虚拟实验室关键技术

虚拟实验室关键技术（精选十篇）

虚拟实验室关键技术 篇1

随着网络技术的进步,网络已经渗透到人类社会的各个领域。网络技术人才的需求量也随之大幅增长。一名合格的网络工程师不但要有坚实的理论基础,还要有丰富的实践经验。因此,高校网络教学中应提供相应的实验环境和较多的实践时间,以便让学生能够通过实验掌握所学知识。由于网络设备价格昂贵,所以高校普遍存在网络实验设备不能满足需求的问题[1]。如何解决网络实验环境问题已经成为近年来的研究热点。

参考文献[2-3]提出使用Dynamips搭建虚拟实验平台,优点是可以加载思科设备的IOS镜像,实验环境接近真实设备;参考文献[4-6]提出用Net Sim组建虚拟网络实验室,Net Sim不但支持CSICO的认证考试,同时还支持自定义网络实验。参考文献[7-9]提出用Packet Tracer搭建网络工程虚拟实验环境,Packet Tracer是思科公司开发的免费实验平台,方便易学。虽然上述方案都有效缓解了网络实验设备不足的问题,但都存在资源消耗大,不支持在线实验的问题。针对以上方案存在的不足,结合当前实验教学的需求,提出了构建远程虚拟网络实验室的方案,并详细阐述了实现该方案的关键技术。通过此实验平台学生可以随时随地完成各种类型的实验,包括基础实验和综合实验。教师可以灵活设计和管理教学中的实验,可以通过系统评分有效掌控学生的实验能力,最大限度地提高实验效果。

2 实验室的总体设计

2.1 功能模块设计

为了最大限度地满足学生实验的需求,不限制实验的时间和空间,系统采用B/S架构进行设计。与现有虚拟网络实验室架构相比,其优点是客户端无需安装任何软件,就可以通过IE浏览器远程访问实验室。系统的总体模块设计如图1所示。

2.2 实验流程设计

实验室的用户有教师和学生两种角色。为了安全,系统为他们分配不同的操作权限。教师可以对现有实验进行浏览、修改、删除和分发等管理,也可以添加新实验。学生利用此平台可以完成老师安排的必做实验,也可以完成自行设计的实验。只有教师添加了某个实验所需的文件,并将该实验进行了分发,学生才可以查看和练习此实验。教师分发实验和学生进行实验的流程如图2所示。

3 关键技术

3.1 实验模拟技术

整个实验平台的核心是运行于服务器上的网络设备模拟软件。目前,常用的设备模拟器有Dynamips、Bonson Netsim、GNS3、Packet Tracer、工大瑞普等。这些软件的主要缺点是不支持远程实验或占用系统资源严重,因此不适合作为服务器端的实验模拟器。Cisco IOU是市面上最新出现的一款思科模拟器,和其它模拟器相比,它有三个重要特点:一是用它跑多台虚拟路由器对CPU资源的占用率依然较低;二是支持用自定义的端口号进行远程连接;三是它是基于Unix平台的模拟软件,适合作为虚拟实验室的服务器端软件。因此,虚拟网络实验室系统选用它作为整个系统的核心模拟器。

3.2 网络安全技术

对于网络数据传输来说,其安全性是至关重要的。系统从防范非法用户侵入和避免合法用户误操作两个方面进行安全设计。防范非法用户侵入主要采用Session技术、MD5(Message-Digest Algorithm 5,信息摘要算法5)加密技术和防止SQL注入技术来实现。避免合法用户误操作主要通过权限限制和异常处理技术来实现。

3.3 文件上传技术

文件的上传与下载是系统的主要功能之一,常用的文件上传技术可分为无组件上传和用组件上传[10]。无组件上传的优点是程序员可以根据实际需求灵活设计上传方案,但缺点是程序员需要编写大量的代码。应用组件上传,实现起来比较简单而且功能较为强大,有效提高了程序开发的效率。常用的上传组件有jsp Smart Upload和commons-fileupload,后者的实现方法如图3所示。

3.4 实验分发技术

教师通过实验分发功能将实验文件发送到学生文件夹中,之后学生才能进行该实验。实验管理功能如图4所示。分发功能所用到的技术有文件夹的批量生产技术和文件的复制技术。系统首先根据学生信息表中的学号为每个学生产生相应的实验文件夹,然后把实验文件拷贝到每个学生的文件夹中。

(1)文件夹批量生产技术

遍历学生信息表,根据每个学生的学号为其产生相应的文件夹,具体方法如下。

(2)文件复制技术

每个实验都有若干个必须的文件,教师在添加实验后,文件被保存在服务器的实验文件夹中。教师在执行分发功能后,实验文件被复制到每个学生的文件夹中,具体实现方法如图4所示[11]。

3.5 远程访问技术

Telnet协议是TCP/IP协议族中的一员,是Internet远程登陆服务的标准协议和主要方式。它为用户提供了在本地计算机上完成远程主机工作的能力。在终端使用者的电脑上使用telnet程序,用它连接到服务器。学生进入某个实验时,系统会根据设备数量为其批量生成对应的超链接。不同于一般的超链接,本处采用基于Telnet协议的超链接来登录每个设备。实现代码如下:

4 结论

首次提出基于Cisco IOU搭建远程虚拟网络实验室,无论是实验模拟平台还是系统功能架构都较现有方案更加优越。此实验平台的实现可以较好解决学校实验设备不足和学生实验时间少的问题,能够在一定程度上提高学生的动手能力和实验教学的效果。不足之处在于系统还不支持在线设计拓扑,教师需要离线设计拓扑,然后上传至服务器。下一步的工作是研究如何实现在线设计拓扑图,使得学生不但可以完成教师预先安排的实验,也可自主设计新实验,从而使得系统功能更加完善,操作更加人性化。

摘要：针对当前高校网络实验设备不足及现有模拟软件不能进行远程实验的问题,首次提出利用Cisco IOU实现远程虚拟网络实验室,并详细描述了实现中的关键技术。利用这些技术,各高校可以构建适合自己的实验室,实验教学将不再受设备数量、时间和空间的限制,教学效果也会在一定程度上得到提升。

关键词：远程访问,虚拟实验室,CiscoIOU,文件操作

参考文献

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[3]刘外喜,刘文喜,喻萍,等.基于在线实验室的教学模式的研究[J].微型机与应用,2011,30(14):51-53.

[4]陈东华.网络组建与规划课程虚拟实训模式的研究与实现[J].高校实验室工作研究,2010,(3):101-102.

[5]王丽娜,徐东辉.基于Boson NetSim的交换路由实验仿真[J].计算机与数字工程,2010,38(4):160-163.

[6]陈建锐.基于Boson Netsim的网络地址转换实验教学设计[J].实验室研究与探索,2010,29(4):59-62.

[7]姜伟.packet tracer在计算机网络实验教学的应用研究[J].中外企业家,2011,(3):175-176.

[8]唐灯平.利用Packet Tracer模拟组建大型单核心网络的研究[J].实验室研究与探索,2011,30(1):186-188.

[9]任晓鹏,李伟华.基于Packet Tracer构建虚拟网络实训平台[J].中国职业教育,2006,(27):44-46.

[10]付小龙,马璟,袁芳,等.综合论文训练管理系统中海量数据上载的设计与实现,实验技术与管理,2009,(8):88-91.

虚拟实验室关键技术 篇2

摘 要 随着计算机、网络技术的不断发展，网络虚拟实验室得到越来越多的应用。介绍了虚拟实验室的基本特点及其体系结构，实现虚拟实验室的四种关键技术： Java、ActiveX、VRML、ASP，最后探讨了虚拟实验室开发过程当中应注意的几个问题。

关键词 虚拟实验室 远程教育 现代教育技术

迅速崛起的现代教育技术把虚拟实验引入到了实验教学中。虚拟实验的应用改变了传统的教育模式，使得教与学方式发生了革命性的变化。目前，用于实验教学的计算机虚拟实验软件非常丰富，加上高校计算机及网络资源，为虚拟实验的开设提供了必要的基础条件。通过网络虚拟实验室，能够通过计算机在网络中模拟一些实验现象，它不仅仅能够提高实验教学效果，更加重要的是对一些缺乏实验条件的学生，通过网络同样能够身临其境地观察实验现象，甚至和异地的学生合作进行实验。1 网络虚拟实验室的发展及其特点

网络虚拟实验就是在WEB中创建出一个可视化的环境，其中每一个可视化的物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作，用户可以进行虚拟的实验。网络虚拟实验实现的基础是多媒体计算机技术与网络技术的结合。无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验。为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持。许多国内外从事实验室工作的研究者们在实践中还提出这样一些概念：Digital Lab、MBL（Micro-computer Based Lab），尽管这些名词不统一，但他们的实践从不同的层面实现了虚拟实验室。

1．1 印地安那州立大学的MBL化学实验室

该实验室在给新生开化学实验课时用计算机来辅助做这样一些事，用计算机采集与分析实验数据，用计算机展示实验，在网上发布相关的实验指导材料。1.2 芝加哥伊利诺伊大学数字化有机化学实验室

该实验室充分利用网络资源，在网上提供了一系列的实验教学指导：在线实验教材；实验教学时间表；实验测评方法、形式、时间；虚拟实验；相关教学资源的链接等。他们还用计算机进行实验教学的教务管理。

