基于虚拟现实技术对仪器分析实验室的开发研究

张 岩

（江苏财经职业技术学院 江苏 淮安 220003）

1 引言

虚拟实验室（VL）是为了实现研究、实现远程协作或各种创新活动，通过分布式信息通信技术产生并发布结果的电子工作室。虚拟实验室的特点是构造简单、操作直观、成本低廉、利用率较高，通过虚拟实验技术可以实现不同地域、不同人群集中起来，实现合作实验、远程实验、协同研究[1]。在日常的实验教学中借助虚拟实验室不仅可以缓解教学资源的困难，也解决了实验时空受限和管理繁琐等多方面问题。

虚拟现实技术（VR）是利用计算机模拟真实世界，从而形成虚拟环境的技术，通过虚拟现实模拟出一种具有较高仿真度的虚拟场景[2]。虚拟现实建模语言（VRML）是一种建模语言，是桌面虚拟现实系统中最著名、最经典的虚拟现实技术。使用VRML实现的虚拟仿真仪器分析实验室，浏览者可以通过鼠标、键盘利用浏览器实现从各个角度、对实验室的各种仪器进行动态观察，播放实验步骤的视频等，使学生真正沉浸在虚拟场景中。因此，本文就仪器分析实验室用虚拟仿真技术进行开发研究，以期为虚拟仿真实验室的开发奠定基础。

2 场景中模型的虚拟实现

在实验室虚拟场景中，简单的造型如墙面、实验台等在确立整体的坐标系直接使用VRML建模；复杂的造型如各种实验仪器在确定了仪器型号后，根据实物图在3DS MAX中进行1:1建模，能使用贴图方式显示模型效果的对象最好用此方式建模。在此以紫外分光光度计和窗户为例，分别说明复杂造型的创建方法以及贴图创建模型的方法[3]。

复杂造型以紫外分光光度计为例，首先在3DS MAX中利用基本几何体和复合运算等方法创建出该实验设备的造型，以ziwaiyi.wrl为名导出，图1（a）是参考实验设备的原型，图1（b）为设计的虚拟紫外分光光度计外观，最后经过调整坐标和修改比例之后，再通过VRML 内联节点把模型导入到实验室的虚拟环境中，导入过程的代码如下。

图1 紫外分光光度计实物图与模型图

#紫外分光光度计

在模型制作过程中，使用纹理映射的方法构建出实验室窗户的表面，用数码相机拍摄出真实窗户的样式，通过VRML的纹理映射（text）节点，在对应的多边形上“贴上”相应的纹理图片，用来代替具体的模型。通过这种方法实现的墙壁上窗户效果，既降低了模型的多边形数量和减少了模型的复杂程度，提高了图像在输出时的速度，又不会降低场景效果的逼真程度[4]。

参考代码如下：

3 虚拟实验室场景的整体建模

虚拟实验室场景是由多个仿真模型构成，每个仿真模型又由若干个几何体构成。为了体现VRML编程的面向对象性，把若干个子模型成组。成组的模型便于系统整体操作，若要对模型进行修改，可以先解组后经过修改再成组。

3.1 实验室房间的创建

地面使用原始坐标系，实验室创建在地面的后部，可以先将坐标系移到实验室地面的中心，创建实验室的墙体、墙体上的窗户；在此基础上，再将坐标系移到实验台底面的中心，创建实验台和电源插座等。

3.2 灯光设置

光照是一种非常重要的场景效果，但是VRML中并不存在光源的实体模型，观察到的只是该光源所模拟出的光照效果。按照光源发射光线的方向VRML光源可以分为平行光源、锥形光源和点光源3种类型[5]。本次研究以点光源作为实验室的灯光。在VRML中使用点光照效果节点（Pointlight节点）来创建点光源，因为考虑到还会调用这个点光源，所以在这里定义了light1，其代码如下：

3.3 视频演示实验步骤

为了使学生更好地了解实验步骤，在墙壁上的电视机以动画纹理的方式加入视频画面，当浏览者走至仪器前，电视机开始播放该实验仪器的操作步骤，通过视频播放实验的演示过程，而当浏览者离开时，视频会停止播放。此处利用Movie Texture节点和感知型传感器实现浏览者和对象之间的交互。当浏览者漫游到Proximity Sensor节点的感知空间后，传感器的enterTime事件记录下触发到该敏感区的时间，再把该时间值传递给声音节点的startTime，当接收到该信号之后预设视频文件开始播放；而浏览者离开这个敏感区后，传感器再把这个时间值输入到exitTime内，声音节点的stopTime接收到由路由事件传递过来的退出时间值后，视频文件被关闭。

