n o v a t i o no fe x p e r i m e n t a lc o u r s e s ，b u ta l s op r o v i d em o r e ，n e w e ra n db e t t e r i n s l m m e n t sf o rs t u d e n t s t h i sp l a y si m p o r t a n tr o l ef o rt h ei m p r o v e m e n tl e v e lo f e x p e r i m e n t a li n s t r u c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nh a sb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ep r o d u c t i o na n dd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ls t a t eo fd e v e l o p m e n to fv i r t u a le x p e r i m e n ta n dv i r t u a ll a b o r a t o r y 。t h e f o l l o w i n gt a s k sa r ef i n i s h e d ： f 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i co fc l i e n t s e r v e ra n db r o w s e r s e n e r ，t w ok i n d so fn e t w o r k s t r u c t u r e ，i sa n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t h b r o w s e r s e r v e rm o d ei ss e l e c t e di n t h i s s y s t e m + h 1s o m ea s p e c t s ，s u c ha sd e p e n d a b i l i t y ，p r i v a c y ，s t e p p i n gt h ef i a tc h a r a c t e r i s t i c ， s o f t w a r ep u t t i n gi nap o s i t i o n ，e t c ，i tf i t sw e l la c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so fw e bb a s e d v i r t u a ll a b o r a t o r y ( 2 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so ft h ev i r t u a ll a b o r a t o r yb o t ha t h o m ea n da b r o a d ，a n dt h r o u 馥t h ec o m p u t a t i o no fv a r i o u sk i n d so f p o p u l a r t e c h n o l o g i e sa n ds o f t w a r et o o l sa tp r e s e n t ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h es o l u t i o n ：t a k i n g j a v aa sd e v e l o p i n gt e c h n o l o g yo fc l i e n ta n ds e v e r , c h o o s i n gj d b ca sd e v e l o p m e n t t e c h n o l o g yo fd a t al i b r a r y o nt h ei n s t r u m e n tc o n t r o lp o r ti n s t r u m e n t sa n dc o m p u t e r s h a v eb e e nc o n n e c t e db yg p i bb u sa n dl a b w i n d o w s c v la r et a k e na sd e v e l o p m e n t t o o l 。 