1.3 卡罗莱纳州立大学的LAAP（Learn Anytime Anywhere Physics）

他们利用Java技术建立了基于Web的探索式虚拟物理实验室，主要有以下几个模块：基于Java Applet的虚拟实验设备和实验设施；相关的实验课程模块；实验学习结果评价模块；协作学习模块。

虚拟实验室最大的优点是成本低，效率高。因为“软件即为仪器”，这样就可解决因实验经费不足或高档次、高价位设备缺乏所不能开出的实物实验，同时也不会造成因使用不当，管理不善等因素造成的仪器损坏、元器件丢失等现象。同时虚拟实验还可以模拟实验室中没有的设备，而且还可以不受时空的限制方便地进行实验。另外，虚拟实验室还应具备一些基本特征：与现实的一致性（或现实的延伸）、高度交互性、实时的信息反馈。2 网络虚拟实验室体系结构

网络虚拟实验室应是一个集虚拟实验教学管理系统、实验课教学指导系统，网络实验仿真等为一体的功能强大的网上运行系统。各部分之间相互联系相互补充，仅具有相对独立性。开发虚拟环境，实现实验仿真应是虚拟实验室建设的核心部分。图1是虚拟实验室体系结构图。构建网络虚拟实验室的关键技术

用心

爱心

专心

目前国内的虚拟实验室研究还处于萌芽阶段，国外已经有很多大学进行了这方面的研究。总结他们所使用的技术，可以看出大多可以划分下面几类： 3.1 Jａｖａ技术

Java是一个广泛使用的网络编程语言，它是一种新的计算概念。首先，作为一种程序设计语言，它简单、不依赖于机器的结构、具有可移植性、安全性、并且提供了并发的机制、具有很高的性能。其次，它最大限度地利用了网络，Java的小应用程序（applet）可在网络上运行而不受CPU和环境的限制。另外，Java还提供了丰富的类库，使程序设计者可以很方便地建立自己的系统，这一点对于构建网上虚拟实验室系统来说也是非常关键的。

用心

爱心

虚拟实验室关键技术 篇3

关键词：综采；工作面；安全生产；虚拟现实系统；关键技术

引言

严格意义上来讲，虚拟现实技术属于一门新兴的科学技术，目前已经被广泛应用于航空、航天以及船舶等多方领域之中。虚拟现实技术不仅在一定程度上具备多媒体信息的特点，也能够通过对虚拟现实技术的应用来为矿井生产提供应急救援提供新的途径。其主要原理在于能够利用计算机营造出一种人为的虚拟环境，这种环境的具有较高的仿真性，能够使用户完全沉浸入这种虚拟环境之中，对于煤炭行业的发展来说具有重要的现实意义。

一.综采工作面安全生产虚拟现实系统的重要作用

随着我国煤炭行业中科学技术应用水平的不断提高，我国煤炭工业的面貌发生了极大地改变，不仅工人们的劳动强度得到了较大的降低，煤炭生产的产量也得到了很大的提升，为社会经济建设贡献了巨大的力量。但是煤炭生产事故的发生率却一直都居高不下，在一定程度上加大了广大煤矿工作人员的心理负担。导致安全事故频频发生的原因除了自然条件因素之外，更多的是来自于安全管理模式的欠缺。而综采工作面安全生产虚拟现实系统则能够使人通过个人的视觉、听觉、触觉以及形体和手势参与进信息处理的环境之中，进而得到身临其境的感觉体验。过去传统的综采工作面仿真主要偏重于数字仿真，也就是编制程序采用随机方式仿真生产过程，并由此得出工作面产量以及其他的结果的研究。但是当前虚拟现实技术在综采工作面生产过程中的运用则相对具有更高的性能性，将其应用于矿工培训中不仅能够减少投资、安全可靠，还在很大程度上具有可重复操作的优越性能，对于煤炭行业来说具有十分深远的影响，在有效降低事故发生率的前提下去提升煤炭生产效率。

二.虚拟现实系统的主要构成

对于总裁工作面安全生产虚拟现实系统来说，无论外部条件发生怎样的变化，其主要的构成是不变的。通常情况下，虚拟现实系统都是由虚拟环境、传感器件、作用器件、人以及虚拟环境发生器等几部分组成。其中虚拟环境主要是由虚拟环境发生器所产生，进而使人能够借助于传感器件以及作用器件等媒介进行交往，使人们造成一种身入其境的感觉体验。传感器件主要是将虚拟环境中的形象、动作以及声音等各项因素进行转换，使人们将这种感觉理解成正常情况下的经历。而作用器件则是用来将人的一些约定动作变成作用信息，使人们对虚拟环境有所察觉。人是整个虚拟现实环境系统中的重要主体，去感受到虚拟环境的存在并且通过对虚拟环境的体验做出相应的反应。这些构件都是组成虚拟现实系统不可或缺的重要部分。对于从事煤矿的安全生产来说，虚拟现实系统的很大一部分作用都来自于此方面的影响。

三.综采工作面安全生产虚拟现实系统中的关键技术

（一）实物虚化与虚物实化

一般来说，实物虚化主要就是指现实世界空间向多维信息化空间的一种映射，其中包含了基本模型构建、空间跟踪以及声音定位和视觉跟踪等多项关键技术。在这些相关技术的共同作用下促成了虚拟世界的形成。在这些技术之中，基本模型构建技术是形成虚拟世界的重要基础和前提，它能够将现实世界中的对象物体在相应的3D虚拟世界中进行重新构造，依照系统的相关需要进行部分物理属性的保存。就像车辆在不同的道路上行驶，其行车效果也不尽相同。而空间跟踪技术则是指通过头盔显示器以及数据手套等相关交互工具上的传感器来确定用户各身体部位在虚拟环境中的位置和方向。声音跟踪技术则是根据对不同生源声音的利用来进行到达某一地点的时间差、相位差以及声压差等進行虚拟环境的声音跟踪。视觉跟踪则是通过对摄像机到X-Y平面阵列以及跟踪光在图像摄影平面不同时刻和不同位置上的投影来进行被跟踪对象位置和方向的计算。

相对于实物虚化来讲，虚物实化则是指确保用户能够从虚拟环境中获得到与现实世界中一样的视觉、听觉以及触觉等方面体验的关键技术。通常情况下，能否使参与者形成沉浸感的主要原因除了使其具备相应的知觉体验外，还在于其是否能够感受到虚拟物体的反作用力。

（二）高性能计算机处理技术

最后，作为一种现代化的高新技术虚拟现实系统要想充分发挥其应有的作用就不能缺少高性能的计算机处理技术。高性能计算机处理技术主要包含了数据转换以及数据预处理技术、能够生成并显示出逼真图像的技术、各类声音合成以及声音空间化技术、多维信息数据融合以及相关的命令识别和语音识别等各类技术。对于虚拟现实系统来说，计算机技术是能够使其作用得以发挥的重要保障，在很大程度上左右着安全生产目标的实现。

结束语：对于煤炭行业未来的发展来说，引入虚拟现实技术已经成为了一种时代发展的趋势。然而就我国目前的状况来说，虚拟现实技术的发展应用仍然处于初级阶段，所以对其进行深入探析和研究具有重要的现实意义。我们应当抓住虚拟现实系统的重点部位，通过对其核心技术的发展来为综采工作面的安全生产提供重要支撑。

参考文献：

[1]赵国梁. 综采工作面安全生产虚拟现实系统关键技术研究[D].西安科技大学，2012.

[2]李建忠. 综采工作面场景及覆岩垮落的动态虚拟[D].太原理工大学，2010.

[3]韩可琦，苌道方. 虚拟现实技术在综采工作面仿真中的应用[J]. 计算机仿真，2006，06：229-232.

虚拟校园系统关键技术研究 篇4

随着计算机网络技术、三维地理信息系统技术和虚拟现实技术的发展,使得可以在计算机网络上构建虚拟校园。一般认为,虚拟校园是在计算机环境中虚拟再现真实校园的景观,用户可以进入虚拟的校园中进行有一定自由度地游览,进行一定的人机交互,是虚拟现实技术在校园数字化进程中的具体应用[1]。通过虚拟校园,一方面让更多的人对整个学校有清晰的认识,提供了校园景观及设施最直观的表现形式,方便用户熟悉校园内部的交通、环境对校园信息的访问;另一方面可以用来辅助解决校园规划、设计中方案的一些问题,促进了学校的建设发展。在我国已有多所高校着手开发和研究虚拟校园系统[2,3]。本文结合某校虚拟校园三维仿真系统的开发,研究了基于虚拟现实技术的虚拟校园三维仿真方法及其系统优化的几项关键技术。

1 三维场景的建立及优化

虚拟校园系统中的场景对象可分为2类:① 以场景为基础,在空间上连续分布的地形景观对象,如地形;② 以离散实体为特性,以独立的个体而存在的地物对象,如建筑物、树木等[4]。场景对象的三维几何空间数据是三维虚拟世界建模的基础数据,其庞大数据量是三维地理对象实时图形处理的瓶颈。所以地理景观对象的三维建模是虚拟校园开发的关键所在。

