（通信与信息系统专业论文）基于hla的分布式虚拟现实数据分发管理的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 2 0 世纪6 0 年代后期，虚拟现实技术作为一项新技术引起了国内外的重视，它 提供给人们更自然、更真实的交互手段，在军事、医学、教育等各个领域被广泛 应用，正改变人类的生活和工作方式。，分布式虚拟现实作为虚拟现实技术的一个 重要分支，国内外许多研究机构对其进行了研究与开发。分布式虚拟现实具有用 户量及数据量大、实时性要求高、环境复杂等特点，随着分布式虚拟现实系统应 用的不断扩大，导致其产生很多问题，特别是系统中的数据分发管理的问题表现 尤为突出，严重影响分布式虚拟现实系统的实时性及扩展性。 高层体系结构h l a ( h i g hl e v e la r c h i t e c t u r e ) 具有互操作、可重用和可扩展性， 并支持各类仿真应用之间的互操作，屏蔽了不同系统之间的异构性。一方面，可 以解决分布式虚拟现实系统中异构互操作困难的问题；另一方面，在h l a 中提供 的声明管理服务与数据分发管理d d m ( d a t ad i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n t ) 服务，为分 布式虚拟现实系统中的数据分发管理的问题提供了很好的解决的平台。 本文重点针对分布式虚拟现实系统中数据分发管理的问题，基于h l a 的基础 上从以下两个方面进行了研究： 首先，本文对数据分发管理中的基于区域d d m 算法、基于网格d d m 算法、基 于简单混合的d d m 算法等相关d d m 算法进行了深入研究与分析，提出了基于动态 双层网格的混合d d m 算法。该算法采用两层网格对无用数据进行过滤，利用基于 区域的d d m 算法来排除网格匹配时存在的虚假连接，解决d d m 算法中数据过滤率 低、组播地址浪费等问题。通过仿真实验，与现有算法进行比较，最后验证了改 进算法具有较好性能，有效降低了系统中无用数据的发送，提高了系统中数据的 发送与接收效率，节省了传输资源。 其次，本文详细分析了h l a 中对象实例属性更新的基本过程，为了保证分布 式虚拟现实系统的实时性，系统中发送方通常以较高的频率来更新实体的状态信 息，占用了大量的网络带宽资源。本文在仿真精度和网络带宽之间折中考虑，在 对象实例属性更新中引入预测模型，在满足系统一定仿真精度的前提下，以较低 的更新频率来发送实体状态的更新信息。仿真结果表明通过引入预测模型能够减 少网络中传输的实体状态信息数据量，节省网络中的网络带宽资源。 关键字：分布式虚拟现实，高层体系结构，声明管理，数据分发管理，预测模型 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a san e wt e c h n o l o g y , v i r t u a lr e a l i t y ( v r ) h a sb e e np a j da t t e n t i o na th o m ea n d a b r o a di nt h el a t e19 6 0 s ，w h i c hm a k e sp e o p l ei n t e r a c t 丽me a c ho t h e rm o r en a t u r a l l y a n dt r u l y v ri sw i d e l yu s e di nt h em i l i t a r y , m e d i c i n e , e d u c a t i o n , a n ds oo n , a n d p e r s o n s w o r k i n ga n dl i v i n gi sc h a n g i n g a sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fv i t , d i s t r i b u t e d v i r t u a lr e a l i t y ( d v r ) i sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e db ym a n yd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l i n s t i t u t e s a sd v r s y s t e me x p a n d sc o n t i n u a l l y , d v rh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s h u g ea m o u n to fu s e r s ，h u g ev o l u m e so fd a t a , h i g l ld e m a n df o rr e a l - t i m e ，c o m p l e x e n v i r o n m e n t a n ds oo n , w h i c hm a k el o t so fp r o b l e m sg e n e r a t e d a t ad