（通信与信息系统专业论文）基于net和matlab的虚拟实验室构建.pdf

摘要 摘要 随着软件技术水平的提高，学校科研应用或者教学对其需求越来越大，因此， 院校具有越来越多的专业化极强的虚拟实验软件。鉴于专业化软件版权问题，和 学校硬件设施配置不太高等问题，不能做到给予每个同学一个可以随时运用这些 软件的环境。 现有的专业网络教学平台，发挥了较好的效能，但是缺少网上远程虚拟实验 室这样一个重要环节。本课题的研究就为填补这一空缺，拟为教师、学生提供一个 远干旱虚拟实验环境。应用校园内网，学生不需要装配大型虚拟软件，只需要使用自 己的p c 终端，安装浏览器，就可以与已经配置过的装有虚拟大型实验软件的服务 器通信，与友好的用户界面进行网上虚拟实验活动。 本次工作构建的远程虚拟实验系统前期考虑了两种主流b s 开发平台，即 j a v a 2 和n e t 框架，最终从系统的需求，成本及扩展性三个方面考虑，决定采 用n e t 框架，利用a s p n e t 技术。底层虚拟实验源代码软件采用了工作平台友 好、程序语言简单易懂、在电子信息领域应用广泛的专业软件m a t l a b 。同时本 文考虑了两种m a t l a b 实现w e b 的方法，即生成n e t 组件和c o m 组件，最终决定 创新性的利用m a t l a b 的n e tb u i l d e r 将各虚拟实验软件的源代码打包转化 成n e t 组件，进而实现表现层和中间业务层对m a t l a b 源程序的调用，用一步完 成c o m 方法两步要完成的丁作。整个框架采用三层w e b 管理模式，即表现层、 中间业务层、专业软件层，每层相互独立具有很好的扩展性，体现了高度的面向 对象思想封装，为今后虚拟实验室系统更新，增加数据库层奠定了基础。 本篇论文还具体探讨了对底层专业软件的实验程序设计的两种技术路线，其 中第一种技术路线适合于对专业的底层软件有一定了解又对w e b 页面开发有了 解的研究人员，这种方法具有局限性；第二种技术路线适合于仅仅了解w e b 页面 开发的人员，不需要对专业软件涉及的专业理论有所了解，运用已有的虚拟实验， 对其进行必要的、有限的改进，即可做成可以很好地在浏览器中被调用的底层代 码，此种方法更具普遍性。 关键词虚拟实验室；n e t 平台；m a t l a b a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h es o f t w a r e ，t h ea p p l i c a t i o no fr e s e a r c ha n d t e a c h i n gi ns c h o o ln e e di tm o r ea n dm o r e t h e r e f o r e ，t h ec o l l e g eh a sm o r ea n dm o r e m u c hp r o f e s s i o n a lv i r t u a le x p e r i m e n ts o f t w a r e o w i n gt oc o p y r i g h t ，a n dn oh i g h h a r d w a r ef a c i l i t i e sp r o b l e m ，w ec a n tg i v ee a c hc l a s s m a t ea ne n v i r o n m e n tt h a tc a n m a k eu s eo ft h e s es o f t w a r e sa ta n yt i m e t h ee x i s t i n gp r o f e s s i o n a ln e t w o r kt e a c h i n gp l a t f o r ma r ep l a y i n gag o o dr o l e i n d e p a r t m e n t ，h o w e v e r ，i tr u ns h o r to f o n l i n ev i r t u a ll a b o r a t o r y i no r d e rt of i l lu p t h el a c k ，t h i sr e s e a r c hw o u l dl i k et ob r i n gao n l i n ev i r t u a ll a b o r a t o r ye n v i r o n m e n tf o r t e a c h e r sa n ds t u d e n t s v i at h en e t w o r kb e i n gu s e di nc a m p u s ，s t u d e n t sd o e s n tn e e dt o s e t u pl a r g e v i r t u a ls o f t w a r e ，j u s tn e e dap ct e r m i n a la n ds e t u pab r o w s e rf o r c o m m u n i c a t i o nw i t ht h es e r v e r t h e