1.1 基于层次细节的地形场景生成

地形对象三维模型的建立是开发虚拟校园必不可少的一个关键环节。为了提高运行系统的实时性,必须对地形进行简化处理,以减少实时绘制的多边形开销。为物体提供不同的LOD细节层次描述是控制场景复杂度和加快图形绘制速度的一个非常有效的方法。

在对虚拟校园系统的设计中,地形数据使用的是DEM数据,针对系统使用的数据特点以及实时显示时系统的数据量大,实时要求高,数据交互量大的特点,使用了基于金字塔数据结构的多层LOD划分算法。基于金字塔结构的LOD地形简化算法是通过一系列的层次结构构成一个基于地形金字塔结构的地形分层组织结构。地形被分为多层,层与层之间的地形分辨率倍率为2,如图1(a)所示。由网格划分过程可以看出,不同层次间的采样间隔不同,如果不加以处理,会在地形重建过程中会出现缝隙。由于每个LOD层次区域均为正方形,因此缝隙会出现在2个层次的相接处。本文通过采用保留中点的分割方式构造三角面片来消除裂缝,如图1(b)所示。

1.2 地物模型的生成与处理

虚拟校园环境中的地物对象有建筑物、路灯、树和宣传栏等。这些对象因其不同的结构特点而采取不同的方式来构建其虚拟模型。对于箱体式建筑物,可将其看作由顶面和各个铅垂墙面组成,为增加模拟的真实性,在各个面上映射从现实世界采集的纹理;而对于树木等从任何角度看都大致相同的物体,可用2个相互垂直的平面,映射相同的纹理来实现;对于复杂结构地物对象,必须采用多细节层次(Levels of Detail,LOD)技术进行多层次处理和表达。本文2级分辨率模型,对于远离视点的复杂建筑物模型,使用简单的模型及纹理贴图;对于间距离的模型,使用精确模型显示,并使用List显示链表技术提高模型绘制效率。树木、路灯等对象在虚拟场景中大量存在并且形状大致相同(仅存在位置和大小的差异),对这类对象,为节省存储空间,可以只建立其一个虚拟模型,然后进行实例化处理。地物对象三维模型建立后,根据其在现实校园中的地理位置坐标、实际方位和纹理结构等,将其匹配到虚拟地形对象上,建立可构成虚拟校园环境的三维地理对象模型库。

2 纹理映射技术

纹理映射技术是利用事先获得的纹理影像来确定三维景物表面的点与纹理影像中像素点的映射关系,并按一定的算法将纹理影像映射到三维景物上,是当前计算机图形学中的一个热点课题。在虚拟校园中,为了更真实地显示场景,通常需要利用纹理映射技术来增加地形对象及场景地物的真实感。

2.1 地形场景的纹理映射

由于地形纹理图像数据量大,如果要求具有较高的真实感,内存的需求量更是十分巨大。如果采用一个单块的地形纹理来进行纹理映射,在地形绘制开始之前一次性将纹理数据调入内存中,并在绘制过程中整块纹理数据一直长驻在内存中,这种方法只适合于那些纹理数据量小的应用,但是在越来越多的情况下纹理数据远远大于内存容量,需要将纹理分块处理后才能使用。本文将纹理进行分块管理,并使用多分辨率纹理映射技术,将纹理数据预先存储为不同分辨率,而且每一级宽和高都是上一级别的一半,纹理映射时是根据地形LOD层次细节的分辨率来确定纹理数据的分辨率级别。

在大规模地形的实时绘制时,需要不断地从硬盘到系统内存再到纹理内存调度纹理数据,如果用图形库的函数来实时建立多分辨率纹理则效率不高。采用了基于视点的调度策略,设计了视点预测算法,预测当前视点不可见而下一视点可见的地形块区域。首先,程序保存一系列的视点参数,比如视点的位置、方向、视景体的范围,视点的运动速度和方向以及用于纹理映射的其他参数。程序根据输入对这些参数进行实时更新。预测算法利用视点的位置、方向和运动速度等参数,判断是否需要调入新纹理数据,若当前视点所需的纹理数据不在内存中,且内存中的块数已经达到指定上限,就从当前可用块中选择一块释放,并调入所需数据块。释放哪一块取决于2个要素:① 比较内存中各块与当前视点的距离,释放最远的那一块;② 对于存在多块可能的候选块时,还可增加最近最少使用筛选准则。

2.2 地物模型的纹理映射

地物模型主要包括树木、路灯、灯箱及建筑物等模型,相对于地形纹理数据,其纹理数据量小,且多数纹理数据可通用,如树木纹理、建筑物墙面纹理和窗纹理等。因此,对于这些纹理数据,本文采用Mipmap纹理映射技术实现纹理的映射。Mipmap纹理映射技术采用金字塔方式来存放纹理样本值,即将原纹理模式扩展为分辨率由高到低的多个不同级别的纹理模式,并表达为具有不同分辨率的纹理数组作为纹理查找表,低分辨率的图像可由比它高一级分辨率图像取平均得到。Mipmap算法对纹理图像进行了预滤波,并且以表格的形式把纹理图像存放于纹理内存,因此在实时运算时,只要进行恒定的、少量的运算,即可得到正确的纹理映射。

3 可见性优化

通过使用场景模型的LOD技术,大大减少了场景实时绘制数据量。但是在复杂场景重建时,在确定的视点下只有很小一部分的面片或者点是可见的,大多数的面片是背向的、在视域外或者被其他部分所遮挡,是不可见的,因此,可以在实时漫游过程中,为进一步提高场景绘制效率,对不可见的部分可以不进行绘制,对场景进行可见性优化。

3.1 视域剔除

在三维到二维投影过程中,需要一个投影体,只有当物体处于这个投影体中的时候,物体才是可见的,否则物体将被剔除。在进行透视投影的时候,投影体为一个平头锥体,一个视域体由6个面组成。判断一个顶点是否在投影体内部,只要顶点坐标代入到6个面的方程中,通过检查结果的符号就可以判断是不是在视景体内部。为降低计算的复杂度,将视域体的透视投影转换为正交投影。可以很容易得到正交投影体的6个面的方程为:

undefined。

假设6个平面中某个平面上有一个点(x0,y0,z0,1),在进行投影变换之前的坐标为(x′0,y′0,z′0,1)。这个平面的方程为Ax+By+Cz+D=0,投影变换前在世界空间中的方程为A′x+B′y+C′z+D=0。则该点必须满足(x0,y0,z0,1)×(A,B,C,D)′=0和(x′0,y′0,z′0,1)×(A′,B′,C′,D′)′=0。如果变换矩阵为T,则投影前后的点要满足(x0,y0,z0,1)×T=(x′0,y′0,z′0,1)。结合这3个等式,就可以得到:

T×(A,B,C,D)′=(A′,B′,C′,D′)′。

再根据投影空间中的6个面的方程,可以得到世界空间中的投影体的6个面的方程,来判断一个顶点或物体的视域可见性。

3.2 遮挡剔除

由于遮挡剔除要涉及场景中各个部分之间的相互遮挡关系,其计算很复杂,但是其对提高场景绘制效率的收益最大。在虚拟校园系统中遮挡剔除的主要工作是对校园内地物模型的剔除工作。通过对场景模型数据的特点分析,同时为提高计算效率,本文利用景物包围盒近似表示方法表示景物模型,并通过包围盒实现对地物模型的遮挡剔除。

首先,对视域剔除后的地物模型,通过地物模型尺寸信息,得到包围该地物模型的最小地形数据的包围盒,也就是得到一个最小的包围该地物模型的矩形数据。这个矩形数据的边缘上的数据点必须完全包围地物模型,这是为了保证对地物的近似是保守近似的条件。在可见性判断的过程中,通过使用遮挡树技术,建立并合并当前遮挡物的遮挡空间,根据视点快速、准确地确定其中一部分被遮挡物体。算法只需要判断面向视点的四边形的顶点数据,就可以保守的计算出地形数据的可见性。当地物包围盒所有的数据点高程值都被遮挡时,则该地物模型完全不可见,剔除该块地形数据;当地物模型存在部分可见数据点时,则保留该地形数据。

4 结束语

三维虚拟校园环境是分布式虚拟环境在教育和学习方面的应用。从地物对象几何建模、虚拟环境可视化及系统显示速度优化方面,讨论了虚拟校园三维仿真系统的设计和开发技术。针对不同地物模型的特点,使用了不同的LOD简化算法,提高了实时漫游的速度与精度。研究了不同模型的纹理映射技术,加强了场景环境的真实感程度。最后研究了场景的可见性优化算法,有效减少了实时绘制的三角形数,进一步提高了场景漫游速度。以某校区及其周围的场景作为试验区,初步实现了虚拟场景的动态漫游。下一步的工作除了继续完善虚拟校园三维仿真系统外,还应开展虚拟第课堂、远程教学以及虚拟校园管理服务系统等相关课题的研究。

参考文献

[1]侯文君.多用户虚拟北邮校园漫游系统的设计开发[J].系统仿真学报,2006,18(8):2206-2005.

[2]王卫辰,江晓红.虚拟校园三维仿真系统的开发及优化[J].徐州师范大学学报:自然科学版,2004,22(3):29-32.