i s t r i b u t i o n m a n a g e m e n t i st h em o s to b v i o u s ，w h i c hs e r i o u s l ya f f e c t st h er e a l - t i m ea n ds e a l a b i l i t yi n d v rs y s t e m h i g hl e v e la r c h i t e c t u r em l a ) i si n t e r o p e r a b l e ，r e u s a b l ea n ds c a l a b l e ，w h i c hc a n s u p p l yt h ei n t e r o p e r a b i l i t yo fv a r i o u st y p e so fs i m u l m i o ns y s t e m sa n ds h i e l dt h e h e t e r o g e n e i t yo fd i f f e r e n ts y s t e m s o nt h eo n eh a n d ，h l ac a no v e r c o m et h ed i f f i c u l t y o fh e t e r o g e n e o u s i n t e r o p e r a b i l i t y i nd v rs y s t e m ；o nt h eo t h e rh a n d ，d e c l a r e m a n a g e m e n t ( d m ) a n dd a t ad i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n t ( d d m ) s u p p l i e db yh l a c a n p r o v i d eag o o dp l a t f o r m t os o l v ed a t ad i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ti nd v r s y s t e m p r i m a r i l ya i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh u g ed a t aa n dt h ed e m a n df o rr e a l t i m ei n d v r , t h ep a p e rs t u d i e st w oa s p e c t sb a s e do nh l a f k s t l y ，t h i sp a p e rs t u d i e sa n da n a l y z e st h er e g i o n _ _ b a s e d ，g r i d b a s e da n ds i m p l e h y b r i d _ b a s e dd d ma l g o r i t h me ta l ，a n dp r e s e n t sd y n a m i cb i g r i d b a s e dh y b r i d d d m i td i v i d e sd y n a m i c a l l yi n t ot w ol e v e l sg a df o rf i l t e r i n g ，t h e nu t i l i z e s g e g i o n _ b a s e dd d ma l g o r i t h mt oe x c l u d ef a l s ec o n n e c t i o n s t h i sa l g o r i t h mi st os o l v e t h ei s s u e so ft h el o wd a t af i l t e r i n gr a t ea n dm u l t i c a s ta d d r e s sw a s t i n gi nd d m a l g o r i t h m c o m p a r e d 诚mt h ee x i s t i n ga l g o r i t h m s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m c a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h eu s e l e s sd a t as e n d i n g ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd a t as e n d i n g a n dr e c e i v i n g ，a n ds a v et h et r a n s m i s s i o nr e s o u r c e s e c o n d l y , t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep r o c e s so fu p d a t i n gt