虚拟实验构件的建模方法#
刘丽，潘荣江**
基金项目：本项目得到国家科技支撑计划重点项目(2008BAH29B02),山东省自然科学基金(ZR2010FM046),
山东大学自主创新基金自然科学类专项(2010DX001)资助
作者简介：刘丽，（1986-），女，硕士，主要研究方向：虚拟现实。
通信联系人：潘荣江，（1968-），男，教授，硕士生导师，博士，主要研究方向：计算机图形学、人机交
互与虚拟现实. E-mail: panrj@edu.cn
（山东大学计算机科学与技术学院，济南 250101）
5 摘要：与传统试验相比，虚拟实验可以节约教育经费，避免时间和空间的约束。虚拟实验构
件是虚拟实验的基础。本文介绍了一种虚拟实验构件的数据模型，并提出了虚拟实验构件的
几种建模方法，包括图形交互设计、基于图像的建模、矢量图导入、动态构件建模和参数化
建模。
关键词：虚拟实验；构件模型；建模方法；SVG
 0 引言
实验一直是教育教学过程中的一个重要环节，但是随着近年来学校规模的不断扩大、学
25 生数量的增加、实验成本的提高，许多学校在实验经费、实验配置方面捉襟见肘。将虚拟现
实技术应用于教育教学过程中可以很好地解决这些问题。虚拟实验是指在计算机系统中采用
虚拟现实技术实现的虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，
所取得的学习或训练效果等价甚至优于在真实环境中所取得的效果[1]。与传统实验相比，虚
拟实验教学有很多优点：（1）教学资源共享程度高；（2）减少实验成本、节约教育经费；
30 （3）不受时间空间的约束；（4）实时批改、智能化指导。
虚拟实验的概念是由美国弗吉尼亚大学的威廉·沃尔夫(Willian Wolf)教授于1989 年首
先提出的[2]，致力于构筑一个信息化、网络化的集成环境。随后出现了不同学科领域对虚拟
实验的大量研究，包括组织管理系统的搭建[3]、大学物理虚拟实验室[4]、心理学实验室[5]。
虚拟实验构件是虚拟实验的基础，对实验运行效果有至关重要的作用。虚拟实验构件的
35 可视模型的优化有利于增强实验真实感；构件的功能模型的优化有利于提高实验运行的准确
性和有效性；构件的交互性能的优化有利于提高实验界面的可操作性和友好性。
1 相关工作
从实现技术上，传统虚拟实验构件的建模主要分为以下类：
（1）基于Flash 技术的虚拟实验构件建模方法。该方法先采集实验器件实体，然后在
 40 Flash 环境中进行虚拟构件的建模[6]。Flash 技术开发速度快、构件美观、视觉冲击力强，但
由于Flash 技术的限制，构件的可移植性差。
（2）基于Java 的虚拟实验构件建模方法。利用Java 设计虚拟实验的操作流程，客户端
通过浏览器插件进入虚拟实验环境，服务器端采用Java Servlet 扩展功能[7]。该技术设计的
构件具有实时交互性，但同一构件在不同实验中的属性和动态效果依赖于具体实验参数，可
45 扩展性和可移植性差。
（3）基于VRML 的三维虚拟实验构件建模方法。利用辅助建模工具建立实验构件的三
维模型，然后在虚拟环境中组合成虚拟实验[8]。VRML 虚拟现实建模语言创造了交互式浏览
的三维空间，具有真实感强、信息量大、交互性好等优点[9]，但是三维建模工具对用户要求
高，构件设计成本高。
50 SVG 可缩放矢量图形(Salable Vector Graphics)是一种基于可扩展标记语言(XML)的二维
矢量图形格式[10], 它综合了矢量图形、位图和纯文字的优点，具有文件小、可以进行无损缩
放等特点[11]，在可视化领域，SVG 图形格式有着独特的优势。因此，我们提出用SVG 描述
虚拟实验构件的可视化模型。
虚拟实验集成环境的开发框架如图1 所示，首先建立虚拟实验构件，然后由这些构件组
55 成实验场景，最后运行试验，观察实验结果。其中，对于建立虚拟实验构件，我们提出虚拟
构件建模的多种方法，来增强虚拟实验构件的真实感和交互性，满足用户需求。
图1 虚拟实验集成环境的开发框架
60 2 虚拟实验构件的数据模型
虚拟实验构件的数据模型包括基本信息、可视信息、功能信息、计算信息。虚拟实验构
件数据模型框架如图2 所示。
图2 虚拟实验构件的数据模型
 65 虚拟实验构件数据模型表示为：
<component>
<component-id/> //构件ID
<name/> //构件基本信息模块
<description />
70 <version-info /> //版本信息，包括版本号、创建者、创建日期等
<property-list> //属性列表
<property />
</property-list>
<interface-list> //功能信息模块
75 <interface /> //每个接口信息，包括接口类型、接口名称等
</interface-list>
<visualization-model> //可视信息模块
<status /> //每个状态的可视化信息
</visualization-model>
80 <mo-model/> //计算信息模块
</component>
虚拟实验构件基本信息模块包括构件ID、构件名称、构件描述、版本信息四部分，用
来记录构件的基本信息，可以由用户编辑修改。其中构件ID 唯一标示一个虚拟实验构件。
