面向多用户的三维虚拟车间场景共享技术研究

第２　３眷第２期　２　０　０　２年５月　兵　工　学　报　Ｖｏ【２３　Ｎ０　２　Ｍａｖ　２００２　ＴＡ　ＡＲＭＡＭＥ　ｒ＾Ｒ【ｌ　面向多用户的三维虚拟车问场景共享技术研究　沈春龙　吉根林　南‘叫　范大学计算机最，｝【　南京，２１００９７）　张友良　ｌ南京理工＾学Ｃ［ＭＳ研究　摘要　五文分析了三维虚拟车　应用特点，提出了虚拟车　多用卢共享的系统目标及其结构框　袈，苛析了虚拟车同的构造方法，并对系统服务器买玩方案、通信部件的设计、多用户协同感妇及多用户　替身描述、系统运暂机　箸进行了彳卜绍　关键词　虚拟制造：多用户共享环境；客户／教务器　中图分类号　ＴＩ　３９Ｉ　虚拟ｊ　间是实际生产乍问任虚拟环境中的模型　集约化的特点。本文从虚拟车间环境的多用户共享　目标出发，研究了虚拟车间的三维场景构造方法及　化、彤式化和¨算机化的抽象描述和表示，它是属于　制造系统宏观层次Ｅ的仿真，主要描述生产线和加　工单元的布局，生产过群中的物流情况，工作单元状　态和生产线设备运动的下涉情况检查，其过程和结　果的可视化使得用户可以方便地通过屏幕上的罔形　分布式共享关键技术的实现策略，井开发了原型系　统。　１三维虚拟车间的多用户共享系统目标及　结构　ｌ　ｌ系统目标　三维虚拟车间环境的多用户共享系统要求分布　在各地的用户能够共享相同的场景，即要求在各客　得到直观的、形象化的理解，实现人机环境的一体　化。多用户共享环境是通过汁算机网络和通讯技　术，在基于计算机构造的虚拟世界巾，使地理上分散　的参与者共享公共信息空间。多用户共享的虚　拟环境在许多方面有所应用，如分布式虚拟战场环　境下进行多兵种战术协同与对抗演练　；异地的产　品协同设计；数字化实体模型（Ｄｉｇｉｌａｌ　Ｍｏｃｋ—Ｕｐ　Ｊ的　组装与测试；空间约束环境下的管道铺设和电缆布　局的Ｔ涉榆查及群体评价等　一　许多大规模分布的虚拟环境是建立在高　能图　形工作站、宽带网络基础上的，埘系统的硬件性能和　—户端浏览器保持虚拟车间场景的一致性，使多个用　户共享虚拟车间运动设备的行为与状态；另一方面，　还要求能够感知协同用户的状态。用户在虚拟车间　场景中的存在感是通过标识用户身份的三维对象　—替身（Ａｖａｔａｒ）来实现的，替身的状态——位置　和方向标识了用户在场景中的视点（Ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ），它　是用户体验虚拟环境沉浸感的依据；因此，系统必　软件配制要求较严，价格昂贵　本文在微机环境下　采用ＶＲＭＬ（虚拟现实建模语占）束进行虚拟车问　的二维环境构造，由于它采用　“可执行代码技术“，　其文件率身只定义ｒ客户端应如何渲染的指令，这　样ＶＲＭＬ文件比表示柑同ｊ维对象的其它文件格　式小得多，町以在低带宽异枸网络环境中实时进行　三维罔像的远程传输和远程指令的接受　可为异构　共享者提供远程服务，　Ｆ且对ｊ维图形生成的计算　须能够维护场景中的数据并能够将数据变化传递到　各个客户端，同时，用户还必须能够通过观察其它用　户的替身来跟踪其它用户的状态。多用户共享的虚　拟车间能够使异地分布的用户通过计算机及网络模　拟在虚拟车间中的协同操作，以及对车间设备布局　合理性的群体评价等，具有较强的现实意义；　ｌ　２系统结构分析　典型的客户朋＆务器（Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒｖｅｒ）结构是实现　机性能要求不高，用它束构筑三维环境具有低代价、　２００１年５月收稿２０１１２年３　定稿　上述目标的一个很好的解决方案．其中，服务器负责　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　面向多用户的三维虚拟车间场景共享技术研究　２３５　管理和维护场景的一致性，用户的注册和用户替身　的管理，同时监听客户端的连接请求和响应连接。　客户端负责场景的显示和更新．同时感知其它用户　的状态．客户端和服务器端的连接是由通信部件来　实现的，通信部件是实现客户端和服务器端信息交　换的桥梁，其主要内容包括：客户端场景和替身状态　的变化到服务器的数据通讯，同时将服务器端管理　的场景数据和所有替身的状态信息通知给各客户　端。系统的客户／服务器模型如图１．１所示。　