（计算机系统结构专业论文）多媒体协同编辑系统及感知机制的研究.pdf

摘要 摘要 本文根据当前协同工作和协同编辑系统的发展状况，分析和总结了协同工作 系统研究的主要问题和研究方向，探讨了w e b 环境下协同编辑系统设计的关键技 术，提出了基于w e b 的多媒体协同编辑系统的设计思想和解决方案，并实现了系 统初步原型，为研究协同编辑系统关键技术提供了良好的实验平台。文中详细阐 述了并发控制、访问控制、目录管理和版本管理等关键技术的实际需求和理论根 源，重点对协同感知机制进行了深入研究，对现有的基于事件的感知模型进行了 重大改进，对模型的作用和基本概念进行了重新思考和定义，对模型的设计方案 也做了大胆改动，使改进后的模型更为基础、更趋于完善。同时在搭建的系统试 验平台上对模型的实现机制也进行了重要的探索试验，提出了事件感知模型框架 的详细设计方案，使开发人员能够快速灵活的构建协同应用系统中的协同感知解 决方案。 关键词：协同工作多媒体协同感知事件机制 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc s c wa n dc o o p e r a t i v ee d i t i n gs y s t e m ，an e wd e s i g n a n dr e s o l u t i o nf o rw e b - b a s e dm u l t i m e d i ac o o p e r a t i v ee d i t i n gs y s t e mi sa d v a n c e di n t h i sp a p e r t h i sp a p e ra l s od e a l sw i t hs o m ek e yt e c h n o l o g i e si n d e t a i l ，s u c ha s c o n c u r r e n c yc o n t r o l ，a c c e s sc o n t r o l ，c a t a l o gm a n a g e m e n ta n dv e r s i o nm a n a g e m e n t a s t h ea w a r e n e s sm o d e l sh a v eb e e np r o p o s e db e f o r et h e yw e r en o tq u i t em e e t i n gt h e n e e d so fc s c ws y s t e m ，t h ea w a r e n e s sm o d e lc a l l e de v e n t b a s e da w a r e n e s sm o d e lw a s i m p r o v e di nt h i sp a p e r , i nw h i c ht h ee v e n ti sc r u c i a l t h ei m p r o v e dm o d e lw o r k sw e l l w i t ha l lk i n d so fc s c ws y s t e m s f o rh e l p i n gt h ed e v e l o p e rt ob u i l dt h e i ro w n c o o p e r a t i v ea p p l i c a t i o n sf r e e l ya n dq u i c k l y ，t h ed e s i g nm e t h o do ft h ef r a m e w o r kf o r t h i se v e n t - b a s e da w a r e n e s sw a sa l s op r o p o s e di nd e t a i l k e y w o r d ：c s c w m u l t i m e d i a c o o p e r a t i v ea w a r e n e s se v e n tm e c h a n i s m 声明 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 不实之处，本人承担一切的法律责任。 日期坠型：! ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：2 。垂援日期型生! ! ： 导师签名j 巫制 日期趔：f ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 协同工作的发展 人类进入信息时代后，社会分工更加明确细致，绝大多数工作都需要群体的 协作才能完成。协作的有效性往往决定了工作的成败。目前，各个不同的学科， 诸如物理学、化学、生物学、医学、信息学、军事学、社会学、经济学、组织科 学等，都在从不同的角度研究协同现象，对于协同的研究已经成为一门新型的学 科协同学。 1 9 7 7 年德国斯图加特大学理论物理学教授赫尔曼哈肯发表了s y n e r g e t i c s a ni n t r o d u c t i o n ( 协同学导论) 一书，正式建立了协同学的理论框架。