狂 a b s t r a c r ( 3 ) t h i sd i s s e r t a t i o nh a sc o m p l e t e dr e s e a r c ha n dd e s i g no fn e t w o r ko s c i l l o m e t e ra n d n e t w o r kf u n c t i o n ，a l s oh a sc o m p l e t e dp r o g r a md e s i g no fc l i e n t ，s e v e ra n dd e v i c e c o n t r 0 1 t h er e s u l to ft e s ti n d i c a t e s ：t h i ss y s t e mc a nc o m p l e t ed a t at r a n s i t i o n ，a n dc a n r e a l i z er e m o t ed e v i c ec o n t r o la n dt h er e t u r no ft e s td a t a k e yw o r d s ：v i r t u a ll a b o r a t o r yo r li n t e r n e t ；b s ：v i r t u a l i n s t r u m e n t 1 1 1 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礤究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得彀子科技大学或其它教育枫构的学位或证书丽使用过的材料。 与我一同工作的目志对本研究所擞瓣任何贡献均已在论文中俸了明 确的说明并表示谢意。 签名奎殛隰毋嬲多年f 胃力匿 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了鳞电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阗。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分两容编入有关数据库避行检索，可以采鼹影印、缀印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：襁导师签名1 蘧窆 日期：毋榭么年f 月z o 日 第一章引言 1 。1 网络虚拟实验塞概述 第一章弓| 言 随着计算机网络的普及，我们己经可以利用网络作为教学传播媒介，这种整 合超文本、多媒体及直觉式图形界面的网络，使得教学环境更具弹性与多元化特 征“。 虚熬实验是随着瑷代计算枫技术的遴步丽产生帮发震豹一静实验模式”3 。但它 在实验的本体逼真性和应用普适性，以及在给予实验者现场实时感受和实验效果 等方面，传统的计算机模拟实验是根本无法相比的。虚拟实验主要依托的技术是 虚拟现实技术和虚拟仪器技术，实际上建计算机科学与技术的延伸。虚拟现实技 术能够生成实时的、具霄三维信息的入王虚拟环境，掇传人员进入其中，产生逼 真的身临其境感，并像在真实世界中榉地与该环境进行实时操纵和棚甄交流。 虚拟仪器技术使计算机成为全能的电子仪器，利用现代计算机强大的图形环境， 建立界丽友好的虚拟仪器，操作人员通过友好的图形界断及图形化编程语言控制 仪器运行，完成对被测对象的采集、分拼、判断、显示、存储及数据生成。 实验教学裙对于理论教学丽言更其有煮观性、实践性秘创新性，它是许多学 科特别鼹理工科教学中的熏要环节之一。实验教学在加强学生素质教育与培养创 新能力方面起着重要的、不可替代的作用。但是，随着我国近几年高校的扩招， 学校的仪嚣设备资源疆褥越来越紧张。霞此，我们需要通过网络实现实验仪器设 各资源共享，网络虚襁实验室应运丽生。虚拟实验一般怒逶过虚蛰实验室丽避彳亍 的，利用网络进行数据传送、处理和控制的远程实验。虚拟实验室是今后的远程 教育发展主流的必要成份，将远程教育提升到更高的屡次上。 网络虚季鼗实验室就是在w e b 中创建出一个可褪他的三维环境，通过鼠标的点 击以及稳撬操作，用户可以蘧行虚拟的实验，其中每一个可寻觅仡的三缳携体代表 一种实验对象。网络虚拟实验室是由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验 的实验祭统，实现的基础是多媒体计算机技术、网络技术与仪器技术的结合，包 括相应实验室环境、稳关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。