空間應(yīng)用仿真支持平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)

李澤朋，馬純永，陳 戈

（中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266100）

0 引 言

空間任務(wù)是一項(xiàng)耗資巨大、變量參數(shù)多、較為復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，其設(shè)計(jì)方案的論證很難在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行，因此為了對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有效的分析和評(píng)估，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于航天領(lǐng)域成為了必然趨勢(shì)［1］。與復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)集相比，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真系統(tǒng)對(duì)空間任務(wù)場(chǎng)景的模擬顯得更為直觀有效。成熟的空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)能夠?qū)π碌目臻g任務(wù)技術(shù)和成本進(jìn)行可行性論證、立項(xiàng)論證的分析和評(píng)估［2］。目前國(guó)外相關(guān)仿真系統(tǒng)的發(fā)展已相對(duì)完善，比較有代表性的是STK軟件 （STK定義請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)［3］），它能快速方便地分析復(fù)雜的衛(wèi)星仿真任務(wù)，提供易于用戶(hù)理解的圖表和文本形式的分析結(jié)果。而當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于相關(guān)系統(tǒng)的研究還處在起步階段，隨著我國(guó)空間技術(shù)的快速發(fā)展以及空間任務(wù)本身多樣化、復(fù)雜化的特征，研究并構(gòu)建能夠在相關(guān)領(lǐng)域占據(jù)核心地位的仿真平臺(tái)是一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題。為此，我們基于VC＋＋和OpenGL設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了空間應(yīng)用系統(tǒng)仿真支持平臺(tái)，并通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架

在系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)上，空間應(yīng)用仿真支持平臺(tái)共分為4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的層：表示層、功能層、控制層及數(shù)據(jù)處理層。系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）表示層：對(duì)底層功能及操作控制直觀的UI表示，具有空間仿真所需的友好的用戶(hù)界面和便捷的交互手段。

（2）功能層：平臺(tái)多種功能的描述。提供多通道輸出、視錐交互、基本場(chǎng)景元素的渲染及模型庫(kù)屬性操作等多種功能組件接口實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能的分類(lèi)管理。

（3）控制層：控制功能層的渲染方式及模型庫(kù)的信息存儲(chǔ)。分類(lèi)管理場(chǎng)景基本元素對(duì)其顯示屬性進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)仿真過(guò)程時(shí)間線的控制來(lái)設(shè)定仿真的實(shí)時(shí)模式和演示模式。

（4）數(shù)據(jù)處理層：整個(gè)渲染的驅(qū)動(dòng)和模型數(shù)據(jù)信息的來(lái)源。接收仿真數(shù)據(jù)計(jì)算控制器封裝后的數(shù)據(jù)，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行解析分類(lèi)利用ICE分布式通信接口分發(fā)給控制層。

空間應(yīng)用仿真支持平臺(tái)的分層設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的整體框架的靈活性，本層級(jí)的功能維護(hù)不會(huì)影響到其他層級(jí)，層級(jí)與層級(jí)之間通過(guò)特定的通信接口進(jìn)行交互，使得各個(gè)模塊在相對(duì)獨(dú)立的基礎(chǔ)上高效的實(shí)現(xiàn)各自的功能。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)流

通過(guò)仿真數(shù)據(jù)接收器、仿真數(shù)據(jù)計(jì)算控制器、模型屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、空間應(yīng)用仿真支持平臺(tái)的渲染管理集等多個(gè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)流的傳輸，系統(tǒng)平臺(tái)最終實(shí)現(xiàn)空間任務(wù)的仿真。整個(gè)過(guò)程所涉及的所有的數(shù)據(jù)傳輸都是基于ICE（internet communications engine）中間件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖2為系統(tǒng)整個(gè)仿真過(guò)程的數(shù)據(jù)流圖。

圖2 仿真數(shù)據(jù)流

2 仿真過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)傳輸

ICE （internet communications engine）是一種由 ZeroC開(kāi)發(fā)的面向?qū)ο蟮闹虚g件平臺(tái)，其適合在異構(gòu)環(huán)境中使用，客戶(hù)端和服務(wù)器用不同的編程語(yǔ)言編寫(xiě)，可以運(yùn)行在不同的操作系統(tǒng)和機(jī)器架構(gòu)上［4］?？紤]到ICE中間件架構(gòu)在應(yīng)用開(kāi)發(fā)中的種種優(yōu)勢(shì)如數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 （UDP）支持、異步方法分派、嵌入的安全機(jī)制、代碼的開(kāi)源性等［5］，我們?cè)谄脚_(tái)中選用ICE中間件來(lái)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。