ny o uc a nc a r r yo nt h eo n - l i n ee x p e r i m e n ta c t i v i t y t h r o u g ht h ec u s t o m e ri n t e r f a c e c o n s i d e r i n gt w ok i n d so fe s s e n t i a lb sd e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o rb u i l d i n gt h e v i r t u a ll a b ，t h e ya r ej a v a 2a n d n e tf l a m e i nt h ee n d ，w ed e c i d et oa d o p tt h e n e t f r a m ew i t ha s p n e tt e c h n i q u eb e c a u s eo fn e e d ，c o s ta n de x p a n d s i b i l i t y t h ef i r s t f l o o rs o f t w a r ea d o p t sm a t l a b ，w h i c hh a sf r i e n d l yw o r k i n gf l a tr o o f , b r i e fa n d e a s i l yp r o c e d u r el a n g u a g ea n da p p l i e de x t e n s i v e l yi nt h ee l e c t r o n i c si n f o r m a t i o n r e a l m t h i st e x tc o n s i d e r st w ok i n d so fc a r r y i n go u tw e bm e t h o d si nm a t l a b ， w h i c ha r eb u i l d i n g n e tm o d u l ea n dc o mm o d u l e 。i nt h ee n d ，w ed e c i d et o u s e n e tb u i l d e rt op a c kt h es o u r c ec o d ea n dt r a n s f o r mt o n e tm o d u l ei r m o v a t o r y t h e np e r f o r m a n c el a y e ra n dt h eb u s i n e s sl a y e ra d j u s tt ou s et ot h em a t l a bs o u r c e p r o c e d u r e ，u s i n ga no n es t e pi n s t e a do f t w os t e p si nc o mm o d u l e t h ew h o l ef l a m e a d o p t st h r e el a y e rw e bm a n a g e m e n ts t y l e s ，p e r f o r m a n c el a y e r ，b u s i n e s sl a y e r ， p r o f e s s i o n a ls o f t w a r el a y e r ，a n de a c hl a y e rh a s ag o o de x p a n s i b i l i t y ，w h i c he x p r e s s e s f a c et oo b j e c th i g h l y t h i sf r a m es e tu paf o u n d a t i o nf o rr e n e w i n gv i r t u a ll a b o r a t o r y a n di n c r e a s i n gd a t a b a s el a y e r i nt h em e a n t i m e ，t h i st h e s i sw i l ld i s c u s st w om e t h o d s o n ei sr e w r i t i n gt h e s o u r c i n gs o f t w a r e ，t h eo t e ri sm o d i f y i n gt h es o u r c i n gc o d es l i g h t l y t h ef i r s tm e t h o di s s u i t a b l ef o rr e s e a r c h e r ，w h oh a v es o m eu n d e r s t a n d i n gt ot h ep r o f e s s i o n a lf l o o r s o f t w a r e sa n dh a v es o m eu n d e r s t a n d i n gt ot h ew e bp a g ed e v e l o