（精密仪器及机械专业论文）基于HLA的人体运动仿真平台研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 分布式虚拟环境( d i s t r i b u t e dv i r t u a le n v i r o e n t s ，简称d v e ) 是虚拟现实技术和计算机网络技 术相结合的产物。它可以突破时空的限制，为人们分析问题、解决问题以及协同工作提供崭新的手段。目 前，分布式虚拟环境在军事、航天、教育培训、工程设计与制造、电子商务、医疗和娱乐等领域有着广泛 的应用前景。本文研究基于分布式虚拟环境的人体运动仿真平台，对实现分布式虚拟环境中人体运动仿真 及各节点之间网络通信内容的一致性和实时性进行了深入研究，其研究具有重要的理论意义和工程应用价 值。 。 本文的主要研究工作包括： ( 1 ) 研究了分布式虚拟环境的体系结构，探讨了h l a 仿真平台运行支撑框架r t i 的实现。 ( 2 ) 采用了一种基于虚拟人表面模型直接构建骨骼模型的建立方法，研究了虚拟人骨骼运动控制、 交互控制及建立有利于网络传输的关节分组模型的方法，实现了虚拟环境下人体运动的仿真。 ( 3 ) 研究了分布式虚拟环境下优化网络数据通信的方法，利用h l a 体系框架中基于类和基于值的双重 数据过滤机制优化网络数据交换减少网络通信冗余。 ( 4 ) 为了减少人体模型装载过程对仿真交互的影响，采用基于双通道累进装载的人体模型装载技术， 有效避免了人体模型装载过程造成的网络延时，保障了仿真交互的实时性。 ( 5 ) 研究了可伸缩的离散化有损压缩技术和基于掩码控制关节分组发送的无损压缩技术，在保证仿 真质量的前提下，有效压缩了关节数据量，提高了仿真实时性。 ( 6 ) 在v c + + 编程环境下利用o p e n g lp e r f o n e r 图形开发包实现了分布式人体运动仿真平台的设计， 并通过实验验证了以上方法的有效性。 关健字t 分布式虚报现实虚报人h l a 象据压缩- i 络通信 a b s t r a c t 跳仃i b u l e d v i r t 岫le n v i f o n 睇m ( d v e ) i s 山e i 眦留r a l i o n o f v i r c i l a l 兜a 吐t y 锄d c 鲫p u t e rn e t w o r k t e c h l o 黟 d v ec 姐o v e 王c 咖m e 佗s 确c t i o no fs p a c e 五m e ，a n dp r o v i d e sa 地wm ；a 璐f o r b b e i n g t o 如a l y z ep f o b l e i 璐， 僻s o l v ep r o b l e 硼a n dc p e 眦d v e t e c b d o l o g y1 1 a sb e e n 跚c c e s s f u l l ya p p e di ns 0 砖丘e l d ss 1 】c h 硒1 1 1 i h t a 嘎 勰f o s p e ，a v i a t i o n m ：m c i 赡，锄m 驼n 朔1 te 位i ta l s 0s 重1 0 w s 蓼e a tp r o s p e c ti t h e 丘e l d ss l l c h 嬲e d i l c 撕o a i n i n g e n 每i i r i n gd e s i 班m a 咖舭m m ，a 玎de c o n l 嘲让i nm i sp a p e w em 甜c hn l e 砖a i i z i n go fs j m l 砸o np l a i f b n n f b fh u m 纽i nd i s t r j b u t e dv i n l l a ie n v i r o n 忙m ，t b ee m p t n s e sf o rr e s e a f c ha 他t b eh u 咖坷o v e 加e ms i m u 埘0 n _ t h e c o 璐i s t e n c yf b r t w m kc c 咀聊l l i c 撕o na n dt b em a 卜t i n 置c l i i 瑚c t e ra 舶o n g e v e r ys i n m l a n o nn o d e s t t 皓咒鸵a r c h h 舔i n 】p o r t a n 七o r ys i 弘m c 撕o n 知de n 舀e r i n ga p p l i c 撕o nv a l u e i n 吐l i sp a p 吐- ep f i m a r yr e s e a r i c hi l u d e ： ( 1 ) r e s e a f c ht l l es y s 鲫ns 曲j c t i l l ef b r d v ed i s c l i s s 吐圮托a l i z i n go f h l a r l l ( 2 ) a d o p taw a yb a 靶dv 删h u m ns t | r f 缸em d d e lt 0b l l i l ds k e l e t o nn 