计 算机支持的协同工作c s c w ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) 的研究开 始于六十年代。到了七十年代中期，在美国s t a n f o r da il a b 建立了一只支持视 频、音频、文本和图像等多种媒体的c s c w 环境，并将其命名为电视会议。但由 于巨大的存储开销和极其昂贵的通信媒体，以及当时通信速度的低下和数据压缩 技术的落后，该系统的多媒体功能十分薄弱。到了8 0 年代，计算机网络技术、多 媒体技术、数据压缩与存储技术、通信技术和分布与并行处理技术等都有了长足 的进步，同时人机交互理论的逐渐成熟，使得c s c w 技术迅速发展。1 9 8 4 年m i t 的i r e n eg r i e f 和d e c 公司的p a u lc a s h m a n 两位研究员在用于描述他们所组织的 有关如何借助于计算机支持来自于不同领域和学科的人们进行共同课题时正式提 出了c s c w 的概念。 在信息化的社会中，人类活动的群体性、交互性、分布性和协作性等特征更 加突出，信息的共享和人与人之间的相互合作变得越来越重要。传统的计算机所 支持的个体孤立工作，缺乏信息交换，已经远远不能适应信息时代的需求，它形 成了高速的个人工作效率和低速的互助协作之间的不协调局面，导致整体工作效 率低下。计算机支持的协同工作，是一个利用计算机技术、网络与通信技术、多 媒体技术以及人机接口技术，将时间上分离、空间上分布而工作上又相互依赖的 多个协作成员以及活动有机组织起来，共同完成某一项任务的分布式计算机环境。 它反映了人们对计算机的功能需求的改变，即希望计算机系统的功能从传统的解 决计算问题发展为支持多个用户之间的协调与合作活动。 c s c w 主要建立在人机交互技术、网络和分布式计算技术的基础上，其它诸如 人工智能、计算机图形学、多媒体技术、i n t e r n e t 等，也对c s c w 的研究有深刻 的影响。c s c w 的研究涉及到设计、实现和使用协同软件帮助分布的用户围绕一个 共同的任务协调与合作，这就要求对操作系统、分布式软件系统、程序设计环境、 2 一 多媒体协同编辑系统及感知机制的研究 用户界面框架、软件工程及事务模型等重新考虑，以期符合协同工作的概念要求。 1 2 国内外研究现状 对c s c w 普遍认同的定义是：在计算机技术和网络技术支持的环境中( c s ) ， 地域分散的一个群体交互通信、协调、协同和协作完成一项共同的任务( c w ) 。 它包括协同工作系统的建设，群体工作方式的研究和支持群体工作的相关技术研 究，应用系统开发等部分1 1 。 1 2 1 协同工作理论研究 目前，国内外c s c w 发展势头强劲，研究规模逐年扩大，进展迅速。美国的 a c m 从1 9 8 6 年起，每两年举行一次c s c w 国际研讨会【2 】，另外还有一批专门刊 物报道c s c w 领域的最新研究成果，例如c s c wj o u r n a l 、g r o u pa n do r g a n i z a t i o n m a n a g e m e n t 、j o u r n a lo f o r g a n i z a t i o n a lc o m p u t i n g 等。我国在1 9 9 8 年底，在北京 清华大学成功举办了第一届c s c w 学术会议，并成立了c c s c w 专业委员会。 在理论研究方面，为了在协同应用与分布式计算机支持平台之间建立c s c w 支持层，以增强面向用户的协作支持，满足c s c w 协同应用需求，英国l a n c a s t e r 大学提出了c o l a 轻权活动模型；为了给各种c s c w 应用开发者提供共同的通 信服务支持，r o b i n s o n 提出了c a s 通信服务体系结构模型；为集成已有的各种 c s c w 应用环境，h o l l i n g s w o r t h 提出了c s c w 的开发体系结构，e l l i s 的三元概 念模型是对c s c w 系统的一个功能性说明，以及e l l i s 的群组自动机t e a m a u t o m a t i o n 是c s c w 系统的数学模型【3 】。 我国清华大学王国意等人提出一个由基本功能层、支撑层及协同应用层三层 结构组成的协同工作模型。为了弥补这种模型中存在的开放性不够，开发效率低、 复用性差以及对异构环境下的操作能力支持不足等缺点，北京大学孙艳春等人提 出了一个开放的c s c w 系统结构模型o c s c w 4 1 。华中理工大学电信系提出了一 种有管理子层、传输子层和网络传输子层三层结构组成的协同层的结构模型，该 模型在鸿象协同编辑系统中得到实现。西安交通大学计算机系提出了一种包含交 互、活动和协作三层结构的协作模型。为了在现有网络传输率下实现较大规模的 协作且能实现多个成员间的交互，他们提出了一种“镜头焦点 和“自由交互 相结合的交互模式，并将协作过程分为准备、发起、进行、结论形成、结论表决 和协同结束等6 个阶段【5 】。 