[3]徐峰,陈敏智.虚拟校园三维仿真系统的设计及实现[J].浙江大学学报,2007,35(2):155-158.

虚拟实验室关键技术 篇5

虚拟机技术在计算机网络实验教学中的应用-多机联网实验

针对当前计算机网络实验教学中出现的诸多问题,提出运用虚拟机技术予以解决.结合一个具体实例,全面阐述如何通过运用虚拟机技术进行计算机网络教学实验.

作 者：温会宝 王朋娇 Wen Huibao Wang Pengjiao 作者单位：辽宁师范大学计算机与信息技术学院,辽宁大连,116081刊 名：中国教育技术装备英文刊名：CHINA EDUCATIONAL TECHNIQUE & EQUIPMENT年，卷(期)：2009“”(12)分类号：G642.423关键词：虚拟机 网络实验 多机联网

虚拟实验室关键技术 篇6

关键词：虚拟机技术；计算机实验室；问题；应用

中图分类号：TP399

虚拟机主要就是利用软件模拟，在一个完全隔离的环境中运行的计算机系统。在计算机实验室中，通过虚拟机技术的应用，不仅可以有效提高学生上机操作的灵活性，还可以在最大限度上减少老师的工作量，促进了工作效率的提高。在实际应用虚拟机技术的时候，一定要加强对虚拟机技术的了解，这样才可以进行全面、高效的运用，促进计算机实验室管理水平的提高，进而充分发挥计算机实验室的作用。

1 虚拟机概念及其运行环境

虚拟机指的就是具备软件模拟与完整硬件系统，可以在完全隔离的环境中运行的计算机系统。虚拟机是一种抽象计算机，与实际计算机一样，均具有一个指令集，并且可以利用不同的储存区域。其主要负责执行指令，并且对数据、内存、寄存器等进行管理。在任何运行平台中，虚拟机均可以为编译程序提供一个共同接口。编译程序只需要直接连接虚拟机，生成一些虚拟机可以理解的代码，之后利用解释器将虚拟机代码转变成特定系统的机器码，予以相应的执行。随着虚拟机的广泛应用，虚拟机软件得到了快速发展，目前普遍应用的虚拟机软件主要有Virtual PC与VMware Workstation。

在应用虚拟机技术的时候，一定要达到相应的运行环境要求。首先，操作环境要求。大部分计算机实验室均安装了硬盘保护卡，可以利用相应的管理软件设置受保护区域与开放权限区域。用户可以在受保护区域内进行相关操作，但是在下次开机之后，就会恢复到上次的开机状态，在设置容量的时候，应尽可能小一些；在开放权限区域上储存一些资料，在下一次开机之后，资料依然存在，在设置容量的时候，可以尽量大一些，通常情况下，均是将硬盘最后一个分区设为开放权限区域。其次，硬件要求。如果计算机CPU不小于1GHz，内容不低于512M，就可以进行虚拟机的顺畅运行。尤其需要注意的就是硬盘最后一个分区容量尽可能大一些，要不然可能会出现磁盘容量不足的情况。

2 计算机实验室管理中存在的问题

2.1 教学任务重，机器故障不断

计算机实验室担负着全校计算机专业课、公共课等上机教学任务，并且还要为学生自主学习提供一定的保障，基本上全天开放，所以，机器使用时间非常长，使用的人数也比较多，利用效率十分高，在超负荷的运行状态下，机器硬件、软件故障不断发生。

2.2 计算机软件更新不断

现阶段，市场各种软件更新非常快，不同专业学习所需要的软件也不同，进而要想保证教学的先进行，就要加强最新版本软件的应用，进而需要经常安装与更新软件。而计算机实验室为了满足不同专业不、不同年级对计算机实验的要求，经常需要安装多个操作系统，这样就需要每学期都要进行安装与更新。

2.3 各种木马、病毒、恶意软件较多

因为计算机实验室担负着全校计算机课的上机教学，使用的人数非常多，并且大多数学生都经常使用U盘、移动硬盘等USB接口，这样非常容易使计算机感染一些病毒。加之计算机实验室网络均是利用局域网进行连接的，为病毒传播提供了一定的途径，导致计算机系统经常出现错误，运行缓慢，甚至出现计算机系统瘫痪的情况。

2.4 学生经常有意或者无意破坏实验室设备

因为不同专业、不同年级的学生计算机操作水平不一，一些学生有意或者无意的经常删除系统文件、更改系统设置，甚至会设置开机密码等，致使计算机无法正常运行。甚至有的学生，因为好奇或者其他目的，进行黑客软件或者木马程序的下载，导致计算机系统出现崩溃的情况。

3 虚拟机技术在计算机实验室中的应用

随着社会的不断发展与进步，在建设与管理计算机实验室的时候，一定要采用新思路。在计算机实验室应用虚拟机技术的时候，不仅可以提高计算机实验室设备的利用效率，还可以降低机器故障发生的可能性，提高了实验室教学效果。其应用如下：

3.1 安装虚拟机软件，构建虚拟机

现阶段，普遍应用的虚拟机软件主要有Virtual PC与VMware Workstation，这些软件均可以在Windows系统中构建虚拟机，用于安装FreeBSD、OS/2等其它操作系统。在实际应用过程中，可以根据计算机实验室的具体情况，选择适合的虚拟机软件。相较来说，VMware Workstation软件无论是在执行效率上，还是多操作系统支持上，均是非常出色的，应用也是较为普遍的。本文主要以VMware Workstation软件为例，了解虚拟机应用：其一，在进行运行的时候，可以先点“文件”，之后选择新建“虚拟机”，这样就会弹出相应的向导窗口，根据相应的提示进行操作。需要说明的是，虚拟机磁盘容量一定要结合实际情况进行制定，如果设备安装了很多应用程序，就需要设置大一些。其二，编辑虚拟机设置，在运行虚拟机的时候，需要点击“编辑虚拟机设置”，进行设置，其设置内容主要包括网卡、硬盘、内存等，并且需要对光驱启动进行设置。其三，安装虚拟系统。在进行虚拟系统安装的时候，和真实系统一样，可以先设置物理驱动，之后进行分区、格式化、操作系统安装。其四，VMwareTools安装。在操作系统安装完成之后，需要进行VMwareTools的安装。在某种程度上，其就相当于虚拟机的主板芯片。在完成VMwareTools安装之后，可以有效提高虚拟机的运行性能，并且进行进行分辨率的设置。其五，在实际应用的时候，可以结合实验教学的内容，进行相关应用软件的安装，实现教学目的。

3.2 虚拟机快照创建

虚拟机的“快照”功能就是和“系统还原”差不多，并且还原速度十分快。首先，创建“快照”。在进行创建的时候，可以点击“虚拟机”的快照，之后进行相应的命名，之后“确定”就可以了。其次，恢复“快照”。在进行恢复的时候，可以直接点击快照中的“恢复到快照”选项，之后选定进行恢复。最后，管理“快照”。如果存在着多个“快照”，有些旧照就可以删除了，此时就可以点击快照中的“快照管理器”选项，之后选择需要删除的快照，最后点击“删除”。这样就实现了虚拟机技术在计算机实验室的安装，可以进行相应的应用。

4 结束语

总而言之，计算机实验室管理与维护工作非常复杂，需要相关管理人员进行积极的探索与实践，结合实际情况，进行有效的创新，实现计算机实验室的高效管理。通过虚拟机技术的应用，可以构建相应的教学与实验平台，对现有计算机资源进行充分的开发与利用，促进设备使用效率的提高，这样不仅可以节约运行成本，还可以对实验室设备与场地不足的情况进行缓解，在很大程度上，提高了实验室设备的稳定性、安全性，有效减少了管理人员的工作量，为实验室教学奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1]冯荣.计算机实验室中运用虚拟机软件及其要点分析[J].赤峰学院学报（自然科学版），2012（15）.

[2]何珍祥，任文.计算机实验教学的利器——虚拟机之应用研究[J].高校实验室工作研究，2010（02）.

[3]朱艳，尹丛丛.浅析高校计算机实验室管理与维护[J].工会论坛（山东省工会管理干部学院学报），2010（04）.

[4]边香玉.浅谈虚拟机技术在计算机实验室中的应用[J].长春理工大学学报，2010（06）.