无论 是学生还跫教爆，都可以囊由遗、无颟虑逸涟瞳进入盘叛实验室操作仪器，进行 各种实验。不但为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持，还 电子科技大学硕士学位论文 可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器。通过网络虚拟实验室，访问者只 要拥有一台连接到i n t e r n e t 的电脑就可以不受时间、地域的限制操作实验，达 到所谓的随时随地做实验的目的。它对提高实验教学水平具有很大的促进作用。 它的产生向人们展示了信息时代一种全新的教育方式和科学研究方式。网络虚拟 实验室的出现，使远程教育更趋完善，也使远程教育成为真正的“网络学习”。 1 2 网络虚拟实验室在国内9 1 自9 发展现状 虚拟实验室( v i r t u a ll 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 m n 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 员会定义为o ：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；三是充分地实现资源共 享。 虚拟实验室概念的提出至今仅为十多年的时间，但因其广阔的应用前景，国 内外有很多组织都已经开展了虚拟实验系统的研究和建设工作，特别是在国外一 些著名的大学，已有较多建好并投入使用的虚拟实验系统，涵盖了计算机网络、 数学、人工智能、生命科学、化学、物理、生物工程通讯、图形图像、农业科学 等教学、科研领域。 v s l ( v i r t u a ls y s t e m sl a b o r a t o r y ，简称v s l ) 虚拟系统实验室“1 ，始建于1 9 8 9 年，由o e n t r a lf l o r i d a 大学教育训练研究院建立，其目标旨在提高计算机图形 的艺术表现力以及改进仿真过程中的人机接口设计；美国巴尔的摩( b a l t i m o r e ) 约翰霍普金斯大学( j o h n sh o p k i n su n i v e r s i t y ) 的化学工程系的卡尔威教授 ( p r o f e s s o r m i c h a e lk a r w e i t ) 在网络上建立了一个“虚拟实验室”，在计算机上 模拟各种实验，让化学工程系的学生可以通过网络来做实验，尝试解决工程上遇 到的各种问题；德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室：西班牙大学电子系 开发了电子仪器虚拟工作平台；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。此外，网络虚拟实验室 还在诸多领域上得到应用，如美国实施的v i s i b l eh u m a n 计划，就是通过将一具 尸体进行固化处理，再用特制的机器将其切成极薄的薄片，然后将这些薄片通过 第一章引言 扫描仪输入计算杌，再逶过三维重建算法秘成三维人终图像，这样藏撂一个真正 的人体显示在嗣算瓿屏幕上，并且可以在羼幕上进行旋转、鞠窃等操作，医学人 员就可以在计算机上进行人体解剖教学、虚拟手术等。 与西方发达国家相比，国内在虚拟实验方面开展的工作还不多，但目前虚拟 实验室的建设也褥到了应有螅重视，己有部分离校初步建立了虚拟实验室。例如： 清华大学利用虚熬仪器搦建了汽车发动机检测系统；中国农业大学建立了嗣上虚 拟土壤作物系统实验室，应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育状况，探 讨虚拟植物模型在农业领域应用的关键问题；华中理工大学机械学院建立了一个 工程测试虚拟实验室，学生可以通过联嘲计算枫终端来逃罩亍仿真实验，图像处理 硬究室设计了数字图像处理虚拟实验室；中国辩学技术大学人工智趣与计雾掇应 用研究室镊新研制出我国第一套虚拟现实教学软件“几何光学实验设计平台”。该 系统完成了光学虚拟实验室的设计，通过实验所提供的一系列光学仪器，学生可 以基本上完成所有的单透镜实验和组合透镜实验，共且提供了完整的文档秘习题 系统。 1 3 构建网络虚拟实验塞的必要性和意义 随蓉我国高等教育体剃的深亿改革以及搿生蕊模的不断扩大，学生规模急剧 澎联的瞽通高等院校普遍陷入了实验教学的溺境。实验袈建设规模严重滞后予迅 速膨胀的学生规模。如果仍然采用传统的实验教学方法，那么不仅要耗费巨额资 金来扩大实验室的建设规模、增添大量的仪器设各，而且也要扩大实验镑理人员 以蕊强实验管理环节，尽爨避免仪器设备磨损造或的经济摸失，保证实验教学秩 序良好遗褥。