基于VRML的虚拟音频实验室构建.doc

摘　要
虚拟实验作为现代远程教育的重要组成部分,在保障教学效果方面起着不可替代的作用, 当前教育技术学专业所需的音频实验室主要是对音频进行处理，能为远程教育网络课程、多媒体CAI课件提供视音频信号采集、编辑及回放等。
文章对VRML 并结合3DS MAX在音频实验教学中实现虚拟实验的技术进行了探索, 并以实例的形式讨论了音频课程的实验仪器设备的静态建模方法及实验的动态仿真等的关键技术问题。先用相应的软件进行三维建模，突显出真实性；再结合VRML节点，实现更多的交互性，如信息提示、活动门窗、活动电脑、灯光亮暗、声音控制等等，并尽可能的达到真实的音频实验室的效果。
该虚拟音频实验室为教育技术学中的音频编辑实验开拓了新的实验教学手段。

关键词：VRML、虚拟实验室、3DS　MAX、音频技术

Virtual Audio Lab Based on the VRML
ABSTRACT
As an important component of modern distance education, virtual experiments play an irreplaceable role in the aspect of instruction effect. The professional audio laboratory needed by current educational technology mainly provides audio processing, video and audio signal acquisition, editing and playback, and so on for distance education network programs and multimedia CAI.
The paper explores Virtual experiments technology based on a combination of VRML and 3DS MAX used in Audio Laboratory. And it discusses key technical issues such as static modeling of experimental audio equipments dynamic simulation of experiment in the form of examples. Firstly, the author used corresponding software for 3D model in order to protrude highlighted authenticity. Then more interactive is achieved with VRML nodes such as message, active window, computer, bright lights dimmer, voice controlling and so on. Above all, it tries to achieve the effect as authentically as possible of real audio laboratory.
The Virtual Audio Laboratory opens up new experimental teaching methods of Audio Editing experiment for Educational Technology.

Keywords：VRML, Virtual laboratories, 3DS MAX, Audio technology

目　录
摘　要 II
ABSTRACT II
第一章 引言 1
第二章 虚拟实验室简介 2
2.1虚拟实验室的定义 2
2.2 VRML的定义 2
第三章 音频实验室的设备 4
3.1音频实验室的组成 4
3.2 YAMAHA 5
第四章 虚拟实验室的总体设计 7
4.1建立虚拟空间的方法和所需要的软件工具 7
4.2实验室模型的创建 7
4.2.1 三维模型的创建 7
4.2.2 VRMLPad编辑 10
第五章 用VRML 实现动作及声音交互的方法 11
5.1动作交互的实现方法 11
5.2声音交互的实现方法 12
5.3虚拟场景的组合 15
第六章 总结 16
参考文献 17
致 　谢 18

第一章 引言
随着计算机技术和网络技术的迅速发展，人们可以在世界的任何地方通过互联网异地接受教育；同时，网络学习者也希望能在互联网上做实验。为了解决这个问题，佛罗里达Adantie大学的Alhalabi和Haraza两位教授及一些计算机科学、教育技术研究领域的研究生构建了一个新的实验样本----虚拟实验室。
在传统的实验教学环节中，大部分实验项目为验证性实验，实验教学不能充分发挥学习者的主动性和创造性，随着教育的发展改革，对于学习者的实验要求越来越高，但是由于精密实验仪器的价格大多都很昂贵，学校往往难以承受，虚拟实验室的出现就让这个问题得到了缓解。而且学习者可以走进这个虚拟实验室，身临其境地操作虚拟仪器，操作结果可以通过仪表显示反馈给学生，并可据此判断操作是否正确。这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至可得出满意结果。而且虚拟实验室更具有开放性、直观性；利用虚拟实验室更新快捷，易于扩充维护、操作方便。
目前，浙江科技学院教育技术系尚无音频实验室，因此，本文以音频实验室为例开展研究。开发该虚拟实验室有助于缓解硬件带来的限制，也可以让在校生体验音频实验室，因此，该虚拟实验室的开发具有一定的实际意义。

