（计算机科学与技术专业论文）基于web的分布式虚拟环境预研及原型设计.pdfVIP

国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , d i s t r i b u t e dv i r t u a le n v i r o n m e n t ( d v e ) h a s b e c o m eo n eo f t h er e m a r k a b l er e s e a r c hf i e l d si nc o m p u t e rs c i e n c e i th a sb e e nw i l d l yu s e di nt h e f i e l d so fs i m u l a t i o nt r a i n i n g ，w e a p o nd e s i g n ，c o n c e p t u a lr e s e a r c h ，e d u c a t i o n ，a n de n t e r t a i n m e n t a l li n d i c a t i o n sa r et h a ti nt h ef u t u r ee v e r yd v e a n dn e t w o r k e de l e c t r o n i cd a t ao fa l lk i n d s ，w i l l c o n v e r g et oas i n g l ew o r l d i n h a b i t e d s i m u l t a n e o u s l ya n dp e r s i s t e n t l yb y m i l l i o n s f i r s t l y , t h i st h e s i sg i v e sab r i e f h i s t o r i c a lr e t r o s p e c to ft h ed e v e l o p m e n to fd v e t h e nb a s e d o nt h ea n a l y s i so fc u r r e n tt y p i c a ld v e s y s t e m sa n dt h ef u t u r er e q u i r e m e n t so fd v e ，t h i st h e s i s p r o p o s e sb u i l d i n ga w 曲一b a s e dd i s t r i b u t e dv i r t u a le n v i r o n m e n t ( w d v e ) t h et a r g e to fw d v e i st oc r e a t ear e a lv i r t u a ls p a c e ，ac y b e r s p a c e ，w h i c hi sa s i n g l e s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti n h a b i t e d b y m i l l i o n sa n dc o n s i s t i n go fv a r i o u sv i r t u a le n v i r o n m e n t so nt h ei n t e m e t t h ei n f r a s t r u c t u r eo fa c y b e r s p a c em u s tb ep e r s i s t e n t ，d y n a m i c a l l ye x t e n s i b l e ，s c a l a b l ea n dc o m p o s i t i v e w i t l lt h eu s e o f j i n i ，x m la n dx 3 d ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t yo f d e s i g n i n gs u c ha ni n f r a s t r u c t u r ef o r w d v e t h ee x t e n s i v ed e v e l o p m e n to fw d v en e e d sak i n do ff l e x i b l ea n dp o w e r f u lr e p r e s e n t a t i o n t e c h n o l o g y , j u s t a st h eh t m lt ot h e2 d - b a s e dw 曲t h i st h e s i s a d o p t s e x t e n s i b l e3 d s p e c i f i c a t i o n ( ) ( 3 d ) a st h eg r a p h i cr e p r e s e n t a t i o nt e c h n o l o g yf o rw d v e ，w h i c hc a na d a p t v a r i o u sa