p m e n t t h i sk i n do f m e t h o dh a sl i m i t t h es e c o n dm e t h o d ，w h i c h ，c a nb es u i t a b l ef o rp r o g r a m m e rw h o h a v en o tt ou n d e r s t a n dt h et h e o r i e so fp r o f e s s i o n a ls o f t w a r e t h e yc a nm a k eu s eo f 1 1 i 北京工业人学工学硕士学他论文 e x i s t i n gv i r t u a le x p e r i m e n t ，w h i c ho n l yn e e dt ob em o d i f i c a t e dl i g h t l y t h e ni tw o u l d b eaw o n d e r f u ls o u r c ec o d et h a tc a nb et r a n s f e r e di nt h eb r o w s e r t h i sm e t h o di sm o r e c 0 m m o n k e y w o r dv i r t u a ll a b o r a t o r y ；n e t ；m a t l a b i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学化或证书而使用过的材料。与我，。同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垒毽日期：2 盟至：么 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：釜导师签名： 日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1研究背景 以网络通讯技术为代表的现代信息技术正飞速发展，信息化浪潮对当今世界 的政治、经济和文化等各方面都产生了巨大影响。依赖于现代计算机网络技术的 远稃教学以其开放性、灵活性、普及性、不受时空限制等优势，为任何人、在任何时 间、任何地点提供了参与教育的机会，并正在成为当代教育的有效辅助手段，这使 得远程教学成为可能，教育信息化逐步成为当今世界教育改革的热点，并逐渐走向 成熟【i 】a 在实行远程教学的过程中，构筑以专业实验室为平台的实验教学环境，学生如 同卉；真实的实验室环境中一样，完成预定的实验项目，可以使学生的实验技能、独 立地分析解决工程实践问题的能力得到培养与提高，可以大幅度提高学生自主创 新能力。 但是实际情况不尽人意，实验室尚不具备完全开放条件，在有限的实验时间内 完不成更多的实验内容，实验室的使用效率不高。而且对一些精密仪器、一些高危 实验环境的直接接触，将降低仪器的使用寿命、增加维护成本和实验的安全性也 会下降。 如何让学生高效地使用有限的实验设备资源，避免学生对一些精密仪器、一些 高危实验环境的直接接触，提高仪器的使用寿命、降低维护成本和实验的安全性， 是一个需要解决的问题【l 】。 1 2远程教育概述 远程教学作为一种新型的教育模式已成为近年来各国教育界的重要研究课 题。成为高等教育和基础教育的一种重要教学模式。远程教育的研究发展需要建 立和开发丰富的远程教学资源，其中包括教学内容信息、教学课件的制作和开发、 远程虚拟实验室的建立等哆 1 2 1简介 随着高校规模的不断扩大，在校生越来越多，并且随着现代教育技术的不断发 展，在t i = 界范围内，网络时代信息化社会已经到来。计算机技术的发展和网络的普 及，引发了一场现代教育技术的深刻变革。当前，学校对优秀教育资源的需要与日 俱增，未来的教育资源建设将会不断成熟和完善，并将向四个方向发展：普及化、专 业化、地方化、个性化。各种细分的专业化资源库将不断涌现。 远程教学的实施是一项系统工程，网络建设是基础，资源建设是核心，教学应用 是目的，教育管理是保障。借助于网络可以传输图、文、声并茂甚至有活动影像的 教学信息等特点，所以能提供比较理想的教学环境【2 l 。 北京i q k 人学工学硕士学位论文 1 2 2 与传统教学相比的优点 现代远程教学是区别于传统教育的一种新型的教育模式，它以计算机技术和 数宁通信技术为依托，采用远程实时多点双向交互式多媒体现代化教学手段，实现 跨越时间和空间的教育传递过程。这种深刻影响可以用一句话来概括：网络技术 将会改变教学模式、教学内容、教学手段、教学方法，最终导致整个教育思想、教学 理论甚至教育体制的根本变革【3 】o 远程教学技术之所以对教育领域有如此重大的意义，是由于它本身具有许多 对丁教育、教学过程来说特别宝贵的特性与功能，这些特性与功能是其它媒体或 者授课方式所不具备或不完全具备的。 ( 1 ) 为学生提供一个自主学习环境。 远程教学作为一种异步自主式学习方 式，其特点则是突出个性。 自主式学习，即学牛可在教师的指导下，根据自身的情况合理地安排学习进度， 选择学习内容。 