h ep r o p e r t i e so fo b j e c t i n s t a n c ei nh l a i no r d e rt oe n s u r et h er e a l - t i m ep r o p e r t yo fd v r , t h es e n d e r su s u a l l y u p d a t et h ee n t i t y ss t a t ei n f o r m a t i o na tah i 曲f f e q u e n c y s ol o t so fn e t w o r kr e s o u r c ei s o c c u p i e d t oc o n s i d e rt h es i m u l a t i o na c c u r a c ya n dn e t w o r kb a n d w i d t h , t h i sp a p e r i i 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t p r e s e n t sap r e d i c t i o nm o d e l ，w h i c hi st or e d u c et h eu p d a t ef r e q u e n c ya b o u to b j e c t i n s t a n c ea t t r i b u t e s t h er e s u l t ss h o wt h a tp r e d i c tm o d e lr e d u c e st h en u m b e ro fe n t i t y s s t a t em e s s a g e ，a n ds a v e st h en e t w o r kb a n d w i d t h k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dv i r t u a lr e a l i t y ( d v r ) ，h i 曲l e v e la r c h i t e c t u r e ( h l a ) ， d a t ad i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n t ( d d m ) ，d e c l a r e m a n a g e m e n t ( d m ) ，p r e d i c t i o nm o d e l i i i 重庆邮电大学硕士论文 插图与附表清单 插图与附表清单 图1 1h l a 仿真的逻辑结构5 图1 2 基于h l a 的d v r 系统的逻辑结构7 图1 3 论文研究思路j 1 0 图2 1 限域中范围的标准化方法1 5 图2 2d d m 实现过程1 6 图3 1 基于区域的过滤机制2 l 图3 2 基于网格的过滤机制2 3 图3 3 组播组重用2 5 图3 4 简单混合的d d m 算法2 7 图3 5 基于动态双层网格的混合d d m 算法原理示意图2 8 图3 6 基于动态双层网格的混合d d m 算法流程图。3 0 图3 7 场景1 成员随机分布图3 2 图3 8 场景1 区域分布图3 2 图3 9 场景2 成员随机分布图，。3 2 图3 1 0 场景2 成员区域分布图3 2 图3 1 1 网格数目为2 2 区域映射情况3 3 图3 1 2 组播组数目分配情况3 4 图3 1 3 传输的数据总量3 6 图4 1 对象实例更新3 8 图4 2 预测模型原理一4 0 图4 3 兴趣区域划分4 2 图4 4 三样条平滑处理效果图4 3 图4 5 更新实体的预测模型流程图4 5 图4 6 接收实体中的预测模型。4 7 图4 7 节点a 预测轨迹与实际轨迹比较图4 8 图4 8 多阈值预测模型与单阈值的网络负载比较4 9 表1 1 国内外i 盯i 软件6 表2 1 声明管理服务13 表2 2 数据分发管理服务1 7 表3 1 图3 2 中更新区域u 1 ，u 2 与订购区域s 1 之间关系2 3 v i 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 2 0 世纪6 0 年代后，虚拟现实技术v r ( x r m u a lr e a l i t y ) 作为一项新技术引起人们 的重视，该技术涉及计算机图形学、人机交互技术、计算机网络、人工智能等领 域。美国某著名杂志在评选影响未来科技水平十大因素时，v r 排在第二，仅次于 互联网技术。目前研究成果和发展趋势表明：v r 和网络这两项技术将对未来信息 社会产生重要影响，并最终改变人类的生活和工作方式。随着计算机和通信技术 的飞速发展，人类正向高度信息化的社会迈进，v r 在这个过程起着非常重要作用， 并有报道指出与虚拟现实结合是物联网应用的生命力所在l l j 。 虚拟现实技术【2 l 是众多技术和研究领域的更高层次集成和渗透，是计算机图 形学技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、计算机网络、网络并行 处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系 统。