p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t sa n d p r o v i d eac o n v e n i e n tw a yf o ru s e r st ob u i l d3 d c o n t e n t s t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec o n c e p ta n da r c h i t e c t u r eo fx 3 di nd e t a i l a n da n a l y s e si t s i m p l e m e n t c o d e b a s e ( x j 3 d ) d e e p l y i no r d e rt oi n s u r et h a ti tc a nw o r k n o r m a l l yi na j i n ie n v i r o n m e n t t h ew d v ea l s on e e d sal i g h t w e i g h t3 d e n a b l e dc l i e n ts o f t w a r ew h i c hi ss i m i l a rt ot o d a y s i ea n d n e t s c a p e b e c a u s e j i n ii saf u l ld i s t r i b u t e dc o m p u t i n ge n v i r o n m e n t t h ew d v e w h i c hi s b a s e do ni tb r e a k st h ew 曲st r a d i t i o n a lc l i e n t s e r v e rm o d e lt h o r o u g h l y t h e r e f o r et h i st h e s i s p r o v i d e san e wd e v e l o p i n gf r a m e w o r kf o rw d v e sc l i e n ta f t e ra n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n d f u n c t i o no ft r a d i t i o n a lw 曲b r o w s e r s i nt h e e n d ，u s i n gj i n i ，m l a n dx 3 dt h i st h e s i s i m p l e m e n t sap r o t o t y p eo fw d v e sc l i e n t ，c y b e r e x p l o r e r ( c e ) k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e d v i r t u a l e n v i r o n m e n t ，w e b ，w e b b a s e d 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 t ，j i n i ，e x t e n s i b l em a r k u p l a n g u a g e ，e x t e n s i b l e3 ds p e c i f i c a t i o n ， c l i e n t 第1 i 页 第一章绪论 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 m e n t ，d v e ) 是指多个用户在一个基于网 络的计算机集合中，利用新型的人机交互技术进入由计算机产生的多维的、适应于用户的、 与应用相关的仿真情景环境“1 。分布式虚拟环境已经成为虚拟现实技术研究中的项重要 的内容，在模拟训练、武器研制、概念研究、教育娱乐等方面得到了十分广泛的应用。从 分布式虚拟环境未来发展的角度看，现有的各种分布式虚拟环境和网络电子数据，将汇聚 成为一个有成千上万人“居住”的、持久的虚拟世界【2 】。面向这种未来需求，基于当前分 布式计算技术、w 曲技术和交互式图形技术的最新发展，本文提出建立基于w e b 的分布式 虚拟环境( w e b b a s e dd i s t r i b u t e dv i r t u a le n v i r o n m e n t ，w d v e ) 。其最终目标是要在i n t e m e t 上建立一个可以容纳成千上万用户的、面向多种领域的综合仿真环境，以实现网上的虚拟 世界，即赛伯空间( c y b e r s p a c e ) 。 1 1 立题背景 1 1 1 分布式虚拟环境 1 分布式虚拟环境的起源 d v e 的研究开发工作最早始于8 0 年代初。1 9 8 3 年美国国防部( d e p a r t m e n t o f d e f e n s e ， d o d ) 支持研究及开发的s i m n e t 项目是世界上第一个分布式虚拟环境系统【3j 。