第一章绪论 1 2 2w e b 协同工作应用发展 除理论研究之外，c s c w 应用技术研究也得到了飞速发展。特别是9 0 年代中 期以来，i n t e r n e t 的迅猛发展，以w w w 为代表的信息发布及资源访问方式的广 泛流行，使得随时随地的信息访问逐渐变成现实，人们之间的距离被拉近。基于 i n t e m e t 的c s c w 系统的开发成为可能。1 9 9 6 年2 月，在德国召开了一次名为 “e r c i mw o r k s h o po nc s c wa n dt h ew e b 的学术会议，讨论如何利用w w w 环境开展c s c w 研究的问题。到目前为止，基于w e b 的c s c w 系统最典型的例 子是德国g m d f i t 与o r b i t e a m 公司合作开发的b s c w ( b a s i cs u p p o r tf o r c o o p e r a t i v ew o r k ) 系统。b s c w 是一个完全基于w e b 实现的共享工作空间系统， 具有文件上传、时间感知服务、组和成员管理等功能【6 】。y o uy u 等人开发的p a w ( p e o p l ea w a r e n e s se n g i n e ) 系统，实现了w e b 上的位置感知；l u i sa g u c r r e r o 等人提出了在w e b 上开发协同系统的软件框架( t e no b j e c t sp l a t f o f i n ) 【7 1 。基于 w e b 的c s c w 系统已经成为c s c w 领域中非常热门的研究课题。 当前，c s c w 正在蓬勃发展，按照应用类型来分类，可以分为三类【8 】：计 算机多媒体通信系统，如电子邮件系统和电子公告板系统( b b s ) ；共享应用系 统，如协同编辑系统、共享窗口系统等；会晤与决策系统，如视频会议系统、 电子辩论工具和电子会晤室等。 1 2 3 协同编辑系统的研究 计算机支持的协同编辑系统是c s c w 的重要应用领域之一，它是指试图通过建 立一个具有群体性、交互性、分布性和协作性的人机网络工作环境来协助多个地 理分散作者对一个大型文档的共同编辑【9 】，允许异地多个用户并发浏览和编辑一 个共享文档，以最大限度的发挥群体的工作效率。 c s c w 的研究进展，直接促进协同编辑的发展和应用。在国外，g r i e f 等人设 计了一个分布式协同编辑器c e s ，并在发表的文章上指出协同编辑系统是c s c w 技术在编辑出版领域的一个典型应用，协同编辑就是要建立一个群体交互协作的 分布式的人一机网络环境，来协助多个地理上分散的作者对一个大型文档的共同 编辑【l0 1 。德国t e c h n i s c h e 大学的k o c hm 教授等人对多用户、多媒体协同编辑环 境进行了研究】，描述了一个允许多个身处不同地域的编辑人员同时浏览和编辑 同一个文档的实时群体编辑工具，并针对相关的问题提出了解决方法。 在国内，有许多科研院所对协同编辑课题进行了研究。中科院计算所林宗楷 研究员与其博士研究生冯建合作开发了c o e d i t o r 协同编辑系统。该系统采用 4 一 多媒体协同编辑系统及感知机制的研究 c l i e n t s e r v e r 结构，集成了文本、图形、语音、视频等多媒体信息，服务器端采 用自行研制的工程数据库管理系统( e d b m s ) 管理整个过程中形成的所有多媒体 数据【l2 1 。浙江大学人工智能研究所的鲁东明、李向阳、鲍宏伟和潘云鹤教授等人 设计实现了z u c o e d i t o r 协同编辑系统，并提出了一个适应于c s 模式的编辑系 统逻辑模型【l3 1 。华中理工大学电信系朱光喜教授等人提出了一种多媒体协同编辑 系统的解决方案，并且开发了多媒体协同编辑工具s w a na u t h o r ，通过计算机网 络，交互的实现多媒体创作【1 4 1 。南京大学计算机科学与技术系的杨文清等人设计 与开发了基于w w w 的文档协同协作系统w w w d o c 1 5 】，提出了多用户并发控 制的有效方法一文档目录锁定法。 1 2 4 协同感知的研究 协同感知作为c s c w 研究的关键课题，并非与c s c w 一同诞生。国外对协同 感知的研究开始于九十年代中期，在模型的研究上s t e v eb e n f o r d 提出s p a t i a l m o d e l ，c a r lg u t w i n 和s a u lg r e e n b e r g 提出了w o r k s p a c ea v a r e n e s sm o d e l ，这两种 模型为协同感知的研究提供了基础。