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分布式虚拟现实
虚拟现实(Virtual Reality, VR)是以计算机技术为核心的现代高新技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。自1993年Heim开始，虚拟现实开始成为哲学家的关注点，有哲学家认为，人类区别与其他动物的主要特点是通过制造和使用工具来认识世界、改造世界，而虚拟现实是独一无二的工具，因为参与人也是这个工具的一部分，他们预测虚拟现实对整个人类社会的发展将是革命性的。 将不同地点的人拉到同一个虚拟环境的分布式虚拟现实(Distributed Virtual Reality, DVR)技术更是成为人们无尽遐想的源泉，多个用户可在共享的分布式虚拟环境中进行交互、协作，通过姿势、声音和文字等“在一起”进行交流、学习、训练、娱乐，甚至协同完成一件复杂产品的设计或合作完成一项任务。随着技术的发展，分布式虚拟现实已经在很多领域获得了应用，如工程技术、建筑、设计、交互式娱乐、电子商务、数据可视化、军事等。网络游戏就是一种典型的分布式虚拟环境应用，如今的网络游戏已经越来越逼真，如图1所示，图中的人物来自于在不同地点的参与者。
图1 某分布式虚拟环境场景 分布式虚拟环境有基于互联网和基于专用网两大类。基于互联网的分布式虚拟环境可以追溯到70年代末出现的多用户游戏(Multiuser Dungeon，MUD)。虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language，VRML)第一次在Web上实现了三维的世界。2000年左右，大型多人在线游戏 (Massively Multiplayer Online Game，MMPOG)等网络游戏迅速崛起，得到了大范围应用，国内流行的“石器时代”、“传奇”、“千年”、“命运”都属于这一类中的MMORPG (Massively Multiplayer Online Role Playing Game，大型在线角色扮演类游戏)。 基于专用网的分布式虚拟环境应用最早、最广泛的领域是仿真领域，也称为分布交互仿真（Distributed Interactive Simulation，DIS）或分布式仿真（Distributed Simulation）。分布交互仿真技术的发展经历了SIMNET（SIMulator NETwork），DIS协议，ALSP协议（Aggregate Level Simulation Protocol）等三个阶段，目前已进入高层体系结构HLA（High Level Architecture）研究阶段。美、英、日、德等发达国家纷纷启动HLA的研究计划。HLA是分布交互仿真的最新标准，它旨在建立一个通用的高层仿真体系，达到各种模型和仿真的互操作和可重用性。由于HLA标准思想和技术的先进性，它已经成为分布式仿真领域官方和事实上的标准，是研究应用的热点之一。美国军方从2000年开始在美军内部强制全面推广国防部标准HLA 1.3，2000年通过的IEEE P1516标准也已经在工业界开始了应用。采用分布交互仿真技术构建分布式虚拟环境已成为军事领域和一些工业领域的基础技术。 随着互联网基础设施的发展，基于互联网和基于专用网这两大类的技术逐渐出现交叉，基于专用网的分布交互仿真也开始出现在互联网上，专用网上也有些应用采用基于互联网的技术。图2从这两个方面按照技术出现的时间简要给出了分布式虚拟环境技术的发展历程。
图2 分布式虚拟环境技术的发展历程 分布式虚拟环境系统需要通过网络传递虚拟现实环境中的各类数据，由于虚拟现实本身是个多维数字空间，可以理解，这对网络的实时性、稳定性、带宽都有着较高的要求。事实上，现有的很多高精细虚拟现实应用都是在单机或局域网上进行的，像网络游戏这样的远程应用都有着诸多的限制，如场景逼真度不高、人物动作机械且不及时等。而互联网的升级换代对分布式虚拟环境会有多大的帮助呢？ CNGI上的虚拟现实应用试验 近年来，互联网在社会生活各个领域得到了广泛应用，现有互联网的不足逐渐显露，下一代互联网（Next Generation Internet, NGI）的研究和实践开始成为全世界关注的热点。