s i m n e t 的目标是开发一个供军事训练使用的、低价格的、联网的分布式军用虚拟环境，该系统的 研制成功，为后来d v e 的开发奠定了基础。基于这一项研究成果，在s i m n e t 协议基础 上制定了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 m u l a t i o n ) 协议【4 j ，并最终成为d v e 的一项标准 ( i e e e l 2 7 8 ) 。网络游戏是d v e 起源的另一个应用领域。g a r yt a r o l l i 在1 9 8 4 年开发了s g i 工作站上的网络飞行模拟演示程序f l i g h t 。其他分布式网络v r 游戏还有运行在m a c i n t o s h 机器上的m a r a t h o n 以及运行在a p p l e t a l k 上的坦克游戏b o l o 等。到了9 0 年代，随着v r 设备的发展，d v e 才得到较大的发展，出现了一系列工具和应用。 2 研究现状 d i v i s i o n 公司开发的d v s l 5 是第一个运行在分布式环境下的虚拟现实系统商用产品。 d v s 基于分布主存的多处理机系统，它将虚拟环境的计算单元划分为不同的a c t o r ，每个 a c t o r 执行不同的任务。其主要缺点是系统开发不灵活，扩展性差。m r t 6 1 是加拿大a l b e r t a 大学开发的v r 应用工具箱。它是一个支持虚拟环境开发的子程序库，提供分布式用户界 面、数据共享、多种交互技术和实时性能分析等功能。该工具箱可被s g i 和d e c 等工作 站上的c 语言直接调用，但对应用开发者的要求较高。d i v e 7 1 是瑞典计算机研究所分布式 系统实验室在1 9 9 3 年开发成功的一个实验性软件平台，它为支持多用户虚拟现实应用的 开发，提供了灵活有效的协同支持，但d i v e 仅实现了基本的计算迁移，其他控制工作要 由应用开发者完成。n p s n e t 【8 】由美国海军研究生院开发，它是第一个遵从i e e e l 2 7 8 分布 第1 页 第一章绪论 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 m e n t ，d v e ) 是指多个用户在一个基于网 络的计算机集合中，利用新型的人机交互技术进入由计算机产生的多维的、适应于用户的、 与应用相关的仿真情景环境“1 。分布式虚拟环境已经成为虚拟现实技术研究中的项重要 的内容，在模拟训练、武器研制、概念研究、教育娱乐等方面得到了十分广泛的应用。从 分布式虚拟环境未来发展的角度看，现有的各种分布式虚拟环境和网络电子数据，将汇聚 成为一个有成千上万人“居住”的、持久的虚拟世界【2 】。面向这种未来需求，基于当前分 布式计算技术、w 曲技术和交互式图形技术的最新发展，本文提出建立基于w e b 的分布式 虚拟环境( w e b b a s e dd i s t r i b u t e dv i r t u a le n v i r o n m e n t ，w d v e ) 。其最终目标是要在i n t e m e t 上建立一个可以容纳成千上万用户的、面向多种领域的综合仿真环境，以实现网上的虚拟 世界，即赛伯空间( c y b e r s p a c e ) 。 1 1 立题背景 1 1 1 分布式虚拟环境 1 分布式虚拟环境的起源 d v e 的研究开发工作最早始于8 0 年代初。1 9 8 3 年美国国防部( d e p a r t m e n t o f d e f e n s e ， d o d ) 支持研究及开发的s i m n e t 项目是世界上第一个分布式虚拟环境系统【3j 。s i m n e t 的目标是开发一个供军事训练使用的、低价格的、联网的分布式军用虚拟环境，该系统的 研制成功，为后来d v e 的开发奠定了基础。基于这一项研究成果，在s i m n e t 协议基础 上制定了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 m u l a t i o n ) 协议【4 j ，并最终成为d v e 的一项标准 ( i e e e l 2 7 8 ) 。网络游戏是d v e 起源的另一个应用领域。g a r yt a r o l l i 在1 9 8 4 年开发了s g i 工作站上的网络飞行模拟演示程序f l i g h t 。其他分布式网络v r 游戏还有运行在m a c i n t o s h 机器上的m a r a t h o n 以及运行在a p p l e t a l k 上的坦克游戏b o l o 等。到了9 0 年代，随着v r 设备的发展，d v e 才得到较大的发展，出现了一系列工具和应用。 2 研究现状 d i v i s i o n 公司开发的d v s l 5 是第一个运行在分布式环境下的虚拟现实系统商用产品。 d v s 基于分布主存的多处理机系统，它将虚拟环境的计算单元划分为不同的a c t o r ，每个 a c t o r 执行不同的任务。其主要缺点是系统开发不灵活，扩展性差。m r t 6 1 是加拿大a l b e r t a 大学开发的v r 应用工具箱。