目前对协同感知的研究多侧重于针对某一具 体的c s c w 应用系统，例如：p i l a rh e r r e r o 的“m o d e l l i n gac o n s t r a i n ta w a r e n e s s m o d e lt ow 曲b a s e dl e a r n i n ge n v i r o i u n e n t s 3 8 】一文在对基于w 曲的学习系统的 研究中对感知模型进行了一个讨论，s o n i a 和m a n u e l 的“g r o u pa w a r e n e s ss u p p o r t i nc o l l a b o r a t i v ew r i t i n gs y s t e m s 3 9 】，一文在协作写作系统中对群体感知做了一定的 研究，j a s o n 和c a r lg u t w i n 的“a w a r e n e s ss u p p o r ti nag r o u p w a r ew i d g e tt o o l k i t j ， 一文对群件中如何提供感知做了讨论。 1 3 当前的主要问题 目前国内外对计算机支持的协同工作的理论研究已经比较完备，从体系结构 到具体应用的关键技术都研究得比较透彻，但理论研究成果到应用系统实现的转 化工作还比较薄弱，许多应用系统都是基于某种特定的体系结构或某种特定解决 方案的，没有比较完备统一的标准。大多数协同工作系统的开发都是从零开始， 很多都是重复性劳动，如何减少重复性劳动是本文研究的主要目的之一。 已经开发的协同编辑系统，多采用c s 模式进行设计与实现。由于c s 模式 只适用于局域网，必须开发专门的客户端软件，软件可移植性差，开发维护的费 用高。随着互联网的飞速发展，移动办公和分布式办公越来越普及，急切需要系 统具有扩展性。由此b s 模式应运而生，与c s 模式相比，b s 模式最大的优点 就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件，客户端零维护。b s 第一章绪论 模式能够将协同编辑行为延伸至世界的各个角落，跨越广阔的地域界限。但是基 于b s 模式的协同编辑系统并发的性能和效率还有很大的提升空间，b s 模式需 要一个s e r v e r 端控制，然而所有的协同通信都通过s e r v e r 显然会使s e r v e r 端成为 性能提升的瓶颈。如何采取一种有效的手段既达到协同编辑功能的需求又保证其 性能指标也是本文需要研究的。 感知模型的研究还处于起步阶段：b e n f o r d 和f a h l e n 提出的基于空间对象的 感知模型【l6 】利用对象间的空间位置关系提供感知信息，未能与协作机制有机地联 系起来。t o mr o d d e n 提出的面向协同应用的感知模型【l7 】对空间对象感知模型加 以扩充和解释，刻画了非共享工作空间结构下协作应用程序之间的关系，未体现 相同应用中协作用户间的协作关系。葛声、马殿富等提出的基于角色的群体感知 模型【l 8 】【l9 】量化感知强度采用基于角色差别的计算方法，但实际应用中角色差别难 以确定。杨武勇、史美林等提出的基于角色的层次型同步协作感知模型【2 0 】利用感 知层次来度量业务流程中不同角色的协作层次，在量化感知强度方面有了进一步 的研究，但基于角色的感知粒度过粗且不易控制，同时对独立于角色的用户授权 也缺乏应有的支持。基于任务的群体感知模型对任务定义和划分难以确定，且不 同的应用需要重新定义。 协同感知是协同应用系统的基本功能之一，它帮助协同人员清楚自己的地位 和别人所做的工作，上述这些感知模型各有缺点，或先天设计有缺陷，或后天难 于实现，本文再一个主要工作是探寻一种广泛支持可扩展的协同感知模型，依据 该模型，设计实现一种感知灵活、支持重用、可操作性强的感知实现机制，简化 协同应用系统的开发。 1 4 论文结构 现代网络技术的飞速发展，人们对远程协同的客观需求，促使协同工作系统 向基于w e b 的应用系统发展，本文研究的多媒体协同编辑系统正是在这一具体背 景下提出的，针对这一课题，文章从下面几个方面进行了理论探索和系统实践： 1 对基于w e b 的多媒体协同编辑系统的整体结构进行了详细阐述； 2 对多媒体协同编辑系统的主要组成部分进行深入详细的剖析，研究了各部 分具体的应用需求，并提出了合理的解决方案； 3 着重对多媒体协同编辑系统中的协同感知机制分析研究，从全新的角度对 协同感知理论模型进行了探索，并对其实现机制进行了实践。 本文共分六章，各章内容如下： 第一章为引言部分，主要介绍了本课题产生的背景、国内外研究动态、研究 6 一 多媒体协同编辑系统及感知机制的研究 内容和意义； 第二章阐述协同工作系统的相关内容。首先概要引入协同工作系统的概念和 涉及的领域以及依赖的技术，再分析协同工作的各个丰要组成部分，详细讨论各 组成部分的关键问题和解决方案； 第三章论述协同编辑系统的整体框架和技术细节，详细分析了协同编辑系统 的主要模块的工作机制、理论依据以及各种具体解决方案，从中引出本文多媒体 协同编辑系统的解决办法； 第四章着重对多媒体协同编辑系统中的协同感知机制进行分析，改进了基于 事件的群体感知模型，在该模型的基础上实现了事件感知框架； 第五章介绍了多媒体协同编辑系统的整体构架和感知模型的实现细节，并给 出了系统运行实例。 