第二章 虚拟实验室简介
2.1虚拟实验室的定义
目前，关于虚拟实验室的定义主要有两种：
（1）所谓虚拟实验室是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等值于甚至优于在真实环境中所取得的效果。
（2）虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互环境：即实验场所。用户可以通过增加新的物体、建立新的实验并把他们转化成超文本来扩充实验室[2]。
笔者比较赞同第一个观点，即虚拟实验室指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中取得的效果。
2.2 VRML的定义
VRML是Virtual Reality Modeling Language的缩写，译为虚拟现实建模语言。VRML最常被人定义为：
（1）VRML是一种建模语言，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界（Virtural World)。
（2）VRML是要将Web扩充到三度图形空间的一种语言。VRML互联网纾可以叙述现实或是想象的空间，这个空间包含了可以链结到其它文件或是VRML互联网纾的对象[3]。VRML是一种3D交换格式,它定义了当今3D应用中的绝大多数常见概念,诸如变换层级、光源、视点、几何、动画、雾、材质属性和纹理映射等[4][5]。
基于以上的认识，我认为基于VRML的虚拟实验室就是一个运用建模语言制作一个虚拟场景来开展实验，而且任何人都可以在任何地方、任何时间通过互联网完成实验。VRML实现动画和互动效果的程序所占的存储空间甚至比用Flash实现还要小，大大缓解了网络传输速度慢的问题．浏览者通过鼠标可以在虚拟的实验室，并得到自己所需要的实验数据。
虚拟实验作为现代远程教育的重要组成部分,在保障教学效果方面起着不可替代的作用,目前的虚拟实验多为简单的二维演示实验,在实验真实感、交互性和教学效果等方面与真实实验相差甚远。近年来,VRML技术为虚拟实验的发展带来了新的生机， VRML(Virtual Reality Modeling Language)是开放的、可扩展的工业标准的虚拟现实描述语言,他能够在Web上创建可导航的超链接的三维虚拟现实空间,并能使用户与场景进行实时交互,感知和操作虚拟对象,因而能够提供比现有虚拟实验更佳的性能和更好的教学效果。

第三章 音频实验室的设备
3.1音频实验室的组成
音频技术实验室主要由微型计算机、音频卡Delta 1010 LT、数码调音台 DDX3216、耳机分配器PARTNER、专用话筒、卡式录音机 202MK、专用耳机 K240 STUDIO、音频工作站\AD/DA转换器、效果器 DSP2024P、数字硬盘录音机D24等设备组成。主要承担《多媒体技术及其引用》、《视频非线性编辑》、《电视教学设计与制作》等课程的全部或部分实验。
而整个实验中占主导地位的是数码调音台DDX3216如图3-1所示，它使用高功率浮点运算器，24-bit AKM A/D和CRYSTAL D/A，4个效果处理器，4段全参数均衡。具有全自动32通道，16总线，8辅助发送，面板上有17个100毫米行程的马达化推子，内部备有2个扩展槽允许更多的扩展。主要技术指标包括：
o 32全能声道16总线、8辅助发送和广泛的定线选择
o 高质量的浮点运算保证宽广的动态范围。
o 12ULN(超低噪音)话筒前置放大器带有幻相电源
o 24-bit AKM A/D和CRYSTAL D/A
o 4段全参数均衡，低切、噪音门、压缩、倒相在所有通道上都具有。前十六通道还带有延迟效果
o 全新的动态和抽点打印自动化o17个超精密噪声100mm自动ALPS衰减器
o 立体声主混音用的附加压缩器/限幅器(可扫描前/后)和均衡器
o 内建几十种顶级效果处理器（混响，合唱，镶边，延迟，移相，低保真， LFO 过滤器，环绕调制等
o 二个任选插槽，三个电源组件选购件能得到无限的可扩展性（16声道ADAT，16声道TFIF，8声道AES/EBU）
o 模拟感觉、操作简易
o下载DDX3216用的16声道ADAT接口软件支持，使你能以数字方式与许多数字录音机、同步器和支持ADAT（r）多声道光学数学格式的机外设备相连接。它的"双"1/0﹝输入/输出﹞提供16个输入和输出﹝各2x8﹞
o DDX3216具有的自动数据流使它能与外部ADAT装置同步，而不需额外的数字时钟连接
o DDX3216用的16声道TDIF接口TDF1616型接口，能将音频数据转移至ASCAM（r）数字录音机或从它转移音频数据。此外，你只要一根接线就能得到16声道输用的2x8输入输出。并带有RS232控制接口。