个性化学习，即学生可根据自己对课程内容的理解情况合理安排学习时间，选 择知识获取的方法和途径，而不必跟堂学习，根据自己选择的方式学习以提高学 习效率，从而使被动的学习变成主动的接受，换言之，不同学生可以学习不同内容， 选择彳i 同的学习方法，选择彳i 同的知识获取途径。 ( 2 ) 有利于激发学生的学习兴趣。 学习者可以在网络这样一个信息的海洋 中自由邀游。网络中有丰富的信息资源、图文声像并茂的信息呈现方式、各种获取 信息和加工处理信息的工具可供学习者根据自己的学习目标，个性特点和学习兴 趣自由地选择。 ( 3 ) 改变了传统的学习时空概念。 在基于网络的学习过程中，可以是非实时 的，即学习者对学习信息的访问不受时间限制，只要学习信息不被删除，学习者都 可以随时进行有效自由的访问。这非常有利于重复学习，为学习过程中遭遇某些 障碍的学习者提供了极大帮助。同时，学生的学习受空间限制的问题也得到有效 解决，他们可以在其它任何拥有网络终端的地点进行学习。而传统的班级化教学 不可避免地忽视学生的个性特征，因此，班级教学对学习者而言难以取得最佳学习 效果，有时甚至会挫伤学习者的学习积极性。 ( 4 )最大程度的实现了教学信息资源的共享。互联网中的学习信息将为网 络中的所有用户所共有。对学习者来说，远程教学为不同阶层的受教育者提供教 育资源，实现了社会资源的有效共享。信息共享带来他们可以最大限度地占有信 息，这在传统的班级教学中4 i 可想象；而且，他们可以将对学习有所帮助的所有信 息进行比较、分析和整合，全面提升学习效果的优势。 ( 5 )可以提供管理和监督功能。对教育资源等的管理功能，实施对教育体系的 有效动态管理，并为教育监督部门提供对远程教学的监督评价和检测机l , j t 4 1 。 第1 章绪 论 1 3虚拟实验室概述 1 3 1定义 多媒体技术、科学计算可视化技术的发展，以l a b v i e w ，m u l t i s i m ，m a t l a b ， j a v a 等为代表的计算机虚拟实验技术逐渐进入了人们的视线，虚拟实验室应运而 生。根据不一j 的需要，人们公认的虚拟实验室定义有以下几种： ( 1 ) 定义一：1 9 8 9 年美国弗吉尼亚大学的威廉沃尔夫教授首先提出的虚拟实 验室( v i r t u a l - - l a b o r a t o r y ) 概念，是以计算机网络为核心，将虚拟仪器通过网络连接 起来，以实现数据采集分析和远程操作的一个系统。它是虚拟实验运行的载体，是 虚拟实验的运行环境。它一般具有透明性资源共享性互动操作性、用户自主性 扩展性以及安全性等特点，是传统实验室无法比拟的。 ( 2 )定义二：虚拟实验室是指基于媒体计算机技术与仪器技术、能通过计算机 模拟实验现象并在计算机屏幕上通过场景式图形界面加以展示的一种环境。它是 一种特别的、分布式的解决问题的环境，是提供给用户的一个基于网络的实验教 学、技术交流、共同研究、协同工作的平台，是一种基于计算机虚拟原系统的创新 的科学研究与工程设计方法，是除理论与实物实验之外的第三种研究设计手段和 形式【5 】o ( 3 )定义三：指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境， 实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训 练效果等值丁甚至优于在真实环境中所取得的效剁引。 ( 4 )定义四：指一个创造和引导模拟实验的交互环境，即实验场所。它由实验 所依赖的模拟程序、实验单元，工具和参考资料组成。用户可以通过增加新的物体， 建立新的实验并把它们转换成超文本文件来扩充实验室。 这几种定义侧重不同方向，但都指出了虚拟实验室本质是一个无墙实验室， 通过计算机网络系统远程控制与交互的系统【6 1 。 1 3 2 虚拟实验室构建的必要性 传统的实验室手段己不能满足现代教学的需要。从当前的社会需求考察，书本 理论教育已经远远不能满足社会的需要，作为为社会培养人才的高校必须紧跟这 种趋势。 ( 1 )全局角度 高校希望通过大力推行学生自丰创新，构筑以专业实验室为平台的实验教学 环境，使学生的实验技能、独立地分析解决工程实践问题的能力得到培养与提高。 特别是工科的学生，必须具备足够的设计和开发能力。作为为社会培养人才的高 校必须紧跟这种趋势。但是实际情况不尽人意，目前大多数实验室尚不具备完全 开放的条件，实验室的使用效率不高，学生在有限的实验时间内往往无法完成设计 北京3 2 , 1 k 大学上学硕士学位论文 型的实验。如何让学生高效地使用有限的实验设备资源，是一个需要解决的问题。 而虚拟实验室是解决这一问题的有效途径，它有着传统实验室无法比拟的优势： 经济性：不存在磨损、破坏，能反复使用，可以使得由于扩招面临实验室资源匮 乏的众多大专院校正常完成实验教学任务，体现了它的经济性； 开放性：打破使用者时间、地域及平台的限制，通过任何一台连网的终端均可 进入虚拟实验室进行虚拟实验。可以使没有条件进实验室做具体实验的学习 者，通过远程教育身临其境地观察实验现象，体现了它的开放性： 安全性：对危险性高和破坏性实验可以在虚拟的环境下进行，体现了它的安全 性： 交互性自主性：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于段摔制实验的 进程爿：对实验者的操作提供反馈信息： 良好的真实和沉浸感：提供良好的虚拟实验环境，采用虚拟现实技术、多媒体 技术增强实验的身临其境的感觉。 