引 言

近幾十年來(lái)，科學(xué)技術(shù)呈現(xiàn)爆炸式發(fā)展，改變了很多領(lǐng)域的工作方式，以往人們只能在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，但是自1989 年美國(guó)教授提出虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念至今，虛擬實(shí)驗(yàn)室得到了極大的重視，也有了很大發(fā)展，很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的工作內(nèi)容也逐漸轉(zhuǎn)移到虛擬實(shí)驗(yàn)室中。所謂虛擬實(shí)驗(yàn)室，即利用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等構(gòu)建一個(gè)用軟件來(lái)模擬硬件設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的實(shí)驗(yàn)室。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)實(shí)意義

1.1 教育領(lǐng)域

學(xué)校里的很多課程都需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)輔助教學(xué)，尤其是理工科，但由于很多實(shí)驗(yàn)器材極其昂貴，并非每個(gè)學(xué)校都能負(fù)擔(dān)，因此選用虛擬實(shí)驗(yàn)室來(lái)替代昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器。

學(xué)校使用的實(shí)體實(shí)驗(yàn)器材會(huì)隨著時(shí)間及使用次數(shù)的增加而慢慢老化、損壞，這就為學(xué)校增添了許多財(cái)務(wù)開(kāi)支，而虛擬實(shí)驗(yàn)室卻不存在這個(gè)問(wèn)題，不僅可以減輕學(xué)校負(fù)擔(dān)，還可以對(duì)落后地區(qū)的教育起到重要支撐作用。

在傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，學(xué)校可以通過(guò)讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)使學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容，而遠(yuǎn)程教育則很難做到這一點(diǎn)。但隨著Internet 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)生可以通過(guò)電腦用虛擬實(shí)驗(yàn)室完成所需實(shí)驗(yàn)，完美的彌補(bǔ)了遠(yuǎn)程教育的缺點(diǎn)。

1.2 工業(yè)領(lǐng)域

由于虛擬實(shí)驗(yàn)室必須具有強(qiáng)大的模擬功能，可以用其對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。要設(shè)計(jì)一個(gè)新產(chǎn)品，進(jìn)行一項(xiàng)工程，在完工之前無(wú)法知曉它是否滿足要求，若貿(mào)然生產(chǎn)建造，即使只生產(chǎn)樣品也費(fèi)時(shí)費(fèi)工，但如果事先用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行可行性研究，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中對(duì)工程進(jìn)行危機(jī)測(cè)試后再生產(chǎn)實(shí)體，就可以節(jié)約資源。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬實(shí)驗(yàn)室由于其巨大的應(yīng)用前景而受到了世界各國(guó)和各大學(xué)的高度重視，國(guó)外具有代表性的部分成果如下所示：

(1) 德國(guó) Ruhr大學(xué)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)有關(guān)控制工程的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景， 可以很好的進(jìn)行交互操作。

(2) 麻省理工學(xué)院 WebLab遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室。提供用于進(jìn)行微電子學(xué)和電路設(shè)計(jì)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，用戶在電腦上設(shè)計(jì)電路模型，然后通過(guò)專用的Web瀏覽器上的遠(yuǎn)程用實(shí)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)室是在線虛擬實(shí)驗(yàn)室的杰出代表。

(3) 新 加坡國(guó)立大學(xué)遠(yuǎn)程示波器和壓力容器虛擬實(shí)驗(yàn)室。

該實(shí)驗(yàn)室基于網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，可以遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀器。國(guó)內(nèi)具有代表性的部分成果如下所示：

(1) nobook虛擬實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室可以為學(xué)生提供初高中課程所需實(shí)驗(yàn)，物理虛擬實(shí)驗(yàn)室尤為出色。由于使用了公式算法引擎，因此可以隨意更改實(shí)驗(yàn)參數(shù)，使得實(shí)驗(yàn)更為靈活， 更貼近真實(shí)實(shí)驗(yàn)，是虛擬實(shí)驗(yàn)室商業(yè)化的代表作。