它是一个支持虚拟环境开发的子程序库，提供分布式用户界 面、数据共享、多种交互技术和实时性能分析等功能。该工具箱可被s g i 和d e c 等工作 站上的c 语言直接调用，但对应用开发者的要求较高。d i v e 7 1 是瑞典计算机研究所分布式 系统实验室在1 9 9 3 年开发成功的一个实验性软件平台，它为支持多用户虚拟现实应用的 开发，提供了灵活有效的协同支持，但d i v e 仅实现了基本的计算迁移，其他控制工作要 由应用开发者完成。n p s n e t 【8 】由美国海军研究生院开发，它是第一个遵从i e e e l 2 7 8 分布 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 式交互仿真( d i s ) 协议和i p 多点发送网络协议的3 d 虚拟环境，可用来在i n t e m e t 上进行 多用户仿真。a v i a r y 9 】是由英国n o t t i n g h a m 大学先进界面研究组( a i g ) 开发的分布式 面向对象的v r 系统，它支持多个用户、虚拟世界和应用系统的互操作，允许计算工作在 异构的工作站网络上进行分布。 国内对分布式虚拟环境的研究处于起步阶段。“九五”攻关计划、国家8 6 3 计划、国家 自然科学基金会等都把d v e 的研究列入资助范围。现有的典型系统包括：国防科技大学 计算机学院设计并实现的高性能分布仿真系统 i o l ：以北京航空航天大学计算机系虚拟现实 与可视化新技术研究室为主集成的分布式虚拟环境d v e n e t l l l 】；以航天机电集团为总体集 成单位，联合十多个单位共同开发的“综合仿真系统( s s s ) ”【l z 1 ；浙江大学c a d & c g 国 家重点实验室开发的桌面虚拟建筑环境实时漫游系统【l 。 3 分布式虚拟环境研究新的发展方向 总结早期的典型系统，可以发现普遍存在以下缺点： 专用性强，多数基于专门的硬件和软件，难于移植； 独自进行分布式软件设计，软件本身功能难于扩展，系统的规模也难于扩充； 图形表现多数基于专用图形工作站和专用的图形a p i ( 如s g i 工作站和i r i s p e r f o r m e r ) 0 4 】，不适合大规模的异构环境； 不同的系统之间不具有互操作性，更无法实现复用。 而从当前的应用需求来看，分布式虚拟环境正在由单系统向综合系统、由局域环境向 广域环境、由专用领域向社会生活领域发展。为了适应和推动应用的发展，必须对d v e 系统进行新的研究，其中的关键技术主要包括：规模可扩展、功能可扩充、异构型的d v e 支撑软件系统：自然的人机、人人交互技术；网络通信和网络协议；快速环境建模和实时 图形绘制i l ”。对d v e 支撑软件系统的研究具有基础的地位，其主要的目标也是难点在于 实现系统的动态扩展性( 功能可扩充) 、伸缩性( 规模可扩展) 和综合性。 近年c o r b a 【l “，e j b 【1 7 1 等新型分布式计算模型的出现，以及美国国防部高层体系结构 ( h i 曲l e v e la r c h i t e c t u r e ，h l a ) 【i 捌的推出，让研究者们看到了解决技术难题，为面向不 同领域的分布式虚拟环境的开发提供一个通用软件支撑平台的可能性。典型的预研系统有 n p s n e t - v t l 9 1 和j s i m l 2 0 1 。 美国海军研究生院n p s ( n a v yp o s t g r a d u a t es c h 0 0 1 ) 在9 9 年开始的n p s n e t - v 项目中， 提出使用基于j a v a 组件技术的系统设计和实现方案。n p s n e t - v 在软件系统设计中引入了 j a v a 的组件机制和轻量目录访问协议( l i g h t w e i g h t d i r e c t o r y a c c e s s p r o t o c o l ，l d a p ) 2 1 l ， 希望系统能够实现动态装载网络上的仿真组件，动态修改对象行为，无限制的扩展客户端 数量等目标，最终形成一个通用的分布式虚拟环境支撑平台。但由于l d a p 本身的限制， 系统很难解决部分失败问题，即不具有自修复能力，从而无法很好满足持久和动态扩展的 要求。n p s n e t - v 是本文主要跟踪研究的系统之一。 j s i m 是美国乔治亚大学计算机系研制开发的分布式仿真环境，其目标是实现一个完全 分布的、具有高可扩展性的通用仿真平台。在2 0 0 0 年的设计中j s i m 系统使用e j b 技术实 现一个与h l a 兼容的服务子集，强化了j s i m 系统的功能。但j s i m 的设计者同时也发现 e j b 面向客户- ；r 务器模型的特性，不能满足完全分布的虚拟环境体系结构的要求【2 2 】。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 根据分布式虚拟环境系统发展的需求，通用支撑平台的设计将成为分布式虚拟环境系 统软件研究的主流方向。开展对通用支撑平台中关键性技术的研究具有重要的意义。 1 1 2 交互式三维图形技术 图形表现技术一直是虚拟环境研究的主要内容之一。