作者简介：任立胜（1982.07-），男，内蒙古赤峰人，助理实验师，本科，研究方向：计算机软件应用及实验室管理。

虚拟现实及其关键技术 篇7

虚拟和现实是一对反义词, VR这项技术将两者联系在了一起。那么要怎么理解虚拟现实呢?Virtual Reality, 是虚拟现实的英文翻译。Virtual意思是虚拟的, Reality意思是真实。因此虚拟现实技术也被业内成为VR技术。这项技术是利用计算机仿造一种模拟环境, 使人在视、听、触感等方面得到与获得与真实环境最为近似的体验。

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向。它主要应用计算机技术, 包括模拟、现实、接口、传感器等综合的应用, 因此, VR技术是交叉科学与前沿技术相结合的产物。

虚拟现实有3“I”特性, 具体分析如下。

第一个“I”即Immersion, 浸沉感。它是指当体验者置身于虚拟环境中时, 能犹如在真是环境中一样, 具有沉浸其中的感觉。

第二个“I”即Interactivity, 交互性。它是指身处虚拟环境下的体验者的感受不是通过应用给予的刺激而产生的被动的体验, 而是可以与系统进行互动, 进而达到改变体验内容和形式的变化。

第二个“I”即Interaction, 构想性。它是指设计者在设计虚拟环境的同时, 可以具有一定的功能性的指向。比如应用于教育或者医疗的构想性设计的侧重点将有所不同。

虚拟现实系统基本可分为以下四类。

一是桌面型虚拟现实 (窗口中的VR) 。普通百姓人家中的PC机就能实现, 这类虚拟现实系统成本较低, 功能也最简单。一些建筑类和工业制造类的软件应用了这一技术, 例如3DSMAX、REVIT、BIm技术。

二是沉浸型虚拟现实系统, 通常用于各种高端的体验游戏, 或实验体验教学活动、培训活动, 使参与者有身临其境的感觉。

三是分布式虚拟现实系统简称DVR, 它的基础是网络中的虚拟环境。即利用因特网将分布在世界各地多个用户或是多个虚拟环境连接起来, 或者多个用户共处在一个虚拟环境中, 用户利用计算机进行交流, 共享资源, 共同完成某项功能。分布式虚拟现实系统被广泛运用于如军事、教育、游戏等领域。美国联合作战仿真系统JWARS和互联网对战游戏CS就是这一系统的体现。

四是混合现实系统, 这也是今后VR发展的方向。在这种模式下, 真实环境和虚拟环境相互结合, 由于部分虚拟环境取代了真实环境, 因此, 构成复杂环境的成本将大大降低, 另一方面, 部分系统采用真实环境, 因此, 用户可以对真实物体进行操作, 达到真假难辨的效果。

2 虚拟现实涉及的关键技术

2.1 三维立体成像和传感器技术

想要使虚拟环境具有真实的效果, 使体验者产生沉浸感就需要在立体成像和传感器技术上做文章。时下, 虚拟现实设备的精度和速度都不足, 不能满足人眼的跟踪速度, 所以很多时候不能有真实的体验, 又或者产生眩晕的效果。

2.2 动态环境下的建模

任何虚拟环境模型都是以真实场景作为依托的, 只有获得了真实环境在三维立体中的数据信息, 才能逼真反映到模拟环境中, 动态环境下建模这一核心技术, 就是将真实的详细数据经过筛选之后建立虚拟环境模型的过程。

2.3 系统开发工具应用技术

任何一个系统平台的开发, 都需要有合适的开发工具。例如用3DSMAX来构建模型, 用JAVA来开发网络平台。找到了合适的场合和对象才能使事情事半功倍。分布式虚拟现实技术、集成处理平台等等虚拟现实实现技术的系统开发工具, 将有助于提高系统质量, 减轻劳动强度。

2.4 三维图像的实时刷新

VR中的三维图像必须进行“实时”的刷新, 这样才能使数据不断更新, 使体验者获得不断更新的信息量。为了这个逼真的效果, 三维图像刷新的频率至少要每秒15帧。而且图像的清晰度也是有待提高的一个方面。

2.5 系统集成技术

虚拟现实系统中包括大量的传感器设备、模型、信息, 因此, 要达到资源的充分共享, 必须使各个部分之间统一协调的工作, 这就需要解决系统与系统之间的互连和可操作性问题。

3 虚拟现实技术的发展方向

3.1 旅游

时间、金钱不充裕的现代人是否想去体会旅游的美好?身体虚弱的年长者是否想像年轻人那样去实现自己的探险梦想, 但是却力不从心?如果答案是肯定的, 那么将虚拟现实技术应用于旅游将是不二的选择。

畅游在伦敦的大街小巷, 观赏伦敦夜晚的大笨钟, 或是前往夏威夷, 近距离的体验浩瀚的大海和阳光沙滩。你有没有想过这些都能在家中完成?现在有一种装置, 叫做Oculus Rift, 通过它你可以真切的体会什么是“VR旅游”的乐趣。深入世界上人类无法探究的古迹, 复原帝王的墓穴原貌, 体验古人置身于风沙大漠的凄凉与悲壮, 驻足于神秘的金字塔地道, GOOGLE的虚拟历史服务都可以为你做到。如果你想体验荒野生存, 一款名为“The Wild Within”的应用能够让你在家中实现这个梦想。

现在的VR旅游还很不成熟, 多数集中在营销利于, 且大多采用观看旅游景点影片的形式, 这种付钱程度的所谓的VR并不能使潜在的消费者产生直观的体验。真正意义上通过虚拟现实技术实现的旅游, 在时间和地域上都可以不受限制, 当你爬山时, 不必再为从东线还是西线上山而发愁。系统会为你进行推荐。你也可以自己选择。因为金钱、时间、体力而扼杀的环游世界的愿望不再是梦想。全世界的文物不再受到地域的限制, 可以同时展示在你的面前。以往的通过VCR了解旅游景点的模式已经过时, VR技术的出现, 使旅游者瞬间置身景点之中, 前一秒在大西洋中遨游, 后一秒也许就在撒哈拉大沙漠听着驼铃声了。

显然, “VR+旅游”的模式, 将是完美的结合。这并不是说亲身旅行失去了它原有的吸引力。借助于虚拟现实技术, 人们在旅行之前就可以初步了解景点的特色和概况, 进而能够更好的安排和制定行程。

3.2 影视业

为了给观众提供更加震撼和身临其境的视听盛宴, 各大影视公司纷纷将虚拟现实技术用于电影制作、剪辑过程中。特别是在科幻片和灾难片的制作中, 大量使用了这种新技术。诸如HBO等电视台, 也于此前推出了《权力的游戏》虚拟现实内容。相信在未来, 基于虚拟现实的蓝光电影可以让你在家里体验《星际穿越》, 或是置身于《侏罗纪公园》中, 甚至是与《阿凡达》们一同作战。

3.3 太空旅行

去太空遨游现在是属于亿万富翁才能体验的专署旅行, 显然, 并非人人都可以像维京公司老板那样亲自前往太空体验宇宙的神奇。不过, 虚拟现实可以帮助普通人以较低成本实现星际体验。美国航空航天局 (NASA) 和史密森国家航空航天博物馆等机构目前都推出了基于虚拟现实的太空体验软件, 相信在未来百姓可以坐在家中体验太空漫步和进行星际穿梭。

3.4 科学研究

虚拟现实最早也是最多的用于科学研究, 以及实验室的研究项目。危险环境下的实验, 有可能造成不必要的人员和物资损失, 虚拟现实技术有了用武之地。核反应堆的实验危险程度不言而喻, 但是在实际进行实验之前为了提升操作的准确度和成功率, 模拟操作是十分必要的。虚拟现实技术的引入也可以提高在紧急情况下的应对措施的运用。

3.5 心理治疗

虚拟现实就是能逼真地模拟环境, 使使用者具有十分真实的感受, 利用虚拟现实的这一特点, 心理医生用于病人的心理咨询和医疗。很多曾在战场上参战的士兵, 出现了战后的创伤, 心理上的创伤很难痊愈, 对他们的生活带来了极大的影响。美国南加州大学开发了一款虚拟现实应用, 模拟伊拉克/阿富汗环境, 帮助退伍军人进行创伤后应激障碍治疗, 意味着虚拟现实在心理治疗等方面拥有极大的价值。、

3.6 游戏

现在联网的多人竞技类的游戏, 都采用了VR技术。游戏参与者能全身心投入在“真实”场景中, 获得前所未有的震撼感受。最近, Sony、三星等大公司开发了一系列的头盔以及模拟显示设备, 玩家戴上头盔通过听觉、视觉等多方面的体验如同置身于游戏发生的现场, 感受游戏带来的震撼效果。

头盔、眼镜、耳机等一系列的传感器设备, 将人民拉入到真实的虚拟世界。人们可以体验失重状态下的太空漫步, 可以驾驶赛车感受风的速度, 可以回到从前感受年少时的童真, 可以到地球的另一面看当地人如何生活, 可以飞到云端和鸟儿结伴, 可以深入海底和鱼儿共舞。所有科幻里、电影里、梦境中的景象都将跃入眼帘。

4 结语

虚拟现实是一个人类由单纯做梦向制造梦境不断进化的过程, 它无线延展了我们的认识和感知空间。虽然短时期内由于技术水平的制约, 我们无法清晰看到虚拟现实技术的未来, 也不能准确的预言在未来的什么时候虚拟现实产品将深入到家家户户。但是, 我们深信虚拟现实技术在生活与工作中的很多方面都将发挥巨大作用, 特别是在医学、教育和军事领域。虚拟现实技术作为新的媒介和新的平台, 将掀起一场风暴。虚拟和现实完美的统一和转换, 用现实构造虚拟, 令虚拟为现实所用, 虚拟现实技术的前景将一片光明。

参考文献

[1]方小峰.基于虚拟现实的城市规划三维仿真系统[J].计算机仿真, 2004, 24 (3) :230-234.

[2]汪成为, 高文.灵境 (虚拟现实) 技术的理论、实现及应用[M].北京:清华大学出版社, 2004.

[3]刘耀林, 孔建益, 蒋国璋, 等.虚拟现实技术的发展[J].湖北工业大学学报, 2005 (3) .