1 0 d “辩a r c hh o wt 0b i l i l ds k e l e t o n m o d e kc o n d ls k e l e t o nm o v e c o 帅li n 蛔v ea n dd e s i 龃j o i mg r o u p i n gm o d e l w b i c hi sc o 吖e n i e mf b r n e 脚o r k 缸a n s r r 吐s s i o ma 1 日r e a l i z eh u n m nm o v e m e ms i 删a t i o ni nd v e ( 3 ) r e s e a r c hh o w t 00 p d n 吐黯n l em 咐o r kc o 删c a d o 璐，a n da d o p td o u b l cd a t a 矗1 仃a 五o nm l l a n i s m b a 辩dm a t 0 o p t i l i z em t w o r l 【d a t ae x c b a n 黔砖d l 】c e 地脚o r kc o 删c 撕o nm d 咖d a n c y ( 4 ) ho f d e rt 0 陀d u c em ei l p tt 0i n 把阳c d v es i n n i l a 吐o np r o d u c e db yb o d ym o d e ll d i n 舀b o d ym o d e l 1 0 a d i n g 眦h r 吣l o g yb a d 由u b kc l l a n 雎l sa n dp r o g r e s s v ei o a d i n g 钿a d 0 呻d i te f r e c v e j ya v o i dm 唧。呔d e h y p 删u c e db y 山ec o u r 卵o fh l l 蚴脚d e ll o a d i n 盘a n de 珊t l 陀t 砖坤a k m ec t l a 瑚c t e rf o rs i n i i a 虹0 ni n t e r 粥t i v c ( 5 ) r e a r c h 膏鲇出b l ed i 鲇佗d 枷o nl o 鼹c o 玎平化s s i o nt e c h n o l o g ya n d1 s l e s sc o l p r e s s j o nt e c h i l o l o g y b a 辩d 廿a n s m i s s i o n o f as u b t j o i n t sc 乜o l l e d b y m s l 【i n w h i c h w e e 伍e c t i v e l y c o m p 把s s t b e i o i md a t a m e 豁嘴 a n di m p r o v e 也es i 眦l a l i 陀a k 石雌c l l a 瑚c t e l 粕dt b es i n 蛐1 a t i o nq l l a t yi se 璐i e de f f e c t i v e i y ( 6 ) d e s i g n 妇p l a 盯0 衄o f d i s 劬眦d h u 咖啪嘲ts i 枷蜥o nw i t i | v c + + i n t e 眦dd e v e l 卵i n g e n v i i o n 埘m a n d o p e n g l p e r f 妇r g 国p t l i c sl j b m r y 协v a 吐d a t e 曲ev d h d i t y0 f t i w a y s 七m i o n e d t i p w a r d s k e yw 撕d s ：肼s t 劢u t e d r t 岫le r 佣眦n i r t 删h u 啪n ，h l a m 恤c 砌p 麟s 栅盯k c 栅m l l n j c a d 蛐 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名：垄眭丝 日 期：! ! ! 三：7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：垄篁堑生导师签名： 碰一砌7 7 东南大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 虚拟现实技术是2 0 世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。它融合了数字图像处理、计算机图形 学、人工智能、多媒体技术、传感器、网络以及并行处理技术等多个信息技术分支的最新发展成果。虚拟 现实技术的特点在于，由计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机构成的兰维空间， 或是把其它现实环境复制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在多种感官上产生一种沉 浸于虚拟环境的感觉。