分布式三维虚拟校园系统设计

莫　阳　申卫国　翟淑军

摘 要:本文首先介绍了三维虚拟校园及其发展现状和分布式虚拟现实系统,然后在此基础上设计了一种以用户为中心,可以实现在三维虚拟场景里进行生活、学习的令人身临其境的分布式三维虚拟校园环境。

关键词:三维 虚拟校园 分布式

中图分类号:TP311.1 文献标识码:B 文章编号:1673-8454(2009)17-0034-03

三维虚拟校园可以将学校的各种场景、细节和体验完全复制到互联网上,让学生和教师不受时间和空间的限制,仅需通过电脑和网络,就能够身临其境地感受优美的校园风光、良好的教学环境和优秀的教学资源。

一、三维虚拟校园及其发展现状

1.三维虚拟校园

三维虚拟校园基于因特网、虚拟现实技术和地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、空间定位系统(GPS)技术等。该技术的应用对现实校园三维景观和教学环境的数字化和虚拟化有很多辅助作用。

2.虚拟校园的发展现状

早在1996年,天津大学在SGI公司的硬件平台上,基于VRML国际标准,最早开发了虚拟校园。随着宽带技术的大规模应用,国内其他高校也开始逐步推广、使用虚拟校园模式。然而这些虚拟校园大多都是以实现浏览功能为主,不能让用户体验在三维虚拟校园里面的学习生活氛围。现在,人们不再满足于只是对校园环境的浏览,而是期待一种以用户为中心,可以实现在虚拟场景里进行生活、学习、工作的三维虚拟校园环境。

二、分布式虚拟现实系统

分布式虚拟现实系统简称DVR,是虚拟现实系统的一种类型。它是基于网络的虚拟环境,在这个环境中,位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接,或者多个用户同时参加一个虚拟现实环境,通过计算机与其他用户进行交互,并共享信息。在分布式虚拟现实系统中,多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作,以达到协同工作的目的。

三、分布式三维虚拟校园系统的整体构想

分布式三维虚拟校园系统是利用分布式虚拟现实技术,构建的基于网络的三维虚拟校园环境。本系统的整体结构如图1所示。

从总体上讲,系统主要由以下三个部分组成:三维虚拟人物、三维虚拟校园场景和学习资源。

1.三维虚拟人物

用户通过注册之后可以登录到三维虚拟校园系统中,登录后可以根据自己的爱好设计三维化身,设置自己的基本资料,在虚拟校园中进行学习、工作和交流。按照不同的权限,系统中的用户可以分为三种:系统管理员用户、助管用户、普通用户。具体来说各类用户的权限主要表现在:

(1)系统管理员用户

系统管理员是整个系统中权限最高的用户,负责管理整个系统,系统管理员可以对系统的用户进行管理,包括处理用户的注册申请、分配用户权限、添加删除用户等;另外系统管理员可以对系统中的教学楼、实验室、办公场所、休闲娱乐场所等虚拟校园内的硬件设施进行管理,以及对系统中的资源进行管理。

(2)助管用户

助管用户是由系统管理员指定,分配一定的权限之后,协助管理员进行管理的用户。助管用户可以在自己的职权范围之内对三维数字校园内的虚拟建筑物、资源及特定的用户进行管理。助管用户具体来说包括虚拟教室管理员、虚拟实验室管理员、虚拟图书馆管理员、虚拟教师用户、虚拟学习社区管理员、虚拟购物场所管理员。

(3)普通用户

普通用户是整个系统中权限最小的角色,在三维虚拟校园系统,普通用户登录后可以在三维场景里漫游,在虚拟教室上课,在虚拟实验室做实验,还可以与其他用户进行交流,进行一些休闲娱乐活动。

2.三维虚拟校园场景

系统中的虚拟校园场景是根据学校的地形地貌,利用三维建模技术,将实际生活中的学校环境重现在计算机上,为用户提供一个三维显示的具有真实情境感的学习环境,通过在虚拟环境中集成各种媒体,可以让用户获得视觉、听觉等多方面的感知,同时用户可以与虚拟环境和虚拟环境中的虚拟人物进行交互,让用户能够体验到一种主体存在感和沉浸感。

系统中的三维虚拟场景主要包括以下几个部分:虚拟教室、虚拟实验室、虚拟图书馆、虚拟生活休闲场景。

用户浏览校园时通过点击查看建筑物属性,可以查询此时此栋教学楼有哪些教室在上课,虚拟教师在特定的虚拟教室中组织教学。学习者进入教室后,可以自己选择座位坐下,开始听课,学习者在听课的同时可以看到教室中的虚拟教师和其他学习者,并可以与他们进行交流。

虚拟教师如果要教授实验部分的知识或者学习者要在虚拟环境中做实验,可以选择去虚拟实验室。虚拟实验室中有必要的实验设施,可以让用户对实验设施进行操作。

虚拟图书馆是运用虚拟现实技术、网络技术和数字技术将文献信息资源以及各种数字资源整合,通过网络提供远程服务,使处在不同地理位置的用户可以方便地利用这里的数字化信息资源。虚拟图书馆中按照各种不同专业类别将电子图书分类放在不同的书架上,用户进入虚拟图书馆后可以在虚拟图书馆内行走,并可以根据自己的需求选择图书。