随着网络设施的升级改造，网络质量大为改善，现有专用网上分布式虚拟环境的一些技术可以向互联网上推广，为跨城市的分布式虚拟环境的发展提供了契机。 北京航空航天大学虚拟现实国家重点实验室联合清华大学、复旦大学、浙江大学、华中科技大学、华南理工大学、首都师范大学等单位，在中国下一代互联网示范工程CNGI (China Next Generation Internet) 项目的支持下，从2005年到2007年，在北京、广州、武汉、上海、杭州共5个城市的6个主要节点开展应用试验，如图3所示。开发部署了基于IPv6的分布式虚拟环境运行平台BH RTI，并在5个城市间开展了涉及分布式虚拟仿真、生物科学、虚拟数字博物馆、射击类网络游戏、城市规划、网络管理和灾情勘查等领域、具有远程控制功能的虚拟现实应用示范试验。具体包括：
图3 虚拟现实应用节点网络拓扑图 1．北京航空航天大学--基于IPv6的分布式虚拟环境运行平台BH RTI BH RTI支持分布交互仿真国际标准HLA 1.3及IEEE P1516，是国际第一个发布的支持IPv6的运行时基础设施RTI软件。与国际同类软件相比，BH RTI在跨城市的大规模分布式虚拟环境支撑能力方面具有明显优势，在CNGI CERNET2上，BH RTI有效支持了跨3个城市的一千多个应用程序的实时协同。北京-武汉两个城市间的交互延迟测试结果如图4所示，报文的往返时间低于50毫秒，BH RTI传输的延迟比纯TCP传输延迟仅高不到0.5毫秒。这样的实时性可以满足大部分虚拟现实应用的需要。
图4 北京-武汉之间的TCP往返延迟和BH RTI传输往返延迟 从2006年开始，虚拟现实国家重点实验室免费发放基于IPv6的BH RTI (http://www.)及其分布式网络游戏源码供相关CERNET2单位研究和使用。目前国内已有约200家单位基于BH RTI开展学习、研究或应用。基于BH RTI的一些应用效果如图5所示。
图5 基于BH RTI的跨城市仿真和分布式网络游戏 2．北京航空航天大学--基于IPv6的大型多人在线室外FPS类网络游戏Attention 第一人称射击类游戏（First-Person Shooting, FPS）要求高实时性，在游戏中每个节点都需要频繁交互，网络延时和带宽成为了当前限制多人在线FPS游戏规模的主要因素。现有网络游戏，包括大规模多人在线网络游戏，都有着局部小规模场景或多个封闭子世界的特点，尤其是FPS类实时游戏都只能支持数十个游戏者同时交互，这都是与网络制约有关。 北京航空航天大学在CERNET2上构建了一个超大场景、不存在封闭空间、有数百人参与的射击类游戏Attention，并进行了试验。Attention 2.0构建了一个100平方公里的室外大型开放性室外场景，采用多服务器架构进行区域划分，用户可以在服务器间自由迁移，服务器之间通过分层迭代进行平滑的动态负载均衡。图6是局部大量玩家作战的效果。跨北京—上海的测试表明，在CERNET2上，Attention 2.0用两台服务器可支持超过256个在线玩家的流畅交互，交互延迟约30-50ms。这项试验表明，在下一代互联网上实现上百人的实时类游戏是可行的。
图6 局部近百个玩家的实时交互 3．浙江大学--基于IPv6的城市景观服务 在IPv4互联网上目前还没有发布大数据量的精细三维城市规划，浙江大学针对三维城市规划应用需求，在CERNET2上开展研究，建立了基于IPv6的城市景观服务示范应用系统，并实现杭州市远程景观评审的示范应用，其传输数据量和规划精细程度大大超过现有的互联网城市规划案例。 基于IPv6的城市景观服务示范应用系统，已实现支持远程评审的杭州重要景区的景观规划展示和评审平台，提供面向城市规划领域的景观网络发布功能，如图7所示。该系统的在下一代互联网的成功应用，意味着大规模精细城市建筑三维数据在网络传播的可行性得到验证。