在利用ICE進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，首先要利用Slice語(yǔ)言定義各傳輸接口，由于平臺(tái)采用C＋＋程序開(kāi)發(fā)，故需要將Slice語(yǔ)言映射為C＋＋。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，客戶(hù)端與服務(wù)器表示在某個(gè)數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求從發(fā)起到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用模塊某些部分所承擔(dān)的角色。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p向性，仿真平臺(tái)既是客戶(hù)端又是服務(wù)器。仿真數(shù)據(jù)在向平臺(tái)進(jìn)行傳輸時(shí)，平臺(tái)通過(guò)調(diào)用ICE中間件的API函數(shù)在其內(nèi)部建立一個(gè)對(duì)象適配器。通過(guò)實(shí)例化該對(duì)象適配器，在服務(wù)器中加入用于數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)姆?wù)線程，調(diào)用適配器的添加方法將該服務(wù)線程交給適配器并加入標(biāo)識(shí)符，我們最終激活適配器。一旦適配器被激活，服務(wù)器就開(kāi)始處理來(lái)自客戶(hù)端的請(qǐng)求并最終完成數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 骨骼動(dòng)畫(huà)的渲染加速

在空間任務(wù)的實(shí)時(shí)仿真過(guò)程中，用戶(hù)常常要求系統(tǒng)能夠真實(shí)的模擬航天員的在軌操作或空間機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)、伸縮及抓取等多種仿真任務(wù)，這些任務(wù)最終需要利用骨骼動(dòng)畫(huà)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)楣趋绖?dòng)畫(huà)較之以前的動(dòng)畫(huà)方法，具有占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。但是其代價(jià)是伴隨著計(jì)算量的增加繪制效率會(huì)逐步降低。骨骼運(yùn)動(dòng)歸根到底是一系列復(fù)雜的計(jì)算，主要包括動(dòng)畫(huà)的相鄰幀之間的插值計(jì)算，骨骼點(diǎn)及皮膚網(wǎng)格頂點(diǎn)的新位置及其朝向的計(jì)算，父子骨骼間矩陣的相互影響等，在這中間還常常涉及到大量的計(jì)算結(jié)果的保存。因此，隨著骨骼結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的上升，相應(yīng)骨骼運(yùn)動(dòng)所必需的復(fù)雜計(jì)算的密集度也會(huì)成倍的增長(zhǎng)。這勢(shì)必會(huì)影響動(dòng)畫(huà)的渲染效率，降低仿真平臺(tái)的性能。

基于上述問(wèn)題，空間應(yīng)用仿真支持平臺(tái)引入了CUDA（compute unified device architecture）技術(shù)。CUDA 技術(shù)的核心是充分利用硬件設(shè)備來(lái)進(jìn)行并行計(jì)算，其程序的基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C語(yǔ)言［6］，CUDA這種通用的并行計(jì)算架構(gòu)能夠高效的利用GPU來(lái)完成復(fù)雜的圖像相關(guān)的運(yùn)算。傳統(tǒng)的渲染運(yùn)算是由CPU來(lái)完成的，CPU通過(guò)高速運(yùn)算將結(jié)果傳輸?shù)絻?nèi)存，系統(tǒng)又從內(nèi)存中調(diào)取運(yùn)算結(jié)果至顯存來(lái)實(shí)現(xiàn)渲染。整個(gè)過(guò)程除CPU的運(yùn)算負(fù)荷較高外，運(yùn)算結(jié)果的傳輸也耗費(fèi)了大量的時(shí)間。然而CUDA技術(shù)的引入使得仿真平臺(tái)在渲染骨骼動(dòng)畫(huà)時(shí)將大部分繁瑣的骨骼運(yùn)算轉(zhuǎn)移到GPU，GPU通過(guò)創(chuàng)建多個(gè)不同的線程來(lái)進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果直接保存在顯存內(nèi)部，同時(shí)它對(duì)該過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)一的管理，保證各線程之間并行運(yùn)行。利用這種并行計(jì)算技術(shù)很大程度上降低了CPU的運(yùn)算負(fù)荷及數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)銷(xiāo)，提高了骨骼動(dòng)畫(huà)的渲染效率使得空間任務(wù)展示模塊能夠快速流暢的運(yùn)行。圖3為某空間站太陽(yáng)能帆板展開(kāi)后的效果。

