基于協(xié)同工作控制的VRML虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

摘要：以實現(xiàn)CSCW為目標(biāo)，在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的前提下，設(shè)計了基于VRML的網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程，深入研究了主要關(guān)鍵技術(shù)。通過利用細節(jié)層次模型和按需傳輸方法，實現(xiàn)了用戶工作空間的快速生成，滿足了低帶寬要求；通過構(gòu)建多用戶通信環(huán)境和構(gòu)造通信數(shù)據(jù)包，保證了網(wǎng)絡(luò)通信的實時性，實現(xiàn)了WYSIWIS效果；通過引入操作令牌思想和碰撞檢測技術(shù)，解決了多個用戶同時對某個對象操作而引發(fā)沖突的問題，實現(xiàn)了對象模型的協(xié)同并行控制。最后給出了應(yīng)用實例。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；虛擬現(xiàn)實建模語言；協(xié)同工作；分布式虛擬環(huán)境；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 (2012) 10-0000-02

一、網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在研究網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實基本特征和功能要求基礎(chǔ)上，構(gòu)建了如圖1所示的體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為功能層、交互層和數(shù)據(jù)層。其中功能層位于客戶端，提供分布式用戶工作空間、用戶替身和交流白板，實現(xiàn)客戶端用戶工作的可視化。交互層位于應(yīng)用服務(wù)器端，主要生成多用戶工作空間、控制各類信息傳遞，并實現(xiàn)多用戶的協(xié)同交互。數(shù)據(jù)層位于信息服務(wù)器端，由用戶數(shù)據(jù)庫和模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。分層結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)具有良好的靈活性、擴展性和可維護性。

（二）工作流程

客戶端不斷監(jiān)聽與接收應(yīng)用服務(wù)器端的信息，支持用戶在工作空間中進行各種操作，并及時將用戶信息提交到服務(wù)器進行處理。用戶登錄時，執(zhí)行Script類的initialize方法，建立與服務(wù)器端的連接，創(chuàng)建監(jiān)聽服務(wù)器以及用戶操作線程，并加載用戶工作空間到客戶端?？蛻舳伺c服務(wù)器端的通訊通過Java通訊軟件層實現(xiàn)，后面將對這個關(guān)鍵技術(shù)進行詳細闡述。用戶注銷時，調(diào)用shutdown方法刪除監(jiān)聽服務(wù)器和用戶操作線程，撤銷與服務(wù)器端的連接。

應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)用戶需求，生成用戶工作空間，并根據(jù)用戶的請求類型，對虛擬環(huán)境中的物體或物體的屬性進行查詢和修改，實現(xiàn)共享空間的一致性維護。用戶在空間工作時，若改變了場景內(nèi)容、屬性，甚至需要刷新其他用戶的工作空間，并不急于呈現(xiàn)交互的結(jié)果，而是交由服務(wù)器處理。服務(wù)器首先比較用戶的操作權(quán)限、實體的屬性、處理的優(yōu)先級等策略，并將這個事件插入相應(yīng)的處理隊列中。服務(wù)器不斷處理隊列中的事件，當(dāng)事件成功處理后再更新VRML模型數(shù)據(jù)庫，并將更新信息分發(fā)給其他用戶。若事件處理失敗，服務(wù)器將向提交該事件的用戶發(fā)送出錯提示信息。

二、關(guān)鍵技術(shù)

（一）生成用戶工作空間

在網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實中，整個虛擬空間的數(shù)據(jù)量非常龐大。在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)條件下，若要每個用戶下載整個虛擬空間到客戶端，是沒有必要和不現(xiàn)實的。本系統(tǒng)利用細節(jié)層次模型LOD和按需傳輸方法，實現(xiàn)了用戶虛擬空間的快速生成，具體實現(xiàn)步驟如下：

step1 用戶登錄應(yīng)用服務(wù)器后，立即向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送請求，通知其所需文件的URL；

step2 應(yīng)用服務(wù)器接到請求后，與信息服務(wù)器交互，下載對應(yīng)的VRML文件；

step3 應(yīng)用服務(wù)器隨后以VRML文件的語法結(jié)構(gòu)為依據(jù)，按照結(jié)點的嵌套層次逐步讀取和分析文件，并以前序遍歷、深度優(yōu)先的方式為文件建立語法樹，構(gòu)造場景描述圖，并將該場景描述圖傳給客戶端；

step4 客戶端提供操作VRML 層次結(jié)構(gòu)的交互界面，用戶選擇所需要的那部分場景；

step5 用戶選擇后，客戶端將選擇結(jié)果作為服務(wù)請求發(fā)送到應(yīng)用服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器利用先前對VRML文件的分析，分離出用戶所需的場景單元，生成”子VRML”{sub-VRML}文件，并根據(jù)需要將生成的“子VRML”文件加入LOD控制；

step6 應(yīng)用服務(wù)器將這些帶功能擴展的“子VRML”文件傳送給客戶端，并在客戶端顯示出來。

用戶在虛擬空間中用替身(Avatar)表示，系統(tǒng)用VRML原型(PROTO)定義客戶對象，通過傳感器ProximitySensor跟蹤替身的方位。同時，替身之間通過文本和動畫進行交流，用文本框控件輸入文本，通過Script節(jié)點控制TimeSensor傳感器，進而控制OfientadonInterpolator傳感器和PositionInterpolator傳感器動態(tài)改變替身的方位[4]，實現(xiàn)點頭、微笑等動畫效果。