图7 基于IPv6的城市景观服务 4．华南理工大学--蛋白质空间结构可视化分析预测系统 蛋白质空间结构预测分析系统将计算机科学与生物科学相结合，基于虚拟现实技术实现人类对微观世界的观察研究。它建立了一个科学计算可视化的服务平台，支持多学科的科学计算和可视化验室和分析，实现在生物科研中需要进行的大规模计算查找功能，并将肉眼无法观察到的蛋白质空间结构用计算机软件进行三维模拟，使用户可以方便地进行观察和分析研究。本系统在生物科研功能方面主要实现同源搜索、比对建模、模型评价和结构比对四部分功能，并提供蛋白质空间结构的三维显示功能，多点交互功能和高清晰视频流传输功能，如图8所示，可在下一代互联网CERNET2上提供科学计算可视化服务。
图8 蛋白质空间结构可视化分析预测系统部署和界面 清华大学、复旦大学、华中科技大学、首都师范大学等单位也在远程立体视觉、多视点视频、分布式攻防对抗、远程灾害预测等方面做出了很好的工作成效，限于篇幅，此处不详细介绍。总的来看，试验数据表明CNGI能够支持大规模精细三维数据的网络传输，对支持远程虚拟现实应用有着距离更远、规模更大、模型更精细的特点，尤其是带宽优势明显。 最新的发展 最近，一种基于视觉的远程沉浸虚拟现实交互系统成为虚拟现实领域的研究热点之一。远程沉浸的虚拟现实交互系统让真实的人“进入”虚拟的三维场景中，通过实时、逼真的远程再现技术将真实的人的动作、表情、姿态、手势等在共享的虚拟环境中同步再现出来，不同地域的多个人“进入”到共享的三维虚拟环境中进行“面对面”的互动交流，从而达到身临其境的互动体验。这类系统的特点都是用大量的实时数据来重构出远程的人或者环境，需要大量的带宽，因此相关研究均在下一代互联网上开展。 美国UC Berkeley大学的Tele-immersion实验室从2004年开始采用实时建模和远程传输共享的方法开发远程沉浸式交互系统。系统使用摄像机采集图像，每4个摄像机分为一组，共12个摄像机组，每个机组采集到的图像交由后台计算机进行图像重建，共有12台并行工作的后台计算机完成三维模型的构建。采集环境如下图9（a）所示。基于该系统，Berkeley与Illinois大学、UIUC大学共同合作的远程沉浸系统，它可以使异地的舞者在同一个虚拟环境中进行表演，图9（b）是远程学习太极拳的演示效果。
图9 Tele-immersion采集环境与演示效果 系统的性能进行了测试，实验节点包括UC Berkeley和UC Davis，数据从Berkeley单方向流向Davis。网络数据流量如图10所示，在演示中，其带宽占用量达到200～600Mbps，可以看到，这类的研究及未来可能的应用只能在下一代互联网上开展。
图10 Tele-immersion网络数据流量 在欧洲，Salford等大学和空客子公司CIMPA等工业界共十多家单位正联合开展一个名为CoSpaces的欧盟项目，该项目的一个重要目标就是要建立一个远程沉浸的分布式协同设计工作空间，为处在不同地域的设计团队减少长途跋涉进行面对面研讨的次数，从而有效提高合作水平和效率。图11为远程研讨飞机设计的示意图，其中不同地域的厂家将各自设计的零部件的模型加入到虚拟的工作空间中进行远程组装、研讨。
图11 远程研讨飞机设计 真人互动的远程共享虚拟环境需要在所有节点之间实时交换视频图像信息，并共享同一个虚拟工作环境，对网络带宽和实时性需求很高。北京航空航天大学虚拟现实国家重点实验室基于多摄像机实时采集、三维重建和交互的思想，搭建了无标定实时三维建模和虚拟交互实验环境，包括1个1立方米的小型立方体实验架以及3米*3米*3米的可用于多人协同交互的立方体实验架，如图12所示。
图12 实时三维重建系统 进一步拟在下一代互联网CNGI上搭建一个远程沉浸的协同工作空间，该空间通过虚实混合的手段，使分布的用户可以共享同一个虚拟工作空间，并提取其真人立体信息，实时叠加到该虚拟环境中，实现各参与者在同一个虚拟环境中进行可视地交互。图13为远程沉浸的协同工作空间示意图。
图13 远程沉浸的协同工作空间示意图 远程沉浸的协同工作空间的建立尚属起步阶段，实验室正与国内外同行密切研讨，推动在现有NGI网络上建立全国甚至洲际间的协同工作空间。想象一下将来我们在网络上通过一定的设备支持进行“面对面”聊天、工作的场景，随着NGI的普及以及虚拟现实技术的发展，远程沉浸的虚拟协同工作将会进入大家的生活、工作中。 |
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