虚拟现实技术实时的三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身 l 临其境的感受，将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状。它不但为人机交互界面开创了新的研究 领域，为智能工程的应用提供了新的界面工具，为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法， 同时，它还能为人们探索宏观世界和微观世界以及由于种种原因不便于直接观察的事物的运动变化规律， 提供极大的便利。虚拟现实技术一经问世，就己在军事、医学、设计、考古、艺术、娱乐等诸多领域得到 广泛的应用。 虚拟现实技术和计算机网络技术相结合就构成了分布式虚拟现实。它既具备不受时空限制、资源共享 等特点，又为人们认识、分析和解决问题提供了崭新的手段。分布式虚拟现实的目标是建立一个时间和空 间一致的分布式虚拟环境( d i s t r i b u t e dv i r t u a le n v i r o n - e n t ，简称d v e ) ，在这个虚拟环境中，分散在不 同物理位置的各种仿真实体( 如坦克模拟器、飞行模拟器、计算机仿真的武器、人等) 通过网络互连，共同 完成对某一艰难任务过程的模拟( 如军事人员的训练，武器系统的性能分析以及战术方案的有效性验证 等) 。目前的分布式虚拟环境主要有d i s 、h l a 等体系结构，他们已在军事、航天、医疗、工程设计与制造、 教育培训、娱乐以及电子商务等领域显示出广泛的应用前景。 在分布式虚拟环境的构建中，人体运动的分布实时仿真是其一个重要研究方向。由于人体模型的关节 化结构给网络通信带来了新的复杂性，传送表现身体姿态的信息量要远大于非关节化物体所需要传送的信 息量，因而在网络中传送人体模型关节角信息将占用大量网络资源。特别是当分布式虚拟环境中虚拟人数 量增加时，可能会造成显著的网络通信过载，虚拟人与环境交互的实时性将显著降低。因此，研究分布式 虚拟环境中人体运动在不同仿真节点的实时跟踪方法和解决传输大量人体关节信息所造成的网络通信阻 塞问题，对保证基于分布式虚拟环境的人体运动仿真的实时性和可靠性具有重要的理论意义和工程应用价 值。 1 2 国内外研究现状 基于分布式虚拟环境的人体运动仿真包括分布式仿真平台研究和虚拟人体运动研究，国内外专家对 此都有较深入的研究。 1 2 1 分布交互仿真研究现状 分布式虚拟仿真在解决具有分布式结构的复杂系统的仿真方面具有极大的优势。在已有的技术中，h l 以其良好的仿真应用的互操作性和仿真资源的可重用性成为该领域的首选方案。美国军方已经决定：1 9 9 9 年之后将不再支持非h l a 的研究项目，2 0 0 1 年后将全面终止使用与h l 不相容的仿真工程和应用。美国d i s 界 也己决定下一代的d i s ( 即d i s + + ) 采用该计划的高层体系结构作为框架，娱乐界的分布交互游戏软件也将使 用与其相容的标准。随后，北约也提出了类似的建模和仿真计划，为其建模和仿真标准化提供了基本的发展 方向。 ( 1 ) 军事领域的应用“1 分布交互仿真通过网络将分散在各地的仿真器( s i - u l a t o r s ) 、计算机生成的兵力( c p u t e rg e n e r a t e d l 第一章绪论 f o r c e s ，c g f ) 以及其他设备联合为一个整体，形成一个可以在时间和空间上互相耦合的虚拟战场环境。 它具有可控性、无破坏性、安全、可多次重复和经济性等特点，主要应用在训练、作战仿真、武器系统研 制、试验和评估以及采办等方面。 在武器系统研制方面，计算机分布式仿真技术有助于缩短研制周期、减少研制经费。例如，在武器系 统采办方面，可应用于武器系统采办的各个阶段，并成为采办策略的有机组成部分。在方案论证阶段，可 建立分布式仿真系统，来检验武器系统的设计方案和战术技术指标。采用虚拟样机设计，保证系统设计的 首次制造的正确性，降低研制费用，缩短研制周期。虚拟试验可以模拟可能出现的各种情况和环境因素， 可以缩短试验时间和降低试验费用。虚拟制造用于精确的模拟所计划的生产过程，保证可生产性，降低制 造成本减少生产时间。 ( 2 ) 民用仿真 分布交互仿真技术最早是为军事应用而开发的，但由于其本身所具有的许多优越性，现在己广泛应用 于非军事行业。 在产品的研究和开发阶段可以利用虚拟原型设计减少费用，提高效率。虚拟原型设计是在分布交互仿 真环境下进行，使得位于不同的地理位置的研究者，在仿真环境中可以共同设计、相互解决问题。美国波 音公司采用虚拟原型设计来制造新的7 7 7 喷气客机获得了成功，节省了大量时间、精力和费用。当虚拟原 型设计完成后，可以将它部属于许多仿真环境中，评估产品的性能特征。根据各种试验环境中收集的数据， 在制造物理样机之前在虚拟环境中对总的设计进行修改。 在教育方面，由于分布交互仿真允许受训者参与，增强受训者的兴趣，从而可以充分调动受训者的学 习机能，并充分发挥学生的创造意识，极大地提高了受训者的学习效率。 在医疗方面，医疗单位在对严重受伤或危重病人进行实际治疗之前，可以在合成环境中进行虚拟医疗， 验证医疗方案。 在购物方面，顾客可以在虚拟仿真环境中看、听、使用商品，充分考察商品的性能。分布交互仿真也 可用于娱乐行业，以便建立高度交互、引人入胜的游戏。 