2.3 飛行器尾焰仿真

在仿真平臺(tái)中模擬飛行器的空間飛行狀態(tài)時(shí)，需要對(duì)某些飛行器的尾焰進(jìn)行高逼真度的仿真，而粒子系統(tǒng)渲染技術(shù)的引入可以很好解決這個(gè)問(wèn)題。粒子系統(tǒng)的基本思想是通過(guò)具有一定生命周期和屬性的大量粒子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬［7］。然而隨著粒子數(shù)量的不斷增加，在達(dá)到逼真效果的同時(shí)，粒子的大量運(yùn)算會(huì)使系統(tǒng)的效率大幅下降。為此，在進(jìn)行飛行器尾焰仿真時(shí)，我們基于一組特定的視頻序列［8］，通過(guò)少量的粒子建立火焰的輪廓線，在輪廓線內(nèi)填充真實(shí)火焰的動(dòng)態(tài)連續(xù)紋理。由于只計(jì)算輪廓線的很少量的一些粒子的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)計(jì)算中無(wú)需記錄粒子的狀態(tài)，僅記錄其位置信息，因此相應(yīng)的計(jì)算量很小，占用的內(nèi)存空間也很小。粒子簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)如下：

圖3 某空間站太陽(yáng)能帆板展開(kāi)效果

我們通過(guò)粒子系統(tǒng)屬性中指示的幀值來(lái)獲取該幀的紋理并將它填充到輪廓線內(nèi)，這樣隨著粒子衰減周期循環(huán)填充紋理最終高效的完成尾焰仿真。如圖4所示為某飛行器的尾焰效果。

圖4 飛行器尾焰效果

3 仿真過(guò)程的主要功能模塊

3.1 仿真數(shù)據(jù)計(jì)算控制器的鏈接

仿真數(shù)據(jù)計(jì)算控制器與仿真平臺(tái)的鏈接是通過(guò)ICE中間件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為了保證擴(kuò)展性，需要在負(fù)責(zé)鏈接的ICE接口層設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)包封裝協(xié)議。我們封裝的數(shù)據(jù)包中主要包含信息仿真時(shí)間、設(shè)備元素標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)內(nèi)容、校驗(yàn)等。仿真平臺(tái)與仿真數(shù)據(jù)計(jì)算控制器的數(shù)據(jù)通信如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)通信

實(shí)時(shí)、快速的將三維空間任務(wù)仿真場(chǎng)景與仿真數(shù)據(jù)計(jì)算控制器相聯(lián)動(dòng)使得用戶(hù)可以形象、直觀地查看各場(chǎng)景元素的運(yùn)行狀態(tài)。圖6為平臺(tái)依據(jù)仿真數(shù)據(jù)計(jì)算控制器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)而繪制的二維軌道覆蓋圖。

圖6 二維軌道覆蓋

3.2 仿真時(shí)間管理模塊

仿真平臺(tái)的三維空間任務(wù)分為實(shí)時(shí)仿真［9］模式和演示仿真模式，仿真時(shí)間管理模塊通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)加入標(biāo)識(shí)以便使渲染管理集能夠區(qū)分當(dāng)前的仿真模式。在實(shí)時(shí)仿真模式下，如果用戶(hù)并未在場(chǎng)景數(shù)據(jù)中特別設(shè)置時(shí)間偏移量，那么仿真平臺(tái)默認(rèn)系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間為初始仿真時(shí)間，反之則需要通過(guò)系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間與時(shí)間偏移量來(lái)推算仿真初始時(shí)間。演示仿真模式主要進(jìn)行仿真過(guò)程的回放顯示，在回放過(guò)程中，用戶(hù)可通過(guò)鍵盤(pán)鼠標(biāo)進(jìn)行控制，或根據(jù)編排指令自動(dòng)切換場(chǎng)景的視錐，實(shí)現(xiàn)漫游、鳥(niǎo)瞰等效果。