云计算关键技术之虚拟化技术 篇8

关键词：虚拟化,云计算,虚拟资源,虚拟生命周期

云计算概念2008年最早被Google提出, 至今已有8年的历史了, 自提出以来, 谷歌、IBM、微软、亚马逊等IT巨头纷纷把云计算作为自己的发展战略, 这些新兴技术的产生引起了信息产业的新一轮重大变革, 在云计算领域中, 虚拟化是其关键技术。

1 虚拟化概述

1.1 虚拟化的概念

虚拟化是一个广义的术语, 在计算机方面主要指计算的原件在虚拟的架构上运行而不是在物理机上运行, 虚拟化技术可以扩展硬件的容量, 简化软件的配置过程, 可以实现在单个CPU上模拟多个CPU, 单个硬盘可以模拟多个硬盘, 单个网卡可以模拟多个网卡, 并且允许一个平台同时运行多个操作系统, 应用程序可以在相互独立的空间内运行并且相互之间不会有影响, 从而有效地利用计算机的闲置资源并提高工作效率。目前虚拟化技术是一种经过验证的软件技术, 它以非常快的速度改变着信息技术的面貌、改变着传统的信息技术模式, 虚拟化包含了以下几种形式。

1.1.1 应用虚拟化

应用程序虚拟化安装在一个虚拟环境中, 与操作系统隔离, 拥有与应用程序的所有共享资源, 极大地方便了应用程序的部署更新和维护, 通常应用程序虚拟化与应用程序生命周期管理结合起来使用效果会更好。

1.1.2 桌面虚拟化

桌面虚拟化之所以在近年成为热点, 一个很大的原因是相关产品的成熟性和安全性的提高, 它提供了健全的网络环境、高可靠的虚拟化环境、改变了原来的运行维护流程。

1.1.3 服务器虚拟化

在服务器虚拟化技术中, 被虚拟出来的服务器称为虚拟机, 运行在虚拟机里的操作系统称为客户操作系统, 用户可以在虚拟机上灵活地安装使用任何软件, 在应用环境中几乎无法感觉与物理服务器的区别。

1.1.4 网络虚拟化

网络虚拟化是通过软件统一管理和控制多个硬件和软件网络资源及相关的网络功能, 归根结底是为了主机之间安全、灵活地进行网络通信, 因而主机网络虚拟化是云计算的网络虚拟化的重要组成部分, 主要包括虚拟网卡、虚拟网桥、虚拟端口聚合器等。

1.1.5 存储虚拟化

存储虚拟化是通过一个或多个目标服务或功能与其他附加的功能集成, 统一提供有用的全面的服务功能。

1.2 虚拟化发展历史

与计算虚拟化相比, 网络虚拟化称为网络“云”的历史并不久, 世界各地大规模商用的案例也比较少, 但现阶段小规模的、以虚拟交换机、分布式虚拟机、虚拟路由器、虚拟防火墙、虚拟负载均衡器为代表的, 运行在私有云内的网络虚拟化商用案例还是比较多的。虚拟化技术近年来得到大面积推广和应用, 实际上虚拟化概念的提出远远早于云计算, 从其诞生的时间看, 它的历史源远流长, 大体可分为以下几个阶段。

1.2.1 萌芽期 (20世纪60~70年代)

虚拟化的首次提出是在1959年6月国际信息处理大会上, 计算机科学家Christopher Strachey发表的论文“大型高速计算机中的时间共享” (Time Sharing in Large Fast Computer) 中首次提出并论述了虚拟化技术。

20世纪60年代开始, IBM的操作系统虚拟化技术使计算机的资源得到充分利用, 在这个阶段, 虚拟计算技术可以充分利用相对昂贵的硬件资源, 然而随着技术的进步, 计算机硬件越来越便宜, 当初的虚拟化技术只在高档服务器 (如小型机) 中存在。

1.2.2 蓬勃发展 (20世纪90年代至今)

20世纪90年代, VMware等软件厂商率先实现了X86服务器架构上的虚拟化, 从而开拓了虚拟化应用的市场, 随后, 虚拟化技术发展到硬件支持阶段, 在硬件级别上实现软件功能, 大大减少了性能开销。X86服务器虚拟化技术的发展, 给IT行业带来了低成本、高效率, 虚拟化技术体系不断发展壮大, 相继出现了桌面虚拟化、应用虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化等, 这些虚拟化应用技术带给用户多样的应用和选择, 推动了虚拟化技术的广泛应用。

2 虚拟化技术与传统网络虚拟技术的区别

传统网络虚拟技术主要以VPN (Virtual Private Network, 虚拟专网) 和VLAN ( (Virtual Local Area Network, 虚拟局域网) 为代表的虚拟网络技术。服务器和存储虚拟化技术的迅猛发展, 使得动态快速分配计算资源和存储资源成为很平常的事, 大大缩短了创建虚拟服务器的时间。相比之下, 目前传统网络架构明显落后于虚拟化要求, 成为整个资源分配流程中的短板, 区别表在如下。

传统网络在虚拟化场景下应用部署效率低, 在很多情况下提供网路资源需要手工配置网络交换机端口、ACL、路由等。网络和应用安全策略的部署仍需手工配置, 自动化程度低。

网络变更困难, 每次人工配置都需要小心翼冀, 需要网络专家花费大量的时间来连接设备, 任何小的疏忽都可能造成网络故障。应用的部署也不得不拖延几天、几周甚至更长时间, 直到网络资源最终准备好了为止。

网络没有移动性, 网络的配置绑定于硬件, 配置的状态遍及大量独立的网络设备 (物理的和虚拟的) , 包括底层VLAN、网关、防火墙等物理资源的部署限制了计算资源的部署与自由迁移。

3 虚拟化资源管理

云管理平台对虚拟化的管理包括虚拟化生命周期管理、虚拟网络管理、资源集群管理。

3.1 虚拟生命周期管理

管理员可以通过多种方式创建虚拟机, 如通过应用创建虚拟机业务群、使用虚拟机模板来创建虚拟机 (或批量创建多个虚拟机) , 通过自定义方式来创建或通过已有的虚拟机克隆方式来创建。另外, 管理员还可以通过删除应用来销毁虚拟机, 将不再使用销毁的资源, 以释放系统资源, 还可以对一个或多个虚拟机执行启动/唤醒、安全启动、强制重启、休眠、安全关闭和强制关闭等操作, 甚至包括可以将虚拟机从一台主机上迁移到另一台主机上。

3.2 虚拟网络管理

虚拟网络管理包括子网管理、VLAN池管理、VPC管理和虚拟防火墙。云平台的子网管理, 支持子网下虚拟机的二层隔离, 当组网模式采用二层、三层时均可根据用户需要配置VLAN池, 在组网模式下为三层组网添加的VLAN池只用于隔离二层网络。VPC为应用发放提供了一个独占并且完全隔离的网络容器, 可以在VPC内添加虚拟防火墙和各种类型的网络。

3.3 资源集群管理

集群是由多个计算服务器组成的, 集群内的服务器作为一个整体来工作和进行管理。一个虚拟化环境中可以有多个集群。虚拟机在创建时被指定在某一个集群内, 根据一定的原则 (如负荷分担) 选择一个主机, 在此主机上创建虚拟机, 对于集群内的计算资源共享, 虚拟机可以从一个物理主机迁移到另一个物理主机。资源集群管理的功能包括创建资源集群、删除资源集群、扩容资源集群、减容资源集群、监控资源集群等性能。

4 结语

展望未来, 云计算技术是信息技术的重大突破与融合, 解决各种难题也将是未来的发展方向。

参考文献

[1]万川梅.云计算与云应用[M].北京:电子工业出版社, 2014.

[2]李天目, 韩进.云计算技术架构与实践[M].北京:清华大学出版社, 2014.

[3]姜凯, 李帮锐, 谢一凡, 等.桌面虚拟化实战宝典[M].北京:电子工业出版社, 2014.

[4]孙丽丽, 王伟峰.网络存储与虚拟化技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2013.