图3-1　数码调音台DDX3216
3.2 YAMAHA
YAMAHA如图3-2所示结构紧凑(16.75" L x 12.5" W x 4" D) ，使用方便。小巧的机身内包含了数字录音所需的全套功能，可以8轨同时用16-bit录音，没有压缩。每一轨有8条虚拟轨，内置20GB IDE硬盘，录音数据兼容AW4416和AW2816，并可以WAV格式16轨一同输出到CD-ROM，内置的CD-RW为AW16G增添了许多便利。AW16G具有36通道数字调音台功能，带有8个24-bit mic/line输入（XLR端口并具有+48V幻像供电，高阻乐器输入），2条效果总线，2个辅助发送加立体声，4通道效果返回，4段参数均衡，动态处理等。还有8通道快速循环采样器专门纪录节奏或乐句循环。240x64背光LCD显示，MIDI遥控功能，无论作为独立的数字录音机或与电脑联合使用，AW16G都能够显示强大而灵活的特点。这款音频工作站可以胜任几乎所有的音乐制作任务——从录音到缩混再到CD刻录——使你在家中的工作不输给任何的专业录音棚。AW16G提供最多16轨的同时回放。每一轨均包含数字推子、4段参数均衡器、动态处理、通道分解按钮等。240X64像素的背光式LCD显示器，快速导航按钮使所有功能的操作变得图形化、简单化。