由于受到软硬件水平的限制，早 期的工作主要集中在专用图像引擎和快速图像生成方面。随着计算机性能的不断提高，可 视化技术由高端向低端的发展，分布式虚拟环境应用领域的不断拓宽，能否为普通开发者 和用户提供一种功能强大而又灵活简单的、面向网络的图形表现和开发技术，成为了影响 分布式虚拟环境未来普及应用的关键因素。当前这一领域的工作主要集中在对v r m l 和 x 3 d 的研究上。 1 虚拟现实造型语言v r m l 虚拟现实造型语言( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ，v r m l ) 是虚拟现实技术和w e b 技术结合的产物，它定义了在i n t e m e t 上描述交互式三维实体和共享虚拟世界的标准文件 格式和相关的访问服务。v r m l 于1 9 9 4 年春在第一届w w w 年会上被提出。随后迅速发 展，1 9 9 7 年1 2 月v r m l 2 0 正式成为国际标准( i s o i e c1 4 7 7 2 1 ：1 9 9 7 ) ，称为v r m l 9 7 【2 3 1 。 v r m l 9 7 是在网络上传输交互式三维图形和建立共享虚拟世界的一项重要的创新性技 术。它的产生极大地推动了网络虚拟环境的发展，许多虚拟环境都引入v r m l 作为图形表 现技术，如n p s n e t - i v 、d v e n e t 等，还产生了一批以v r m l 技术为基础的面向娱乐领 域的网络虚拟环境，如黑太阳交互公司( b l a x x u ni n e r a c t i v ei n c ) 的p o i n t w o r l d 2 4 】，浙江公 众信息产业有限公司的“虚拟杭州” 2 5 1 但随着w e b 技术的迅速发展和v r m l 应用领域 的扩展，v r m l 9 7 逐渐暴露出了它的缺点，如属性过多难于实现、与其它应用集成困难、 稳定性和一致性不能满足用户要求等问题。这些问题严重阻碍了交互式三维图形技术的发 展，及其在w 曲上的大规模应用。 2 交互式三维图形规范x 3 d 为了解决v r m l 规范产生的问题，推动交互式三维图形技术的发展，1 9 9 8 年底，致 力于研究和发展i n t e m e t 上的虚拟现实技术的国际组织w e b 3 d 联盟( 其前身是v r m l 联 盟) 开始了下一代的v r m l 规范的设计，该组织称之为可扩展的三维图形规范( e x t e n s i b l e 3 d s p e c i f i c a t i o n ，x 3 d ) ，又称为v r m l 2 0 0 x 规范【2 “。规范使用可扩展标记语言( e x t e n s i b l e m a r k u pl a n g u a g e ，x m l ) 1 2 ”表达v r m l 对几何图形和实体行为的描述能力。表1 主要从 技术的角度，将x 3 d 与v r m l 9 7 作了具体的比较 x 3 d 是针对v r m l 9 7 规范的不足，为解决交互式三维图形技术在网络上的大规模应用 问题，而提出的新一代三维图形规范。x 3 d 向后兼容v r m l 9 7 ，与x m l 集成，采用组件 化的设计思想，定义了一个小型运行内核、一组a f i 和多个扩展集，具有小型化、可扩展、 与w 曲上的多种标准互操作和与多种媒体紧密集成等特性，在分布式虚拟环境、数据库可 视化、电子商务、娱乐和教育领域都有良好的应用前景 2 8 , 2 9 1 。 w e b 3 d 联盟已成为w 3 c 的正式成员，并得到了包括s u n 、s o n y 、s h o u t 3 d 、n i s t ( n a t i o n a l i n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 和n p s 等多家f i n n 科研机构的大力支持，正在申 请成为i s o 的国际标准。同时s h o u t 3 d 公司已经推出了基于x 3 d 规范定义的小型运行内 核、面向娱乐业的商业化软件s h o u t 3 d2 0 1 3 0 1 。 3第页 国防科学技术大学研究生院学位论文 根据分布式虚拟环境系统发展的需求，通用支撑平台的设计将成为分布式虚拟环境系 统软件研究的主流方向。开展对通用支撑平台中关键性技术的研究具有重要的意义。 1 1 2 交互式三维图形技术 图形表现技术一直是虚拟环境研究的主要内容之一。由于受到软硬件水平的限制，早 期的工作主要集中在专用图像引擎和快速图像生成方面。随着计算机性能的不断提高，可 视化技术由高端向低端的发展，分布式虚拟环境应用领域的不断拓宽，能否为普通开发者 和用户提供一种功能强大而又灵活简单的、面向网络的图形表现和开发技术，成为了影响 分布式虚拟环境未来普及应用的关键因素。当前这一领域的工作主要集中在对v r m l 和 x 3 d 的研究上。 1 虚拟现实造型语言v r m l 虚拟现实造型语言( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ，v r m l ) 是虚拟现实技术和w e b 技术结合的产物，它定义了在i n t e m e t 上描述交互式三维实体和共享虚拟世界的标准文件 格式和相关的访问服务。