然雨元器件镌灞耗是不可避免的，这巨大酌经济负担对予磁前各高 校的经济实力来说都是难以承担的。就目前我国高校的普遍经济状况，想通过扩 大实验室的规模、增添大摄仪器设备来满足传统的实验教学，一般是难以实现的。 垦魏学生难以走避实验室懿状况主要裔两个原因：一是学校实验经费的不足 造成实验场地、仪器设备严熏缺乏；男一个原函是学校实验场建空阀有隈，不能 满足所有学生和科研人员进入实验室进行实验，严重影响了他们的学习和研究。 必须对实验教学进行全面彻底改革，改变传统实验教学模式迫在眉睫。因此，网 络虚拟实验室应运丽生，为实验教学提供了种薪的鼹决方法。我 f 产生了构建 弼络虚拟实验室筑构怒，郄嗣较件代替矮件，_ 霭编程模拟实验的全过程。网络虚 拟实验将大大简化实验的操作过程，节省实验中各种仪器的使用费用，实现实验 电子科技大学硕士学位论文 数据的电子化，打破了传统实验室在地域空间和时间上的约束。虚拟仪器技术与 认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室的智能化特性，无论是学生还是科研人员， 都可以自由进入虚拟实验室操作虚拟仪器，不但为实验类课程的教学改革及远程 教育提供了条件和技术支持，还可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器。 与现实的实验室相比，网络虚拟实验室具有许多优势和特点，决定了它在科研、 教育中良好的应用前景。归纳起来有下面几个： ( 1 ) 开放性。虚拟实验可以彻底打破空间的限制，在任何地点任何时间里给任何 实验者提供赖以学习、工作和研究的实验场所的虚拟实验室“1 ，缩短实验周期，更 利于科学研究的进行。 ( 2 ) 经济性。传统实验需要借助于具体的实验设备，一些实验设备价格昂贵，损 耗大，实验成本高，这对于实验经费不足的地方院校来说，是难以承受的；而网 络中的虚拟设备不存在磨损、破坏问题，可反复使用，既满足了教学要求，又能 节省实验经费、提高办学效益。 ( 3 ) 交互性。在虚拟实验中实验者可以根据自身的需要利用虚拟实验室提供的虚 拟器件搭建、设计具体实验，同时在实验中提供控制手段来控制实验的进程并对 实验者的操作提供反馈信息。 ( 4 ) 重用性。就是要使虚拟实验室尽量采用组件的设计思想做到易扩充、易维护。 用户可以根据自己的实验需要构造新的实验模块、添加新的实验仪器或在已有的 功能模块的基础上用改进、组合或混合方法构建新的模块。 ( 5 ) 安全性。一些危险性比较高的实验，若操作者一时疏忽，很容易对其造成严 重危害，比如化学实验、医疗实验等。而在网络上进行虚拟实验却毫无危险。对 有毒有害、污染环境和破坏性实验，也可在虚拟实验室内完成。 ( 6 ) 抗干扰性。可以避免硬件实验带来的与实验目的无关的干扰，如接触不良、 仪器故障等所造成的影响； 总的来讲，网绍虚拟实验通过计算机网络可以实现教育资源的共享，某一学 科的先进实验条件可以被校内外的各学科使用，从而可能节省大量实验设施的重 复投资，有利于从整体上改善国内的办学条件和提高实验教学水平。 1 4 本课题的主要内容 本课题研究的内容是通过g p i b 总线，把大型设备与计算机互连，再将分布于校 园网内的集群、高性能服务器、计算机以及计算软件等计算资源有机地聚集起来， 4 第一章引言 通过w e b 方式为学生用户提供方便实用的仪器使用服务。 本实验系统用虚拟仪器的概念实现了对现场对象( 仪器设备) 的基于互联网 的远程测量、控制和发布数据功能。其构建使用b s d a ( b r o w s e r s e r v e r d a t a b a s e & a p p l i c a t i o n ) 结构，即浏览器服务器数据库应用程序结构。采用网络编 程技术、虚拟仪器技术和数据库技术相结合的方法，利用j a v a 语言编写客户端和 服务器端程序，利用l a b w i n d o w s c v l 编程语言编写仪器控制平台，5 d b c 为后台数 据库，以b r o w s e r s e r v e r 为体系结构，并以t c p i p 作为网络通信协议，构建 了虚拟实验室系统。虚拟实验室具有可视化、交互性、资源共享、安全性等特点 和仿真的实验环境，它符合远程实验教学的要求；它营造了一个逼真的实验环境 和强大的交互功能，使实验可以取得真实的结果。 整个网络体系软件分为三部分，设备控制部分，网络通信部分，数据库部分。设 备控制解释对仪器设置的指令，本地可对信号源进行控制，本地可对示波器进行 设置，并能得到相关数据( 包括测量量数据和波形数据) ，再通过数掘传输把数据 传给上层。