图3-2　 YAMAHA 第四章 虚拟实验室的总体设计
4.1建立虚拟空间的方法和所需要的软件工具
用VRML建立虚拟现实世界的方法有两种。一是通过编写源代码，生成文本文件，再转化生成“*.wrl”为扩展名的网页文件。但此法由于源代码函数过于复杂，文件较大，不易掌握，运用较困难。另一种方法是通过辅助建模软件，先建立三维物体，再在虚拟世界中进行组合，形成丰富多彩的虚拟世界。这里我们主要探讨此种方法，即3DS　MAX中建立各种三维物体，再将这些物体以“*.wrl”格式导入到VRML中去，编辑它们在虚拟现实世界的位置关系，形成一个统一的整体世界。在这里系统使用VRML、3DS　MAX 、POTOSHOP 9.0等作为制作工具。
建模是真实图形仿真的基础，也是实现交互操作的前提。虚拟实验室中的各种设备、仪器都需要通过建模来实现，模型力求真实、客观以达到逼真的描述，同时相同的实验内容应尽量简单，并清晰地展示实验现象，真正达到虚拟现实的效果。
3DSMAX 是一种功能强大的三维造型和动画制作软件，能提供具有专业水准的渲染和动画效果，是虚拟场景和造型设计的理想平台。在开发虚拟实验室时，采用多种方法和手段，在3DSMAX 中构造出各种实验设备的三维模型，并实现对其结构原理和运动过程的三维动画模拟。
VRML 能够通过基本图元(球、圆锥、长方体等)建立简单几何造型，其编写比较简单，用户也较多，随着XMI 标准的迅速发展，VRML也进化成了新的XML格式，称为X3D，但到目前为止还未发布其最终版本 。充分发挥3DSMAX 软件自身的建模功能以及VRML强大的交互能力，可以对实验设备及运动过程描述得惟妙惟肖，达到理想的虚拟效果。
4.2实验室模型的创建
4.2.1 三维模型的创建
即在3DS Max中构造基本模型。实验器材的构建比较细致，若全部采用编写VRML代码的方法，易出错且效率低。选用三维软件3DS Max来搭建基本场景，其优势是能够快速高效地构造复杂的三维模型，并设定材质、光效，同时兼有输出．wrl格式的功能，这一点对提高建模效率非常有用。
利用3DS Max创建VRML场景的主要步骤如下：
(1) 3DS Max构建场景基本模型　
为了使整个构建的运转速度更快，本文采用了单个构建的方法，单一的构建电脑、桌子、话筒、话筒架、数码调音台等等。但是VRML通过节点来描述场景实体，3DS Max可以将其环境中的模型以VRML的格式输出，即将各个三维模型转化为相应的节点，以便为相应的浏览器解释并绘制。而3DS MAX的建模主要有多边形(Polygon)建模、NURBS建模。
多边形建模适于创建形状规则、无曲面的对象。它的思想是用小平面来模拟曲面．做出各种形状的三维物体。小平面可以是三角形、矩形或其他多边形但实际中多是三角形或矩形。使用多边形建模可以先创建基本的几何体，再根据要求使用编辑修改器调整物体形状，或通过布尔运算、放样、曲面片造型组合物体来制作虚拟现实的场景和物体。多边形建模的主要优点是简单、方便和快速．但它难以生成光滑的曲面。故多边形建模技术适合于构造具有规则形状的物体，如大部分的人造物体，目前在建筑效果图．游戏的角色建模中大多数使用多边形建模。
NURBS是Non—Uniform Rational B—Splines(非均匀有理B样条曲线)的缩写，是计算机图形学的一个数学概念。NURBS建模技术是近年来三维建模最主要的建模方法之一。NURBS适于创建光滑的、复杂的、细节逼真的模型。但由于NURBS建模必须使用曲面片作为基本的建模单元，所以它有一定的局限性。如NURBS曲面只有有限的几种拓朴结构，导致它很难制作拓朴结构复杂的物体；NURBS曲面片的基本结构是网格状的，若模型比较复杂，会导致控制点急剧增加面难以控制；构造复杂模型时经常需要大量地裁剪曲面而容易导致计算错误等。