v r m l 于1 9 9 4 年春在第一届w w w 年会上被提出。随后迅速发 展，1 9 9 7 年1 2 月v r m l 2 0 正式成为国际标准( i s o i e c1 4 7 7 2 1 ：1 9 9 7 ) ，称为v r m l 9 7 【2 3 1 。 v r m l 9 7 是在网络上传输交互式三维图形和建立共享虚拟世界的一项重要的创新性技 术。它的产生极大地推动了网络虚拟环境的发展，许多虚拟环境都引入v r m l 作为图形表 现技术，如n p s n e t - i v 、d v e n e t 等，还产生了一批以v r m l 技术为基础的面向娱乐领 域的网络虚拟环境，如黑太阳交互公司( b l a x x u ni n e r a c t i v ei n c ) 的p o i n t w o r l d 2 4 】，浙江公 众信息产业有限公司的“虚拟杭州” 2 5 1 但随着w e b 技术的迅速发展和v r m l 应用领域 的扩展，v r m l 9 7 逐渐暴露出了它的缺点，如属性过多难于实现、与其它应用集成困难、 稳定性和一致性不能满足用户要求等问题。这些问题严重阻碍了交互式三维图形技术的发 展，及其在w 曲上的大规模应用。 2 交互式三维图形规范x 3 d 为了解决v r m l 规范产生的问题，推动交互式三维图形技术的发展，1 9 9 8 年底，致 力于研究和发展i n t e m e t 上的虚拟现实技术的国际组织w e b 3 d 联盟( 其前身是v r m l 联 盟) 开始了下一代的v r m l 规范的设计，该组织称之为可扩展的三维图形规范( e x t e n s i b l e 3 d s p e c i f i c a t i o n ，x 3 d ) ，又称为v r m l 2 0 0 x 规范【2 “。规范使用可扩展标记语言( e x t e n s i b l e m a r k u pl a n g u a g e ，x m l ) 1 2 ”表达v r m l 对几何图形和实体行为的描述能力。表1 主要从 技术的角度，将x 3 d 与v r m l 9 7 作了具体的比较 x 3 d 是针对v r m l 9 7 规范的不足，为解决交互式三维图形技术在网络上的大规模应用 问题，而提出的新一代三维图形规范。x 3 d 向后兼容v r m l 9 7 ，与x m l 集成，采用组件 化的设计思想，定义了一个小型运行内核、一组a f i 和多个扩展集，具有小型化、可扩展、 与w 曲上的多种标准互操作和与多种媒体紧密集成等特性，在分布式虚拟环境、数据库可 视化、电子商务、娱乐和教育领域都有良好的应用前景 2 8 , 2 9 1 。 w e b 3 d 联盟已成为w 3 c 的正式成员，并得到了包括s u n 、s o n y 、s h o u t 3 d 、n i s t ( n a t i o n a l i n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 和n p s 等多家f i n n 科研机构的大力支持，正在申 请成为i s o 的国际标准。同时s h o u t 3 d 公司已经推出了基于x 3 d 规范定义的小型运行内 核、面向娱乐业的商业化软件s h o u t 3 d2 0 1 3 0 1 。 3第页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表1x 3 d 与v r m l 9 7 的比较 v r m l 9 7x 3 d 发展停滞 正在迅速发展 国际标准 正在申请成为国际标准 单一的封闭的标准可扩展的开放的标准 当前状态 与现有的w e b 技术和多媒体技术的集成能力弱与现有的w e b 技术和多媒体技术的集成能力强 不支持名字空间支持名字空间 单精度数字表示- 支持双精度数字表示 a p i 远不能满足应用程序开发需求，复杂不易使用a p i 功能强大，使用类c o r b a 的i d l 语法描述，是 编程能力 面向对象的和可扩展的；与d o m 应用程序互操作 文件采用a s c i i 格式，传输缓慢在扩展集中定义一种二进制文件格式使文件可以快速 传输 性能 应用程序下载时间较长：运行前用户等待时间长； 运行内核大小在f l a s h 和r e a l p l a y e r 之间的，可被快 - 运行占用过多的资源 速下载，扩展功能可以被实时的加入：提供对场景构 件的载入选择；根据场景的大小限制内存的使用； 对场景采用保守的优化方法场景优化方法灵活 规范的复杂性直接导致了v r m l 9 7 运行环境的稳 采用先进的软件设计思想，实现一个简单、稳定、可 定性和互操作性欠佳扩展的运行内核 软件的一致性差，浏览器之间不兼容 一致性测试与规范的制定同时进行，所有的扩展实现 都完全兼容核心特性集 规范中定义的一些特性很少使用而这些特性无谓运行内核只包含支持必要功能的v r m l 9 7 元素的一 的增加了浏览器实现的大小和复杂性 个最小特性集，剩余的v r m l 9 7 元素可通过定义其它 软件实现 的特性集实现 不能满足对性能要求严格的应用( 