虚拟实验构件可视化信息模块包括多状态信息、动态构件信息两部分。每个状态又包括
85 状态名、SVG 基本图元、分组信息、显示文字、显示图形、旋转体等内容。其中显示文字
用来实时显示实验运行时某个属性的值；显示图形用来模拟实验运行时某个属性值的不断变
化效果；旋转体用来模拟随着物理参数的变化，构件的动态旋转变化效果。旋转体的表示模
型拓展了虚拟构件的动态演示效果，使虚拟构件更逼真，仿真效果更好。该模块参考了SVG
标准，每个元素都有多个属性信息，多类信息分组存放，可以单独编辑修改，提高了数据独
90 立性[12]。
虚拟实验构件功能信息模块包括接口列表和属性列表两部分。接口用来把虚拟实验构件
连接到实验电路中，是多个构件之间进行衔接的重要功能信息部分，每个接口具有唯一的接
口类型和名称。属性列表用来记录每个构件的属性及实验运行时属性的变化值。
虚拟实验构件计算模块记录远程访问平台上构件的访问路径，用来进行后台计算并实时
95 返回实验结果。
3 虚拟实验构件的建模方法
依据该数据模型提出的虚拟实验构件的建模方法，包括图形交互设计、基于图像的建模、
矢量图导入、动态构件建模以及参数化建模，能够很好的适应用户需求，充分利用现有的构
件原型。
100 3.1 图形交互设计
对于简单的构件，可以用点、线、面等基本图元工具进行交互设计。基本图元包括直线、
矩形、椭圆、圆弧、多边形、折线等。其数据模型表示为：
<visualization-model>
<name/>
 105 <svg>
<g type="render"> //构件可视化信息
<rect x="" y="" width="" height="" fill="" ……/>
<ellipse cx="" cy="" rx="" ry="" ……/>
<text x="" y="" font-family="" font-size=""……>文字信息</text>
110 ……
</g>
<g type="connect"> //构件接口信息
</g>
</svg>
115 </visualization-model>
以控制工程学科中的A/D 转换器为例，其可视化模型如图3 所示。该构件由矩形、椭
圆、文字、多边形、圆等基本图形经过交互设计而成。
图3 模数转换器可视模型
120
图形交互设计建模方法适用于设计轮廓分明、笔触简单的构件。用这种方法设计的构件
外观简洁，可任意缩放不失真。
3.2 基于图像的建模
对于较复杂的构件，可以采用基于图像的建模方法。基于图像的建模分为图像链接和图
125 像嵌入两类。图像链接方法只保存图像的路径，不保存图像的具体信息，因此构件的xml
文件小，但在移植构件时，容易丢失链接信息。图像嵌入方法把图像的所有信息保存到构件
文件中，对构件的修改和复制都比较方便，但构件文件占用存储空间比较大。其数据模型表
示为：
<visualization-model>
130 <name/>
<svg>
<g type="render"> //构件可视化信息
<image x="" y="" width="" height="" embed="" ……/> //图像嵌入方法
<image x="" y="" width="" height="" xlink:href=""/> //图像链接方法
135 ……
</g>
<g type="connect"> //构件接口信息
</g>
</svg>
140 </visualization-model>
具体来说，嵌入图像的所有信息首先写入一个数组，然后把该数组中所有内容转化为
base-64 编码格式，因此，嵌入的图像就以base-64 编码格式保存到构件文件的<image>中。
 以PID 控制器为例，其可视模型如图4 所示。该构件中的旋钮具有光照效果，按钮绘
制精确，采用图形交互设计方法很难达到这样的效果，而基于图像的建模方法简化了设计过
145 程，效果美观。
图4 PID 控制器可视模型
基于图像的建模方法能够弥补图形交互设计方法的不足，利用图像得到更逼真的构件。
150 3.3 矢量图导入
为了充分利用其它建模工具已经设计好的构件原型，适应用户需求，实现了基于导入矢
量图的建模方法。可导入的矢量图包括svg 格式矢量图、dxf 格式矢量图等。
构件xml 文件的所有可视信息的表示格式是基于SVG 标准的，因此导入的svg 格式矢
量图可以作为一个组<g type=”svgitem”>直接插入到当前构件的xml 文件中。
155 dxf 格式矢量图是用于AutoCAD 与其它软件之间进行数据交换的cad 数据文件格式，
可以利用格式转换工具，把dxf 格式的矢量图解析为svg 格式，然后对svg 格式文件进行渲
染或读写。
图5 给出了利用室内吊灯的dxf 矢量图文件进行构件建模的例子。用户首先选择一个
dxf 格式的矢量图，当执行导入命令时，程序在当前进程中创建一个线程，此线程调用格式
160 转换工具，把dxf 格式解析为svg 格式，然后把转换后的svg 文件作为一个组直接插入到当
前构件文件中，并在构件设计场景中进行渲染和绘制。
图5 室内吊灯矢量图建模的可视模型
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