（二）建立多用戶通訊環(huán)境

系統(tǒng)中，多用戶虛擬環(huán)境之間的通訊由Java通訊軟件層實現(xiàn)。由于VRML不是一種編程語言，不支持多用戶環(huán)境所必須的共享行為和環(huán)境狀態(tài)的連續(xù)性，其網(wǎng)絡(luò)通訊和分布式控制能力需要借助與Java語言的結(jié)合來實現(xiàn)。有2種結(jié)合方式，即通過內(nèi)部Script節(jié)點(Script Authoring Interface，SAI)和外部編程接口(External Authoring Interface，EAI)。使用EAI可以在JavaApplet中輸入各種參數(shù)以改變場景的內(nèi)容，控制靈活，但它不是真正意義上的分布式控制；SAI方式不需要有JavaApplet的存在，只要為場景中的物體寫相應(yīng)的腳本代碼即可。利用Script節(jié)點的這一特點，可用Java編寫成腳本語言，將Java的網(wǎng)絡(luò)功能和文件訪問功能引入到虛擬場景中，使其引用的Java語言通過TCP/IP協(xié)議接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)控制虛擬環(huán)境中對象的屬性，從而建立起多用戶通訊環(huán)境。

在此模型下，Java通訊軟件層的實現(xiàn)首先進行2個預(yù)處理，即在Script的事件入口處理函數(shù)processEvent()中，增加起動一條新線程的語句；在線程執(zhí)行函數(shù)run()中，加入提供socket服務(wù)器服務(wù)的語句。這樣，當(dāng)VRML分場景接收到事件入口socketPort時，Script節(jié)點通過事件處理函數(shù)起動一個新的線程。在該線程中，程序運行了socket服務(wù)器。socket服務(wù)器循環(huán)感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)連接請求，當(dāng)有請求到來時，socket服務(wù)器進行連接，這樣在VRML場景與外界間就形成一條通路，VRML場景就可以通過這條路經(jīng)與外界進行通訊。同樣，外界來的數(shù)據(jù)也通過這條通路送到VRML場景中，在Script節(jié)點處產(chǎn)生新的事件，經(jīng)過路由又送回VRML場景中的其它節(jié)點中。為了實現(xiàn)客戶端的主動請求連接功能，可在Script的事件入口處理函數(shù)processEvent()中加入提供socket客戶服務(wù)的語句“Socket client=new Socket(Host，Port)；”，主動與外界服務(wù)器建立連接。至此，多用戶環(huán)境的底層通訊就暢通了。

（三）構(gòu)建通信數(shù)據(jù)包

在網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實中，為了實現(xiàn)WYSIWIS效果，必需構(gòu)建高效的通信數(shù)據(jù)包并有效傳輸，才能使所有用戶獲得的信息保持一致。系統(tǒng)主要構(gòu)建了2種通信數(shù)據(jù)包滿足這個要求。

一種是操作數(shù)據(jù)包，即用戶在虛擬空間工作時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息(用戶操作的對象，操作的類型，操作的結(jié)果)，如用戶的加入或退出，替身移動或轉(zhuǎn)向，替身自身動作，創(chuàng)建或刪除一個物體，對物體進行移動(旋轉(zhuǎn)、縮放、改變顏色)變換處理，對物體進行鎖定或解鎖等，形成一個請求數(shù)據(jù)包VPacket(操作對象類型VKIND、操作對象序號VID、操作類型VIP、操作的數(shù)據(jù)類型Vfiled、操作的數(shù)據(jù)值value)，這個數(shù)據(jù)包傳送到服務(wù)器進行處理后，服務(wù)器會產(chǎn)生一個結(jié)構(gòu)相同的響應(yīng)數(shù)據(jù)包，并傳回給該用戶。

三、應(yīng)用實例

我們在校園網(wǎng)分布式虛擬環(huán)境下，實現(xiàn)了一個多用戶協(xié)同組裝電腦的原型系統(tǒng)。用戶登錄實驗系統(tǒng)后，系統(tǒng)為每個用戶生成自己的工作空間，用戶在工作空間中搬動電腦配件并安裝到主板的相應(yīng)位置。在搬動配件之前，用戶需要申請自己的工作任務(wù)以確定安裝哪個設(shè)備，當(dāng)每個用戶成功安裝設(shè)備后，即時發(fā)送信息提示其他用戶。系統(tǒng)檢測所有配件的安裝情況，以決定是否完成協(xié)同工作的任務(wù)。實驗場景與電腦配件用3DS MAX創(chuàng)建，用戶替身采用Poser繪制，導(dǎo)出的VRML文件在CosmoWorlds中修改并添加交互。系統(tǒng)采用集中式數(shù)據(jù)庫方式，主要存儲電腦配件設(shè)備的參數(shù)信息和用戶信息，與數(shù)據(jù)庫的連接采用JDBC實現(xiàn)。

四、結(jié)束語

本文以實現(xiàn)CSCW為目標(biāo)，在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的前提下，解決了VRML網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中用戶虛擬空間的快速生成、VRML場景的實時通訊、多用戶操作的協(xié)同控制等問題，深入研究了關(guān)鍵技術(shù)，并以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中協(xié)同組裝電腦為例進行了實現(xiàn)。為了實現(xiàn)真正高效、大規(guī)模的分布式虛擬現(xiàn)實，還需要在模型的優(yōu)化、多用戶業(yè)務(wù)規(guī)則的協(xié)同策略、協(xié)同工作過程的觸發(fā)策略、突發(fā)事件的處理等方面作進一步研究，這也是我們今后研究工作的重點。

參考文獻：

[1]許愛軍，張文金，易丹.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠程教育平臺研究與實現(xiàn)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2007，8:23-26

[2]沈江瑋，陳天滋.基于多用戶環(huán)境下的VRML系統(tǒng)框架[J].計算機工程與設(shè)計，2005，26(10):2654-2656