如交互式应用和 可加入专门优化性能的扩展，包括b s p 树、高级遮断 仿真应用) 的需求 剔除和连续的细节层次等 不能为对图像质量要求很高的应用( 如c a d 输出 可加入提高逼真度的扩展充分利用当前图形硬件的 和电脑图形艺术) 提供高逼真度的图像 高级特性包括光线追踪、高级光照模型、凹凸贴图 ( b u m pm a p p i n g ) 、单步多重纹理贴图( s i n g l e p a s s m u l t i t e x t u r em a p p i n g ) 和视频纹理等 目前国内相关领域的研究还主要集中在v r m l 技术上1 3 1 , 3 2 , 3 3 , 3 4 ，x 3 d 还没有引起科研 院所和商业公司足够的重视。我们认为x 3 d 规范的制定将会对w e b 上的交互式图形技术 和分布式虚拟现实技术的发展产生深远的影响，它将极大地推动当前基于文本的w e b 向共 享三维虚拟空间的转变1 3 5 1 。我们应当抓住时机尽早开展对x 3 d 的研究。 1 2 课题研究内容和意义 一个理想的大规模网上虚拟世界的支撑环境必须：可长时间可靠的运行；可以在运行 国防科学技术大学研究生院学位论文 表1x 3 d 与v r m l 9 7 的比较 v r m l 9 7x 3 d 发展停滞 正在迅速发展 国际标准 正在申请成为国际标准 单一的封闭的标准可扩展的开放的标准 当前状态 与现有的w e b 技术和多媒体技术的集成能力弱与现有的w e b 技术和多媒体技术的集成能力强 不支持名字空间支持名字空间 单精度数字表示- 支持双精度数字表示 a p i 远不能满足应用程序开发需求，复杂不易使用a p i 功能强大，使用类c o r b a 的i d l 语法描述，是 编程能力 面向对象的和可扩展的；与d o m 应用程序互操作 文件采用a s c i i 格式，传输缓慢在扩展集中定义一种二进制文件格式使文件可以快速 传输 性能 应用程序下载时间较长：运行前用户等待时间长； 运行内核大小在f l a s h 和r e a l p l a y e r 之间的，可被快 - 运行占用过多的资源 速下载，扩展功能可以被实时的加入：提供对场景构 件的载入选择；根据场景的大小限制内存的使用； 对场景采用保守的优化方法场景优化方法灵活 规范的复杂性直接导致了v r m l 9 7 运行环境的稳 采用先进的软件设计思想，实现一个简单、稳定、可 定性和互操作性欠佳扩展的运行内核 软件的一致性差，浏览器之间不兼容 一致性测试与规范的制定同时进行，所有的扩展实现 都完全兼容核心特性集 规范中定义的一些特性很少使用而这些特性无谓运行内核只包含支持必要功能的v r m l 9 7 元素的一 的增加了浏览器实现的大小和复杂性 个最小特性集，剩余的v r m l 9 7 元素可通过定义其它 软件实现 的特性集实现 不能满足对性能要求严格的应用( 如交互式应用和 可加入专门优化性能的扩展，包括b s p 树、高级遮断 仿真应用) 的需求 剔除和连续的细节层次等 不能为对图像质量要求很高的应用( 如c a d 输出 可加入提高逼真度的扩展充分利用当前图形硬件的 和电脑图形艺术) 提供高逼真度的图像 高级特性包括光线追踪、高级光照模型、凹凸贴图 ( b u m pm a p p i n g ) 、单步多重纹理贴图( s i n g l e p a s s m u l t i t e x t u r em a p p i n g ) 和视频纹理等 目前国内相关领域的研究还主要集中在v r m l 技术上1 3 1 , 3 2 , 3 3 , 3 4 ，x 3 d 还没有引起科研 院所和商业公司足够的重视。我们认为x 3 d 规范的制定将会对w e b 上的交互式图形技术 和分布式虚拟现实技术的发展产生深远的影响，它将极大地推动当前基于文本的w e b 向共 享三维虚拟空间的转变1 3 5 1 。我们应当抓住时机尽早开展对x 3 d 的研究。 1 2 课题研究内容和意义 一个理想的大规模网上虚拟世界的支撑环境必须：可长时间可靠的运行；可以在运行 国防科学技术大学研究生院学位论文 期间实时扩充系统软件的功能和虚拟世界的内容；负载和参与者的数量可无限增加：可以 容纳不同领域的内容和应用【2 1 。概括的说，即必须具有持久性、动态扩展性、伸缩性和综 合性的特点。目前还没有这种适合于大规模分布式虚拟环境的软件系统。 为了满足大规模网上虚拟世界的需求，其软件支撑环境将是分布式计算、w e b 和虚拟 现实三个领域中关键技术完美结合的产物。本课题面向分布式虚拟环境的动态扩展、可伸 缩、交叉融合等未来需求，通过跟踪当前典型的分布式虚拟环境的研究，提出建立基于 w e b 的分布式虚拟环境的设想。本课题利用j i n i 、x m l 和x 3 d 这三项新技术，探索了实 现基于w e b 的分布式虚拟环境的可行性，进而提出一种新型的、与之相适应的客户端开发 框架并给出实现。概要地说本课题的主要工作集中在以下三个方面： 对分布式虚拟环境支撑软件的研究：基于对未来需求的认识和对典型系统的深入 研究，通过分析新型的分布式计算技术j i n i 和w e b 技术x m l 的特性，探索建造一 个持久的、可动态扩展的、可伸缩的基于w e b 的分布式虚拟环境软件支撑环境的 可行性。 