第六章总结论文研究过程出现的主要问题和研究心得，展望下一步研究工作。 1 5 本章小结 本章主要介绍了协同工作的发展历史，并对计算机支持的协同工作的国内外 研究现状进行了详细的分析，指出了当前c s c w 在协同应用体系结构和协同感知 方面存在不足，明确了本文研究的主要目标和方向，同时也简要说明了本文的主 要研究工作和论文的组织结构。 第二章c s c w 概述 第二章c s c w 概述 2 1c s c w 系统概述 学术界关于c s c w 先后有过不同的理解： w i l s o b 对c s c w 给出定义【2 ”：c s c w 是一个专业术语，它将人们对群体工作方 式的理解与计算机网络技术及相关的硬件、软件等技术结合在一起。 o r o s e n b e r g 和c h u t c h i s o n 曾经说过：计算机支持的协同工作，它关注的是 人们一起共同工作的方式以及如何设计计算机系统使之能够在这种方式下支持协 同工作2 2 1 。 b a n n o n 和s c h m i d t 在1 9 8 9 年提出【2 3 】：“c s c w 应致力于研究协同工作的本质和 特征，并以此为基础来设计出具有足够的计算机技术支持的协同工作的信息系 统。” 清华大学的史美林则认为【2 4 】：c s c w 是在计算机支持的环境下( 即c s ) 特别是 在计算机网络环境下，一个群体协同工作完成一项共同的任务( c w ) 。它的目标是 要设计出能支持各种各样的协同工作的工具、环境与应用系统。 有许多研究c s c w 的人员简单的用术语“群件 ( g r o u p w a r e ) 来称呼这一领域。 这主要是那些研制支持群体工作软件的人提出来的。 1 9 9 1 年，g r e e n b e r g 提出群件是产品，而c s c w 是研究设计、验证及实现群件 的科学方法和技术。c s c w 代表着研究领域，而群件代表着支持群组工作的系统。 也就是说，群件是软件或者硬件，它实现c s c w 的理论基础【2 5 1 。 虽然研究人员对c s c w 有过不同形式的阐述，但总的来说，c s c w 的基本含义是 在计算机支持的环境中，一个群体协同的完成一项共同的任务，它从计算机和信 息的角度来支持群体工作。它被认为是有计算机科学、系统工程、心理学和社会 学等多个学科综合而成的交叉学科。c s c w 为在时间上分离、空间上分布而工作互 相依赖的写作成员的协同工作，是计算机系统从传统的只能提高个体工作效率转 变成提高群体工作的效率。 2 2c s c w 系统分类 在c s c w 系统中，人们围绕共同的任务需要进行交互通信、协调、协作和协 同等基本活动。根据c s c w 系统中的基本活动方式、群体成员地理分布位置、使 用的基本工具和工作环境、应用等对c s c w 系统进行分类【3 】【2 6 1 。 多媒体协同编辑系统及感知机制的研究 按交互协作方式：群体成员之间的协同工作按时间分有同步方式和异步方式 两种。在同步方式时，群体各成员在同一时间进行同一任务的协作。在异步方式 时，群体各成员在不同时间进行同一任务的协作。 按群体成员的地理分布：协作也分为同地协作和异地协作。 按群体规模分类：两人协同系统和多人协同系统。 按使用的基木工具和工作环境，在c s c w 系统中使用的基本支撑环境和工具 有：信报系统( 即电子邮件系统) ，电子布告栏，会议系统，协同写作和讨论系统， 工作流系统，群件等。 按c s c w 应用系统：c s c w 有着广阔的应用领域，可以按应用情况加以分类， 如协同科研系统，协同设计系统，远程医疗系统，远程教育系统，协同决策系统， 军事协同系统，协同办公系统等等。 2 3c s c w 研究的意义 计算机协同工作技术将带来人们协作方式的变革，提高人们协同工作的整体 效率。计算机协同工作应用系统的发展和推广，将会改善人们交流信息、进行协 作的方式，计算机技术的发展，必然走向计算机协同工作的方向。 计算机的发展从大型主机到通过网络互联的机器群体，走出一条从相互没有 联系或联系困难的独立计算机到彼此可互联、互操作甚至协同工作的计算机群体 的道路，计算机协同工作是计算机发展的必然趋势。计算机应用领域的拓宽和对 群体协同工作的支持必须建立在广泛的用户群基础上，只有当大量的用户都可以 方便的使用计算机时，计算机才可能深入人们的工作和生活，并影响到人们的协 作方式，进而使计算机与人们的工作和生活融合到一起，形成新的在计算机支持 下的人类协作方式，提高人们的协作效率。 2 4c s c w 系统中的主要研究领域 2 4 1c s c w 系统环境和体系结构 在不同应用背景下的c s c w 应用会有许多差异，但它们的共同特征是提供支 持人类协同工作的工具。为了简化和指导c s c w 应用系统的开发，概括各种 c s c w 应用系统的共同的协同特征是非常必要的。其中一个重要内容就是形成一 个使用范围较广的c s c w 系统模型和体系结构。 c s c w 系统理解成一个4 层模型，见下图2 1 。第l 层为“开放系统瓦联环境”， 提供开放的通信支持环境，保证协同工作过程中有效的信息交流。