在紧急救援方面，充分利用分布交互仿真技术，提供能使各种救援机构进行指挥、控制和通信的人工 合成环境，并在此环境中进行各种灾害演习，将有利于提高处理各种真实灾害的能力。 在我国，从1 9 9 6 年起就有不少专家积极追踪h l a 的发展情况，开展对它的概念研究。到目前为止，已有院 校和科研机构开发出了相应的软件，并在实际的仿真系统中取得了很好的效果。 国防科技大学机电工程与自动化学院查亚兵教授研究了基于h l a 的大数据量数据传输技术，在数据传输 过程中将一些表征性数据通过r t i 传输，并由r t i 控制数据的公布订购，而数据的实际内容则通过普通的 网络层进行传输。 北京航空航天大学刘亚海教授张宏宇博士研究了基于h l a 的防空导弹武器系统仿真平台，以防空导弹武 器系统为背景，基于高级体系结构h l a 技术实现了包含虚拟现实技术的综合仿真平台，研究了基于 f e d e p ( f e d e r a t i o nd e v e l o 明e n t de x e c u t i p r o c e s s ) 模式的开发过程，层次化软件结构、计算机生成 兵力( c g f ，c p u t e rg e n e r a t e df o r c e s ) 技术、面向对象建模以及基于包围盒的碰撞检测等”。 西北工业大学康风举教授研究设计了基于h l a 的鱼雷武器仿真系统，利用姒kr t i 通信支撑环境和 v l l l i n k 开发环境，提出了一种基于h l a 的鱼雷武器分布交互仿真系统设计方法，重点对该联邦的s 删f 删 模型进行了设计，并对系统的时延进行了研究“1 。 ， 东北大学教育部暨辽宁省流程工业综合自动化重点实验室崔建江教授，研究了基于 i l a 和v r 的防空导弹 作战仿真系统，应用分布交互式仿真高层体系结构( m 且) 和虚拟现实技术，结合防空导弹武器系统仿真 背景，研究开发了基于h l a 的分布交互式防空导弹武器作战仿真系统，并对开发过程中的关键技术：三维 实体建模、三维实体模型在虚拟场景中的集成、驱动和显示、h l a 联邦的开发、联邦成员的实现进行了研 究”。 装甲兵工程学院薛青教授研究了基于h l a 的雷达侦察仿真平台，以我军某装甲侦察车为仿真对象的、用 纯软件方法实现的基于h l a r t i 的雷达侦察功能仿真平台。系统由管理与控制、战场观察、目标模拟、雷 达模拟、数据处理等构成，各部分分别作为仿真节点，通过r t i 构成一个分布式的仿真体系结构，可实现 雷达在v r 战场环境中对且标的搜索、跟踪和识别“1 。 2 东南大学硕士学位论文 基于h l a 仿真应用设计过程中主要关注的是s o m f o m 的设计和联邦执行的生命周期的管理，联邦生命周 期的管理包括：l 、仿真执行初始化( 创建联邦执行、联邦成员加入、联邦成员声明发布与定购信息) ；2 、 仿真执行过程中的数据交换( 实体对象注册，发送数据、接收数据、对象删除) ；3 、仿真时间推进；4 、 撤销联邦执行。 在以上仿真系统中，运动仿真实体大部分为刚体，关于有人参与的仿真系统的研究与应用相对较少。 在仿真系统中，描述刚体所需的信息量一般最多6 个自由度值( 包括3 个中心点位置坐标和3 个姿态坐标) ， 由此产生的仿真过程中数据量相对较少。由于人体模型是一个复杂的关节化结构，相对真实的模拟人体运 动需要庞大的数据量。由此产生显著的网络通信负载，大量的人体模型下载需求也会给仿真交互带来严重 影响，影响仿真的实时性和逼真性。因此，研究解决有人参与的分布式仿真交互系统是一个值得研究的课 题，对仿真系统在更广阔的领域应用具有重要意义。 l2 2 分布式环境下虚拟人的研究现状 国外在此方面研究始于上世纪9 0 年代、目前已有多个包括虚拟人的网络虚拟环境系统成果。它们主要 是： ( 1 ) v l n e t 系统 v l n e t ( v i r t u a ll i f en e t _ o r k ，虚拟生命网络) 由瑞士联邦技术研究所( t h es 酊s sf e d e r a l i n s i s t i t u t e o ft e c h n 0 1 0 9 y ，e p f l ) 计算机图形实验室( l i g ) 研究开发的一个网络化虚拟人合成系统。系统支持多个用 户同时加入到共享网络虚拟环境中，这些用户可以与环境或其他用户实时交互，每个用户在虚拟环境中有 一个虚拟人作为其替身参与虚拟环境中的活动，虚拟人与真实人有相似的外表与行为特性，以此支持用户 在虚拟环境中的临场感。v 圳e t 有很好的灵活性。用户从命令行中简单地选取不同v l n e t 的驱动的组合后， 便可以选择不同的方式用多种设备漫游虚拟环境，例如，用f l o c ko fb i r d s 传感器控制虚拟人体的姿态， 用实时视频分析的方法，或从表情菜单中选取的力法，控制虚拟人的脸部表情”1 。 ( 2 ) d v s 系统 英国d i v i s i o nl t d 公司新版本的d v s 采用层次结构构造虚拟人，虚拟人在加入虚拟世界之前，必须将 身体数据文件上载到远程主机，在仿真过程中，所有参加者的身体数据以消息的形式同步发送到远程主机 n ( 3 ) n p s n e t 系统 美国海军研究学院研制的n p s n e t 系统，将虚拟人集成在d i s ( d i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es i 1 a t i o n ) 仿真环境中，系统采用细节分层表示、形体跟踪和动作组技术。n p s n e t 系统提供4 个细节层表示身体，四 个细节豹自由度分别为5 0 、1 9 、1 2 和o 。细节层的选择依赖于人体是否在视锥体内和它距视点的距离，动 画类型的选择取决于细节层的选择。人体上身的动作由固定在手上和头上的跟踪器捕获，下身的动作基于 预先定义好的动作组：起立、跪下、倾斜和爬行。身体姿态数据通过标准d i s 协议数据单元发送，并在接 收端处理，上身关节数据通过d i s 协议数据单元中的空闲字段发送“ 国内在虚拟人研究方面，中国科学院、北京航天航空大学、浙江大学等学校、华中理工大学、南京大 学、哈尔滨工业大学、上海交通大学等科研院所都做了大量的理论研究和实践工作。 北京航天航空大学计算机科学与工程系吴威教授提出在虚拟人仿真中对人体运动部位进行有机划分， 使得那些经常与外界实现交互的身体部位按关节描述，其它部位按行为信息描述，同时运用d r ( d e a d r e c k o n i n g ) 算法来降低维持虚拟人逼真运动所需要的信息传送数量。 南京大学计算机软件新技术国家重点实验室潘金贵教授提出在网络传输时选择不同层次的参数描述虚 拟人的姿势，将人体姿势分为4 种层次不同的表达方式，它们分别为全身位置参数( g 1 0 b a lp o s i t i o n i n g p a r n e t e r s ) 、关节参数( j o i n ta n g l e s ) 、末端感应器位置( e n d e f f e c t - a t r i c s ) 和状态信息( s t a t e i n f o n a t i o n ) 。实现一些高层行为控制方式，并将参数关键帧技术和逆向运动学技术等各种动画技术有 机结合。实现人体运动的复原。 、 上海交通大学计算机集成技术开放实验室张申生教授研究了基于_ e b 的分布式虚拟环境中的智能虚拟 人，在分布式虚拟环境中建立具有智能行为的虚拟人，分析了分布式虚拟环境对智能虚拟人行为的要求， 3 第一章绪论 提出了一种虚拟人的体系结构。着重分析了其在动态环境下面向目标的行为选择和实现方法，并给出其形 式化描述，晟后给出了基于v 删l 的参数化人物动作生成方法，构造了一个基于_ e b 的虚拟城市的导游人物， 取得了很好的效果1 。 1 3 研究内容 论文主要研究内容包括： + l 、研究虚拟人运动仿真中骨骼模型建立、骨骼运动控制、交互控制及建立有利于网络传输的关节分 组模型的方法。 2 、研究提高分布式虚拟环境下人体仿真实时性和逼真性的方法。目前采用的技术手段：( 1 ) 通过采 用h l a 标准仿真通信协议构建高效、可靠的网络底层通信，有效过滤冗余信息：( 2 ) 通过改进人体数据的 装载过程，减少数据装载时间保证仿真交互的实时性；( 3 ) 根据人体运动模式引入掩码控制分组发送关 节数据的方式减少关节数据的重复发送，并采用可伸缩的离散化有损压缩技术在保证仿真质量的前提下有 效压缩网络数据通信量。 3 、参照国内外分布式虚拟环境下人体仿真平台的设计经验，设计出面向中小规模网络环境，具有自 主产权的分布式人体运动仿真平台d v i p 1 a t f o n 。 论文的章节安排如下： 第一章介绍课题的研究背景、目的和意义及研究内容： 第二章系统的介绍了分布式虚拟环境的基本特征、体系结构特点、新一代仿真技术框架h l a 的体系结 构； 第三章介绍虚拟人运动控制的方法： 第四章介绍基于a 的人体运动仿真平台的设计； 第五章介绍系统实验； 第六章总结本文所述人体运动仿真平台的设计，并对分布式人体运动仿真平台的发展做出展望。 4 东南大学硕士学位论文 第二章分布式虚拟环境体系结构研究 2 1 分布式虚拟环境基本特征 分布式虚拟现实技术是虚拟现实技术和网络技术相结合的产物，它建立在先进豹网络平台基础之上。 除具有虚拟现实系统的特征外，还具有如下特征1 ： ( 1 ) 异构性 分布式虚拟环境中的各仿真节点位于不同的物理位置，使用不同的硬件设备、开发环境和运行平台， 构成了运行环境的异构性：此外，由于各节点时钟的不同步，以及网络中固有的传输延迟将导致各节点 对时间观测和理解的不一致，构成时间的异构性；各节点对仿真实体的空间姿态和位置描述方法不同， 对地形及环境数据的表示不同，将导致各节点对空间信息观测和理解的不一致，构成空间的异构性。然 而这些异构的仿真节点却要在同一个虚拟环境中协调一致地完成同一个仿真任务。因此要求系统能克服 分布式虚拟环境中各种异构性，保持共享虚拟环境( 如虚拟战场) 的一致性，以得到正确的仿真结果。 ( 2 ) 交互性 交互性是虚拟现实的重要特征之一，在分布式虚拟环境中，它主要体现在两方面： 一方面是虚拟环境中各仿真实体( 飞机、导弹、坦克等) 与环境( 地形、大气，海洋) 之间，仿真实体 与仿真实体之间、环境和环境之间的交互作用和影响，如实体间的碰撞、开火、交战等：另一方面是人与 虚拟环境中仿真实体和环境的交互作用，即人一机交互，如入可以参与整个或局部仿真过程。