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，它能给用户以更逼真的体验，用户 就好像真的处在计算机生成的世界里，无论听到的、看到的、还是感受到的，都 像是在真实世界里一样的，并且用户还可以用完全自然的方式向计算机发出命令。 综上所述，虚拟现实技术v r f ”是以计算机技术为核心的现代高新技术，可以 生成逼真的视觉、听觉、触觉的特定范围内的虚拟环境，用户可借助必要的设备， 以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同 真实环境的感受和体验。v r 具有的三个突出特征( 3 i ) ：沉浸性( i m m e r s i o n ) 、交 互性( i n t e r a c t i v i t y ) 、想象性( i m a g i n a t i o n ) 。 如今，v r 已广泛应用于娱乐、教育、军事、航空、医学、商业等众多领域。 随着i n t e m e t 的快速发展，虚拟现实的概念和技术也逐渐演化，分布式虚拟现实d v r ( d i s t r i b u t e dv i r t u a lr e a l i t y ) 是虚拟现实技术的重要分支之一。由于分布式虚拟环 境与现实世界皆以三维空间为存在的基础，因此，随着计算机技术和三维图形技 术、网络通信技术的发展，以及传统虚拟现实技术和i n t e m e t 技术的融合，d v r 将 成为最基本的、最主要的虚拟世界存在模式。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 2 研究意义 d v r 系统应用领域广泛，在军事、远程教育、科学计算可视化、工程技术、 建筑、电子商务、交互式娱乐、艺术等领域都有着极其广泛的应用前景。利用它 可以创建多媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区全 新的应用系统。典型的应用领域有： 教育应用：可以把d v r 系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子 结构显示等领域，由于场景更加逼真，大大提高了人们的想象力，激发了受教育 者的学习兴趣，学习效果也十分显著。同时，随着计算机技术、心理学、教育学 等多种学科的相互结合、促进和发展，因此系统能够提供更加协调的人机对话方 式。 工程应用：当前的工程很大程度上要依赖于图形工具，以便直观地显示各种 产品，目前，c a d c a m 已经成为机械、建筑等领域必不可少的软件工具。d v r 系统的应用将使工程人员能通过全球网或局域网按协作方式进行三维模型的设 计、交流和发布，从而迸一步提高生产效率并削减成本。 商业应用：对于那些期望与顾客建立直接联系的公司，尤其是那些在他们的 主页上向客户发送电子广告的公司，i n t e m e t 具有特别的吸引力。d v r 系统的应用 有可能大幅度改善顾客购买商品的经历。例如，顾客可以访问虚拟世界中的商店， 在那里挑选商品，然后通过i n t e m e t 办理付款手续，商店则及时把商品送到顾客手 中。 一 娱乐应用：娱乐领域是d v r 系统的一个重要应用领域。它能够提供更为逼真 的虚拟环境，从而使人们能够享受其中的乐趣，带来更好的娱乐感觉。 1 2 分布式虚拟现实概述 d v r e 4 y , 称为分布式虚拟环境、网络化虚拟现实、多用户虚拟环境，通过网络 将分布在不同地域的虚拟现实系统联接起来，每个用户通过各种交互设备可以进 行自然的入机或人人之间的交互及协作，共同完成特定的任务。简单的说，d v r 是一个支持多系统实时通信的系统，用户可以在其提供的虚拟环境中通过计算机 与其他用户进行互操作，并且共享彼此的信息。 为了支持远程异构环境下d v r 的研究与开发，分布式交互仿真技术为其提供 了底层的支撑结构，为不同地域的虚拟现实系统的远程控制、通讯等互操作起到 了很好的桥梁作用，更有利于各个虚拟现实系统之间中数据的采集、管理、分析 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 等，真正的打破空间地域的限制，具有良好的时空一致性，实现真正意义上的通 1 吾o 1 2 1 分布式虚拟现实数据特点 在d v r 中，为了给每个用户提供真实逼真的虚拟环境，主要采用基于图像、 基于几何模型、基于图形和图像混合建模三种构建方式来构建三维逼真的场景， 系统规模大，数据对象数量种类多，系统中实体与实体之间的频繁互操作，用户 与用户之间传递的数据复杂多样，甚至同一类型的数据对象可能多种格式。在系 统数据的定义过程中，也可能采用多种不同的标准，这也使得d v r 系统中数据的 管理成为一大难点。 1 2 2 分布式虚拟现实的发展 d v r 作为虚拟现实技术的一个重要分支，一直以来都受到国内外的重视。