第2 层为“协 第二章c s c w 概述 9 一 同工作支撑平台”，解决协同工作所需的主要机制和工具，如信息共享、信息安全 控制、群体成员管理；基本工具包括电子邮件、会议系统、协同写作和讨论系统、 工作流系统等等。第3 层为“协同工作应用接口，在这一层中需要提供协同工作 的编程接口a p i 、人机接口h c i 和人际接口i p i ，通过标准化的服务接口向应用 系统提供第2 层的功能，使上层的应用系统与下层的支撑平台具有相对的独立性； 提供有效、灵活、方便的人机交互接口，以及在协同工作环境下协作各方交互关 系、规则和策略等。第4 层为“各种c s c w 应用系统 ，针对各种协同工作应用 领域，提供所需的协作支持工具的裁剪和集成，协同应用系统的开发。 2 4 2 群体协作模式 各种c s c w 应用系统 协同工作应用接口 协同丁作支撑平台 开放系统互联环境 图2 1c s c w 体统结构 c s c w 研究的目标是提高群体成员间的协调配合水平。为此，必须深入了解 人类群体内成员间的协作模式，以指导协同工作和方法的研究。社会科学在c s c w 出现前就对人类社会的群体特性进行了大量的研究，但由于研究侧重点的差异， 社会科学的研究成果很难直接用来指导c s c w 研究。c s c w 中对群体协作模式的 研究，利用社会科学的研究成果，进行跨学科研究，概括出人类群体的协作模式， 用于指导协同工作技术的研究。这里的难点在于c s c w 与社会科学的交叉和结 合。 有两种不同层次上的协同工作。“总体目标协调”的主要内容是任务划分和分 工细化，没有强的时间限制。“具体任务协作”要求群体各成员针对具体的任务目 标进行协同工作，通常有较强的时间限制。 人类群体的协作模式是多种多样的。按协作成员间的关系，可以分成集中控 制下的协作和平等协作。“集中控制下的协作 是通过一个集中控制方，协调其他 各成员间的工作，如在一个企业内各层次机构内的协作都是这种方式。“平等协作 过程中各成员间的关系是平等的，他们之间既有协作关系，又存在一定的相互独 立性。这种协作关系存在于各类以共同兴趣为基础的协会机构中。按协作过程的 时间限制特征，可分为同步协作和异步协作。同步协作的各成员间需要实时的信 息交流，如现代战争中参战各兵种间协调行动。异步协作的各成员间信息交流没 1 0 多媒体协同编辑系统及感知机制的研究 有强的时间限制，如政府机构间关于城市规划的协调配合。 随着c s c w 研究与应用的不断深入，人们总结出了几种不同的协作模型： 1 会话模型，它是c s c w 系统的一种最基本的协同工作方式，这种模型认为 两人之间的协作是各类协作活动的基本要素。因此，认为人类各种复杂的 协作活动分解为一系列两人之间的交互会话的协作活动，从而实现群体协 作。而两人之间协作可通过特定语言动作( l a n g u a g e a c t i o n ) 的执行来 完成。作为会话模型中这种特定语言动作执行的一种典型描述是由 s e a r l e 提出的“讲话一操作理论“( s p e e c h - - a c tt h e o r y ) 。它用五个基 本的”非语法含义“( i l l o c u t i o n a r yp o i n t s ) 特征描述语言动作：断言 ( a s s e r t i v e ) 、指令( d i r e c t i v e ) 、承诺( c o m i s s i v e ) 、宣布( d e c l a r a t i o n ) 、 表达( e x p r e s s i v e ) 。协作就是通过这些语言动作的执行完成的。 2 会议模型，是多人的群体进行协同工作的另一种基本方式，参加协同工作 的人们“聚集“在一起，围绕一个共同的任务进行讨论，交换信息，相互 协商，达成共识，做出决定，共同完成任务。以这种模型构造的c s c w 基 本环境有计算机会议系统、白板系统、电子公告栏、共享应用系统等。以 计算机会议系统最为典型，它是文本会议系统、多用户一超文本系统、面 对面会议室系统、实时同步会议系统、多媒体桌面会议系统等。 3 过程模型，过程模型认为任何一项复杂的任务或操作都可分解为一系列相 互关联的而又相对独立的串行或并行的任务或操作的协同，形成一个工作 流。过程模型比较适合用于具有相对固定工作流程的单位或业务中，如企 事业单位或政府办公自动化，电子数据交换e d i 等。 4 活动模型，建立在一种所谓“活动理论”( a c t i v i t yt h e o r y ) 基础上，将 其分解为若干个目标明确称为“活动”( a c t i v i t y ) 的子任务，定义各子 任务之间的关系，通过“活动”的执行而完成协同任务。它相对于过程模 型具有较好的灵活性。 5 层次模型，它的产生是因为现实世界中往往需要不同层次的协作才能完成 一项任务。比较有影响的有f l a v i o 等提出了以“通信”( c o m m u n i c a t i o n ) 、 “会话( c o n v e r s a t i o n ) 、“会议 ( c o n f e r e n c e ) 相结合的三层协作模型 结合来描述的一个会议系统等。 