虚拟仿真实验室在线游历系统的功能分析与实现

林燕芬, 胡惠君

(中国美术学院 实验教学管理部, 浙江 杭州　310002)



虚拟仿真实验室在线游历系统的功能分析与实现

林燕芬, 胡惠君

(中国美术学院 实验教学管理部, 浙江 杭州310002)

设计了虚拟仿真实验室在线游历系统,提出了系统的实现思路和方法。该系统功能包括:实验室资料浏览、实验设备资料查找、实验室设备与空间信息管理、实验设备资料管理、实验室信息管理、场景交互功能。通过网络技术将实验室可视化,使得广大师生能够在线快速了解和熟悉实验室环境及内部的各种设备,并为虚拟实验准备技能和积累经验。

虚拟仿真实验室； 在线游历系统； 学校管理

虚拟仿真实验室的未来发展目标是在线虚拟实验,但由于实现该目标需要投入大量资金,并且对于实验者的在线技能要求也较高,因而短时间难以有效实现。因此,设计开发虚拟仿真实验室在线游历及信息展示系统,正是在投入有限的前提下,使得师生能够在线提前了解实验室环境及其内部的设备,为下一步开展虚拟实验做好准备。

可视化(visualization)是利用计算机图形学和图像处理技术,将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理[1]。利用可视化技术,可以将实验室的资源信息及其状态以直观的图像方式表现出来,既有利于实验室管理者全面掌握和管理实验室资源,又有利于实验室的使用者直观地了解和观察实验室的各类资源[2]。虚拟实验室需要对实验室空间及设备进行展示,并对数据进行在线可视化管理,既改善用户体验,也能够更好地贴近用户看图的习惯。

1　系统需要解决的主要问题

虚拟仿真实验室在线游历系统是以Web平台为应用环境,从实验室及实验设备信息的可视化展示与管理入手,以师生的信息浏览、检索、管理、交互等行为的体验为检验标准,主要解决以下问题[3-6]:

(1) 在实验室的使用流程及管理模式方面,对实验室传统的基于手工和单机管理的模式进行调查与研究分析,从而规范化使用流程、数字化各类数据,使之适应统一的、基于联网的信息管理方式；

(2) 在实验室用户群的细分方面,针对新的开放式实验室管理模式,对传统实验室的使用者进行调查与研究分析,了解和掌握师生的需求和可能的交互方式,从而选择和设计合适的信息化工具,在有效满足实验室使用者需求的同时,确保实验室管理工作高效和有序进行；

(3) 在开发系统的管理功能方面,分析Web平台的应用环境和相关工具限制,实现实验室及实验设备信息的基本展示和管理功能,针对系统的可视化需求,设计出既满足基本可视化需求,又能在短时间见效且投入较小、对使用者没有过多限制的技术方案；

(4) 在设计开发效率方面,针对实验室各类信息的前端展示和后端管理的要求,研究和设计技术方案,实现内容与界面分离、结构和样式分离,以有利于前后端开发效率的提高。

2　系统的功能分析

2.1系统角色分析

系统的使用者对系统有不同的使用方式和内容要求。通常可以将具有同一类行为方式和内容要求的用户群体看作是一个角色,从而方便系统的设计开发与管理。在本系统中,角色及其权限要求如下。

(1) 实验室使用人员。主要是学生,数量约有1万人,仅就在线游历与实验室展示系统而言,此类人员一般不需登录到系统,只需具有浏览权限,如查看新闻公告、实验室安全教育、管理部门发布的信息、各实验室发布的信息、各实验设备相关资料等。若该类用户需要执行其他操作,例如提交问题、模拟操作、查看自身状态等,则必须登录。

(2) 实验室管理人员。每个实验室至少有一名管理人员,管理人员具有发布和编辑各类设备信息的权限。该类用户须登录系统方能编辑实验室信息、管理实验设备资料、发布新闻和通知公告、在线答疑、管理设备预约、管理实验室作品等权限,其权力的使用范围仅限于其所在的实验室。