另外，多 个用户之间的交互可以由上述两类交互合成。 ( 3 ) 实时性 分布式虚拟现实应用，特别是军事仿真应用对实时性要求较高。对于仿真实体间的交互响应，按 i e e e l 2 7 8 卜3 标准，松耦合实体间的传输延迟不能超过3 0 0 _ s ，紧耦合实体问的传输延迟不能超过1 0 0 m s 。 对于人与环境之闻的交互响应，也要求扶动作发出到图形、声音输出的延迟时问必须达到最小。以满足 实时交互。在分布式虚拟现实系统中，延迟主要由计算延迟和网络传输延迟等因素造成。因此在d v l l 系 统中应采取相应措施尽可能减少时问延迟。 2 2 分布式虚拟环境体系结构设计研究 2 2 1 分布式虚拟环境对体系结构的需求 分布式虚拟环境( d v e ) 是一个复杂而庞大的分布系统，其体系结构是系统的基本框架，它规定了系统的 组成原则，组成部分以及各部分之间的关系。其体系结构的核心问题就是确定系统中不同组成部分( 仿真 节点) 之问互连和通信的方法和结构，它是控制和管理系统各组成成分互连和互操作规则的集合。包括：拓 扑结构、通信协议、数据格式、以及为不同仿真节点之间提供高效通信能力的功能等。总之，分布式虚 拟环境的体系结构是指整个系统的逻辑结构和功能分配。 随着的仿真需求和技术的发展，分布式虚拟环境的结构和功能日趋复杂。为了支持复杂系统仿真具 有分柱性、异构性、实时性和交互性的分布式虚拟环境对体系结构的性能需求主要体现在互操作性、实时 性、可伸缩性、可扩展性和可重用性几个方面。 l 、互操作性 分布式虚拟环境将处于不同地理位置的各个仿真节点通过异构的网络和硬件平台互连，同时集戒多种 开发环境、软件工具和运行平台，包含了各种类型的仿真应用。互操作性就是指在这些异构的仿真节点之 间，仿真应用与仿真应用之间共享和交换数据，并协调一致工作的能力其实质是要求有一种统一、合理 的体系结构、数据表示以及接口关系定义。 5 第二章分布式虚拟环境体系结构研究 从仿真需求的角度，互操作性主要体现在如下两方面： ， ( 1 ) 数据的互操作性。 ， 数据的互操作性是为了使各仿真节点能对其共享和交换的数据有一致的理解，以达到协同工作的目的， 它是实现系统互操作性的核心。其中的数据主要包括实体的状态、空间坐标、时间坐标、交互控制命令、 以及综合环境数据等。通常通过制定统一的数据格式和交换标准来实现数据的互操作性。例如，d i s 协议 就定义了各仿真节点之间数据交换的p 叫格式标准，s e d r i s 定义了综合环境数据的表示和交换规范，h l a 协 议定义了各仿真节点之间标准的联邦执行数据文件( f e d 文件) 结构。 ( 2 ) 软件的互操作性 软件的互操作性是指能够使采用不同的软件开发环境和工具( 如，c + + ，j a v a 等) 以及不同运行环境( 如 i r i x ，i n d s ，l i n u x 等) 的各仿真应用进行互操作。目前常采用的方法一是引入面向对象的思想，将仿 真行为逻辑与通信功能相分离，即将仿真应用分离为支撑环境和应用模型，主要在支撑环境层次上实现互 操作；二是采用通用跨平台的三维图形库( 如o p e n g lp e r f o r _ e r ) 实现三维图形渲染的跨平台性。 2 、实时性 分布式虚拟环境与一般分布式系统的主要区别之一就是它对实时性要求很高，因此在拓扑结构和通信 协议的选择上应充分考虑实时性问题，并采取相应的措施来提高系统的实时性。在d v e 中，影响实时性的 因素主要是网络负荷和计算负荷。 网络负荷：对于一个d v e 系统，最基本的要求就是要时刻保持整个分布式虚拟环境的一致性，包括各仿 真节点实体状态和行为的一致性、事件处理顺序的一致性、时间一致性以及空间一致性，以维护整个系统 的统一。为此各仿真节点以及各仿真实体之间存在着大量的数据通信，形成网络负荷。随着系统规模的增 大，实体数目的增多，网络负荷将迅速增大，导致系统的实时性下降。目前解决的办法主要有两种：a ) 提 高网络硬件配置，扩大网络资源，降低传输延迟：b ) 采用预测技术( d r 算法) 、数据过滤、数据压缩和多播 技术等手段来降低网络带宽的使用。 计算负荷：分布式虚拟环境中涉及到许多复杂的计算，如，三维场景的维护、对实体模型的解算、对 远程实体模型的装载与维护以及支撑系统的计算等等。另外当分布式虚拟环境中动态物体的状态、位置变 化时将引起计算机负载的不平衡。这些都可能导致系统的实时性降低。目前采取的解决办法除了提高硬件 平台的计算速度、内存容量和选择实时性高的软件支撑平台外，主要采用基于不同细节等级( l o d ) 的场景 渲染技术、并行计算、负载平衡算法等措施来降低计算负荷，提高实时性。 3 、可伸缩性 在分布式虚拟环境中，随着系统规模的增大，实体数目的曾多，网络负荷和计算负荷将迅速增长，当 它们超过网络资源和计算资源所能承受的极限时，将造成网络拥塞、计算停滞使系统无法正常工作。虽 然当前飞速发展的计算机和计算机网络技术能够提供更好的网络资源和计算资源，但与d v e 系统的需求相 比还是远远不够的。