网络通信模块负责与用户界面组件、信号分析处理组件、数据库服务 组件、仪器控制组件和数据采集组件等进行相互通信。数据库部分用于记录用户 信息( 如用户i d 、用户名、口令、用户单位等) 、用户登陆信息( 登陆时间、退出 时间等) 和原始信号。 本文的主要内容包括如下几个方面： ( 1 ) 研究了构建网络虚拟实验室的方法及技术解决方案，根据网络虚拟实验的要 求，对b r o w s e r s e r v e r 和c l i e n t s e r v e r 两种网络结构的特点进行分析和比较， 本系统选定b r o w s e r s e r v e r 模式。 ( 2 ) 对实现基于w e b 的网络虚拟实验室所需要的各种关键技术：虚拟仪器技术、 w e b 服务器设计技术、w e b 数据库技术、w e b 基本协议等进行了研究。确定了j a v a 作为客户端和服务器端的开发工具，j d b c 为后台数据库，用l a b w i n d o w s c v i 编程 语言编写仪器控制平台。 ( 3 ) 实现了t d s 2 1 0 示波器和h p 3 3 1 2 0 函数发生器的网络化。以t c p i p 作为网 络通信协议，完成了客户端、服务器端和仪器控制端的软件设计，并进行了实验 测试。测试结果表明，该系统能够正确实现数据的传输，包括测试任务的提交， 远程仪器的控制，测试数据正确返回至客户端。 电子科技大学硕士学位论文 第二章网络虚拟实验室的技术解决方案 2 1 网络虚拟实验室的设计方法 构建基于w e b 的网络虚拟实验室有多种方法，但它们的基本思想应该是一致 的，即用软件方法来模拟硬件设备的功能。因此，它们就应具有下面的一些共同 的特性：和现实中的实际仪器的特性相一致；很强的交互能力；实时反馈的能力； 多人协同合作使用的功能；具备一定的智能特性。 2 1 1 国内外的开发方法 目前网络虚拟实验室研究还处于萌芽阶段，国内外已经有很多大学进行了这 方面的研究，总结他们所使用的技术”“，大致有以下几类： 1 使用j a v a 进行开发 j a v a 是1 9 9 5 年由s u n 公司推出的、伴随着i n t e r n e t 发展而出现的一种网 络编程语言。s u n 公司将j a v a 描述为- 9 十具有简单性、面向对象性、动态性、 分布性、可移植性、多进程、平台无关性、高性能、稳定性和安全性的语言。由 于它具有这些特点，使得它已经成为跨平台应用软件开发的一种规范，在世界范 围内广泛流行。为了使开发出来的虚拟实验室更加逼真，更具动感，采用j a v a 语 言来开发虚拟实验场景，但利用j a v a 技术难以实现3 d 效果，一般采用 j a v a + v r m l 混合编程。这一点对于构建网络虚拟实验室系统来说也是非常关键的。 j a v a 的优良性能体现在以下几个方面： 简单性 j a v a 语言是一种面向对象的语言，它是通过提供最基本的方法来完成指定的 任务，只需理解一些基本的概念，就可以用它编写适合各种情况的应用程序。 面向对象 j a v a 语言的设计集中于对象及接口，它提供了简单的类机制以及动态的接口 模型通过继承机制，子类可以使用父类提供的方法，实现了代码的复用。 分布性 j a v a 是面向网络的语言。通过它提供的类库可以很容易地处理t c p i p 协议， 用户可以通过u r l 地址在网络上很方便地访问其它对象。 第二章网络虚拟实验室的技术解决方案 体系结构中立 j a v a 解释程序能生成与体系结构无关的字节码指令，只要系统安装了j a v a 运 行环境，j a v a 程序就可以任意的在处理器上运行。这些字节码指令对应于j a v a 虚 拟机中的表示，j a v a 解释器得到字节码后，对它进行转换，使之能够在不同的平 台上运行，即可跨平台运行。 安全性 用于网络、分布式环境下的j a v a 必须要防止病毒的入侵，j a v a 不支持指针， 一切对内存的访问都必须通过对象的实例变量来实现，这样就防止了程序员使用 “木马”等欺骗手段访问对象的私有成员，同时也避免了指针操作中容易产生的 错误。 多线程 多线程机制是应用程序能够并行执行，同时同步机制保证了对共享数据的正 确操作。通过使用多线程，可以分别用不同的线程完成特定的行为，而不需要采 用全局的时间循环机制，这样就很容易地实现网络上的实时交互行为。 动态性 j a v a 的设计使它适合于一个不断发展的环境。在类库中可以自由地加入新的 变量和方法而不会影响用户程序的执行。并且j a v a 通过接口束支持多重继承，使 之比严格的类继承具有更灵活的方式和扩展性。 