利 用 虚 拟 现 实（Virtual Reality，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（Distributed Virtual Reality，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（Simulator Networking)。 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Delta Graphics 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(Distributed Interactive Simulation) 协 议 最 终 成 为DVR的 一 项 标 准(IEEE 1278)。

---- (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Gary Tarolli 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(Conference Agent) 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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