分布式虚拟现实及其应用

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1、分布式虚拟现实及其应用浙江大学CAD&CG国家重点实验室概述国内外研究概况及典型系统介绍 DVR系统的模型和结构 DVR系统的关键技术及需进一步研究的问题 DVR的二个典型应用我们的研究工作和结果DVR的发展方向一概述 1.1分布式虚拟现实的含义 尺对未来信息社会产生重要影响 的两项技术* 虚拟现实(Virtual Reality, VR)* Internet 网络! n jr J1 彳閲止尺分布式虚拟现实(Distributed Virtual Reality, DVR)在DVR系统中，位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环 境通过网络相联结，进行信息共享和交互尺DVR系统或工具的开发涉及多

2、个领域*虚拟现实*分布式系统*实时图形绘制技术*异步系统设计*数据库*用户界面设计 1.2 DVR的产生和发展尺军用虚拟环境*SIMNET（美国国防部）* NPSNET（美国海军研究院）* DIS协议尺网络VR游戏*飞行模拟演示程序Flight (SGI) * Doom(PC)* 坦克游戏Bolo(Appletalk)* Marathon(Macintosh)艮研究单位以及商用DVR系统或工具* DIVE* Bricknet* MR* MUDVEKDVR的应用(分布式仿真，网上博物馆，网上虚拟商城，虚 拟校园(演示“虚拟浙大”)，) 1.3 DVR的特征尺共享的虚拟工作空间;尺伪实体的行为真实

3、感;尺支持实时交互，共享时钟；尺多个用户以多种方式相互通信；尺资源信息共享以及允许用户自然操纵环境中对象。 1.4 DVR的需求 1 丨表1 DVR系统的需求VR的需求分布式系统的需求多种形式的绘制（图形、声音）命名服务低延迟、高更新速率需求-服务匹配处理多种输入设备的能力资源查找及定位碰撞检测数据的分布式存储导航和视点控制动态负载平衡多|陀;虚拟世界构造安全性管理乡场景数据库管理组播通信复杂行为建模连续媒体支持二国内外研究概况及典型系统介绍 2.1 DVR开发工具* NPSNET（美国海军研究生院NPS）* DIVER系统（美国弗吉尼亚大学）* DIVE（瑞典计算机科学研究所）* AVIAR

4、Y（英国曼切斯特大学先进界面研究组）* BrickNet/NetEffet（新加坡国立大学）* dVS软件（英国Division公司）* MR工具库（加拿大Alberta大学）* DVRNET （北京航空航天大学）*YHYRP（国防科技大学）MUDVR （浙江大学） 2.21具比较模型表示共享DB共享DS备份部分2个拷贝通信结构C/SM/S点-点分布计算不支持支持并行粒度粗粗并行单位进程进程负载平衡不支持不支持网络环境异构异构dVSMR系统全部全部全部全部占占八、八、点占占占 八、八、C/S消息传送广播不支持不支持支持支持粗粗细粗进程Player对象对象不支持不支持支持乡N/A异构异构异构异构

5、DIVE NPSNETAVIARY共享DB分布式仿真面向对象分布式仿真 2.3 DVR的应用领域艮医疗（外科手术的辅助规划和分析，） 尺工程（面向并行工程的DVR系统，） 尺仿真训练尺教学（虚拟博物馆,.）舌娱乐和游戏尺军事（虚拟战场尺协同设计 ；三DVR系统的模型和结构 3. 1数据模型尺集中式结构*结构简单*实现比较容易*对网络通信带宽有较高的要求*中心服务器往往会成为整个系统的瓶颈尺复制式结构*所需网络带宽较小*交互式响应效果好*比集中式结构复杂*维护多个备份的信息或状态一致性比较困难 3.2 DVR计算模型图1基于DS模型的虚拟现实系统软件结构图2 MPSC域分解模型前端后端 3.3户

6、接口模块用文本显示、核心VR模块非核心VR模一一事件管理数据库支持连续媒体同步3D图形DVR系统的通用参考结构模型安全性服务模块可听化程序（可视化程序对象支撑模块应用对象瓏图3 DVE的参考四DVR系统的关键技术及需进一步研究的问题 4. 1 DVR关键技术尺规模可扩展、功能可扩充、异构型dvr的软件结构*有效的虚拟空间管理和划分算法*负载平衡算法和动态共享状态的维持方法*高效的资源定位和服务匹配算法*多平台、多应用、多个虚拟世界的协同工作技术尺自然的人-机、人-人交互技术尺网络通信和网络协议尺快速环境建模和实时图形绘制五DVR的典型应用5.1网上虚拟商城系统的功能和特点 模仿真实的商场环境