2 4 3 协同控制机制 协同是c s c w 的重要特征，协同工作是否有效主要取决于c s c w 系统对用户 行为的协调和控制。协同管理应该研究的问题有： 1 协同关系的描述：将用户具体的协同要求描述为抽象的协同关系，作为 第二章c s c w 概述 c s c w 系统工作的基础。 2 开放的协同模型：协同模型要既能规范从用户协同到机器协同的协议变 换，又能使机器之间的层次接口标准化。这是c s c w 系统的集成和开放 的基础。 协同管理主要有以下几个部分组成： 1 数据管理 管理c s c w 系统中使用的原始数据，中间结果和协同编辑库。 2 用户管理 用户权限、用户身份的管理。 3 同步工作管理 共享对象的访问控制，协作的发起与管理。 4 协作并发控制机制 多用户工作的协同是通过信息共享来实现的，在c s c w 系统中，多个用 户对共享对象进行的并发操作是经常发牛的。对这些用户的行为必须加以 控制和协调。目前常用的并发控制算法主要有：锁机制，集中控制，以及 检测和操作转换法等。 2 4 3 通信模式 已有的计算机网络技术，特别是开放系统互联参考模型中主要考虑的问题是 点到点的通信。这是计算机网络在互联和互操作情况下的主要通信模型。在计算 机协同工作时，要协调的是两台或两台以上计算机的同时协调工作，要进行点到 多点的群组通信，也称为多目标发送。协同工作系统需要通过计算机及其网络来 协调人类群体的行为，通常包括音频、视频等多媒体信息的实时传送，需要进行 大量多媒体信息的实时截获、传送和对地域分布分散的多个用户的播放，这对网 络带宽和延时特性提出了更高的要求。与点到点通信相比群组通信面临复杂的用 户机器环境和网络环境。同一群组中各用户可能在机器类型、所用操作系统、外 设性能( 如显示分辨率和颜色) 、c p u 处理能力等方面存在巨大的差异。连接同一 群组中各用户的各段网络会在带宽、延时和误码率等存在差异，这给群组通信带 来很大的影响。群组通信对计算机网络提出了更高的技术要求。已有的研究工作 表明，现有的网络通信协议不能满足群组通信的许多重要要求，由此也引发了对 群组通信协议的研究。 c s c w 系统的通信支持体系结构可分为下列4 层。 1 主机及路由扩展子层：这个子层的功能是实现多目标分组的收发。它要求 扩展现有网络层中主机的分组收发功能，支持多目标分组收发所需的 多媒体协同编辑系统及感知机制的研究 i g m p ( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 等；同时要求扩展现有网络层 中路由器的分组转发功能，添加群组通信的路由算法，如d v m p 、m o s p f 、 p i m 等，支持多目标分组的转发。 2 资源预留子层：为了实现多媒体信息在复杂网络环境中的有效传送，须对 有限的网络资源的使用进行控制。对于通信支持而言，主要是引入网络带 宽和转发速度的预约使用，如r s v p ；引入分组优先级机制，在高带宽网 络向低带宽网络转发时滤掉次要的信息，如f i l t e r 。这个子层的功能是改 善多目标发送在带宽和延时等方面的性能。 3 可靠传输子层：通过通信群组各方的缓存机制实现可靠的群组通信和有序 的群组通信。这里的有序不仅要考虑同一发方数据在各收方的接收顺序， 在某些应用中还要考虑多个发方的数据在接收群组各成员的总体接收顺 序。 4 协同应用层：提供面向各种协同应用的不同通信服务，如音频和视频信息 传送( 如r t p ) 、可靠的数据传送等。 2 5 本章小结 本章对c s c w 系统进行了概要介绍，主要分析了c s c w 系统中主要研究领域 的关键问题，讨论了c s c w 系统的体系结构、群体协作模式、协同控制机制以及 通信模式。 第三章协同编辑系统 第三章w e b 协同编辑系统 计算机支持的协同编辑系统是c s c w 最主要应用之一，它试图通过建立一个 具有群体性、交互性、分布性和协作性的人机网络工作环境来协助多个物理分散 的协作者对一个大型文档的共同编著，允许异地多个用户并发地浏览和编辑一份 共享文档，以最大限度地发挥群体的工作效率。它为时空上相互隔离的人们提供 协同工作环境，向人们提供了一种全新的交流与工作模式。进行编辑的文档类型 有文本、图形、图像，在此基础上有一些混合的文档，例如文本和图形混合、图 形和图像混合等。协同编辑系统主要研究多个用户同时编辑同一份文档时所产生 的并发控制、用户界面的设计与交互、人一人协同感知、存取控制和语义协同等 问题。它涉及到了计算机科学、社会学、人类学和认知心理学等多门学科。 一个好的协同编辑系统有两个主要的特征：实时性：本地操作的响应要足 够快，对远程操作的响应要足够小( 仪有网络传输的延迟) ；分布式：用户可以 在不同的机器上通过网络进行协同编辑。另外，个好的协同编辑系统应该能够 提供一些辅助机制使用户能够自然、流畅地进行工作 4 5 1 。 随着i n t e n r c t 规模的不断增大，w w w 被人们普遍使用，在协同编辑系统中 提供对w e b 文档写作的支持已经成为发展的趋势。这一章丰要介绍协同编辑系统 的协同模式、体系结构以及若干关键问题，如并发控制、访问控制、版本管理等。 