鉴于虚拟实验室的广阔应用前景，各院校均纷纷加大开发力度，建市各专业虚 拟实验室。虚拟实验平台建立之后，可以： 让学生不必进入传统的实验室进行演示实验，只要借助于网络和p c 机就能在 网上模拟实验操作，完成实验的相关内容。 使实验仪器设备的损坏率和维护量以及元器件的损耗较传统实验室大为减 少，它不仅降低了实验成本，充分鼓励实验者进行创造性甚至是破坏性实验。 ( 2 ) 院校角度 研发远程虚拟实验室的核心基础是虚拟实验软件。目前，根据电子信息工程类 专业实验的需求，数十个用于教学的计算机虚拟实验，并且这个数目仍在增长之中 。虽然高校的虚拟实验软件种类丰富，学科齐全，但这些虚拟实验软件南于多种原 冈难于直接由学生共：享。原冈在于： 不同软件共存矛盾学生在自己的计算机上必须分别安装大型软件，但各种 专业大型软件有时相互抵触、同一软件的不同版本有时也会相互抵触，老师不 可能为每一位同学解决安装中出现的问题。 专业软件大多数对硬件要求高这些虚拟实验涉及到的软件大部分都是大 型的，占用系统资源，在用户的个人电脑上不能达到很好的运行效果。 版权随着版权法的陆续完善，个别安装也是不允许的等等。 因此应用已有的校园内网，实现对实验项目的远程虚拟控制，开发虚拟实验室， 使之成为专业网络教学平台的一个子系统，已经是大势所趋【1 1 1 。 1 3 3 国内9 1 、研究概况 虚拟实验室具有的实验环境是一个虚拟环境，使人们不受时空的限制，共享资 第1 章绪论 源。提高人们的实验效率，减低研究费用，是当前虚拟现实技术和网络技术等综合 技术研究的热点之一，具有很好的应用前景。 国内近年来，我国的虚拟实验教学还处于初级阶段，许多高校都根据自身 科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室。虚拟实验在理工学科，尤其在电工电 子、建筑、机械、生化等学科中应用十分广泛。常见的有l a i e w 实验室、e d a 实 验室、组态技术实验室。 华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验成果在网上公开展示， 供远程教育之用。 四川联合人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 台仪器集于，。体，组成虚拟实验系统【屹】。 淮海工学院电子工程系创建的虚拟实验室，主要用于辅助教学，学生通过w e b 浏览器町以查阅和学习相关器件、仪器设备资料及使用方法，以及相关实验项目 和实验方法。 r f l 国科学技术大学人工智能与计算机应用研究室最新研制出我国第一套虚 拟现实软件“几何光学设计平台”。系统完成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，学生可以基本完成所有的单透光实验和组合透光实验【l3 1 。 其他比较著名的有大连理工大学的基础仪器分析和化学分析实验窜、清华大 学利用虚拟仪器建立了汽车发动机检测系统中国科技大学的物理仿真实验室 同济大学的建筑景观结构仿真实验室西南交通大学的机车驾驶模拟实验室。 国外国际间一些著名院校的远程虚拟实验室已经初具规模。 国外比较著名的有美国的l l l i n o i s 大学的n m r i - - s c o p e 系统。通过i n t e m e t ，研究 人员在任何地方都能使用i l l i n o i s 大学的仪器。女i n m r i ( 核磁共振仪) 的使用，只要 向该大学递交一个样品之后，经过授权的研究人员就可以与服务器联机，服务器将 显示出仪器放置位置的表格和功能清单，利用鼠标的点击、拖动，将微机上虚拟的 各种仪器，按实验要求、过程组装成一个完整的实验系统，包括原材料的添加、实验 条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟，所有生成的图像将被传回到研究人 员的计算机屏幕上。 麻省理下学院的“在线实验室i l a b ”，( h t t p ：i l a b m i t e d u s e r v i c e b r o k e r ) ，已经成 为该校在校教学和远程教学的重要教学工具。 德国r u h r 大学网络虚拟实验室。该实验室是一个关于摔制工程的学习系统， 它通过直观的三维实验场景视觉效果，依赖各虚拟实验设备的仿真特性，实现对虚 拟实验的交互式操作l l 川。 新加坡国立大学电子工程系的c c k o 和b m c h e n 建立的虚拟实验室，向校 内学生和凶特网匿名用户提供丰富的课程实验：如频率测试实验、二阶水槽测试 实验、二维示波器实验、三维示波器实验。 北京工业人学工学硕士学位论文 由j o h n sh o p k i n s 大学建立的虚拟工程科学实验室，基于w w w ( w o r l dw i d e w e b ) 面向教育的工程科学实验环境，可完成逻辑电路、两节机器手控制、热传递 过程、声波传播过程、桥梁设计等多种实验。 