(3) 系统管理员。指学院级实验教学管理部门的人员,数量1～2人。该类用户具有系统的最大权限,登录后方能进行系统管理,包括发布和编辑任何信息、增加删除实验室资料、代表管理部门发布消息和公告,具有管理用户权限和设置系统功能的权限。

2.2功能需求分析

功能需求是与系统业务和用户行为直接相关的需求,是检验系统是否有效的关键点。虚拟仿真实验室在线游历系统主要由场景渲染子系统和场景交互子系统构成[7-8],其功能结构如图1所示。

图1　系统功能结构图

系统的功能就是实现虚拟实验室的在线游历,即可通过Web地图的方式在线游历和观摩实验室，包括以下具体功能。

(1) 实验室资料浏览。通过实验室详细资料链接页面查看实验室的各类相关资料,例如实验室概况、发展历史、功能说明、使用规范、管理人员信息等；通过实验教学管理部门详细资料页面查看全校实验室的各类相关资料,包括概况、机构设置、发展历程等。

(2) 实验设备资料查找与浏览。用户可通过Web地图的方式在线游历和浏览实验设备；可通过目录查找和浏览设备的相关资料,诸如设备的详细说明、各部件的详细说明、设备操作指南、设备图片相册、设备操作视频、设备常见问题等；可在线浏览文字类资料、图片资料和下载附件资料(pdf和doc等格式的文档)等；可通过多媒体资料库页面在线收听和观看各类音频视频文件。

(3) 实验室及实验设备空间信息管理。管理员可使用可视化的地图编辑工具,为实验室及实验设备增加、修改、删除空间信息,空间信息类型至少支持点、线、矩形、多边形等；可通过空间信息管理页面直接查看实验室及实验设备的空间数据并直接管理空间数据；可通过场景管理页面,将具体的场景地图图层及图层符号与实验室及实验设备资料等进行关联；可通过场景配置页面,设置空间场景的渲染模式和样式。

(4) 实验设备资料管理。管理员可对基本信息管理页面的设备简介及说明进行修改,可对资料管理页面设备的文字资料进行增加、删除、修改、查找、分类,可在附件管理页面对设备的多媒体资料进行上传、删除、修改、查找、分类。

(5) 实验室信息管理。管理员通过信息管理页面,可对实验室的各类资料进行增加、修改、删除、查找、分类等操作。

(6) 场景交互功能。在完成场景的渲染后,进一步实现场景的交互功能:通过拖动地图、放大缩小地图、鹰眼定位等方式,查看实验大楼的相关地理信息；点击交互界面上的提示标记,系统将弹出对话框,其中包含实验楼的简介、图片、详情链接等信息；可通过点击详情链接进入实验大楼详细资料页面场景。

基于需求,从普通用户的角度出发,可以归纳系统的流程如图2所示。

图2　系统流程图

3　系统的实现思路

基于在线游历系统的应用环境和系统用户操作需求,系统应当易于访问、无需安装任何第三方控件、界面操作简单,同时系统的开发应当采取持续、渐进式的模式,即构建功能可扩展的系统结构,以满足未来功能扩充和升级的需求。可以通过基于OpenLayers框架的2.5D瓦片地图技术来实现,系统的整体架构采用基于浏览器/服务器的分层架构[9],如图3所示。

3.1实验室的展示与游历功能实现思路

在本系统中,实验室的展示与游历功能正是通过对多个图层的生成、叠加和控制来实现。一般而言,一个实验室游历场景中至少应包以下几类图层:

图3　基于B/S的系统架构图

(1) 基础图层或主图层(实验室场景图),应位于Z轴的最底部；

(2) 标记图层(各类设备热点等)；

(3) 特性图层(文字提示等)；

(4) 控件图层(交互工具栏等)；

(5) 其他特殊功能的图层。

系统功能的实现过程就是调用相关的类及其接口进行图层操作的过程。首先,必须创建和生成基础图层,然后再向主图层增加各类标记、控件或特性,实现基本的在线地图渲染和标记等功能；然后,通过事件机制以响应或中继客户端向服务端发送的动态请求,并根据服务端的数据响应重新生成和渲染客户端的各个图层,从而实现在线地图的动态游历与交互。