虚拟生活休闲场景就是指除了虚拟教室、虚拟实验室和虚拟图书馆以外的一些学校校园场景,包括一些购物场所、健身场所、行事办公场所,以及学校的花草树木等。

3.虚拟学习资源

为了更好地促进学习者的学习,三维虚拟校园中必须提供充足的学习资源供学习者使用,系统不仅提供学习者学习过程中需要的学习资源,图书馆的图书资源,还提供一些可以供用户随时下载的资源。这些资源不仅是文本性质的,还包括一些声音、图片、图像等,给用户提供全方位、多感知的学习资源。

四、分布式三维虚拟校园系统技术实现

系统采用B/S结构,基于VRML-Java的分布式多用户虚拟现实系统,实现了多个用户共享一个三维虚拟校园环境,实现人机交互。服务器端的场景管理器负责整个系统的用户登录/注销管理、场景更新、多用户连接时的线程管理,并负责接受各个用户的场景更新数据包;客户端采用装有可显示VRML场景的Applet插件的浏览器来充当,负责本地的场景绘制渲染,通过键盘、鼠标等实现用户与虚拟场景之间的交互,接受服务器发送的场景更新数据,并维持同服务器之间的Socket连接。其结构如图2所示。

1.客户端

客户端环境是分布式虚拟现实系统中的用户在虚拟环境中协同工作的场所。本系统采用3D MAX等建模软件对校园模型进行建模,然后转换成.wrl文件,再利用VRML脚本语言给模型添加一些交互行为,但是VRML只能实现有限的交互性,而且这些交互都是一些单一的、缺乏内在的逻辑控制的交互行为。

Java语言不仅具有跨平台性,而且语言还具有强大的逻辑控制功能,同时Java Applet可以调用VRML规范所提供的EAI接口来对VRML场景进行控制,Java Applet还可以通过VRML嵌入到网页中。所以系统中客户端为装有插件的浏览器,客户端程序以Applet的方式运行在浏览器中,用于创建与服务器之间的Socket连接,接收服务器的广播报文进行解析,从而实现客户虚拟场景的更新,可以通过键盘、鼠标等控制用户虚拟化身在三维虚拟校园场景中的位置、方向和视角,实现用户与场景的交互。

2.服务器端

服务器端主要由三部分组成:Web服务器、场景及用户数据库、场景管理器。Web服务器负责提供基于WWW的Internet服务,将系统站点发布出去供客户端访问,用户可以通过客户端浏览器登录,进入三维虚拟校园系统;场景及用户数据库用来管理系统的三维虚拟场景和用户的基本信息,其中保存了系统可调用的三维虚拟场景信息、进入场景中漫游的用户名称、用户密码,以及用户在虚拟场景中的虚拟化身等信息;场景管理器是服务器端的主要部分,它连接了Web服务器和场景及用户数据库,主要用于维护用户的登录/注销,管理不同用户与服务器之间的连接,从用户端接收数据报文,这些报文主要分为状态更新、加入/退出请求等几类,在解析这些报文以后,服务器再将这些信息以广播的方式发送给网络上的每一台客户机,用以更新客户机的虚拟场景,从而实现网络上客户与虚拟场景以及客户与客户之间的动态交互。

3.数据库连接

用户登录后与系统的交互不仅仅是靠客户端基于VRML场景本身所提供的数据信息进行交互,更多的是与系统中的其他用户的协作交互,而这些信息不能完全存储在客户端,这就需要数据库系统提供相应的支持。数据库中不光要存储用户的数据信息,学习资源的信息,最主要的还是要存储分布式系统中登录的不同客户端在场景中改变的数据,而且这些改变的数据还可以被不同客户端读取。由于VRML没有直接定义访问数据库的语句,因此VRML场景与数据库的连接一般是通过VRML规范所提供的EAI接口发送给Java Applet,由Java Applet实现对数据库的访问,最后将结果通过EAI接口返回给VRML客户端场景,从而实现与数据库系统的相互操作。

4.系统的时钟同步

分布式虚拟现实系统中一个关键的技术就是时钟同步技术,由于不同的计算机有自己的物理时钟,两台计算机的时钟不可能实现完全的同步。这是由于计算机的时间是由其固定的晶体振荡频率所决定的。虽然两个时钟之间的振荡周期的偏差可能相对很小,但是经过多次的累加之后会在时钟计数器中形成可以观察到的差异。因此,当系统长期运行时,这种差异就有可能影响到系统的实时性。为了消除这种实时性问题,可以利用统一的外部时间源来同步进程的时钟,也就是外部同步。当外部同步满足一定的精度,就能够通过本地时钟度量发生在不同计算机上的两个事件的间隔,达到内部同步。因此可以使用一个事件同步服务器,连接到一个接受UTC(Universal Time Coordinated,通用协调时)信号的设备上,用于实现系统外部同步。

五、结束语

利用分布式虚拟现实技术构建的基于网络环境的三维分布式虚拟校园系统使得位于不同物理环境位置的多个用户

可以通过网络对三维虚拟校园进行观察和操作,与其他用户进行交互,共享信息。用户不仅可以浏览到校园的风景,更可以感受到校园的文化氛围,可以更有效地促进学习者的学习。

参考文献:

[1]杨宝民.分布式虚拟现实技术及其应用[M].北京:科学出版社,2000.

[2]芦鸿雁,李斌兵.虚拟校园及其在现代化教学中的作用[J].科技资讯,2007(34):102-103.

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