虚拟实验室关键技术 篇9

随着“数字地球”提出以来,在建筑领域,“虚拟建筑”或“数字建筑”等名词也应运而生。“虚拟建筑”是建筑学与信息科学相结合的产物,其本质是关于建筑领域里的数字化目标、数字化理论及技术支撑体系、数字化实施范围和基本步骤等战略性课题。就技术目的而言,“虚拟建筑”是为实现建筑领域的信息化、自动化、智能化、集成优化。其目的为适应数字化时代产业及经济格局、满足建筑全生命周期大量信息处理的要求,以及提高建筑的质量、运行效率、绿色、环保而采取的先进的建筑方法和技术体系;是关于数字化时代建筑策划、设计、建造、运行、使用、维护和废弃等整个生命周期的管理的理论、技术与方法的总称。

近年来,国内外有关虚拟建筑的理论和方法产生了很多,作为一个多学科交叉结合的产物,近些年“虚拟建筑”的相关技术和应用得到了迅速的发展。本文从“虚拟建筑”应用实现的角度,结合建筑全生命周期,探讨“虚拟建筑”系统实现中的关键技术。

1“虚拟建筑”系统的特点

“虚拟建筑”并非是一个孤立的理论研究、技术开发或建筑科学应用项目,而是一种整体性和导向性的战略思想和科学远见的体现[1]。“虚拟建筑”系统主要包含三个方面的核心内容:BIM(Building Information Model,中文:建筑信息模型)理论基础、技术支撑体系和建筑科学数据库系统。三者的关系如图1所示。

从图1看,“虚拟建筑”系统的特点是很明显的:

(1)具有明确的服务对象。虚拟建筑系统是一个计算机系统,可以是一个庞大的功能全面的复杂的计算机系统,也可以是一个体量不太大、功能单一、专门处理某一类问题的计算机系统,但是它们服务的对象都是建筑学。

(2)具有严格的理论基础。由于“虚拟建筑”系统需要处理建筑过程中的各类数据,数据海量而复杂,单一的数据格式不可能表达所有类型的数据,因此需要一种统一的业内认可的符合一定标准的建筑信息模型来表达建筑过程中的类型各异的数据。

(3)系统的实现需要多种技术的支持。实现“虚拟建筑”系统主要依赖的技术是计算机技术,尤其数据库技术、网络技术、软件工程、人工智能、可视化和虚拟现实等,除此还需要各种数学优化、仿真、评价方法、传感器、智能控制等技术,涉及多种学科。

(4)海量信息的数据存储。如何快速、有效地把整个建筑过程的数据资料统一存储于系统中,方便各个过程共享,是涉及到技术、标准、管理和法律等诸多方面的难题。不仅要求存储设备有较大的存储容量,而且要求后台的数据库的规模和类型合适,能够方便集中与分布存式储管理。

(5)数据的分散和有效集中。“虚拟建筑”系统不是一个独立的数据库或存储仓库,它可以超出物理场所的限制,可以是一个以用户为中心、分布式的信息存储空间,也可以是一个集中的有序的数据中心,还能满足数据共享的非时空限制。

建筑过程中的数据特点[2]:

(1)动态性、模糊性。建筑过程每时刻都是变化的,虚拟建筑技术必须能够体现时空动态变化,要能解决长时间序列空间数据的存储、索引与操作分析等问题。建筑过程也是模糊的,如建筑的某些阶段没有明显的界限,在阶段上数据经常是重叠的、有跨度的,如果人为划出清晰边界,容易丢失信息。

(2)时空粒度与尺度。数据粒度不一,从许多建筑过程相关部门所有的数据来看,粗细差异较大,有些在时空上或属性上是高层次的概括的,大粒度,有些在时空上或属性上是低层次的详细的,细粒度。时间粒度,比如有以小时记录的数据,也有按天或周统计的数据。与数据粒度相连的是尺度现象。不同尺度的建筑现象需要用不同粒度的数据加以反映或描述。

(3)时间、空间和属性互动。建筑是时空上动态的,且是时空互动,比如建筑的能耗,必定是与一特定的时间和空间联系在一起的。建筑过程中必须表达属性、时间和空间三方面相互融的动态,充分体现建筑的多维特性。

(4)数据的冗余性。不同的建筑阶段需求,会导致不同的衍生数据,必然也会产生很多冗余数据。为了快速获取各种原始的与衍生的数据,将各种数据存储在虚拟建筑系统中,会使虚拟建筑系统臃肿混乱;同时需求各异,计算各异,在数据的组织上也会有困难,而不利于检索查询,也不利于虚拟建筑系统的版本更新。

上述建筑过程中数据的特性,决定着虚拟建筑系统的主要技术方法。

2“虚拟建筑”系统实现中的关键技术

2.1 BIM

从全生命周期的角度看,建筑项目从策划开始,到项目的设计、建造、运行、管理乃至拆解过程,无不伴随着大量的物质、能源和信息的流动,而其中的信息流动最为关键。如何表达这些信息,目前在“虚拟建筑”系统中最好的技术是BIM。国际标准组织设施信息委员会认为BIM是在开放的工业标准下对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命期信息以可计算/可运算的形式来表现,能为决策提供支持,且能更好地实现项目的价值。还强调BIM将所有的相关方面信息集成在一个连贯有序的数据组织中,相关的计算机应用软件在被许可的情况下可以获取、修改或增加数据。

有了BIM,“虚拟建筑”系统可以遵循一定标准实现BIM定义的可计算/可运算的能被相关软件获取、修改或增加数据的功能。BIM不仅解决了建筑信息的创建,更重要的是构筑起各专业协同工作的平台,为建筑全生命周期的实施提供了一种协调一致的信息管理和共享的方法[3]。BIM通过数字化技术,在计算机中建立一个虚拟建筑物,能为应用层提供一个单一的、一致的、完整的、逻辑的建筑信息库。可以说是CAD之后的一项具有划时代的建筑信息建模方法和技术,可以提供持续即时的整个周期的信息,可靠性强,集成程度高,能自我协调,不断更新,供各种终端用户访问[4]。

“虚拟建筑”系统实现中,需要注意BIM的本地化,建立适合地区的BCMM(BIM Capability Maturity Model,中文:BIM能力成熟度模型),使BIM这一指导方法和技术适应国内的建筑行业。基于BIM的“虚拟建筑”系统解决方案可以有三种:“超级软件”模式,它包括了所有的建筑工程的功能模块,共享一个中央数据库,通过不同的接口,为不同建筑阶段的终端用户服务,但是管理的信息太多,要耗费大量的资源,可行性不强;以BIM建筑设计类软件为核心,其它软件通过某种数据格式和核心软件交互;三是通过一种统一的建筑数据格式,使其能支持建筑全生命周期的信息,然后所有的建筑软件都要能支持这种格式,则建筑软件间的数据交流就可以实现[5]。总之,BIM是未来建筑行业发展的趋势,是“虚拟建筑”系统实现的基础。

2.2 本体技术

在传统的建筑类软件中,数据格式多是独有的,不同软件间数据格式不统一,共享多是通过数据接口实现简单的交互,数据缺乏有效的关联,虽然有了方便的网络支持,软件的协同计算也不是太理想,使得信息和计算服务的效率不能最有效的全局性的发挥。从用户的需求看,他们希望“虚拟建筑”系统能灵活地识别、处理各个阶段的信息,关联知识,围绕用户信息需求活动来有效地组织数据资源和服务[6]。为此,引入本体技术,其最大好处在于共享和重用知识,是不同阶段、不同系统间交流、协定并可以共享理解的表示。本体借助概念、术语及其相互关系的描述规范化,给出某一领域的基本知识体系和描述语言。可以通过领域本体、问题求解模型和表示本体对建筑过程对象进行描述。

“虚拟建筑”的核心就是建立建筑领域本体,是虚拟建筑中各种语义互操作不可缺少的工具,其建立需要一批不同建筑过程的能够跨学科的专家对建筑领域知识达成共识,由于专家对不同建筑领域知识的共识会有差异,这需要通过部分先遵照标准,比如大家都遵循IFC,开始可允许“兼容模式”办法先部分后全局地解决。建筑领域知识模型是对建筑领域信息结构化和图形化的一种表达方式,其构建过程也是对建筑过程领域知识提炼和抽象的过程。通过对建筑过程重要实体、属性、过程及其相互关系的发现和甄别,就可以建立建筑过程的中的领域本体,可以先以建筑过程中某个阶段领域本体为基础构建一个集成框架,逐步实现建筑某阶段虚拟再现过程中利用自然语言与CAD系统的交互[7]。建筑领域知识模型是对建筑领域信息结构化和图形化的一种表达方式,其构建过程也是对建筑过程领域知识提炼和抽象的过程。通过对建筑过程重要实体、属性、过程及其相互关系的发现和甄别,就可以建立建筑过程的中的领域本体,可以先以建筑过程中某个阶段领域本体为基础构建一个集成框架,逐步实现建筑整个过程的领域知识模型[7]。

2.3 数字摄影测量

数字摄影测量是基于数字影像和摄影测量的基本原理,应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法,提取所摄对像以数字方式表达的几何与物理信息,包括了计算机辅助测图(常称为数字测图)与影像数字化图。影像数字化测图可利用计算机对数字影像或数字化影像进行处理,用计算机视觉(其核心是影像匹配与影像识别)代替人眼的立体量测与识别,完成影像几何与物理信息的自动提取。该方法可通过专业软件处理采集好的照片来得到待测点的三维坐标,这些照片可用CCD数字相机或高精度的专业相机通过在不同的位置和方向,对同一建筑物或与建筑相关的实体进行拍摄获取,用专业软件会处理这些照片,通过图像匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标,处理完毕,被测对象的三维数据将会进入到坐标系统中,如以前测量过或处理过一样。

在“虚拟建筑”系统中往往要建立真实建筑物的模型或真实场景,或进行建筑设计,尤其要恢复那些被毁掉的建筑物或者保护现存的古建筑,利用数字摄影测量就可以建立建筑物的几何和物理模型,对工程测量和城市规划也有重要意义。文献[8]利用数码影像与透视图的成像原理相同,即同属于中心投影,通过建筑二维影像,借助透视原理和几何关系计算影像的内外方位元素,反求建筑相关基本体素的三维坐标,在三维空间中重新构建建筑物外形。这对“虚拟建筑”系统的快速实现具有重要的借鉴意义。