图4-1　数码调音台DDX3216

图4-2　键盘 图4-3　空调
图4-4　机箱 图4-5　音响

图4-6　话筒 图4-7　话筒架

图4-8 影碟机
(2)纹理采集　
对实验室设备进行拍照采集素材，并在Photoshop中将其处理成可无缝平铺的贴图，运用到实验建模中，使其看过去更加真实，不过在细致的贴图过程中为了使效果更加明显，就尝试了很多方法，譬如整体贴图、局部贴图等等。
（3）引入需要的VRML节点　
一些VRMI 节点在3DS Max中并不能被直接通过3DS的实体模型创建出来，需要向这个3DS MAX场景中插入图标来引入相应的VRML节点，这样的节点通常在场景中是不可见的或者是空间背景、声音、大气效果等对于整个空间有效的VRML节点，其中包括Anchor、ProxSensor、Navlnfo、Fog、Sound、L0D、TouchSensor、Timesensor、Background、AudioClip、Billboard、Inline共12个节点。
4.2.2 VRMLPad编辑
VRMLPad是一个很出色的虚拟现实文件专用编辑器，不仅有利于提高代码编写效率，而且还提供程序调试功能，是完成复杂虚拟场景必不可少的利器之一。从3DS Max输出的VRML文件虽然已能上网发布，但由于场景物体不全、交互行为不足，所以还应该打开已生成的．wrl文件，加入声音及其他交互行为以完善系统功能。利用造型节点的层次细分和编组节点对场景对象的相应代码作进一步的组织、校验和完善。然后制作出整个实验室的构架，制作过程中应当注意保持房间与物体的协调比例及其位置的安排。在本例中主要建立实验室中各种实物及位置关系：为了方便与浏览者的交互，提高浏览者的浏览效率，可以引人视点节点语句节点
“Viewpoint 的语法如下：
Viewpoint{
position 0 0 10 并确定三维坐标
orientation 0 0 1 0 #确定视点的方向
FieldOfView 0 785398 #确定视图域
Jump TRUE #视点变化方向”
建立好视点后，再选取 “Inline”节点，从外部引人已编写好的各个文件。使用“lnline”语句前，必须先定位插入点坐标，且此子节点坐标受到上一级的父节点的影响；引人贴图时，“．url”路径必须是绝对路径，在调用时应尽量存放于同一路径下，否则在应用过程中会出现空白。
第五章 用VRML 实现动作及声音交互的方法
5.1动作交互的实现方法
虚拟实验室的动作交互主要是一些按钮的交互，如旋转，上下划动，灯光的亮暗，电脑屏幕的交互，设备连接等等，这些交互都可以使用VRML里的节点进行控制其中，包括Anchor、ProxSensor、Navlnfo、Fog、Sound、L0D、TouchSensor、Timesensor、Background、AudioClip、Billboard、Inline共12个节点，各节点之间的应用关系也要进行注意，否则及有可能出现语法错误。
旋转：
DEF anniu Transform {
children [
Shape {
appearance Appearance {
material Material {
}
}
geometry Cylinder {
}
}
DEF drehen CylinderSensor {

minAngle 0.7
maxAngle 0.7
}
]}
ROUTE drehen.rotation_changed TO anniu.rotation
实验室里展示的主要仪器都需要标明名称，可在其上加入锚记Anchor，当鼠标指向该仪器时出现提示，这样能让观看者充分了解实验室中主要仪器的名称及说明。锚记命令可以进行视点转化，即点击某物体，就可以激活某个摄像机视点；锚记命令还可以进行新的VRML场景的切换，打开网页等等。在视图中要展现的仪器旁边加入Anchor命令，在Anchor的变动命令面版中选择目标物体即要表现的仪器，在DESCRIPTION框中输入器械名称，即在其上加入锚记。

图5-1　灯亮的状态 图5-2　关灯状态

图5-3　显示器 图5-4　椅子
5.2声音交互的实现方法
VRML相对于3DS MAX等系统的优势是它的广泛的交互性，它可以给使用者产生身临其境的感觉。音频实验室的主要交互也就在于声音的交互。AudioClip 节点用语提供音源信息，其域值指明从哪里可以获得一个预先录制好的声音文件以及播放时加以控制。AudioClip 节点只能出现在Sound 的source 域中。其语法格式为：
AudioClip{
url [ ]
description
loop FALSE
pitch 1.0
startTime 0.0
stopTime 0.0
duration_changed
isActive
}
Sound 声音节点主要用于在VRML环境中生成声场及声音发射器。该节点通过指定各种声音播放参数，以指定场景中声源的位置以及声音的立体化表现形式。VRML中的虚拟声源可以位于局部坐标系中的任意位置，并以球面或椭球面的模式发射声音。
SOUND节点语法格式：
Sound{
Source NULL
Location 0.0 0.0 0.0
Direction 0.0 0.0 1.0
Internsity 1.0
maxBack 10.0
maxFront 10.0
minBack 1.0
minFront 1.0
priority 0.0
spatialize TRUE
}
在这其中Location、 Direction、 Internsity在整个建构过程需要更多的注重的，Location指的是声音发射器的位置，Direction则是声音发射的空间朝向，Internsity是调节声音音量的大小，不过所要注意的是要对不同的按钮进行不同的声音构建，以防在使用过程中造成不同按钮对不同声音同时改变。
DEF A Sound {
source DEF a AudioClip {
url "zyhx_3578.mid"
loop TRUE
}
location 0 0 0
minBack 10
minFront 10
maxBack 20
maxFront 20
spatialize TRUE
}
DEF b Sound {
source DEF B AudioClip {
url "zyhx_3578.mid"
loop TRUE
}
Direction 0 0 0
minBack 10
minFront 10
maxBack 20
maxFront 20
spatialize TRUE
}
DEF C Sound {
source DEF c AudioClip {
url "zyhx_3578.mid"
loop TRUE
}
Internsity 0 0 0
minBack 10
minFront 10
maxBack 20
maxFront 20
spatialize TRUE
}

