分布式交互仿真应用系统输入输出模型的研究与实现

第 18 卷第 1 期 系 系 统统 仿仿 真真 学学 报报 Vol. 18 No. 1 2006年1月 Journal of System Simulation Jan.， 2006 102 分布式交互仿真应用系统输入输出模型的研究与实现分布式交互仿真应用系统输入输出模型的研究与实现 段作义，唐少刚，刘 鹂 （北京航空航天大学计算机学院，北京 100083） 摘摘 要：要：由于分布式交互仿真中输入输出设备的多样性与复杂性，给软件的设计与开发带来诸多 困难。在研究分析已有原语系统的基础上，通过定义逻辑设备坐标系及其中的归一化函数强化了 设备无关性，提出了一个分布式交互仿真应用系统输入输出层次模型，并基于 COM 技术对该模型 进行了具体实现。应用效果表明，该模型体现了设备无关的要求，并具备良好的可扩展性，能满 足具体的分布式交互仿真应用系统的要求。 关键词：关键词：分布式交互仿真；原语系统；层次模型；组件对象模型 中图分类号：中图分类号：TP391 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：1004-731X (2006) 01-0102-04 Research on Input-Output Model of Application System in Distributed Interactive Simulation DUAN Zuo-yi, TANG Shao-gang, LIU Li (School of Computer Science and Technology, BHU, Beijing 100083, China) Abstract: Those input and output interactive devices used in Distributed Interactive Simulation complicate the software design and implementation because of their variety and complexity. Based on the Primitive System, a logical device coordinate and its normalization function were defined to enhance the ability of Device-Independent, an input-output hierarchy model of Application System in Distributed Interactive Simulation was proposed, and an instance of the model was listed based on COM. According to our application, this model could meet the requirements of the ability of Device-Independent and the extensibility in actual systems. Key words: distributed interactive simulation; primitive system; hierarchy model; COM 引引 言言1 分布式交互仿真（Distributed Interactive Simulation）是 一种将分散在不同地域的人在回路仿真器及其它资源、 设备 联网，构造成一个人可以交互的虚拟环境的系统仿真技术。 它的核心在于连接各个独立的计算节点， 通过自然的人机交 互界面，建立一种与人的感觉和行为相容的、时空一致的、 与客观世界高度类似的、逼真的综合虚拟环境。它利用虚拟 现实技术，以达到一种身临其境的临场感，为了达到这种效 果，就需要自然的人机交互。这种交互形式要求尽量让操作 者感到是在虚拟环境中进行动作1。 自然的人机交互（Human-Computer Interaction）是用一 种和谐的类似人与自然的交互方式来实现人机交互， 即人与 虚拟环境之间的交互2。这在相当程度上依赖于交互输入输 出设备。 目前常用的交互输入设备有键盘、 鼠标、 操纵杆等， 还有像数据手套、头盔、数据衣等多种更加形象、逼真的交 互输入设备；常用的交互输出设备有显示器、扬声器等，还 有像环绕立体荧幕等多种更加使用户具有临场感、 沉浸感的 收稿日期：收稿日期：2004-11-05 修回日期：修回日期：2005-06-14 基金项目：基金项目：北京市自然科学基金(4042011)；博士学科点基金项目 (20010006006) 作者简介： 段作义作者简介： 段作义(1974-), 男, 天津人, 博士生, 研究方向为分布式虚拟 现实；唐少刚唐少刚(1980-), 男, 陕西人, 硕士生, 研究方向为分布式虚拟现 实；刘刘 鹂鹂(1980-)，女，河北人，博士生，研究方向为分布式虚拟现实。 