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| | 分布式虚拟现实技术 |
利用虚拟现实（VirtualReality，VR）系统，通过头盔式的三维立体显示器、数据手套及立体声耳机等能使人完全沉浸在计算机创造的图形世界里。它对交互性、实时性有较高的要求。分布式虚拟现实（DistributedVirtualReality，DVR）系统是指基于网络的虚拟环境，在这个环境中，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，并共享信息。虚拟现实系统运行在分布式环境下有两方面的原因，一方面是充分利用分布式计算机系统提供的强大计算能力，另一方面是有些应用本身具有分布特性，如多人通过网络进行游戏和虚拟战争模拟等。
一、概述
----VR系统由多个硬件部件组成，包括：图形设备、计算设备、大容量存储器、跟踪设备（如数据手套、数据衣服等）、声音输出设备、声音识别设备、立体显示设备(头盔显示器)。其中前三种常由单一的工作站或高性能PC机来提供。
----在已有的VR系统中，每个系统的硬件配置都不尽相同。常用的硬件平台有以下三种：基于单处理器的工作站系统、多处理器工作站系统和联网的计算机系统。网络和虚拟现实的结合就形成了分布式虚拟现实。
1.DVR的产生和发展
----分布式虚拟现实（也称网络虚拟现实、分布式虚拟环境或网络虚拟环境）的研究开发工作可追溯到80年代初。如1983年美国国防部(DOD)制定了SIMNET的研究计划；1985年SGI公司开发成功了网络VR游戏DogFlight。
----(1)军用DVR
----美国国防部是最早支持研究及开发DVR的部门，其资助的一个典型项目是SIMNET（SimulatorNetworking)。该项目的目标是开发一个供军事训练用的低价格、联网的分布式军用虚拟环境，由BBN、Perceptionics和DeltaGraphics等单位联合开发，并于1990年3月底正式交付使用。这个项目的研制成功，为后来DVR的开发奠定了基础。基于SIMNET这一研究成果，在其协议的基础上制定的DIS(DistributedInteractiveSimulation)协议最终成为DVR的一项标准(IEEE1278)。
----(2)网络游戏和演示
----网络游戏和演示也是DVR一个比较成功的应用领域。SGI公司的GaryTarolli在1983年3月开发了SGI工作站上的演示程序Flight（飞行模拟），1984年加入了联网功能，形成网络版Flight，1985年推出其演示程序DogFlight。有人认为网络版Flight/DogFlight对DVR开发的推动作用要大于SIMNET/DIS。事实上，NPSNET系统的开发也受到DogFlight的影响。Doom是另
一个成功的网络VR游戏，曾多次获奖。其它分布式网络游戏有运行在Macintosh机器上的Marathon、运行在Appletalk上的坦克游戏Bolo等。
----(3)学院研究项目及系统
----在一些著名的大学和研究所，研究人员也开展了对DVR系统的研究工作，并且陆续推出了多个实验性DVR系统或开发环境，典型的例子有美国NPS开发的NPSNET(1990年)、美国斯坦福大学的PARADISE/Inverse系统(1992年)、瑞典计算机科学研究所的DIVE(1993年)、新加坡国立大学的
BrickNet/NetEffet(1994年)、加拿大Albert大学的MR工具库(1993)及英国Nottingham大学的AVIARY(1994年)等。
2.DVR系统的特征
----DVR系统是一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个VR环境(真实感3D立体图形、立体声)中通过计算机与其它用户进行交互。DVR系统应具有以下特征：
共享的虚拟工作空间；
伪实体的行为真实感；
支持实时交互、共享时钟；
多个用户相互通信(以多种方式，如文字、图形、手势、声音)；
资源信息共享以及允许用户自然操纵环境中的对象。
3.DVR系统的需求
----DVR系统由图形显示器、通信和控制设备、处理系统、数据网络四个基本部件组成。DVR系统是分布式系统和VR系统的有机结合，其需求主要在以下两个方面：
----(1)VR的需求
多种形式的绘制(图形、声音、文字等)；
低延迟、高更新速率；
处理多种输入设备的能力；
碰撞检测；
导航和视点控制；
虚拟世界构造设施；
场景数据库管理；
复杂行为建模。
----(2)分布式系统的需求
名字服务；
需求－服务匹配；
资源查找及定位；
数据的分布式存储；
动态负载平衡；
安全性管理；
多播通信；
连续媒体支持。
二、模型和结构
1．数据模型
----(1)集中式/复制式结构
----根据分布式系统环境下所运行的共享应用系统的个数，可把DVR系统分为集中式结构和复制式结构。
----集中式结构只在中心服务器上运行一份共享应用系统，该系统可以是会议代理(ConferenceAgent)或对话管理进程。中心服务器的作用是对多个参加者的输入/输出操作进行管理，允许多个参加者信息共享。
----集中式结构的优点是结构简单，同时，由于同步操作只在中心服务器上完成，因而比较容易实现。
----缺点是：由于输入和输出都要对其它所有的工作站广播，因此，对网络通信带宽有较高的要求。所有的活动都要通过中心服务器来协调，当参加者人数较多时，中心服务器往往会成为整个系统的瓶颈。另外，由于整个系统对网络延迟十分敏感，并且高度依赖于中心服务器，所以，这种结构的系统坚固性(Robustness)不如复制式结构。
----复制式结构在每个参加者所在的机器上复制中心服务器，这样每个参加者进程都有一份共享应用系统。服务器接收来自于其它工作站的输入信息，并把信息传送到运行在本地机上的应用系统中，由应用系统进行所需的计算并产生必要的输出。
----复制式结构的优点是所需网络带宽较小。另外，由于每个参加者只与应用系统的局部备份进行交互，所以，交互式响应效果好。在局部主机上生成输出，简化了异种机环境中的操作，复制应用系统依然是单线程，必要时把自己的状态多点广播到其它用户。
----其缺点是：它比集中式结构复杂，在维护共享应用系统中的多个备份的信息或状态一致性方面比较困难，需要有控制机制来保证每个用户得到相同的输入事件序列。共享应用系统的所有备份必须同步，并且用户接收到的输出应具有一致性。
----(2)统一的局部数据库/不同的局部数据库
----现有的多用户VR系统可分为两大类，第一类是指组成虚拟世界的所有对象(也称为数据库)是完全相同的，即虚拟场景是统一的。虽然不同的用户可以观看虚拟空间的不同部分，但是在局部数据库中装入了相同的对象。在第二类系统中，局部虚拟世界不必共享相同的对象集，各个局部数据库中的内容并不相同。
----所有集中式多用户VR系统都归入第一类，原因是它们只有一个应用拷贝。而在复制式结构中，有些系统使用统一的局部数据库，有些系统则使用不同的局部数据库。 |
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