a p p l e t 是j a v a 小应用程序，它是动态、安全、跨平台的网络应用程序。j a v a a p p l e t 嵌入h t m l 语言，通过网页发布到i n t e r n e t 。用户访问含有a p p l e t 的网页 时，这些a p p l e t 从服务器上传输到用户计算机，然后在支持j a v a 的浏览器中运 行。 2 使用a c t i v e x 控件进行开发 a c t i v e x 技术是m i c r o s o f t 为适应网络发展的需要而将o l e 技术在 i n t e r n e t 上的重定义，可以利用v b 、v c 、d e l p h i 、b u i i d e r 等任何一种支持c o m 规范的开发工具来进行a c t i v e x 控件的开发。a c t i v e x 技术使得一个大的工程项 目可以划分成小块的组件，完成了每个组成部分之后集成起来就可以得到最终的 项目；允许不同软件开发的组件在网上互相进行操作；本地的组件可以和网络上 的组件进行通信。在网络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，这种代码复用性对于持续开发过程尤为重要。 利用a c t i v e x 技术建立的虚拟实验室( a c t i v e x 组件) 需要编译成网络发行 文件包，并进行数字签名，镶嵌在网页中运行。在客户端第一次运行时，需要在 电予器 投大学硕士学位论文 注册袭中进行注册，这给不熟悉的用户带来了不便。并且a c t i v e x 控制只能运行 于基于m i c r o s o f tw i n d o w s 的操作系统，移植性和通用性比较差。 3 使用v r m l 进行开发 v r m l 是第二代w e b 上的关键技术，是一种三维场景的攒述性语言，也是在 i n t e r n e t 网上实现虚毅现实静关键牲皴木。它的基本器毽怒_ 薅l 文本信息描述三维 场景，在i n t e r n e t 上僚辕，在零缝枫上由v r m l 的潮览嚣勰释生成三维场景， 解释生成的标准规范即是v r l i l 觌范。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 二实现三维虚拟场景浏览成为可能。可见，将v r m l 融 合到网络虚拟实验室的开发过程中，丰富了媒体表现彤式、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。 健v r k i l 技术适宣构建痿拟实验中的所谓“硬件”部分，在实验数据处理方 舔尚京不足，需要与其它语言结台才麓完成数据处理。蕊鞲，基于v r m l 虚 敦现实 的虞拟实验在铡 乍上鞍复杂，门槛较高；客户鞴需要有大燮的专业的设各，辩躲藏 本较高；并且运行v r m l 对客户端计算枫的性能要求很高。 4 使用q u ic k t i m ev r 进行开发 q u i c k t i m ev r ( 以下简称q t v r ) 是一种实景建模的虚拟现实技术。和传统虚 拟现实技术相比，口t v r 不需要特殊的硬件和附属设备，在普通的p c 机或 m a c i n t o s h 枫上即可实现鹰拟现实躲效果；q t v r 可以应用照片、录像或数字图像 来铡建震掇强境，这藏不同予静止的c a d 或g i s 钢作，使它具有更高的真实感、 羹丰霞能弱豫和更鲜弱的缀节特链。 5 + 使用f l a s h 进行开发 在图像上，f l a s h 是一种撼于矢量的图形系统，图形可以任意缩放而不失真。 只需用少最的数据就可以描述一个相当复杂的对象，而它所占用的存储空间却只 是位图的几千分之一，非常适合在网络上使用；在声音方砸，f l a s h 支持m p 3 压缩壤式和流式的声音播放技术。可啦将声音打碎在每一峻摄两。这样在网上传 输辩，保证了声音韶图像瓣同步；在播敖方式上，f l a s h 慕髑静是疆件工作方式。 爝户只要在慕个时候安装一次疆件，以后藏可以浃遮寤动并躐番动禹，两且f l a s h 生成的动画，一般都很小，因此其页面调用的速度非常快。f l a s h 动画支持物体拖 动操作，可用于虚拟实验室中物体的移动，如电路布线时电线的移动、仪器的移 动等。对于实验的结果也可以用动画的方式显示，比如在示波器上用画曲线的方 式最示电路中某点的波形等。用f l a s h 制作的虚拟实验交互性非常强。 