仿真平臺(tái)的場(chǎng)景數(shù)據(jù)來(lái)源于仿真數(shù)據(jù)計(jì)算控制器，或?yàn)檎鎸?shí)數(shù)據(jù)或?yàn)闅v史數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄以便之后使用。當(dāng)接收到有效場(chǎng)景數(shù)據(jù)后，本模塊自動(dòng)將與顯示有關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本機(jī)的數(shù)據(jù)文件中。這樣用戶(hù)在進(jìn)入演示模式需要重現(xiàn)某一空間任務(wù)仿真時(shí)，仿真時(shí)間管理模塊便調(diào)用與該空間任務(wù)仿真相匹配的歷史數(shù)據(jù)，顯示相應(yīng)的三維場(chǎng)景。該部分的運(yùn)行示意圖如圖7所示。

圖7 仿真時(shí)間管理

在實(shí)時(shí)模式下的應(yīng)用測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)仿真平臺(tái)顯示的時(shí)間是滯后于當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間的，這會(huì)對(duì)空間任務(wù)的評(píng)估或可行性論證產(chǎn)生不利的影響。為此，我們?nèi)藶榈陌褦?shù)據(jù)接收完畢后的系統(tǒng)時(shí)間與數(shù)據(jù)包中解析出的時(shí)間偏移量相減后的時(shí)間設(shè)為仿真初始時(shí)間，這就真正意義上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)仿真。

3.3 仿真設(shè)備模型庫(kù)管理模塊

目前，設(shè)備模型庫(kù)中的模型主要包括實(shí)體模型和生成模型。實(shí)體模型是指真實(shí)存在的天體或部件的模型。生成模型主要指在場(chǎng)景任務(wù)仿真中，飛行器形成的光路、軌道、通信鏈路、空間場(chǎng)等。傳統(tǒng)的場(chǎng)景保存結(jié)構(gòu)為層次結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)維護(hù)成本高，信息冗余較大，大數(shù)據(jù)量的場(chǎng)景下這些不足尤為明顯。為此我們采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)分層管理，以樹(shù)形圖的形式組織場(chǎng)景［10］，利用樹(shù)形結(jié)構(gòu)的特性，我們遞歸的訪問(wèn)各節(jié)點(diǎn)，從而獲得各節(jié)點(diǎn)內(nèi)部存儲(chǔ)的場(chǎng)景數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)的有效組織，我們最終得到整個(gè)被渲染場(chǎng)景。樹(shù)形圖中各節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)過(guò)程如下所示：

值得一提的是，在具體仿真過(guò)程中，用戶(hù)有時(shí)并不需要對(duì)整個(gè)的場(chǎng)景進(jìn)行渲染而僅僅關(guān)注某一局部區(qū)域。因此，在節(jié)點(diǎn)遍歷過(guò)程中我們需要判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否需要訪問(wèn)。通過(guò)樹(shù)形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，平臺(tái)在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及搜索能力上得到很大的提高。

4 仿真系統(tǒng)的應(yīng)用

在具體的空間任務(wù)仿真中，仿真平臺(tái)通過(guò)仿真設(shè)備管理模塊從模型數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出所需要的場(chǎng)景數(shù)據(jù)并加載渲染來(lái)顯示星空背景、飛行器、準(zhǔn)確的行星位置等。仿真數(shù)據(jù)接收器在接收到數(shù)據(jù)后，將這些初始數(shù)據(jù)傳輸給仿真數(shù)據(jù)計(jì)算控制器，仿真數(shù)據(jù)計(jì)算控制器經(jīng)過(guò)處理將結(jié)果封裝成特定的數(shù)據(jù)包傳輸給仿真平臺(tái)渲染模塊。通過(guò)源源不斷的傳輸數(shù)據(jù)，平臺(tái)最終完成對(duì)飛行器的運(yùn)動(dòng)軌跡及其姿態(tài)的實(shí)時(shí)仿真。在此過(guò)程中，用戶(hù)可從不同視角查看整個(gè)空間載荷系統(tǒng)的各組成結(jié)構(gòu)，可切換不同的顯示模式來(lái)對(duì)比分析各空間任務(wù)，也可以通過(guò)調(diào)用模型數(shù)據(jù)庫(kù)中的場(chǎng)景數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)任務(wù)過(guò)程的回放等，最終獲取到自己感興趣的信息。仿真平臺(tái)的部分功能界面如圖8所示。