交互式三维图形规范的研究：图形表现技术的功能和灵活性，内容创建方法的简 单易用性都将对虚拟环境的设计和发展产生重要的影响。课题采用x 3 d 技术作为 基于w e b 的分布式虚拟环境的图形表现技术和内容创建方法。为了保证x 3 d 能够 很好的工作于基于w e b 的分布式虚拟环境的软件支撑环境之上，本文深入研究了 x 3 d 规范，并对w e b 3 d 联盟提供的x 3 d 规范的具体实现x i 3 d ，进行了代码 级的详细分析，为以后的开发奠定基础。 客户端开发框架的研究和实现：基于j i n i 的系统设计决定了基于w e b 的分布式虚 拟环境将以联邦的形态存在，联邦各成员间是一种松耦合的关系。这种结构从根 本上打破了w e b 原有的客户一服务器模型。一个联邦的参与者既可以请求服务也 可以提供服务，同时不同虚拟环境对其客户端形式的要求也各不相同，所以基于 w e b 的分布式虚拟环境的客户端不能只满足于通过插件等形式对现有w e b 浏览器 进行功能扩展。本文提出了一种与基于w e b 的分布式虚拟环境相适应的新型客户 端开发框架，并利用j i n i 、x m l 和x 3 d 技术给出了一种可能的实现一一c e ( c y b e r e x p l o r e r ) 。 1 3 论文结构 论文共分五章。 第一章介绍课题背景及国内外研究现状，在此基础上说明本文的研究内容和意义，以 及论文的主要工作。最后介绍论文的结构安排。 第二章具体分析了当前典型的分布式虚拟环境系统，然后提出基于w 曲的分布式虚拟 环境的系统结构框架，及其实现技术。 第三章详细介绍了x 3 d 规范的组成和技术特点。深入分析了x 3 d 规范的j a v a 语言实 现x j 3 d 。 第四章提出一种基于w e b 的分布式虚拟环境的客户端开发框架并给出实现。 第五章对本文的工作进行总结，并展望下一步工作。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 期间实时扩充系统软件的功能和虚拟世界的内容；负载和参与者的数量可无限增加：可以 容纳不同领域的内容和应用【2 1 。概括的说，即必须具有持久性、动态扩展性、伸缩性和综 合性的特点。目前还没有这种适合于大规模分布式虚拟环境的软件系统。 为了满足大规模网上虚拟世界的需求，其软件支撑环境将是分布式计算、w e b 和虚拟 现实三个领域中关键技术完美结合的产物。本课题面向分布式虚拟环境的动态扩展、可伸 缩、交叉融合等未来需求，通过跟踪当前典型的分布式虚拟环境的研究，提出建立基于 w e b 的分布式虚拟环境的设想。本课题利用j i n i 、x m l 和x 3 d 这三项新技术，探索了实 现基于w e b 的分布式虚拟环境的可行性，进而提出一种新型的、与之相适应的客户端开发 框架并给出实现。概要地说本课题的主要工作集中在以下三个方面： 对分布式虚拟环境支撑软件的研究：基于对未来需求的认识和对典型系统的深入 研究，通过分析新型的分布式计算技术j i n i 和w e b 技术x m l 的特性，探索建造一 个持久的、可动态扩展的、可伸缩的基于w e b 的分布式虚拟环境软件支撑环境的 可行性。 交互式三维图形规范的研究：图形表现技术的功能和灵活性，内容创建方法的简 单易用性都将对虚拟环境的设计和发展产生重要的影响。课题采用x 3 d 技术作为 基于w e b 的分布式虚拟环境的图形表现技术和内容创建方法。为了保证x 3 d 能够 很好的工作于基于w e b 的分布式虚拟环境的软件支撑环境之上，本文深入研究了 x 3 d 规范，并对w e b 3 d 联盟提供的x 3 d 规范的具体实现x i 3 d ，进行了代码 级的详细分析，为以后的开发奠定基础。 客户端开发框架的研究和实现：基于j i n i 的系统设计决定了基于w e b 的分布式虚 拟环境将以联邦的形态存在，联邦各成员间是一种松耦合的关系。这种结构从根 本上打破了w e b 原有的客户一服务器模型。一个联邦的参与者既可以请求服务也 可以提供服务，同时不同虚拟环境对其客户端形式的要求也各不相同，所以基于 w e b 的分布式虚拟环境的客户端不能只满足于通过插件等形式对现有w e b 浏览器 进行功能扩展。本文提出了一种与基于w e b 的分布式虚拟环境相适应的新型客户 端开发框架，并利用j i n i 、x m l 和x 3 d 技术给出了一种可能的实现一一c e ( c y b e r e x p l o r e r ) 。 1 3 论文结构 论文共分五章。 第一章介绍课题背景及国内外研究现状，在此基础上说明本文的研究内容和意义，以 及论文的主要工作。最后介绍论文的结构安排。 第二章具体分析了当前典型的分布式虚拟环境系统，然后提出基于w 曲的分布式虚拟 环境的系统结构框架，及其实现技术。 第三章详细介绍了x 3 d 规范的组成和技术特点。深入分析了x 3 d 规范的j a v a 语言实 现x j 3 d 。 第四章提出一种基于w e b 的分布式虚拟环境的客户端开发框架并给出实现。 第五章对本文的工作进行总结，并展望下一步工作。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学