任何基于OpenLayers的应用都必须创建一个Map类对象,在该对象的构建函数中,必须指定地图名称和加入一个Layer对象的实例,并指定其为基础图层,同时设定该图层的数据来源地址及分辨率、可视大小等。基础图层成功设置后,根据系统定义的功能,还需要为该Map对象增加一些必要的交互控件,例如拖动平移按钮、通过拖动滑条实现图片的缩小和放大、键盘导航功能、图层切换、鹰眼功能等[10-11]。

3.2实验室信息交互功能实现思路

在图层成功渲染之后,必须为其增加若干交互行为,从而方便用户更好地浏览图层和进行信息交互。OpenLayers框架内生成支持多种常见的地图交互行为,如缩放、鹰眼、测距等,并同时提供了强大的编程接口,允许程序员方便地对各类默认图层交互行为进行扩展和定制。本系统中,基于实际需求和应用特点,图层交互行为主要有:地图缩放、地图鹰眼、地图拖曳、图层切换、区域选择、地图标记、动态要素等。

在上述行为中,对于地图缩放、地图鹰眼、地图拖曳、图层切换等交互,由于其行为特性简单和功能比较通用,故OpenLayers已将其包装为JavaScript组件,只需简单地在应用中调用与设置参数即可基本实现。

对于区域选择、地图标记、动态要素等交互功能,OpenLayers提供了一组基础的JavaScript对象和接口,程序员需要视应用的需求进行适当的扩展和定制[12-14]。

例如,系统中有这样一个典型的交互场景,即当用户点击设备上的某个标记时,应当在图层上显示一个云状的信息提示框,提示框中的内容包括设备的名称、介绍以及相关的链接。该功能属于典型的动态要素生成类交互，其实现的基本思路是:首先,根据管理员的编辑信息生成相应的标记对象,并拦截标记对象的鼠标点击或悬浮事件；然后,根据用户点击的标记对象ID,获取提示框的类型、需要显示的内容等数据,并调用OpenLayers相应的接口,动态生成提示框对象,并进行各类参数的设置和填充；最后,将生成的提示框对象挂接到指定图层的相应位置上,并进行渲染。

4　结语

在对系统功能进行详细分析的基础上,基于OpenLayers框架的2.5D瓦片地图技术实现了虚拟仿真实验室在线游历系统。该系统的设计与实现,在一定程度上满足了实验教学信息化的发展要求,是实验室网络教学平台的一个起点,为进一步深入开展虚拟仿真实验教学的内容建设创造了良好的入门环境。尤其是在“互联网+”时代背景下,在线游历虚拟仿真实验室也是“互联网+教育”的一种新尝试。随着研究工作的深入以及未来对在线虚拟仿真实验室更新、更多的需求,在今后的系统升级和发展中,可以进一步从加强系统的操作互动性等方面提升系统的效率,扩充更多的系统功能,建设功能更加强大的、更加贴近真实的在线虚拟仿真实验环境。

References)

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Functional analysis and realization of virtual simulation laboratory online travel system

Lin Yanfen, Hu Huijun

(Department of Experimental Teaching Management, China Academy of Art, Hangzhou 310002, China)

This paper designs the virtual simulation laboratory online travel system, and puts forward the realization of system ideas and methods. The system features include browsing laboratory data, finding information of laboratory equipment, information management of laboratory space and equipment, laboratory equipment data management, laboratory information management, and features of scene interactive. Through laboratory visualization by the network technology, making the majority of teachers and students can online quickly understand and become familiar with the laboratory environment and internal variety of devices, to prepare skills and accumulate experience for virtual experiments in the future.

virtual simulation laboratory； online travel system；school management

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.031

2015- 11- 12

全国教育信息技术研究“十二五”规划2014年度课题“艺术类高校虚拟仿真实验教学中心建设研究”(146242264)；中国美术学院跨媒体艺术国家级虚拟仿真实验教学示范中心建设研究项目；中国美术学院浙江省健康智慧厨房系统集成重点实验室建设研究项目

林燕芬(1980—),女,宁夏石嘴山,硕士,实验师,主要研究方向为实验教学和管理.

G647

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1002-4956(2016)4- 0111- 04