交互输出设备；同时，还有些既可以作为输入也可以作为输 出使用的交互设备，如带力反馈的数据手套等。这些设备使 人机交互变得更加和谐、自然。随着虚拟现实技术的发展还 会出现更多功能更完善的交互输入输出设备，这样，由于交 互输入输出设备的多样性和复杂性， 在分布式交互仿真应用 系统中实现交互输入输出设备的设备无关性就变的至关重 要。 本文在研究分析已有的解决设备无关性的原语系统方 法基础上， 通过加入我们定义的逻辑设备坐标系及其中的归 一化函数，更好地实现了设备无关性；同时，提出了一个分 布式交互仿真应用系统输入输出层次模型，并基于 COM3 技术对该模型进行了具体实现。 1 原语系统原语系统 原语系统4是一个将交互输入设备的输入映射为原语， 并利用原语作为输入来控制仿真实体 （分布式交互仿真应用 中仿真的对象）动作及行为的系统。它定义了原语的表示形 式，描述了物理设备的输入如何映射为原语，及应用程序如 何使用原语的，如图 1 所示： 设备操作实体原语 映射解释、执行 图 1 设备、原语及实体三者之间的关系 原语是命令的最小构成单位， 是外设的一次动作对应的 第18卷第1期 Vol. 18 No. 1 2006 年 1 月 段作义,等： 分布式交互仿真应用系统输入输出模型的研究与实现 Jan., 2006 103 原型。定义如下： Primitive = , ，time_stamp 其中：P 为英文大写字母，表示一种抽象的动作，标识对应 逻辑操作的原语种类；6 个参数分别表示输入在三维空间中 所代表位置和方向信息；可选的 Device 是设备类型； time_stamp 为时间戳，用于实时交互约束处理。 原语映射是建立在交互输入设备上的，与物理设备相 关，涉及到物理设备的操作特性。它首先定义好输入设备的 可能操作对应的原语中的 P（Primitive.P） ，即原语表：原语 表是设备操作集合到 Primitive.P 的一个满射。 设有设备操作 集 合O和Primitive.P的 集 合P ， 则 原 语 表 为 是满射的且， ff P O :； 原语系统将直接获得的设备输入 按照原语表中的映射关系将操作映射为 Primitive.P，其它输 入参数原样填写从而形成原语输入。 原语的解释与执行是建 立在原语基础上的，与具体的物理设备无关。仿真应用在接 收到原语输入之后，根据其所表示的语义动作，取出相应的 参数信息，并以此来控制仿真实体的动作及行为。原语系统 将输入设备与实体控制在软件实现上分离开， 使得交互原语 与物理设备、实体控制相关，而实体控制变得与设备无关， 从而使得软件的设计变得简单容易， 增加了输入设备及其软 件设计的灵活性、可扩展性，但该定义仍存在着不足之处。 一方面， 原语定义的 6 个参数仅仅只是针对实体空间的 位置和方向信息， 只能应付输入状态空间相对较小的输入设 备， 而对于像数据手套这样的输入状态空间非常大的设备将 不适用。如当数据手套作为输入设备时，除了需要“手”在 虚拟空间的位置和方向外，还需要有手指各个关节的信息， 此时原语系统就显得无能为力了。因此，我们对原语的定义 加以扩充，定义如下： Primitive = , ，time_stamp， 其中：可选参数 Reserved 用来存储额外的必要信息，Device 用来表示这些信息来自哪个设备。 对于数据手套输入设备而 言，可以利用此项存储各个手指关节的信息。 同理，原语表的定义也不再适合这种设备，扩充后的原 语表定义如下：设有设备输入状态集 S，设备操作集 O 和 Primitive.P 的集合 P，定义O S :g，且g是满射的和 P O :h，且h是满射的，则原语表为ghf?=。如对于数 据手套，函数g是根据输入进行手势分析的过程，O 则为手 势集。 另一方面， 原语系统中用于表示空间的位置和方向信息 的 6 个参数没有给出一个统一的数据表示， 它们只在各自的 设备空间中有意义，即仍然是设备相关的，也就使得各个设 备所表示的方位信息彼此之间将不具有可比性。为此，我们 定义逻辑设备坐标系， 物理设备坐标系到逻辑设备坐标系的 坐标转换以及归一化函数来解决这个问题。 2 逻辑设备坐标系逻辑设备坐标系 逻辑设备坐标系的定义如图 2 所示： Y X Z O 1 1 1 1 1 1 图 2 逻辑设备坐标系 、 表示输入方向信息的欧拉角，单位为弧度。其 旋转顺序定义为依次绕 Z 轴逆时针旋转 弧度，绕 X 轴旋 转 弧度，绕 Y 轴旋转 弧度。其中 、 的取值范围 从到。 从物理设备坐标系到逻辑设备坐标系的坐标转换如图3 所示， 物理设备坐标系上取值范围包围盒的中点对应逻辑设 备坐标系的原点，各坐标轴和“同向”的逻辑设备坐标系坐 标轴相对应。 