对以上几种虚拟实验室实现方式鲍分辑与比较如下： 第二章网络虚拟实验室的技术解决方案 ( 1 ) 系统资源要求 基于v r m l 的虚拟现实技术虽然虚拟效果比较好，可以将使用者的视觉、听 觉与外界隔离，用户可排除外界干扰，全身心地投入到虚拟现实中去。缺点是对 系统的要求太高，设备价格昂贵，难以普及推广。 ( 2 ) 用户交互能力 v r m l 和a c t i v e x 在交互上可谓不相上下，f l a s h 在这点上稍差，但通过编程 其交互性足够造成适应大多数实验的要求；q t v r 技术既有传统影视媒体，又可使 参与者自己控制体验的进程和顺序，可以挑选感兴趣的环节而略过其他部分。 ( 3 ) 平台适应性 对于远程虚拟实验来况，用户分布在广大的区域，可能使用不同的操作系统， 不同的浏览器，客户端要能够具有跨平台的特性。在这种技术中，f l a s h 具有完 全的平台无关性，在浏览器当中就能播放； a c t i v e x 只能在微软的w i n d o w s 平台 上才能使用；v r m l 则要安装不同的播放器刁能实现跨平台；o t v r 技术实现也只需 p c 机平台。 ( 4 ) 网络性能优异 在五种技术中，v r m l 技术本身不具有网络功能，必须借助于其它语言如( j a v a ) 实现网络功能；a c t i v e x 技术通过d c o m 进行网络通讯，效率十分高；f l a s h 技术 的脚本语言中的具有进行s o c k e t 通讯的能力。 ( 5 ) 与其它编程语言的接口 一个软件系统如果具有良好的和其它编程语言的接口，则可以极大地扩展系 统的功能，降低系统实现工作的难度。五种技术中，v r m l 技术拥有和j a v a 之间的 接口。a c t i v e x 技术则可以和所有支持微软c o m 技术的语言进行交互。f l a s h 技 术可以和j a v a 的客户端脚本通过s o c k e t 通讯进行交互。 ( 6 ) 技术的可实施性 v r m l 技术由于门槛较高，其普及程度远远不及a e t i v e x 技术和f l a s h 技术。 a c t i v e x 技术是微软所推的一种网络组件技术，可以很容易开发实施。f l a s h 技术 是目前网页动画的主要技术之一，开发实施较容易，获得文档和技术支持也较容 易。 综上所述，f l a s h 和j a v a 技术是目前最适合作为网络远程虚拟实验的客户 端技术。本文采用的是j a v a 技术。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2 体系结构方案研究 2 1 2 1c ii e n t s e r v e r 体系结构 客户机服务器( c 1 i e n t s e r v e r 简称c s ) 是出现较早、应用范围很广的一 种两层的体系结构，c s 结构将任务合理分配到客户端和服务器端：前台计算交 由客户端完成；后台计算由服务器承担。从而降低了系统的通讯开销，可以充分 利用两端硬件环境的优势。早期的软件系统多以此作为首选设计标准。图2 1 为 典型的客户机服务器体系结构图。 幽2 1 客户端，服务器体系结构 在这种体系结构中，原先完全放在主机上的应用程序被分成两部分：客户机 端的应用程序和服务器端的应用程序。客户机端的应用程序包括了发给用户的信 息的表达方式、接受用户输入的机制、数据的交互和对送往服务器端的数据进行 有效性检查。主要完成与用户直接进行信息交互，向用户提供图形用户界面的用 户接口功能，它是完备的，可以脱离服务器而单独存在。服务器端提供数据库的 查询和管理、大规模计算等服务，此时数据的请求、加工和结果的返回都是由中 间层服务器完成的，大大提高了系统的效率和资源共享效率，减少了网络传输数 据量，避免了网络频繁堵塞，更好地保证数据的一致性，具有高效的交互性友好 的用户界面、性能价格比较高等优点。但由于这种二层的计算模型将交互和业务 规则全移到了客户机上，故存在一定的局限性。1 。 ( 1 ) 安装、升级、维护困难。系统维护和升级的工作量大，客户端软件的维护费 第二章网络虚拟实验室的技术解决方案 用高，这种计算模型不能满足大型监控系统的要求。 ( 2 ) 使用不方便，培训费用高。 ( 3 ) 系统建设质量难以保证。服务器的数据库必须与每一个活动的客户保持连按， 运算资源难以得到充分合理的利用，随着客户数目的不断增加，系统性能会不断 下降。 ( 4 ) 在多用户、多数据库的环境下，可能会造成用户长时间的等待，甚至将导致 系统锁死或崩溃。 ( 5 ) 基于这种二层c s 计算模型而开发的应用系统的生命周期短，可扩充性、 可维护性及安全性都较差，软件建设周期长，升级困难及适应性差，这在分布式 系统开发中是一个严重缺陷。 