其他比较著名的有德国的汉诺威大学的虚拟自动化实验室，意大利帕瓦多大 学的远程虚拟教育实验室，南加利福尼亚劳伦斯伯克利实验室、加利福尼亚的伯 克利大学、美国施尔公司的p a l o a h o 研究中心、南加利福尼亚信息科学院联合设 计的网络仿真器、美国f r o s t b u r g 州立大学的“基于w e b 的远程化学教育实验室”， 还有加拿大多伦多虚拟实验型6 】。 1 3 4 分类 虚拟实验室应运而生，它是。个无墙的中心，通过计算机网络系统，研究人员或 学生将不受时空的限制，能随时随地与同行协作，共享仪器设备，共享数据和计算 资源，得到老师的远程指导以及同行间的相互研讨。将虚拟仪器技术推向网络应 用，更有助于实现数据和仪器的远程共享，从而为远程测控服务。目前国内外的虚 拟实验室研究还处于探索阶段，已经有很多大学进行了这方面的研究。按照研究 方向的不同，主要分为纯虚拟和虚实结合实现的虚拟实验室。 ( 1 ) 纯虚拟 要构建基于纯虚拟实验室有多种技术可以实现，主要包括f l a s h 技术、 a c t i v e x 技术、v r m l 技术、q u i c k t i m ev r 技术以及j a v a 和n e t 技术。虽然方法 不同，但他们的基本思路是一致的，即用软件来模拟实验的环境和硬件设备的功能， 并通过网络使用户可进行远程访问。具体可分为以下两小类： 软件共享虚拟实验室其特点为，共享服务端的虚拟实验室软件平台，接受客 户端发送的实验请求，分析和处理实验参数，经过计算模拟最终将结果返回客户 端。整个系统不涉及具体的实验仪器硬件设备，只是利用软件模拟实验的过程。 数据共享的虚拟实验室其特点为实验数据已存在于远程数据库中，服务器 接收客户端请求在数据库中检索实验数据并返回客户端【1 7 1 。 以上两类纯虚拟实验软件共享网络实验室及数据共享实验室，是在服务 器上安装仿真软件，主要是用于演示性或验证性实验以及在虚拟仿真中的设计与 分析。客户端通过浏览器把程序代码以文本的方式发送给服务器，服务器调用相 应的语言编译器编译执行，直接在w e b 服务器端生成嵌入实验平台的w w w 网贞， 用户只需使用网页浏览器即可通过互联网访问虚拟实验室，进行实验。是当前许 多高校普遍采用的方式。 本篇主要研究的内容就是属于软件共享虚拟实验窜范畴。 第1 章绪论 纯虚拟的虚拟实验室网络结构见图1 1 ： 负责运行大型专业软件 图1 1 纯虚拟的虚拟实验室网络结构图【1 7 】 f i g l 1 t h en e t w o r kf r a m ef i g u r eo f p u r ev i r t u a ll a b o r a t o r y ( 2 ) 虚实结合 纯虚拟环境虽然为用户提供了一个虚拟的实验平台，使用简单方便，但毕竟全 部是虚拟的，让人不免有隔靴搔痒之感。利用计算机强大的数据处理功能，将虚拟 环境与实际环境相结合，通过虚拟环境去检测、控制甚至是去实现实际环境中的 部件是当今计算机虚拟技术应用的大趋势。 该结构体系多采用客户端、网页服务器、数据库、应用服务器、实验仪器结构。 网页服务器的主要作用是提供w e b 接入服务、用户认证管理、开放式交互实验环 境以及动态网贞的生成；应用服务器的主要作用是控制和管理实验仪器、采集和 处理实验数据；数据库的主要作用则是配合用户账户的管理、动态网页的生成以 及实验数据的存储和管理。 仪器共享网络虚拟实验室服务端同样接受客户端的实验请求和实验参数， 使用实验参数配置与之连接的实验仪器硬件设备，由实验仪器硬件设备进行实验， 并将实验结果返回服务器端，最后返回到用户端，实现实验仪器和实验数据的共 享。 远程控制网络虚拟实验室与仪器共享网络虚拟实验室最大的区别在于，除 了实验仪器实验数据的共享之外，其还可以实现客户端对实验仪器设备的远程控 制 1 。 北京工业人学工学硕士学位论文 虚实相结合的虚拟实验室仪器共享的网络实验室和远程控制网络实验 室，主要是为了提高大型、贵重仪器设备的利用，以便这些仪器为尽可能多的研究 工作者服务。 下面给出了虚实结合的虚拟实验室的网络结构见图1 2 。 图1 - 2虚实结合的虚拟实验室网络结构图【i - 1 1 f i gl - 2 t h en e t w o r kf i g u r eo fv i r t u a ll a bw i t ht r u t ha n df a l s i t y 1 4 研究主要内容 现有的业网络教育教学平台虽然发挥了较好的效能，但各种虚拟实验目前 只能通过课堂讲授，在计算机上由教师向学生演示。专业网络教育教学平台缺少 网上远程虚拟实验室这样一个重要环节。本项研究拟为教师、学生提供一个基于 网络的、交互式、实验实训和自主式的虚拟实验环境。嵌入已有的专业网络教学平 台，使实验教学突破时窄条件的限制，学生只需要使用自己的终端，通过浏览器，和 已经配置过的装自虚拟实验大型软件的服务器通信，通过友好的用户界面进行网 上虚拟实验活动。使学生取得的学习或训练效果等效于甚全优于在真实实验环境 中所取得的效果。提高实验室虚拟软件的使用效率和实验教学效果，完善教学平 台的功能。 ( 1 )配置大型虚拟实验软件在服务器上，应用校园内网，实现了任意终端，通 过浏览器h t t p 协议，和已经配置过的装有虚拟实验人型软件的服务器通信，通过 友好的用户界面进行网上虚拟实验活动。 ( 2 )采用b s ( 浏览器n 务器) 模式，w e b 开发环境采用m i c r o s o f t 的n e t 框 第1 章绪论 架，底层虚拟实验源代码软件采用m a t l a b r 2 0 0 7 b 。实验系统采用三层w e b 管理模 式，a s p n e t 技术，将各虚拟实验软件的源代码通过编译器，转化成n e t 组件，进 而可以实现浏览器端对它们的调用。 ( 3 )由于底层源代码软件本身不具备网络远程操作功能。本文将虚拟实验移 植到服务器上，实现浏览器端的控制操作，意味着需要对每一虚拟实验软件的底 层代码进行b s 结构下的重新、编程。通过n e t 组件和前台的用户界面取得逻辑 上的连接，使得最终可以通过浏览器浏览，并且和用户交互。 ( 4 ) 探讨对底层专业软件的实验程序进行系统没计和编程的方法，完成了底 层源程序的编程，并且实现其与前台的浏览器页面的连接。 北京工业人学上学硕士学何论文 第2 章基于n e t 和m a t l a b 的虚拟实验室技术 2 1现代虚拟实验室的主要技术 2 1 1v r m l 技术 v r m l 是一种以a s c i i 码为基础，用来描述建立3 d 虚拟现实世界的语言。它 创造了交互式浏览的三维空间，是一种三维场景的描述性语言，是在i n t e m e t 网上 实现全新的虚拟世界空间关键性技术。其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，利用三维图形生成技术在本地机上利用多传感交互技术以 及高分辨显示技术，由v r m l 的浏览器解释生成逼真j 维虚拟场景，解释生成的 标准规范即是v r m l 规范。使用者戴卜特殊的头盔、数据手套传感设备，或利用键 盘、鼠标等输入设备，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得 身临其境的感受和体会。在教学领域应用虚拟现实技术时，能够为学牛提供牛动 逼真的学习环境，用v r m l 实现与i n t e m e t 虚拟现实交互丰富了媒体农现形式、实 现了协同工作角色的可视化管理、改善；协同环境的用户界面、增强了协同环境的 交互性。 国内外一些高等院校利用v r m l 2 0 语言，已成功开发了基于集成声音、图像 及其它多媒体技术的三维空间的虚拟实验中心。使用v r m l 可视化编辑软件制 作三维的实验场景需要用到j a v a s c r i p t 或e c m a s c f i p t 等语言。但v r m l 技术适 宜构建虚拟实验中的所谓“硬件 部分，在实验数据处理方面尚有不足，需要与其 它语言结合才能完成数据处理。而且，基于v r m l 虚拟现实的虚拟实验在制作上 较复杂，门槛较高；客户端需要有大量的专业的设备( 如头盔、触觉手套等) ，附加成 本较高；并目运行v r m l 对客户端计算机的性能要求很高。 2 1 2a c t i v e x 控件技术 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 m e t 卜的重定义，是一组使用c o m 使得软件部件在网络环境中进行交互的技术集，被 广泛应用于w e b 服务器以及客户端的各个方面。这种技术可使一个大的工程项 目划分为小块组件进行开发，然后每个组件集成就可以组成最终的项目。 通过构建a c t i v e x 控件，允许不同软件商开发的组件在网络上可以互操作，使 得本地的组件可以和网络上的组件进行通信：用a c t i v e x 技术进行开发的另一个 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，一个实验仪器叮 以在多个实验环境中重复使用，这一点对于持续开发过程尤为重要，使得一个大的 工程项目可以划分成小块的组件，也就相当于把复杂工程简单为一个个组成部分， 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。用以开发a c t i v e x 控 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 ，a p i 函数 第2 章基r n e t 和m a t l a b 的虚拟实验室技术 的调用与a c t i v e x 技术更使v b 成为人们的首选，然而，a p i 函数的语法结构比较 复杂，常令人孥而却步，这在一定程度上影响了v b 在虚拟实验室开发中的使用。 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，并进行数宁签名，镶嵌在网页中运行。在客户端第一次运行时，需要在注册表中 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。 2 1 3f l a s h 技术 在图像上，f l a s h 是一种基于矢量的图形系统，编辑时可任意放大、缩小、移动、 变形而4 i 失真，所占空间只是位图的几千分之一，非常适合l j i ) 9 上使用，另外跨平台 也是f l a s h 在网卜畅通无阻的原因之一，目前已经开发出了适合于i n t e m e t e x p l o r e r 、n e t s c a p e 、l i n u x 、s u n 等多种操作系统的f l a s h 播放器。