3 1 1 体系结构 3 1 协同系统编辑系统总体概况 就协同编辑而言，计算机技术应该是支持而不是控制整个协作过程。恰当的 体系结构能够更好地适应作者对任务的认识，并帮助作者实现协作策略。 传统体系结构有三种类型：集中式体系结构、分布式体系结构和混合式体系 结构，这三种结构各有优缺点。 集中式结构采用c s 模式，系统当中有一台服务器，主要功能是管理协同编 辑和协作参与者，参与者开始协作时，他她作为客户连接到服务器上。文档统一 存放在服务器中，每个作者对文档的修改都实时传送到服务器中。这种结构管理 简单，易于实现，所有的应用和数据都存放在服务器上，易于实现存取管理和保 证数据的一致性；同时，因为服务器能够实时的将某个作者对文档的修改反映到 1 4 多媒体协同编辑系统及感知机制的研究 所有协作参与者，可以真正实现群件系统中的w y s i w i s 。但是它的缺点也很明 显，这样的系统缺乏灵活性，无法实现复杂功能；可靠性较差，容易造成单点崩 溃；可扩展性也较差，所有参与者的动作都需传送到服务器进行处理，系统的响 应时间太长。 分布式结构与集中式结构不同的地方在于，当多个用户同步对一个文档编辑 时，每个用户站点分别保存该文档的一个副本，而且这些文档副本保持实时的数 据一致，分布式结构允许各个用户定义自己的工作界面，有较短的响应时间；当 系统中一个或多个站点出现故障时，系统仍能正常工作。与集中式结构相比，分 布式系统具有很好的灵活性、可靠性、可扩展性。然而它的实现也比较复杂，难 以解决协作的实时性和数据的一致性，用户的动态加入和退出。 混合式结构将集中式和分布式结构结合起来，对用户信息和文档回溯采用集 中式管理以便于文档的永久存储和版木管理，而同步协同的文档数据采用分布式 管理，每个客户端保存协同编辑文档的副本，对文档的编辑操作通过群组通信机 制发送到各个客户端，保持各客户端文档的一致性，以满足系统实时性能的要求。 3 1 2 协同编辑模式 协同编辑系统中各成员之间存在两种协作模式：同步协作模式和异步协作模 式，应该允许协作成员在这两种协作模式之间自由切换。 1 同步协作模式 在同步协作模式下，协作成员同时对一个文档对象进行编辑，每个成员对文 档的修改操作都实时地广播传送给组内其他成员，并使其他成员看到修改后 的结果。在协同过程中，各个成员可以独立的工作，属于同步协作模式下的 松耦合模式( 1 0 0 s e l y - c o u p l e dm o d e ) ，成员共享信息资源。 2 异步协作模式 在这种协作模式下，组内的成员根据任务的划分独自编写文档。当某个作者 完成相应的写作任务时，他她将文档传送给服务器。下一个作者在前面写作 的基础上开始自己的写作任务。在异步协同编辑中，由于同一时间只有一个 用广处于编辑状态，因此有效地保证了每个用户进行编辑时文档的版本是最 新的并且是一致的。 第三章协同编辑系统 3 2 1 并发控制概述 3 2 并发控制 协同编辑系统是基于计算机的共享环境，它与真实共享环境截然不同。真实 共享环境中的对象存在唯一性，有本身自然存在的操作约束。基于计算机共享的 共享环境则将对象数据、软件、接口等分散到多个计算机系统中，没有自然的约 束以维持对象数据、接口等的一致性，只能通过连续不断的对象数据和控制信息 的交换来间接地维持共享环境的一致性，以仿真真实的共享环境。当对某共享对 象的操作发生时，其在整个协同编辑系统中的运行要经过如下阶段：生成、本地 运行、传输到其他协作站点、被其他协作站点接收，其他协作站点远程运行等。 由于操作事件发生后是多路处理的，有可能在不同站点有不同的处理顺序，并发 问题将会因此产生。 并发控制是分布式系统、多进程、多线程系统中普遍遇到的一个问题m 】。它 的主要目标是保证在发生对共享资源出现并发访问的情况下能够得到所期望的结 果。在任何同步协同系统中，包括协同设计系统，都不可避免的会存在由于用户 的同步操作和网络延时而引发的并发问题。并发问题的解决好坏直接影响到协作 用户对最终结果的满意度。在同步协同设计中，并发控制是影响协同设计系统性 能的重要方面。对于同步协同系统的性能要求将直接影响用户对系统结构的选择， 集中式系统还是复制式系统，同时选择何种系统也反过来对系统采用何种并发控 制机制提出了具体要求。 3 2 2 功能需求 并发控制机制是系统功能和协作性能的体现者，这部分设计的好坏直接影响 到系统是否能够按照预定的效率完成既定的功能，是系统设计的关键，协同编辑 系统对并发控制有其特定的要求： 1 支持基本的协同编辑 并发控制的主要功能是支持协同编辑系统的核心功能一协同编辑，并且需 要支持同步协同并发，保证各个客户端文档的修改正确传递到每个协作成员 的桌面。这只是并发控制必须完成的基本功能。 2 保证协作效率 混合式结构下的协同信息的传递要考虑网络延时的影响，但这属于客观因 素的范畴，超出协同编辑系统所能控制的范围，并发控制的另一个指标是要 1 6 _ _ 一 多媒体协同编辑系统及感知机制的研究 考虑如何能够加快本地和远程机器上的响应速度，提高冲突检测、冲突解决 的执行效率，这是并发控制性能的指导标准。 3 高容错、高适应性 用户的编辑环境千差万别