2 12 2b r o w s e r s e r v e r 体系结构 浏览器服务器( b r o w s e r s e r v e r ，以下简称b s ) 是一种基于w e b 的三层 体系结构。它由浏览器、w e b 服务器和数据服务器组成。客户端是标准的浏览器， 服务器端为标准的w e b 服务器协同应用服务器响应浏览器的请求。浏览器朋务 器体系结构利用超文本传输协议h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 的消息 传递机制，客户端通过浏览器访问服务器并发出服务请求，服务器进行相应的处 理后将响应结果返回给客户端。图2 2 为典型的浏览器服务器体系结构图。 图2 - 2浏览器服务器体系结构图 基于w w w 的b r o w s e r s e r v e r ( b s ) 体系结构彻底解决了c 1le n t s e r v e r 结 电子科技大学硕士学位论文 构的所有弊端，可以给系统开发者、管理者、使用者带来很多好处： ( 1 ) b s 结构中，客户端只需安装操作系统和w e b 浏览器，数据的查询、处理 和表示都由服务器完成，系统版本的升级及维护也是在w e b 服务器端进行的。用 户需要访问时才动态下载，这就保证了用户每次使用的都是最新版本。 ( 2 ) b s 是一种瘦客户模式，用户只要掌握了浏览器的使用，几乎不再需要其他 软件，大大降低了培训l 费用。 ( 3 ) b s 系统效率高，开发周期短，见效快。系统的开发一般分为w e b 页面制 作和w e b 应用开发。w e b 页面制作比较简单，可以使用工具而无需编程；w e b 应 用开发采用可视化开发工具和标准组件，减少了开发难度，加快了开发速度。 ( 4 ) 平台无关性，一点对多点或多点对多点的应用软件结构。可以透明地跨不同 的网络和计算机平台，无缝联合使用数据库、超文本等多种形式的信息。 ( 5 ) 开放性，采用公开的标准和协议，系统资源的冗余度小，由于采用i n t e r n e t 技术实现的，本身就具备i n t e r n e t 的开放性和扩充性。 2 1 2 30 le n t s e r v e r 与b r o w s e r s e r v e r 的比较 从本质上说，b s 模式与传统c s 模式都是以同一种请求和应答方式来执行 应用的。但传统c l i e n t s e r v e r 模式是一种二层或三层结构模式，其客户端集中 了大量应用软件，它比较适合一些中小规模的系统。在客户端数量不是很大的情 况下，c s 模式确是一个成熟的运行环境，具有很好的可靠性和保密性。但随着 业务规模的不断扩大，客户端数量的增加与区域范围的延伸，c s 结构会显得力 不从心；而b s 是一种三级或多级c s 结构，客户端仅需单一的浏览器软件，工 作量不会因为客户端的增加而急剧上升，不会影响系统的可靠性，是一种全新的 体系结构。考虑到与外部i n t e r n e t 连接的情况下，可以建立一道防火墙，这样 可以大大提高b s 结构的可靠性和保密性。它解决了跨平台问题，通过浏览器可 访问几个应用平台，形成一种一点对多点、多点对多点的结构模式。b s 方式之 所以优于传统c s 方式，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 硬件环境不同：c s 一般建立在专用的网络上或小范围的网络环境，局域网 之间再通过专门服务器提供连接和数据交换服务；b s 结构建立在广域网之上， 只需安装w e b 浏览器作为客户端应用的运行平台，而将所有的开发、维护和升级 工作集中在服务器端，比c s 适应范围更强。 ( 2 ) 软件重用不同：c s 程序不可避免的需要进行整体性考虑，构件的重用性差； b s 的多重结构，要求构件具有相对独立的功能，能够较好的重用。 第二章网络虚拟实验室的技术解决方案 ( 3 ) 程序架构不同：c s 程序可以更加注重流程，可以对权限多层次校验，对系 统运行速度可以较少考虑；b s 建立在需要更加优化的基础之上，对安全以及访 问速度的多重考虑。 ( 4 ) 系统维护不同：c s 的应用必须j 干发出专用的客户端软件，无论是安装、配 置还是升级都需要在所有的客户机上实施，极大地浪费了人力和物力；b s 的应 用只需在客户端装有通用的浏览器即可，维护和升级工作都在服务器端进行， 不需对客户端进行任何改变，因而大大降低了开发和维护的成本。 ( 5 ) 安全要求不同：c s 对信息安全的控制能力很强，一般面向相对固定的用户 群，并且在相同区域，安全要求高，与操作系统相关；b s 对安全的控制能力相 对弱，面