摘　要：

摘　要：為了提高教學(xué)中教學(xué)的互動(dòng)性、浸沒感，采用云端計(jì)算技術(shù)，建立基于RIA虛擬教學(xué)系統(tǒng)。完成系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)是渲染引擎的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)，采用目前客戶端GPU加速技術(shù)和瀏覽器插件技術(shù)，解決了3D虛擬教學(xué)系統(tǒng)無客戶端富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用渲染問題。通過對現(xiàn)代高新技術(shù)和渲染引擎的分析研究，引入云端渲染技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了虛擬教學(xué)系統(tǒng)終端的3D呈現(xiàn)。通過在虛擬教學(xué)系統(tǒng)中的實(shí)例測試，證明了該引擎的正確性和有效性。該引擎的實(shí)現(xiàn)，為進(jìn)一步完善虛擬教學(xué)系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)與保障，為開發(fā)基于互聯(lián)網(wǎng)的富客戶端3D虛擬教學(xué)系統(tǒng)提供了參考。

關(guān)鍵詞：

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)　虛擬教學(xué)系統(tǒng)　Silverlight　富客戶端

 　　虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于教育是教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍。它營造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學(xué)習(xí)方式。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的各種虛擬實(shí)驗(yàn)室，擁有低廉的成本、零操作實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、無時(shí)空限制等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以比擬的優(yōu)勢。虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。虛擬校園是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)中最早的具體應(yīng)用，提供相對完整的三維可視化虛擬校園以學(xué)員為中心，加入一系列人性化的功能，，通過交互式遠(yuǎn)程終端，提供開放性的、遠(yuǎn)距離的持續(xù)教學(xué)。目前，許多高校都在積極研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用，并相繼建起了虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真研究室，將科研成果迅速轉(zhuǎn)化實(shí)用技術(shù)。

1　3D渲染引擎系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
　　一個(gè)3D引擎最基本的功能應(yīng)該包括對3維場景的數(shù)據(jù)管理、功能合理的渲染器、與外部軟件的交互能力。完整功能的3D游戲引擎需要的基本部件有系統(tǒng)（System）、控制臺（Console）、支持（Support），渲染/引擎內(nèi)核（Renderer/Engine Core）、介質(zhì)層（Interface）、以及工具/數(shù)據(jù)（Tools/Data）等。系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

　　系統(tǒng)(system)是引擎與機(jī)器本身做通信交互的部件。一個(gè)優(yōu)秀的引擎在待平臺移植時(shí)，它的系統(tǒng)則是唯一需要做主要更改（擴(kuò)加代碼）的地方。把一個(gè)系統(tǒng)分為若干個(gè)子系統(tǒng)，其中包括：圖形（Graphics）、輸入（Input）、聲音（Sound）、記時(shí)器（Timer）、配置（Configuration）。主系統(tǒng)負(fù)責(zé)初始化、更新、以及關(guān)閉所有的子系統(tǒng)。
　　圖形子系統(tǒng)（Graphics Sub-System）可以基于OpenGL、Direct3D, Glide或是軟件渲染（software rendering）實(shí)現(xiàn)。在Sliverlight中，提供了原生的支持。輸入子系統(tǒng)（Input Sub-System）需要把各種不同輸入裝置的輸入觸發(fā)做統(tǒng)一的控制接收處理。聲音子系統(tǒng)（sound system）負(fù)責(zé)載入、播放聲音。支持3D聲音。3D游戲引擎中很多出色的表現(xiàn)都是基于“時(shí)間系統(tǒng)”(time)，Silverlight 5的DrawingSurface提供了對時(shí)間系統(tǒng)的管理。
Renderer/Engine Core （渲染/引擎內(nèi)核）包括以下幾個(gè)部份：可見裁減（Visibility）、碰撞檢測與反饋
　�。–ollision Detection and Response）、攝像器（Camera）、靜態(tài)幾何體（Static Geometry）、動(dòng)態(tài)幾何體（Dynamic Geometry）、粒子系統(tǒng)（Particle Systems）、布告板（Billboarding）、網(wǎng)格（Meshes）、天空體（Skybox）、光線（Lighting）、霧（Fogging）、節(jié)點(diǎn)陰影（Vertex Shading）等。
　　Interface （接口）層提供攝像器（camera）、模型屬性（model properties）、光線（lights）、粒子系統(tǒng)　物理（particle system physics）、聲效播放（playing sounds）、音樂播放（playing music）、輸入操作（handling input）、切換等級（changing levels）、碰撞檢測以及反饋（collision detection and response）、以及2D圖形界面的頂端顯示、標(biāo)題畫面等。

2　系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)
　　根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，詳細(xì)設(shè)計(jì)的類圖如下：

2.1　渲染引擎核心
　　在Silverlight5中3d渲染需要開啟GPU加速，即設(shè)置EnableGPUAcceleration為true。添加DrawSurface控件同時(shí)定義Draw事件。生成Draw事件處理函數(shù)。定義一個(gè)存儲頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體。通過引進(jìn)一個(gè)輕量級的XNAGraphicsFramework4.0提供對3D的支持，該特性可以開發(fā)更豐富的游戲和用戶體驗(yàn)。
2.2　渲染線程
　　Silverlight 5中，線程架構(gòu)有一個(gè)新的變化，加入了 composition thread，該線程分擔(dān)了UI線程的部分工作，負(fù)責(zé)在GPU 加速功能被開啟時(shí)，承擔(dān)GPU 相關(guān)操作的工作任務(wù)。Silverlight中的異步數(shù)據(jù)下載對此做了很好的支持，為此設(shè)計(jì)資源管理器，在資源抵達(dá)時(shí)，通過繼承INotifyPropertyChanged類，在數(shù)據(jù)加載時(shí)對注冊了PropertyChangedEventHandler委托事件的類進(jìn)行通知。
2.3　資源管理器
　　資源加載線程資源對象的創(chuàng)建分為兩步，先是資源文件到內(nèi)存數(shù)據(jù)塊的加載，再創(chuàng)建最后的資源對象。異步請求數(shù)據(jù)執(zhí)行避免了主線程因?yàn)槲募蘒O而阻塞。主線程可以在任何時(shí)候提出加載請求，其主要參數(shù)就是待加載文件的Uri。加載模塊將請求放入一個(gè)待完成請求的隊(duì)列。加載線程不斷從請求隊(duì)列中取出命令消息，完成文件的打開及讀取，將加載后的內(nèi)存指針保存到命令消息結(jié)構(gòu)中，并把完成后的命令消息增加到一個(gè)已完成命令的隊(duì)列中去。
2.4　系統(tǒng)通訊
　　Silverlight中的Socket通信是典型的異步機(jī)制。.net 中每一個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)完成端口對象，它內(nèi)部有個(gè)設(shè)備列表，用戶把某個(gè)socket傳進(jìn)完成端口時(shí)，它就把這個(gè)socket加入到設(shè)備列表中進(jìn)行監(jiān)視。

3　結(jié)語
　　通過對3D虛擬教學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)中3D渲染引擎的研究與設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)基于客戶端的3D渲染技術(shù)提供了參考，該實(shí)例證明了在目前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和終端計(jì)算條件下，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程3D虛擬教學(xué)系統(tǒng)的可行性。3D虛擬教學(xué)系統(tǒng)強(qiáng)大的交互性和浸沒感，對改善教學(xué)條件和提高教學(xué)效果具有劃時(shí)代的意義。通過對現(xiàn)代高新技術(shù)和渲染引擎的分析研究，引入云端渲染技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了虛擬教學(xué)系統(tǒng)終端3D呈現(xiàn)。

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