以上种种连同在 声音播放、带宽优化等方面所采取的新技术一同使f l a s h 成为制作虚拟实验的得 力工具。 在f l a s hm x 版本中的脚本语言( a c t i o ns c r i p t ) 功能强大，最新的f l a s hm x 2 0 0 4 版完全支持面向对象技术，通过它可开发出具有很强功能的交互式网络动画。这 就意味着，当特定的事件发生时，动作控制对象。这种特性特别适合交互式虚拟实 验室的建立。而且，在f l a s hm x 之后，a c t i o ns c r i p t 提供了x m ls o c k e t 的组件，它支 持将x m l 对象通过s o c k e t 发送出去，并可以从服务器接收数据。这为客户端直接 与服务器通讯提供条件，也为实时仿真提供了可能。它在网络远程虚拟实验室的 应用中，具有开发速度快，界面美观，视觉冲击效果强，体积小，不需要安装，可以直接 在浏览器中进行操作，图形可无极放大不失真等特点。 在f l a s h 中通过场景变换可设计不同的界面，通过电影片段的调用、隐藏可显 示不同过程。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显示电路中某点的波形等。 2 1 4 q u i c k t i m ev r 技术 快速虚拟系统( q u i c kt i m ev r ) 是苹果公司的一个重要产品，是新一代的、基 于静态图像处理的实景建模的虚拟现实技术，在普通的p c 机上即可实现虚拟现 实的效果。和传统影视媒体相比，传统影视媒体只能按照录制的顺序播放，参与者 不町改变其播放顺序，缺乏交互性；q t v r 系统软件处理离散的图像，即町完成三 维空间、三维物体的造型；然后操纵普通鼠标、键盘实现三维造型的全方位观察。 q t v r 有i 个核，t b 概念：全景图像、对象和场景。全景图像是空间中的一个视 点对周围环境的3 6 0 度视图，用户可在3 6 0 度范围内任意切换视线，也可在一个视 线上改变视角，来获得距离远近的视觉效果。对象是从分布在以一件物体为中心 北京a z , i k 大学上学硕士学位论文 的3 6 0 度球面上的众多视点来看一件物体，从而生成的对该物体全方位的图像信 息，经q t v r 系统软件的处理，形成用户可观察的各个视点。场景是利用热点手段 将一个或多个全景图像或对象电影进行连接，从而生成的有序集合体。在场景中， 用户可在很多全景图像和对象电影中漫游。q t v r 技术使参与者町以自己控制体 验的进程和顺序，也可以挑选自己感兴趣的环节而略过其它部分。q t v r 可应用照 片、录像或数字图像来创建虚拟环境，使它较之多媒体技术、传统虚拟现实技术有 着更高的真实感、更丰富的图像和更鲜明的细节特征。此外，q t v r 制作简单，制作 周期较短，制作的町控性也很强，要开发一些简单的网络实验教学软件，难度不大。 q t v r 虽然是初级的虚拟现实技术，但它以其独特的技术特色与优势，开创了 多媒体技术与仿真技术相结合的新途径，为建立基于w e b 虚拟实验窒展示了广 阔的前景【2 引。 2 1 5j a v a 语言 j a v a 是重要的网上通用语言，使用它开发的程序具有源代码级可移植性和 二进制级可移植性，另外j a v a 语言的下标检杏机制和自动内存管理机制为其增 加了较强的稳定性和安全性，这对于构建网上虚拟实验系统非常关键。 j a v a 具有简单、面向对象、分布式、解释型、健壮、安全跨平台以及可移植等多 种特性，用j a v a 语言开发的软件可以具有可视化、可听化、可操作化的特点。很方 便的编写网络应用程序，并且针对网络安全有一套严密体系，有很好的安全性，适 合网络编程。 目前利用这种技术开发的系统有：普渡大学的交互式硬件实验系统、北京人学 的3 w n v l a b 系统等。虽然j a v a 技术现在支持j 维场景的创建。 2 1 6 n e t 框架 n e t 框架t 要由三部分组成： ( 1 )通用语言运行环境c l r 。c l r 是整个n e t 平台的核心，让所有遵循通用语 言规范开发出来的源程序通过编译器编译成相同的中间语言，在n e t 运行环境上 可以相互调用。 ( 2 )n e t 框架类库。这是为开发人员提供的一个功能强大的，统一的、面向对 象的、层次化的、可扩展的类库集，开发人员可以在任何种类或者项目中使用。通 过这个类库集，n e t 框架可实现跨语言继承性、错误处理和调试功能。 ( 3 )a s p n e t 。它是使用n e t 框架提供的编程类库构建而成的，是用于高效快 捷的创建、管理和部署w e b 应用程序的理想平刽2 4 1 。 第2 章 基t n e t 和m a t l a b 的虚拟实验室技术 2 1 7 可用技术性能对比 表2 1 构建虚拟实验室可用技术性能对比 t a b l e2 1f u n c t i o nc o n t r a s to ft e c h n i q u e si ns e t t i n gu pv