特 别是在从9 0 年代开始，d v r 得到了较大的发展和广泛的应用，出现了一系列工具， 其中典型系统有：美国弗吉尼亚大学的d i v e r 系统以及英国d i v i s i o n 公司的 d v s ( d i s t r i b u t i o nv i i t l l a l e n v i r o n m e n ts y s t e m ) 软件；加拿大a l b e r t 大学的m r ( m i n i m a lr e a l i t yt o o l k i t ) - 1 - 具库；瑞典计算机科学研究所的d i v e ( d i s t r i b u t e d i n t e r a c t i v e v i r t u a l e n v i r o n m e n t ) ；美国海军研究院开发的n p s n e t f n a v a l p o s t g r a d u a t es c h o o ln e t ) ；英国n o t t i n g h a m 大学的a v i a r y ( ag e n e r i cx r m u a lr e a l i t y i n t e r f a c ef o rr e a la p p l i c a t i o n s ) ；新加坡国立大学的b r i c k n e t n e t e f f e c t 。 我国在虚拟现实技术领域起步晚，特别是d v r ( 在d v r 方面的研究工作于上 个世纪9 0 年代初开始) 与国际先进水平存在一定的差距，但是我国虚拟现实技术 研究一直都受到国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情制定了 开展虚拟现实技术的研究计划。国务院及科技部发表的国家中长期科学和技术 发展规划纲要中重点安排了8 个技术领域的2 7 项前沿技术，而虚拟现实技术在规 划中成为2 7 项前沿技术中的第八项，被认为信息技术在未来可持续发展的重要组 成部分。 我国在充分吸取国际先进技术的基础上，深入开展虚拟现实的研究与开发， 其中在国家8 6 3 计划、国家9 7 3 计划、总装备部预研计划以及北京航天航空大学2 l l 工程和9 8 5 工程的支持下，研究开发了d v r 应用 统d v e n e t i 3 l ( d i s t r i b u t e dv i r t u a l e n v i r o n m e n tn e t w o r k i n g ) 开发与运行支撑环境，可以全过程、全周期支持虚拟现 实应用系统的开发，并稳定、可靠地支持较大规模跨路由分布交互仿真和d v r 应 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 用系统的运行；国防科学技术大学开发了d v r 开发工具。 如今，国内外在对d v r 系统的建设中，主要参考分布交互仿真领域的两个i e e e 标准19 9 3 年颁布的i e e ed i s t 5 1 6 1 ( i e e es t d12 7 8 i e e es t a n d a r df o rd i s t r i b u t e d i n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ，d i s ) 标准和2 0 0 0 年颁布的i e e eh l a ( i e e es t d1516 一i e e e s t a n d a r df o rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ( m & s ) h i 曲l e v e la r c h i t e c t u r e ，h l a ) 标准 【7 】【8 】【9 】。随着d i s 的逐渐应用，也暴露出了其自身无法克服的弱点，主要有以下几 个：首先，d i s 标准只支持同类功能的仿真应用，而且只有有限的互操作性，不能 满足日益复杂的d v r 的要求，影响了d v r 系统发展；其次，d i s 仅采用广播通信 模式，使得应用程序被动地接收所有交互的数据，其中很可能含有大量应用程序 并不关心的无用数据，而且随着仿真规模的扩大这些无用消息也成正比增加，影 响了d v r 系统规模的扩展性及功能的扩充性。正因为此，1 9 9 5 年美国国防部为保 证国防部范围内的各种仿真应用之间的互操作性，建立了一通用仿真技术框架。 该技术框架的核心是高层体系结构h l a ( h i g l ll e v e la r c h i t e c t u r e ) u j ，并于2 0 0 0 年9 月被i e e e 接受为推荐标准，逐渐取代d i s 成为新的d v r 标准。 h l a 具有互操作、可重用和可扩展性，并支持各类仿真应用之间的互操作， 屏蔽了不同系统之间的异构性。针对d i s 中仅提供广播通信模式，h l a 提供广播、 组播、点对点等多种通信模式，使用户之间的通信方式更加灵活。另外，在h l a 中定义了6 大服务【8 l ( 联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、数据分发管 理、时间管理) ，但仅只定义了r t i 的服务功能，并没有定义或推荐一种具体的实 现方法，这样就给研究者很大的研究开发空间。 更值得一提的是，为了有效的减少网络中无用信息的传输，提高网络带宽的 利用率，h l a 提供了两种数据过滤方式，它们分别在类层次和实例层次上定义了 系统中数据分发管理的机制。