7、基于三维图形和图象的建模 商品的多媒体展示 用户的交互和实时显示 智能的导购小姐或先生 商场展台的虚拟布局 网上的实时访问和定货 网上电子试衣系统演示5.2网上电子售楼系统的功能和特点 模仿真实的售楼环境 基于三维图形和图象的建 模演示用户的交互和实时显示智能的导购小姐或先生家具的虚拟布局网上的实时访问和看房网上交互式装修t 、0| mzo- b Y命鶯編用、聲j|8电矣弟(C Q J Wtmttm -n. J *rc、2C六DVR中的几个关键技术（一）网上实时几何模型传送Table 1: test data (time: ms)LodData size12345678910LodO94316

8、0591581570581581590581581581581Lodi747905471471470460471461461471460471Lod2553015350350350350350360350351351351Lod3356675240230230250240231240240240240Lod4174890120121120130130120120121120131Lod54116540404040404040403040*面向Internet应用*具有规模可扩展性*系统动态负载平衡一BL11 二tjluMH mH頤？r殘令（二）多用户分布式虚拟环境MUDVR*支持VRML场景描

9、述*有效的场景几何数据管理*提供信息服务和资源定位机制1（a） MUDVR的系统网络拓扑结构图（服务器）Server 端 乂光；）IClient 端 unicastmulticast1(b) MUDVR的系统网络拓扑结构图(客户)中心数据库登录服务器，/用户主机咼速网络 低速网络2基于CORBA的分布式虚拟环境用户输入资源查找 服务对彖管理虚拟世夕 服务器3系统中包含的主要功能面向对象场景对象管理系统动态负载平衡系统信息服务和资源查找定位(1)面向对象场景数据管理对象表示*节点*域和域值*事件和路由*流接口*绘制和碰撞检测对象分布和更新对象数据库的建立(3)信息服务和资源定位对象管理器实体对象

10、CORBA网络操作系统I OpenGL/Mesa硬件平台 DVR系统需要信息服务和资源定位服务目前的资料表明没有DVR系统提供信息服务和 资源查找定位服务(4)资源分类和描述场景对象,包括3D图形数据、图象、声音等用户对象：包括管理员、普通用户等任务对象：需要执行的计算任务任务执行者：主要指完成计算任务的计算机(5)信息服务体系结构信息服务器任务执行者ID任务对象列表（ID1, .任务对象ID 所在位置（任务执行者）:1 场景对象列表（ID1, 用户对象列表（ID1；用户对象ID所在位置（任务对象）：ID场景对象IB、所在位置（任务对象）：（ID1, .(6)信息服务和资源定位在系统中的应用(

11、7)多用户分布式虚拟环境系统中的动态负载平衡 DVR系统中存在三类实体：用户控制的实体、 静止的实体、系统仿真实体用户和系统仿真实体的移动造成系统的负载不 平衡，影响系统的性能O基于HLA的分布并行绘制技术口研究背景和意义国内外研究现状和发展趋势主要研究内容和技术研究背景和意义-1分布并行绘制技术的应用需求尺科学计算可视化、大规模的虚拟仿真系统等对计算机 图形处理能力要求提高高分辨率、分辨率可扩展、巨型几何场景、大数据量纹理共应用实例；南水北调大型仿真系统 DVENET战术对抗仿真演练的分布式虚拟战场环境浙江大学新校区漫游系统研究背景和意义-2器件技术的限制：计算机的存储容量和计算速 度是有限

12、的。计算机网络技术和飞速发展的微处理器技术为分布并行绘制提供了丰富的计算资源，具有无 限的发展前景。研究背景和意义-4广阔的应用前景尺科学计算可视化尺虚拟产品开发技术和虚拟原型技术尺多军种联合作战仿真演练尺复杂的、昂贵技术的仿真培训尺大型项目的仿真系统作项目分析、论证尺灾情仿真模拟尺教育娱乐：网上游戏与教学国内外研究现状和发展趋势并行图形结构分类SMolnar et al. 1994K sort firstsort middle代 sort last Pomegranate M. Eldridge 2000K Transform & LightingK Rasterization尺 Textu