d v e 系统的可伸缩性是指系统能在有限的资源基础上，支持尽可能多的实体数，充分 利用给定的资源，且随着系统规模的扩大，系统的运行性能不是显著降低，而是尽量保持不变或线性缓慢 下降“”一般认为伸缩性主要涉及到计算负荷在计算资源中的合理分配和网络负荷在网络资源中的合理分 配。 4 、可扩展性 系统的可扩展性主要侧重于系统的开放性、功能可扩充性以及对异构平台的兼容。d v e 系统要求体系结 构能够保证有足够的灵活性，及时适应运行中主机数量和网络拓扑结构的变化，且易于扩充系统的功能， 兼容各种异构运行环境。 目前从软件结构上，通常采用面向对象的方法和基于组件( c p o n e n t s ) 的程序设计技术( 如，c o r b a d c 伽) “”来实现系统的灵活性和可扩展性；采用a g e n t 技术来实现对系统的主动管理和系统负载的动态分配 。；使用与平台无关或跨平台的程序设计技术( 如j a v a 、c + + 等) 及三维图形开发包( 如o p e n g l 、o p e n g l p e r f o r m e r 等) 来实现对各种软件平台的兼容。 5 、可重用性 可重用性通常指软件的复用，就是将己有的软件成分用于构造新的软件系统，以降低系统的开发周期 和开发成本。在分布式虚拟环境中系统的可重用性主要体现在如下几个方面： 6 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 数据的可重用 在分布式虚拟环境中要用到大量数据，如综合环境的描述数据，实体特征数据等等。一般采用统一的 数据格式和交换标准来实现数据的可重用。 ( 2 ) 程序代码的可重用 程序代码的重用包括目标代码和源代码的重用，但这两种重用方式由于受运行环境的限制，重用的范 围有限。近年来出现的可重用构件( r e u s a b l ec p o n e n t ) 技术，既支持在源程序级定义构件并用以构造新 的系统，又使这些构件在目标代码级上仍然是一些独立的可复用构件，能够在运行时被灵活的重新组合为 各种不同的应用。软件构件可以有多种风格，最典型的有： d y n 口i cl i n kl i b r a r i e s ( 动态链接库d l l s ) v i s u a lb a s i ce x t e n s i o n s ( v b x s ) 0 l ec o n t r 0 1e x t e n s i o n s ( o c x s ) ( 3 ) 部件和模型的重用 在d v e 系统中，存在许多模型，包括实体的三维显示模型、实体的动力学模型、实体的各个部件模型等， 开发这些模型需要花费大量的时间和经费，因此应尽量加以重用。通常的方法时采用统一的模型描述和表 示方法来达到这一目的。如h l a 中定义的对象模型模板。岍就是一个典型例子 ( 4 ) 仿真部件的重用 除了数据、程序、模型可重用外，有时整个仿真应用组件都可重用，这是比前几种重用更高层次的重 用。此外，仿真系统开发过程中任何阶段的成品都可重用，如项目规划、需求定义、分析模型、设计模型、 详细说明、测试用例等。 2 2 2 典型的分布式虚拟环境体系结构 应用于分布式虚拟环境中的网络体系结构主要有三种，分别为分布对等型、客户机服务器型和层次化 结构型。 。 在分布对等( p e e r t o - p e e r ) 结构中，各主机节点之问的关系是对等的，没有明显的主从关系，如图2 1 所示。系统中每个对等节点都维护着一个共享虚拟环境及所有实体数据库的拷贝并负责计算本地仿真实 体的行为，接收和处理远程实体的状态更新，实时刷新场景显示。当本地实体状态变化时，须向所有远程 节点广播该状态的变化。各节点之间的通信方式以广播( b r o a d c a s t ) 为主。采用对等型结构的典型实例有 美国军方开发的s i 洲e t 系统和美国n p s ( n a v a lp o s t f a d u a t es c h 0 0 1 ) 计算机系开发的n p s n e t 系统。这种结 构的优点是没有中心节点因而具有较好的可靠性和可伸缩性。缺点是维护虚拟环境一致性的复杂度高， 其规模也有问题，当节点数目n 增加时，网络上数据的传输量以n 2 级数增长。 在客户机服务器( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 结构中，各主机节点之间不直接通信，所有的交互信息都通过 中心服务器转发。客户机与服务器之问是主从关系，如图2 2 所示。中心服务器负责接收、处理、存储、 发送与客户机之间的信息，而客户机负责解释信息并显示，这种结构可以有效地保证虚拟环境的一致性， 但是随着客户机数目的增多，中心服务器将成为系统的性能瓶颈。可伸缩性较差。因此这种结构很少被使 用。 7 第二章分布式虚拟环境体系结构研究 终端终端终端终端 图2 1 分布对等( p e e r t o - p e e r ) 型体系结构图2 2 客户机服务器( c l i e n t s e e v e r ) 型体系结构 层次化结构( h i e r a r c h y ) 结合了分布对等型和客户机服务器型结构的特点，下面以两层结构为例说明。 将各节点主机分为多个组，每一组由一个服务器来管理，组内为客户机服务器结构，各个服务器之问可 以是对等型结构也可以仍然是客户机服务器型结构，如图2 3 所示。