联邦运行支撑环境r t i 中类层次的过滤机制由声明管 理d m ( d e c l a r em 锄a g e m e n t ) 服务实现，而实例层次的过滤机制则由数据分发管理 d d m ( d a t ad i s t r i b u t e dm a n a g e m e n t ) 服务实现。本文第二章将详细介绍声明管理服 务与数据分发管理服务原理及相关其实现过程。 1 3 高层体系结构 玎l a h l a 是美国国防部d o d ( t h eu s d e p a r t m e n to f d e f e n s e ) 发布的建模与仿真大 纲( d o dm & s m a s t e rp l a n ) 第一个目标开发建模和仿真通用技术框架中的首 要内容，其主要目的是促进仿真应用的互操作性和仿真资源的可重用性。 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 1 玎，一a 主要特点 h l a _ 主要特点【1 川是通过提供通用的、相对独立的支撑服务程序，将应用同底 层支撑环境分离，即将具体的仿真功能实现、仿真运行管理和底层通信三者分开， 隐蔽各自的实现细节。h l a 不仅方便了联邦成员的互操作，而且还向联邦成员提 供了灵活的仿真框架。在h l a 框架下，一个典型的仿真联邦的逻辑结构如图1 1 所 不。 联邦成员1联邦成员2联邦成员r l r t i 接口规范r t i 接口规范r t i 接口规范 嚣嚣嚣 运行支撑环境r t i ( 六大服务) 联邦管理服务。声明管理服务，对象管理服务， 时间管理服务，所有权服务，数据分发管理服务 底层通信支撑系统( 网络通信或共享内存方式等) 图i 1h l a 仿真的逻辑结构 h l a 本身并不能完全实现互操作，它只是定义了实现联邦成员互操作的体系 结构和机制，它的主要思想是采用面向对象的方法来设计、开发和实现仿真系统 的对象模型，以获得仿真联邦的高层次的互操作和重用。 1 3 2h l a 的组成 h l a 规范【1 0 】主要由三部分组成：i - i l a 规则【7 1 ( h l ar u l e s ) ，h l a 接口规范【明 ( h l ai n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) 、h l a 对象模型模板o m t 删( h l ao b j e c tm o d e i t e m p l a t e ) 。h l a 规则【6 】主要定义了在进行联邦开发时应该遵守的规则，主要包括联 邦规则及联邦成员规则。h l a 接口规范是h l a 关键组成部分，它定义了在联邦执 行时，为实现联邦成员之间的互操作所提供的六大服务。h l ao m t l 9 是用来规范 联邦及其中的每一个联邦成员需要交换的数据及相关信息的描述，是实现互操作 和重用的重要机制之一。为了促进仿真系统间的互操作和仿真部件的重用，o m t 定义了仿真联邦的联邦对象模型f o m ( f e d e r a t i o no b j e c tm o d e l ) 和联邦成员的成 员对象模型s o m ( s i m u l a t i o no b j e c tm o d e l ) 。其中f o m 建立了联邦成员间互操作所 必须的“信息模型协议 ，定义了联邦中参与联邦成员信息交换的对象类、对象类 属性，交互类、交互类参数的特性。而s o m 则描述了联邦成员可以对外公布或需 5 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 要订购的对象类、对象类属性、交互类、交互类参数的特性。 1 3 3 联邦运行支撑环境r t i 联邦运行支撑环境r t i t l 0 1 ( r u n t i m ei n f r a s t r u c t u r e ) 是h l a 接口规范的具体实 现，是h l a 仿真应用程序设计和运行的基础，它按照h l a 接口规范开发软件系统， 它能为仿真应用提供通用的、相对独立的支撑服务，其功能主要如下： 具体实现了h l a 接口规范。为了实现联邦中各个联邦成员之间的高效信息 交换，h l a 定义了各种标准服务和接口，而r t i 将这些接口服务转换成标准的r t i a p i 函数，使得基于h l a 的仿真开发成为可能。 为仿真应用提供了仿真管理功能。因此在联邦的设计中，开发成员只需实 现仿真的具体功能，而仿真运行管理则由r t i 来完成。 提供了底层通信的传输服务，屏蔽了网络通信程序实现的复杂性，开发人 员很容易实现数据的发送和接收，从而降低了分布式交互仿真程序设计的复杂程 度。而且这种传输机制允许各个联邦成员进行不同等级的数据过滤，可以极大地 减少网络数据流量，提高仿真系统的运行速度。 它是仿真功能、仿真运行管理与底层通信传输三者分离的基础，它使仿真 系统有较好的可扩充性，便于实现仿真系统中各个组成部分的“即插即用 ，因此 各个组成部分的编程实现可以相对独立地进行，很适合团队开发。 自从2 0 0 0 年颁布i e e eh l a 标准以来，国内外许多高校和研究机构都对h l a 进 行了研究，并将其研究成果运用到r n 软件中，因此出现了多种版本的r t i 。