13、reK FragmentK Display典型的图形流水线L屏幕空间 光照处理I 扫描買换 无纹理的片断I 纹理占图纹理化的片断卄I图為成T显示Sort-first在几何处理阶段决定图元对象在屏幕上的对应位置。所有参与并行渲染阶段的每个对象管理一个屏幕区域的渲染。儿何预处理儿何预处理儿何预处理儿何预处理儿何处理儿何处理儿何处理儿何处理111 P光栅化光栅化光栅化光栅化屏幕Sort-middle经过几何变换处理的图元被发送到负责一定的屏幕区域的像素化 处理器。Sort-last直接分配图元到渲染器，每个渲染器绘制整个屏幕图像，在深度 合成阶段重新发布像素。屏幕典型的并行绘制硬件系统 SGI Re

14、ality Engine （SGI公司） R sort-middle艮高速系统总线实现几何数据分配，多通道拼图输出。 Pixelflow （北卡大学，计算机系）尺 Sort-last尺几何处理器和光栅化处理器采用SIMD的体系结构，使 用一个逻辑内存区域支持高速图像合成。 PomegTanate原型设计系统（斯坦福大学）艮 sort-anywhere尺5级图形流水线：命令处理阶段，几何变换与光照处理, 光栅化与纹理贴图，图像合成，图像显示。SGI Reality Engine主机系统总纟戈I兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道II兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示

15、通道兄示通道兄示通道兄示通道I几何板主机接厂1处理器I兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道II兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道I儿何分配器I 儿何引擎门I 儿何弓I擎r I 儿何弓I擎r I 儿何引擎T儿何-光栅FIFO1片断生成器11片断生成器11 1片断生成器光栅内存板|片断生成聽显示生成器板隔行显示扌空制器I兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道兄示通道IPixelflow的光栅化处理器Pixelflow的光栅化处理器Module 0Module 3IGCCommandsGP/TASIC InterfaceEM

16、C ControlIGCEMC Control and tree ABCTASIC ControlIGCTASICControlrnj- 32 EMCsM=(128x64III- pixel region)QDLrtJUUJCM-HSDRAMT exture/Frame-BufferMemoryPomegranate已有的并行绘制软件系统 GLX和X窗口系统尺OpenGL打包发送到远程绘制，不跟踪OpenGL的状态。 GLR尺客户机向GLR服务器发送OpenGL命令，服务器将渲染的最终结 果返回。是一个远程绘制系统。 Prince to n的多投影系统一 2X4的投影墙K sort-first

17、,只有一个节点负责命令分布；尺8个接收命令的绘制节点。该系统不跟踪OpenGL的状态。 Pmesa尺sort-last,运行于大规模消息传递的系统。艮参数化集成binary swapping和并行流水线合成两种图象合成方法，WireGL图形集群计算系统第一个 sort-first状态跟踪和切换，懒更新策略 16客户节点+ 16服务器节点Lightning-2硬件：图象合成WireGLWireGL的客户节点负责分配OpenGL命令数据包到服务器节点，服务 器节点负责OpenGL包的解码和绘制，并且将最终的图像通过数字视 频接口发送到数字视频合成硬件Lightning2,将图像拼接成完整的图 像。

18、HL A标准 1983年开发的SIMNET,供军事训练用的低价 格、联网的分布式军用虚拟环境。 1993 DIS协议成为IEEE标准仿真组件的互操作性和组件的可重用性HLA在1996年8月完成基础定义，随后为北约 各国采纳，并于2000年9月被IEEE接受为标准。 美国国防部规定2001年后所有国防部门的仿真 必须与HLA相容。HLA基本架构 HLA是一个在组件仿真之外建立计算机仿真的 软件体系结构RtiExecibRIIntcr-Proccsx CVE 尺使用Internet,形成虚拟社会 尺使用限时计算技术保证实时响应 尺DVR中几何模型数据的有效管理 尺把三维真实感声音集成到DVR中 尺把人工智能技术引入到DVR系统中(IVE, DIVE) KDVR和其他新应用(如电子商务)结合：网上虚拟商城，网上售房，