圖8 軟件部分功能效果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文著重研究并實(shí)現(xiàn)了空間應(yīng)用仿真支持平臺(tái)的系統(tǒng)框架，對(duì)空間任務(wù)數(shù)據(jù)的ICE傳輸、任務(wù)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)顯示和三維重現(xiàn)、模型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等功能進(jìn)行了分析，平臺(tái)通過(guò)應(yīng)用于具體的科研單位進(jìn)行了實(shí)踐檢驗(yàn)，結(jié)果表明該平臺(tái)能夠?yàn)榭臻g任務(wù)的方案設(shè)計(jì)及論證提供有效的技術(shù)支持。目前，平臺(tái)的開(kāi)發(fā)還處在技術(shù)完善階段，在軟件界面布局及用戶(hù)使用體驗(yàn)等方面還有待提高。

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［1］Enrico Stoll，Jurgen Letschnik，Markus Wilde，et al.The future role of relay satellites for orbital telerobotics ［J］.Elsevier：Advances in Space Research，2012，50 （7）：864－880.

［2］ZHANG Yuzhu，MENG Xin，PAN Zhongshi.Research on connecting heterogeneous RTIs in space mission simulation system［J］.Computer Engineering and Design，2012，33 （3）：1068－1072（in Chinese）.［張玉珠，孟新，潘忠實(shí).空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)中異類(lèi)RTI連接技術(shù)研究 ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2012，33 （3）：1068－1072.］

［3］DONG Jiaqiang.Design and realization of aerospace launch visualization simulation system based on STK ［J］.Computer Measurement＆Control，2010，18 （2）：446－449 （in Chinese）.［董加強(qiáng).基于STK的航天發(fā)射可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18 （2）：446－449.］

［4］Michi Henning，Mark Spruiell.ICE distributed program design［EB］.［2011－09－28］.http：／／www.zeroc.com.

［5］ZHOU Keqiang，ZHANG Baoshan.Management of information based on middle ICE ［J］.Journal of Southeast University（Natural Science Edition），2008，38 （S2）：208－212 （in Chinese）.［周克強(qiáng)，張保山.基于ICE中間件的戰(zhàn)術(shù)信息管理［J］. 東 南 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) （自 然 科 學(xué) 版 ），2008，38 （S2）：208－212.］

［6］DONG Luo，GE Wancheng，CHEN Kangli.Study on application of parallel computation on CUDA ［J］.Information Technology，2010，11 （5）：11－15 （in Chinese）.［董犖，葛萬(wàn)成，陳康力.CUDA并行計(jì)算的應(yīng)用研究 ［J］.信息技術(shù)，2010，11 （5）：11－15.］

［7］ZHAO Ye，HAN Yiping，F(xiàn)AN Zhe，et al.Visual simulation of heat shimmering and mirage ［J］.IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，2007，13 （1）：179－189.

［8］YU Xin，HAN Yong，CHEN Ge.Fire simulation of realistic flame based on dynamic texture and particle system ［J］.Informatin and Computer，2009 （11）：54－55 （in Chinese）.［于鑫，韓勇，陳戈.基于動(dòng)態(tài)紋理和粒子系統(tǒng)的火焰效果模擬 ［J］.信息與電腦，2009（11）：54－55.］

［9］REN Chuanjun，JIANG Zhiwen.Research and application of realtime simulation on Real－Time Workshop ［J］.Computer Emulation，2007，24 （8）：268－271 （in Chinese）. ［任傳俊，蔣志文.Real－Time Workshop實(shí)時(shí)仿真研究與應(yīng)用 ［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2007，24 （8）：268－271.］

［10］Nobuyuki Bannai，Robert B Fisher，Alexander Agathos.Multiple color texture map fusion for 3Dmodels ［J］.Pattern Recognition Letters，2007，28 （6）：748－758.