o点的坐标为： （x o点的坐标为： （xmax max/2,y /2,ymax max/2,z /2,zmax max/2） X /2） Xmax max = y = ymax max/2; X /2; Xmin min = -y = -ymax max/2 Y /2 Ymax max = z = zmax max/2; Y /2; Ymin min = -z = -zmax max/2 Z /2 Zmax max = x = xmax max/2; Z /2; Zmin min = -x = -xmax max/2 /2 Y X Z OX Xmin minX Xmaxmax Y Ymax max Z Zmax max Y Ymin min Z Zmin min o为新的坐标原点Oo为新的坐标原点O z y x o x xmax max y ymax max z zmax max o o 物理设备坐标系逻辑设备坐标系物理设备坐标系逻辑设备坐标系 图 3 坐标转换 经过坐标转换后给出一归一化函数 f，定义为： (XL, YL, ZL, , , ) = f(XP, YP, ZP, a, b, c) 其中：(XP, YP, ZP)为物理设备坐标系的位置输入值转换到逻 辑设备坐标系中的值，下标 P 表示某物理设备坐标系，取值 范围和该输入设备相关； (XL, YL, ZL)为逻辑设备坐标系中归 一化后的对应值， 下标 L 表示为逻辑设备坐标系， 取值范围 定义为：-1，1；(a, b, c)为物理设备坐标系的方向输入值转 换到逻辑设备坐标系中的值，取值范围和该输入设备相关； (, , )为逻辑设备坐标系中归一化后的对应值， 取值范围为 0，2)。 设物理设备输入(XP, YP, ZP)的取值范围为：XminXP Xmax，YminYPYmax，ZminZPZmax，则归一化函数为： = = = = = c) b, (a, ) ,( )/2) Z- (Z / )/2) Z- (Z - ) Z- (Z Z )/2)Y - (Y / )/2)Y - (Y - )Y - (Y Y )/2)X - (X / )/2)X - (X - )X - (X X minmaxminmaxminPL minmaxminmaxminPL minmaxminmaxminPL f f 其中函数 f 为从输入方向转换成逻辑设备坐标系定义的欧 拉角的函数。 第 18 卷第 1 期 Vol. 18 No. 1 2006年1月 系 统 仿 真 学 报 Jan., 2006 104 3 应用系统输入输出层次模型应用系统输入输出层次模型 在扩充了的原语系统的基础上， 我们构造了一个分布式 交互仿真应用系统输入输出层次模型， 它体现了设备无关性 的要求，同时具备良好的扩展性。如图 4 所示。下面对图中 的各层分别介绍。 采集器 逻辑输入设 备1 逻辑输入设备n 物理 设备1 应用层 中介层 物理设备层 物理 设备n 分发器 逻辑输出设备1逻辑输出设备n 物理 设备1 物理 设备n 高层应用 逻辑设备层 图 4 分布式交互仿真应用系统输入输出层次模型 3.1 物理设备层物理设备层 用于分布式交互仿真应用系统输入输出的物理设备处 于物理设备层。 物理输入设备通过自身的驱动程序将用户的 意图转化为物理输入信息Ss，如鼠标、键盘、操纵杆和 数据手套等； 物理输出设备通过自身的驱动程序将软件系统 产生的输出信息最终以某种感觉形式传递给用户，如显示 器、扬声器、头盔的显示部分和力反馈设备等。物理设备层 直接与用户交互，是系统的用户界面。 3.2 逻辑设备层逻辑设备层 由于交互输入输出设备的多样性， 不可能穷举所有的物 理设备，因此，在逻辑设备层中，针对每一种物理设备都对 应一个逻辑设备。对于输入，逻辑输入设备负责监测物理设 备的输入，解析这些数据得出设备操作（函数g的实现，参 见 1） ，并将物理输入从物理设备坐标系转换到逻辑设备坐 标系，利用归一化函数进行归一化，然后将结果传递给中介 层。同时，各逻辑设备的接口都是一致的，这样，对于中介 层的来说，其下层逻辑设备的存在是透明的，这就使得该模 型具备了良好的可扩展性和进一步强化了设备无关性。 对于 输出， 逻辑输出设备在交付物理输出设备进行 “输出” 之前， 负责把系统内部坐标系的表示转换到输出所使用的坐标系， 例如：设系统计算使用 GCC5坐标系，而 3D 图形绘制采用 OpenGVS6图形系统， 则 3D 图形逻辑输出设备负责将 GCC 转换到 OpenGVS 所使用的坐标系中。 3.3 中介层中介层 中介层把上层和低层处理分割开来。对于输入，中介层 负责将来自逻辑设备层的输入转化为原语输入 （函数h的实 现，参见 1）并递交给应用层，其需要的外部输入是原语表， 该 表 在 实 现 中 一 般 可 利 用 存 储 形 如 P p O,o p o,）被映射为逻辑设备坐标系中的原 点（其坐标为） ，屏幕的四个顶点（其在物理设备坐 标系中的坐标分别为左上角、右上角、左 下角、右下角）被分别映射为逻辑设 备坐标系中正方形区域的四个顶点 （其坐标分别为、 、） ，其它点可依据归一化函数计 算得出， 它们的语义将由应用程序解释， 比如可以更精确的 告诉应用程序坦克转动的角度。 同理，本实例中，输出代理组件向各逻辑输出设备组 件分发坦克及开火的方位， 图形输出组件依据这些信息在相 应