图5-5 DDX3216 的划片

图5-6　 DDX3216的旋钮
在音频实验过程中，当有声音输入时，我们就可以同过旋钮如图5-5所示和划片如图5-5所示来控制，譬如说你要做出一个六人小合唱的场景，但是人却不能统一到场，那么我们就可以把六个人的各自声音通过不同的通道进入后，我们就可以用旋钮来旋转控制声音的来源方向，向左旋代表声音来自左边，向右旋则代表声音来自右边；而相同的是不同的方位声音强弱也有所不同，那么我们就可以用划片来控制音量的大小，所有的声音一起放则就找成了你似乎听到这六个一起在合唱的感觉。
5.3虚拟场景的组合
在场景中可设置6个视点：“前视”、“俯视”、“右视”、“左视”、“后视”、“仰视”等，其中，“前视”为场景中默认值。进入实验室后将可以实现声音的交互。通过浏览器中不断按“View”按钮，场景将不断地切换到不同的视点观看。最后仍可以采用“Inline”节点，调入已经录制完的声音进行编辑。
Viewpoint {
position 0.0 1.0 45.0
description "out_in"
}

Viewpoint {
position 0 2 15
description "in"
}
Viewpoint {
position -15 0 0
orientation 0 1 0 -1.571
description "left_right"
}
Viewpoint {
position 0 1 -15
orientation 0 1 0 3.142
description "in_out"
}
Viewpoint {
position 13 1 0
orientation 0 1 0 1.571
description "right_left"
}

第六章 总结
目前的虚拟实验多为简单的二维演示实验,在实验真实感、交互性和教学效果等方面与真实实验相差甚远。近年来,VRML技术为虚拟实验的发展带来了新的生机， VRML(Virtual Reality Modeling Language)是开放的、可扩展的工业标准的虚拟现实描述语言,他能够在Web上创建可导航的超链接的三维虚拟现实空间,并能使用户与场景进行实时交互,感知和操作虚拟对象,因而能够提供比现有虚拟实验更佳的性能和更好的教学效果。
通过这样的虚拟实验室，使用可以如同身处在真正的实验室，他可以在这个实验室里自由漫游，他可以在这个实验室里进行一样的“触碰”与“行走”，并且获得实验结果，并且还能根据需要对虚拟空间的任何实验内容，器械进行随意的调整。有了这样虚拟的人机交互的实验内容，通过远程网络学习的学生就可以方便地拥有与在校学生类似的实验空间，达到与在校学习的学生相当的教学效果。
虚拟实验室是一种特别的、分布式的解决问题的环境，是提供给用户的一个基于网络的实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的平台。从目前国际和国内的情况以及虚拟实验系统在提高教学质量，解决目前硬件设备跟不上实验的要求、解决学生时间不够等问题具有很广阔的前景，尤其是对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但是技术的发展和目前成功的虚拟实验系统使我们有理由相信，真正的虚拟实验室离我们不远了。

参考文献
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致 　谢
毕业设计已经完成了，在这一段期间要非常感谢指导教师 ，时刻关心着我毕业设计的进度 ，督促我们切实做好每个阶段的设计过程和设计总结，使得我的设计过程非常顺利的完成，并且在制作过程时都获得了很大体会和收获，谢谢！

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