如表 1 1 所示： 表1 1 国内外i 汀i 软件 国外机构国内机构 r t i s 美国国防部 k d r t i 国防科技大学机电学院 d m s or t l l 3 美国国肪部 s t a r t l i n k国防科技大学计算机学院 p r t i瑞典p i t c h 公司 a s t r t i 北京航空航天大学计算机学院 m a k r t i美国m a k 公司b h r t i 北京航空航天大学计算机学院 目前这些r t i 软件普遍存在着一些不足，主要表现在数据过滤机制方面。针对 分布式交互仿真中无用数据的传输，为了进一步减少大规模系统中实体接收冗余 信息的可能性，提高网络带宽的利用率及系统的可扩展性，目前对数据分发机制 的研究主要在是数据过滤率、计算复杂度、组播地址利用率等几个方面，并且如 何提高数据分发管理的高效性也一直是研究者们所追求的目标。 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3 4 基于m a 的分布式虚拟现实系统 在1 2 1 节、1 2 2 节中了解到在d v r 系统具有海量数据，数据对象的规模也很 大，而且这些数据广泛的分布于广域网络的各个节点上，系统中实体之间的联系 和交互是千丝万缕的，涉及大量数据、事件、信息的传递，同时传递无关数据的 成本是很高的。假如主机接收到大量数据，而这些数据中又包含大量无关数据， 那么主机在接收、读取这些数据时会浪费大量的时间和资源。进一步讲，发送无 关数据会增加发送数据主机的负担和网络的负担。相关研究t 1 1 数据统计结果表明 在大规模d v r 系统中，网络上传输的数据7 0 8 0 是仿真实体状态信息包，而且 其中占有9 0 以上的数据是与本地仿真应用程序无关的，故无用信息的传输严重的 影响了d v r 系统的互操作性和扩展性。 联邦成员l 虚拟现实系统 信息过渡及管理模块 r t i 接口模块 联邦成员n 虚拟现实系统 信息过渡及管理模块 r t i 接口模块 运行支撑框架( r t i ) 底层通信机制 图1 2 基于h l a 的d v r 系统的逻辑结构 图1 2 为基于h l a 的d v r 系统的逻辑结构，充分的展示了h l a 的特点，为d v r 系统的开发提供了方便，使用户可以相互独立的进行虚拟现实系统开发。从图1 2 可以看到，阳二a 提供了联邦成员之间互访的r t i 接口模块，联邦成员通过接口模块 与r t i 交互，这些接口模块的定义按照i e e e1 5 1 6 2 ，其定义了联邦成员之间应该怎 样与r t i 进行交互。而信息过渡与管理模块是将虚拟现实中存在的对象类、交互类 等信息转换为r t i 所能支持的，通过运行支撑框架来实现虚拟现实系统之间数据分 发管理以及时空的一致性等。 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 4 国内外研究现状 通过了解国内外相关研究得出：解决复杂的d v r 系统中的数据分发管理问题， 其实质就是解决数据过滤率和网络带宽之间的问题，其中与过滤的效果、数据包 分发频率1 2 1 和可靠性、系统中的实体数量、实体兴趣范引1 2 】f 3 7 1 和机动性能、网络 拓扑结构【2 】等有密切的关系。因此，为了改善大规模分布式系统的数据分发管理的 性能，提高系统的扩展性，目前已提出了不少的改进方案，其中最经典的机制是 基于区域的数据分发管理机制、基于网格的数据分发管理机制等。 基于区域的数据分发管理机制 基于区域的数据分发管理机制是一种基于发送方的精确过滤机制，采用完全 匹配方式，即将所有外部实体的区域扫描一遍，找出与其中所有相关的实体，该 机制已被应用于d m s or t l l 3 t 2 0 1 ，d m s or t i1 3 n g p o i 中。文献【2 4 】中研究了公布 区域与订购区域的匹配问题，并指出该机制的最大的优点就是精确的匹配，但是 付出的代价是匹配的计算量显著增加，当在多个盟员的多个订购区域发生频繁更 迭的情况下。庞大的计算量将导致接收方主机的负载提高，极大的影响系统的效 率p 4 。文献 2 0 1 1 2 4 1 分别对基于区域数据分发管理策略不同方面进行了研究。针对 基于区域计算量大的问题，文献【1 3 】gt a n 提出了a g e n t - b a s e dd d m 算法来改善计 算量过大的问题。文献【1 9 】【2 2 】也对这一问题进行了研究。 基于网格的数据分发管理机制 基于网格的数据分发管理机制是对基于区域的数据分发管理机制的改进，国 内外许多专家学者对其进行了研究。该机制的基本思想【1 5 】是将路径空间划分成网 格单元，并将更新区域订购区域映射到网格上，对占有同一网格单元的更新订购 区域进行匹配，这样大大的降低了区域的匹配次数 2 6 - 3 3 1 。该算法应用于 p r t l l 5 1 6 t 2 1 1 1 3 1 l 中。 基于网格的数据分发管理机制中网格尺寸划分是最为关键的，网格尺寸大小 关系到算法的性能好坏【4 1 。若划分的网格单元过大，则无用数据的过滤效果不好； 若网格过小，则组播地址的浪费太大。