3.4 插入视点

在实际的开发工作中所创建的VRML空间通常是很复杂的。在浏览器上漫游时，除了可以通过鼠标实现自由浏览的目的，也可以使用提前设置好浏览路线的方法实现虚拟浏览。在虚拟实验室场景中，浏览者会浏览自己想要学习和操作的实验设备。在VRML虚拟环境中，通过对视点的控制来实现该功能。通过在场景的合适位置上添加视点，在浏览器上用视点控制方式进行浏览，可以提高虚拟浏览的速度。

在虚拟场景中设置多个视点，在浏览的过程中无论在这个虚拟空间中的任何位置都可以通过切换到这些视点而快速地到达相应的空间位置上。

4 实验项目的设计与实现

在虚拟仪器分析实验室里，以紫外分光光度计的样品吸光度测定为例，对其进行具体设计与实现，其设计思路是按照实验设备进行模型创建，然后进行交互设计，最后测试修改。

紫外分光光度计模型的创建方法主要使用3DS MAX软件进行大部分设备组件的模拟建模，完成后再将文件转化为VRML文件格式，然后在VRML Pad中对需要进一步交互的组件进行手工代码建模。

紫外分光光度计测定样品吸光度的实验步骤如下：首先调节波长旋钮，使波长显示窗数字为所需波长，实验波长设置为260 nm。然后打开比色室的盖子放入空白比色皿，调整相应的参数后再将样品比色皿放入到比色室的卡座中。卡座拉杆拉出使样品液位于光路中，显示窗中出现的数字即为样品吸光度，按下“print键”打印结果。

4.1 利用VRML实现基本交互

在VRML虚拟场景中，通过交互方式使浏览者能够控制场景，真正感受生动的效果。当浏览者浏览场景时，鼠标是主要的输入装置，检测器检测出鼠标的各种动作，如指向、单击和拖曳等操作，场景迅速做出响应。能实现此项功能的检测器节点主要包括：圆柱监视器(CylinderSensor)节点、平面监视器（PlaneSensor）节点、球体监视器（SphereSenor）节点以及触摸监视器（TouchSensor）节点[6]。

调节波长旋钮，使波长显示窗数字为260nm。

打开比色室的盖子放入空白比色皿，利用接触型的传感器方法，选用TouchSensor节点。用鼠标对紫外分光光度计比色室盖子上的黑色拉手进行点击，比色室盖子移动直到打开盖门。然后再单击空白比色皿的模型，使其移动到比色室内。

从上面的代码可以知道，场景中设置了动画效果，但如果不接触定点设备，盖子不动，当用鼠标单击定点设备拉手时，比色室的盖子会自动打开。同样去单击比色皿时，会使比色皿移动到比色室内。

4.2 基于Script节点的交互

在使用紫外分光光度仪对样品溶液进行吸光度分析时，当样品开始分析时，提示信号灯红灯亮起，经过多次操作完成分析后，绿灯亮起提示实验完成，然后对结果进行分析。这个逻辑控制用传感器和插补器是无法实现的，需运用脚本的应用逻辑进行控制。

4.3 打印实验结果

当绿灯亮起提示实验完成后，显示窗口中的数字即为样品吸光度，在这里显示的数值只是用来模拟真实实验操作步骤过程。按print键会将结果打印出来。在打印纸带的过程中，纸带可以中途暂停打印，然后再开始打印，所以这需要重新定义TimeSensor节点，并运用原型机制。

5 结语

虚拟现实技术是利用计算机模拟真实世界从而形成虚拟环境的技术。而虚拟实验室在高校的教学和科研活动中发挥着极大的作用，因此，本文介绍了虚拟实验室的总体设计规划和场景分析，使用VRML及相关的工具对虚拟实验室整体的场景进行建模，并以紫外分光光度仪实验设备为例，简述如何通过该仪器完成实验步骤，实现仪器分析实验室的实验功能，完成实验开发。通过虚拟实验室的开发为高校的教学模式创新提供新的思路。