(2) 中南大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要針對(duì)基于構(gòu)件和Web 服務(wù)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)、通信和信息安全專業(yè)主要專業(yè)課程的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。

(3) 北 京大學(xué)地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主要面向地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、地理信息系統(tǒng)、地理科學(xué)、資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理、地球物理學(xué)、空間科學(xué)與技術(shù)、大氣科學(xué)共 8 個(gè)地球?qū)W科專業(yè)以及北大基礎(chǔ)學(xué)科通選課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提供多層次、多方法的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和綜合性強(qiáng)、創(chuàng)新性強(qiáng)、復(fù)雜度高的典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3 前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

3.1 基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)

自從人類進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)代后， 網(wǎng)絡(luò)就滲透進(jìn)了各行各業(yè)，將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于虛擬實(shí)驗(yàn)室后，便無(wú)需下載大量軟件，可在網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的控制。云計(jì)算技 術(shù)（Cloud Computing） 是分布式計(jì) 算（Distributed Computing）、并行計(jì)算（Parallel Computing）、效用計(jì)算（Utility Computing）、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)（Network Storage Technologies）、虛擬化（Virtualization）、負(fù)載均衡（Load Balance）、熱備份冗余（High Available）等技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)融合的產(chǎn)物，可以為在線虛擬實(shí)驗(yàn)室提供充足的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源，為虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用提供便利。

3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)又叫虛擬實(shí)境（Virtual Reality，VR），可以讓使用者通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)來(lái)感受人工模擬的三維虛擬世界的技術(shù)，集計(jì)算機(jī)圖形、計(jì)算機(jī)仿真、人工智能、傳感、現(xiàn)實(shí)及網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)于一體，使用戶身臨其境。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于虛擬實(shí)驗(yàn)室可以為虛擬實(shí)驗(yàn)室的人機(jī)交互提供更好的體驗(yàn)，使虛擬實(shí)驗(yàn)室更接近傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。

虛擬現(xiàn)實(shí)起步于 20 世紀(jì) 20 年代，建立在實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)、高分辨率顯示技術(shù)的基礎(chǔ)上， 具有模擬性、交互作用、人工現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)通信、沉浸性等特點(diǎn)， 可以分為非交互式體驗(yàn)、人- 虛擬環(huán)境交互式體驗(yàn)和群體- 虛擬環(huán)境交互式體驗(yàn)。

3.3 多人協(xié)作虛擬實(shí)驗(yàn)室

很多實(shí)驗(yàn)都需要多人協(xié)作來(lái)完成，所以建立一個(gè)可以多人協(xié)作的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)很有必要。CVL 就是這樣一種可以滿足實(shí)驗(yàn)者在網(wǎng)絡(luò)空間中進(jìn)行人機(jī)交互、人人交互的多人協(xié)作虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，CVL 可以為地域分散的用戶提供一個(gè)共享協(xié)作式實(shí)驗(yàn)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于網(wǎng)絡(luò)和實(shí)驗(yàn)分工系統(tǒng)，不應(yīng)拘泥于一個(gè)學(xué)院，一所學(xué)校，而應(yīng)該是一個(gè)連接廣泛的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，要支持不同科研單位之間的協(xié)作研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)室采用軟硬件結(jié)合的方式，因其巨大的現(xiàn)實(shí)價(jià)值越來(lái)越受到人們的重視，高端虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用多種前沿技術(shù)，有助于推廣實(shí)驗(yàn)教育的改革，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的不足。但虛擬實(shí)驗(yàn)室不能完全取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，虛擬實(shí)驗(yàn)室具有便捷、安全、低價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，但在鍛煉實(shí)際操作能力方面與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室還有一定差距。所以應(yīng)將兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，協(xié)同發(fā)展， 共同為科研和教育服務(wù)。