这种结构避免了单一服务器的性能瓶 颈问题，分散了系统的管理和一致性维护功能，是一种比较好的结构。采用这种结构的典型实例有p r t i 、 姒kr t i 等。 终端 终端 终端 图2 3 层次化( h i e r ”c h y ) 体系结构 与前两种结构相比，层次化结构具有可靠性高、全局一致性维护比分布对等型容易的优点。基于m 的分布式人体运动仿真平台采用此结构。 8 东南大学硕士学位论文 2 2 3 分布式虚拟环境中的网络通信机制 l 、分布式虚拟环境对通信机制的要求 分布式虚拟环境建立在计算机网络的基础之上，随着仿真需求的不断提高，与网络通信机制有关的问 题直接影响着系统的仿真性能和分布式虚拟环境技术的应用前景。根据当前计算机网络技术的现状( 主要 是传输速度) 和分布交互仿真对数据通信的特殊要求，分布虚拟环境对网络数据传输提出了较高的要求， 具体体现在实时、可靠和高效三个方面。 ( 1 ) 数据传输的实时性 实时性主要指当系统中有大量数据传输时，数据的传输延迟必须在一定的时间范围内，使得仿真应用 的推进与真实时间的推进同步。当然还要具体情况具体分析，并不是所有的仿真系统都要求实时传输。在 d i s 系统中由于有人或实时仿真器参与仿真，这时对仿真的关键数据必须实时传输；而在h l a 系统中，既包 含连续动力学仿真、又包含离散事件仿真，因此网络通信还必须适应非实时仿真的控制需要。本文认为较 为合理的解决方法是对不同的传输需求提供不同的传输服务，合理分配网络带宽，充分利用网络资源。 ( 2 ) 数据传输的可靠性 数据传输的可靠性是指在数据传输服务中，数据传输中错误的数量和类型是应用程序所能接受的。可 靠性传输服务需要特定的机制来保证对数据传输的错误、重复、丢失和顺序改变等错误做出检测和补偿。 数据传输的可靠性和实时性始终是一对矛盾，为了追求可靠性，必然要牺牲实时性：为了提高实时性，必 然要影响到可靠性。在分布式虚拟环境中，对数据传输可靠性的要求也因不同情况而不同，例如对于实体 的状态数据，偶尔丢失一两个数据不会对仿真结果产生影响：但对于一些关键数据( 如开火或爆炸消息) ， 如果丢失则会导致错误的仿真结果。 在网络中有两种服务类型来提供可靠的和不可靠的数据传输服务，具体如下： 面向连接的服务 面向连接的服务在数据传输之前首先要在发送端和接收端之间建立连接，当接收方收到数据后，即发 回一个确认，发送方如果在给定时间内没有收到确认，则重发此数据。面向连接的服务就是靠建立连接、 确认、重发等机制来保证数据被正确、不重复、按序地传输，因此它是一种可靠的数据传输服务。但在可 靠的同时它也带来了较大的传输时延。 无连接服务 在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要事先建立好一个连接，在传输过程中也不需要确 认和排序。它不能防止数据的丢失、重复或失序，因此提供的是一种不可靠的服务。它的特点是简单、灵 活、传输时延小和传输效率高。 ( 3 ) 数据传输的高效性 分布式虚拟环境中，除要求数据传输的实时性和可靠性外，还要求数据传输的高效性，即尽量减少不 必要数据的传输，充分利用现有的网络带宽资源。提高传输效率的主要方法是定向发送。在网络中，主要 有兰种数据通信方式：单播、广播和多播。在分布式虚拟环境中，也要根据系统的需求来选择不同的数据 通信方式。 2 、网络协议和通信方式 网络协议是计算机网络中不同计算机系统之间通信所必须遵守的规则、标准和约定，它由语法、语义 和时序三个要素组成。语法定义了数据与控制信息的结构或格式；语义定义了发送者或接收者所要完成的 操作，例如，在何种条件下数据必须重发或丢弃；而时序则给出了事件顺序的详细说明“。若网络协议选 择不当，不仅不能达到高效通信的目的，而且会造成系统资源不必要的浪费。选择适当的网络协议有助于 分布式虚拟环境中的各仿真应用程序之间进行高实时性，高效率的通信。 在单播方式下，发送节点一次只将信息发送给单个特定的节点。这种方式对接收节点来说具有最高的 效率，不会收到无关数据。但对发送节点来说则具有较低的效率，因为发送节点必须为每一个接收节点发 送一次。当接收节点较多发送效率尤其低。 在广播方式下，发送节点一次将信息发送给网络中所有的节点。这种方式对发送节点来说具有最高的 效率。但对接收节点来说具有较低的效率，因为接收节点会收到大量无关信息，从而增加接收节点的计算 9 第二章分布式虚拟环境体系结构研究 处理开销，同时也给网络造成不必要的负担。但是广播方式由于实现简单，因此被广泛采用，并成为了d i s 协议的标准通信方式。一般情况下，广播方式被局限在单个局域网范围内。 多播方式集中了单播和广播方式的优点，弥补了它们的不足。在多播方式下，发送节点一次将信息发 送给需要该信息的一组节点，它对发送节点和接收节点来说都具有最高效率，是解决分布式虚拟环境中的 计算瓶颈和网络瓶颈的重要途径之一。目前主流的分布式仿真运行支撑框架，如p r t i 、m a k r t i 都采用这 种方式。 2 3 基于先进仿真技术框架i a 的体系结构 h l a ( h i g hl e v e la r c h i t e c t u r e ) 是1 9 9 6 年8 月由美国国防部( d