2.4 建筑虚拟现实技术

虚拟现实在建筑行业的应用已经很久,最早主要是用来逼真的三维可视化建筑物的内外场景。随着信息技术在建筑领域应用的日益深入和成熟,建筑空间或相关建筑要素虚拟表现需要借助虚拟现实,而且要同后天的海量数据建立联系,在此基础上同一定的真实感建立对应,则有助于建筑相关计算和理解。“虚拟建筑”系统除了功能上的强大,数据的表现还需人性化和具有高逼真的可视化,尤其对于不可建立环境,如极恶劣的自然环境,可以利用系统的虚拟现实功能对其进行虚拟表现[9]。因此,现在和未来很长一段时间,虚拟现实技术仍将是“虚拟建筑”系统中一项重要的需要继续深入研究的技术,其关键是如何与后台数据建立联系并能快速表现。

2.5 参数化设计技术

“虚拟建筑”系统要能参数化计算或参数化设计,关于参数化设计是工具还是思维的争论较多,争论的焦点主要是考虑到建筑设计及相关过程的复杂性,基于参数化设计的软件系统体系庞大复杂,且牵涉到建造、与社会工艺等结合的许多问题。多数人认为要做的工作繁多,简直不可想象,认为是一种指导建筑软件发展的思维方式而已,不可能实现[10]。但本文认为随着行业对“虚拟建筑”加深认识,借助高速发展的相关技术及BIM的实施,其必将作为“虚拟建筑”系统中的一项关键技术,在未来完全是可以实现的。

参数化设计的成功依赖于一些规则和逻辑的制定,这些规则的制定应由有素养的建筑师对建筑问题的分析得出,当前的应用实现可以借鉴犀牛脚本之类的工具。参数化设计本质上是一种构件组合设计,借助人工智能的逻辑、推理、筛选和判断等方法,先对已经建好的构件(为族)设置相应的参数,使参数可以调节,进而驱动构件形体发生改变,自动生成,满足设计要求[4,10]。这种方式将建筑构件的各种真实属性通过参数的形式进行模拟,还便于相关数据统计和计算,建筑构件不仅仅是虚拟的视觉构件,而且可以模拟除几何形状以外的一些非几何属性,如材料的强度、材料的传热系数、构件的造价、采购信息、受力状况等。对参数定义属性的意义在于可进行各种统计分析,如材料表统计,在“虚拟建筑”系统中是完全自动化的,而参数化更重要的功能是可进行结构、经济、节能、疏散等方面的计算和统计,甚至能进行建造过程的模拟,最终实现虚拟建造。这与3DS MAX建立的模型,如墙与梁具有本质的的差别,它们只是建筑师在视觉上假设的墙与梁,它们无法参与到数据统计分析中,更不能用来进行各种信息处理。“虚拟建筑”系统中参数化设计仍需要做的一项工作是构件关联设计,将参数关联起来可实现关联设计[10,11]。

3 结语

“虚拟建筑”系统实现中的关键技术其实还有很多,如大规模数据库技术、多媒体处理技术、计算机网络和通信技术、智能搜索与运算分析技术、时空过程可视化技术、信息安全技术、多源信息的一体化集成显示技术、分布式和协同技术等。但由于这些技术在其他学科相对成熟,与建筑结合相对容易,故本文重点对上述“虚拟建筑”系统实现中需要深入研究的几种与建筑密切相关的关键技术进了探讨。需要说明的是,“虚拟建筑”系统未来实现后,虽然方便易用,但不等于不懂建筑的人也能进行建筑设计和分析,并可完全取代建筑师;当然,“虚拟建筑”系统的实现在当前和未来仍需要克服许多的技术和非技术的困难,这取决于社会的大分工体系,能有一个社会构架和一些相关的标准化体系作为前提[10],但是现在可以局部地和分阶段地实现“虚拟建筑”系统。

摘要：“虚拟建筑”是建筑学与信息科学相结合的产物,本文从“虚拟建筑”应用实现的角度,介绍了“虚拟建筑”系统的特点,结合建筑生命周期,深入探讨了“虚拟建筑”实现中BIM、本体论、数字摄影测量、虚拟现实和参数化设计等关键技术,希望能对“虚拟建筑”实现提供借鉴作用。

试论虚拟装配关键技术及其发展 篇10

关键词：虚拟装配技术,体系结构,标准化,集成化

0 引言

产品装配是轨道客车设计和制造的关键环节,通过采取合理的工艺技术措施,科学安排装配顺序、路径、工艺方法、所用的工具和夹具等。不仅有利于顺利完成装配任务,还能促进轨道客车制造水平提升。随着技术的创新与发展,为提高人们的产品装配工作水平,虚拟装配技术出现并得到越来越广泛的应用,在轨道客车装配过程中发展着十分重要的作用。本文将结合轨道客车装配工作需要,就虚拟装配的关键技术进行探讨分析,并对其发展趋势进行展望,希望能为类似工作开展提供启示。

1 虚拟装配关键技术

虚拟装配技术是许多先进科学领域知识的集成与应用,它以数字化建模技术,计算机仿真技术,分析优化技术为基础,以CATIA、Pro/E代表的商用CAD系统中的产品装配建模过程为典型代表,结合其他虚拟现实开发平台,适用于产品装配过程模拟、装配训练操作。在轨道客车产品装配中,通过虚拟技术的应用,能实现装配过程仿真,并对装配场景进行创建和管理,模拟整个检测、演示和编辑装配的全过程,进而促进轨道客车零部件装配水平提高。同时,场景创建与管理、虚拟设备接入与管理等工作流程,都依赖于各虚拟现实开发平台。零件表达采用混合模型,装配层次管理、约束管理也基于特征模型。由于具有上述特点,虚拟装配技术有效满足实际工作需要,在轨道客车装配过程中也得到越来越广泛的应用。

1.1 目标

通过虚拟装配技术的应用,把握关键内容,能推动轨道客车装配工作顺利开展下去。可以模拟装配过程,开展装配工作训练,让工作人员通过虚拟操作训练,把握要点,提高操作水平。从而更好适应将

1.2体系结构

虚拟装配关键技术包括设置、依赖、交互、装配信息、面片信息、位姿信息、零件信息、模拟信息等组成部分,每个部分分别发挥不同作用,为产品虚拟装配创造条件。输入输出管理模块用于设置和管理输入和输出信息,调用平台功能。场景管理模块用于建立装配环境的场景树,处理用户与场景交互,包括装配操作、装配环境设置等。装配管理模块用于建立装配关系树,处理装配操作层次,完成装配的选取、移动和释放。碰撞检测模块能激活碰撞检测对,实时捕捉位置数据,计算场景中是否存在碰撞。约束管理模块提供约束捕捉功能,计算机零部件运动自由度,为零件运动提供导航。路径生成与管理模块用于记录、修改和创建路径。

1.3 关键技术

关键技术包括零件、虚拟手、数据手套间的协调运动;零部件抓取和释放;实时碰撞检测技术;约束的管理、识别和解算。

2 虚拟装配关键技术的应用

将虚拟装配技术应用到轨道客车装配工作中,实际应用表明该技术满足具体需要,取得良好效果。

2.1 具体应用

在轨道客车装配过程中,通过构建完善的结构体系,科学应用虚拟装配技术,推动装配工作顺利进行。利用上述虚拟系统,进行客车内装(侧墙板、立罩板、侧顶板、顶板)虚拟装配。实际工作中,通过数据手套操作虚拟手抓取内装组成--立罩板,使之向与相配合的部件--侧墙板移动。

2.2 应用效果

整个客室内装装配过程中,通过虚拟技术的应用,严格遵循工艺流程要求开展各项操作,促进装配任务顺利完成。系统自动记录零件的装配序列和装配路径,装配完成后生成装配路径文件。当全部零部件装配完成后,装配序列文件自动生成。从而有效满足装配工作需要,促进虚拟装配技术作用的充分发挥,实现零件装配效果提升。

3 虚拟装配关键技术的发展趋势

随着技术的创新发展以及轨道客车零部件装配需要,虚拟装配技术取得进一步发展,并呈现以下几个发展趋势。实际工作中应该顺应这种趋势,推动虚拟技术得到更为有效的利用。例如,虚拟化程度进一步提高。随着轨道客车装配要求提高,虚拟化程度越来越高,甚至可能取代物理模拟装配过程,缩短产品开发周期,节约产品开发成本,对轨道客车装配产生积极作用。

4 结束语

总之,虚拟现实技术为轨道客车产品开发和装配及零部件装配提供了一种有效的方法。整个轨道客车装配训练中,通过虚拟技术的应用,能提供交互性和想象力特征的虚拟装配环境,进而让人们更好开展训练活动,构建产品装配序列,优化装配路径。并对比分析不同工艺的优点和缺点,根据各零部件装配工作需要,采用合理的装配工艺,为提高轨道客车装配水平奠定基础。另外还可以对复杂的装配工作进行训练,让工作人员掌握有效的方法,实现提升铁路客车装配训练效果的目的。因此,日常工作中应该重视虚拟装配技术应用,根据需要把握每个要点,为提铁路高客车装配水平打下坚实基础。

参考文献

[1]原彬,熊伟.电缆虚拟装配的关键技术及其发展[J].机械科学与技术,2010(05):695-700.