文献【3 4 】【3 5 】【4 5 】对网格单元的大小进行了 研究。文献 4 5 】对网格的尺寸进行了研究，针对网格尺寸的优化，并推导出了最优 化的网格单元尺寸确定的公式，经过仿真验证得到了不错的效果。 基于网格的数据分发机制中组播组的分配是在网格划分后为每一个网格单元 静态的分配一个组播组，这样大大的浪费了组播地址【2 7 】。文献【1 3 】【3 5 】【3 9 】对基于 网格的数据分发管理机制中的组播组分配问题进行了研究，并提出了针对网格中 区域匹配的结果来进行组播组分配，大大的节省了组播组数量。其中文献【1 3 】将 a g e n t 机制与d d m 算法相结合，对订购方采用代理，代理将帮助主机处理在静态网 8 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 格的d d m 算法中存在的大量的组播组，但是它并没有减少在静态网格中所分配的 组播组数目，因为在该算法中组播组的数目依赖于网格单元尺寸。为了减少组播 组的数量，人们提出对多个网格单元使用同一组播地址，文献【1 4 】该方法有效的降 低组播组使用量，但是降低了d d m 过滤机制的过滤率，增加客户端主机的额外过 滤负载。 另外，文献【3 5 】中提出了基于混合的d d m 算法，将基于区域的d d m 算法与基 于网格的d d m 算法相结合，利用基于区域的数据分发机制的精确匹配来解决其中 的虚假连接等问题。文献 3 2 1 1 3 6 1 1 3 9 1 也对这一方法进行了研究。从它们的研究结 果得出，基于混合的数据过滤机制充分考虑了基于区域的数据分发机制和基于网 格的数据分发机制优点及缺点，解决了静态网格的d d m 算法中虚假连接的问题， 相对于基于区域的d d m 机制来说，提高了数据过滤率，降低了匹配的计算量。但 是仍然解决不了网格单元大小对数据过滤率的影响。 为了降低主机的计算负担，除了上面所提到的数据分发管理机制以外，还有 许多策略已经被研究出来。文献 3 7 】h a b r a m s 等提出了多层兴趣区域的算法，针 对这一问题文献【1 2 】对其进行了研究，并将其运用到了b hr t l l 4 中。文献 3 4 3 8 4 1 】 提出了自适应的算法，但是这些算法中都是以高计算量来获得数据的过滤率。 1 5 论文内容与结构 1 5 1 论文研究思路 针对d v r 系统中数据分发管理的问题，国内外许多专家学者提出了许多不同 的观点及处理措施。本文针对这一问题，对国内外该领域现状进行研究，基于底 层支撑结构h l a 从两个方面对其进行了研究。一方面，对现有d d m 算法的分析与 比较，通过对现有算法进行改进解决存在的问题，使其在数据分发管理上达到更 好的效果，过滤掉无用信息。最后，对优化后的算法进行仿真对比分析，以验证 其有效性；另一方面，为了尽可能的减少无关数据的发送，降低网络带宽资源的 占用，提高系统的扩展性，本文从状态更新数据包的更新频率角度出发，在仿真 精度和网络带宽之间寻找一个比较理想的平衡点，在不影响仿真的情况下，引入 预测模型机制来控f l 釜j d v r 系统中状态信息更新数据包的发送频率，并利用相应的 仿真系统进行对提出的预测模型进行验证，得出相应结论。最后，根据研究内容 得出本课题的结论及下一步的研究方向。 9 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 h l 中数据分发管理的研究 经典d 蹦算法研究ii 其他相关研究 静态算法研究 基于区域算法 基于网格算法 基于静态网格的 动态组播组分配 简单混合机制的 d 蹦算法 i 从数据过滤率和组i l 播组数目入手研究l t 仿真验证分析 l 玎i 中属性更新实例的研究 引入预测模型 rr i 预测阶段和平滑处理 引入超时机制 i 理论分析及验证 仿真验证分析 1 5 2 论文结构安排 结论及展望 图1 3 论文研究思路 本论文共五章组成，主要内容如下： 第一章：首先介绍本课题的研究背景及意义，分析了d v r 中数据的特点，针 对d v r 系统中存在大量无用数据的传输，影响至u d v r 系统的规模扩展性，提出从 d v r 系统开发的底层体系结构h l a 出发，引入课题的研究点，并对其研究现状进 行分析。 第二章：详细介绍h l a 中存在的两种过滤机n - 基于类层次的过滤机制一声 明管理服务和基于实例层次的过滤机制一数据分发管理服务，分析两种机制的基 本原理、实现过程，并总结它们研究的关键问题，为后续章节的研究提供理论基 础。 第三章：着重从区域匹配和组播分配两方面介绍基于区域的d d m ，基于网格 l o 詈 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 的d d m 等经典d d m 算法的优点及不足，综合考虑数据过滤率和组播组数量两个方 面，提出改进算法，对所提出的改进算法进行详细描述，利用仿真场景来进行仿 真比较分析，验证优化后算法的有效性。 第四章：针对d v r 系统的实体状态信息更新的特点，在不影响仿真的情况下， 引入预测模型来控制实体状态更新包的发送频率，对所设计的预测模型进行仿真 验证，得出结论。 第五章：对整个课题的研究工作进行总结，得出结论，并对下一步将要研究 的问题进行简要的介绍