图１　ｌ　多用户共享系统结构示意图　ＦｉＥ　１　１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃ１｛ｍＭｔｌ　ｕｓｅｒ　ｓｈａｒｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　２基于ＶＲＭＬ的三维虚拟车间的场景构造　ＶＲＭＬ作为Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上的３Ｄ文件的交换描述　标准．具有平台无关性的特点　，为基于ｌｎｔｅｒｎｅｔ电　脑空间（Ｃｙｂｅｒｓｐａｃｅ）上三维虚拟环境的实现提供了　一个可行的解决方案。ＶＲＭＬ建立三维虚拟场景　的优势在于其ｌ自Ｔ以非常方便地生成三维几何实体，　适合于计算机网络的传输，并不要求很高的网络传　输带宽．而且图形生成的工作放在性能要求不高的　客户机上，同时客户端应用程序（Ｗｅｂ浏览器＋　ＶＲＭＬ插件（Ｐｌｕｇ．ｉｎｓ）或的（ｓｔａｎｄａｌｏｎｅ）ＶＲＭＬ　浏览器）为三维的虚拟场景维护一个当前的属性集　台，包括当前的坐标系、材质、节点间的连接关系、事　件路由（Ｅｖｅｎｔｓ　Ｒｏｕｔｅｓ）等：虚拟环境中实体的布局　是通过场景图来组织的，其本质上是各节点间通过　父子关系连接而形成的层次树．子节点从其父节点　处继承坐标属　，这与虚拟车间系统的层次化分析，　模块化分解是一致的。ＶＲＭＬ实现动悉交互性的　执行模式机制是事件．事件被用来在场景和外部语　言之间传送变换．它定义ｒ外部行为控制和ＶＲＭＬ　场景实体之间的关系．事件本身包含一些数据的信　息，如作为其它事件的触发器（　ｌ＇ｒｉｇｇｅｒ）节点域值　（Ｆｉｅｌｄｓ　Ｖａｌｕｅ）。这种基于事件方法的优点在于能　够清楚地把执行模式中的基本元素分离开来，场景　中的设备行为控制在ＶＲＭＬ外部实施，解决了交互　性实现的执行简单性和灵活性的基本问题。　虚拟车间是对车间的物理模型及其设备对象相　互间关系的信息描述。理想的虚拟制造环境是一个　十分复杂的系统．它应该包括与物理车间相对应的　运输带、车削加工中心、铣削加工中心、机器人、托　盘、运输小车、输出／输人缓冲站、立体仓库等，对该　系统的描述必须进行层次化、模块化分解，对虚拟车　间的建模应保证其与物理车间具有功能上的等价性　和结构上的相似性，即保证虚拟车问能够反映物理　车间的功能特征及其物理模型，使用户能够以更直　觉的方式对系统进行定义与修改。　在建立三维虚拟车间之前，先建立各个设备的　模型库，各个设备模型的构造是通过Ｂｏｘ．Ｃｙｌｉｎｄｅｒ，　Ｓｐｈｅｒｅ等基本形体节点及Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ、Ｉｎｄｅｘ　Ｆａｃｅ　Ｓｅｔ　复杂形体的节点，生成组成设备的主要部件，再通过　Ｇｒｏｕｐ投Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ节点将各个部件模型组合成设　备模型。设备的运动行为是通过内插器节点及　Ｒｏｕｔｅ路由语句来实现的，通过Ｓｃｒｉｐｔ节点触发设　备运动部件节点的域值来实现设备的逻辑控制，整　个三维虚拟车间的设备布局和运行状态可以在空间　任何位置，从任何视角来进行观察。　３　多用户共享的关键技术实现　３　１服务器实现方案　客户朋　务器模型是网络中最主要的通信模式　之一，服务器是业务过程处理的核心，客户端向服务　器端进行信息服务的请求完全是随机的，可能出现　多个请求同时到达服务器的情况，通常有两种服务　器实现方案，一种是并发服务器（Ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ　Ｓｅｒｖ．　ｅｒ），另一种是反复服务器（ｈｅｒａｔｉｖｅ　Ｓｅｒｖｅｒ）。前者　是一个随系统启动而产生的一个守护进程（Ｄａｅ．　ｍ。ｎ），在无客户请求时，其处于等待状态，一旦客户　端请求到达，服务器立即为其产生一个子进程，由其　响应请求，然后回到等待状态，当下一个请求到达　时．服务器再产生一个子进程，并发服务器称为主服　务器（Ｍａｓｔｅｒ），子进程称为从服务器（Ｓｌａｖｅ）．该类主　从服务器巧妙地解决了并发请求问题，从服务器不　依赖于主服务器而响应请求，同时使网络的通讯简　单化，一个进程的阻塞不会影响其它进程的运行。　后者内含一个请求队列，客户请求到达后，首先进人　队列之中，服务器按照先来先服务的原则进行响应　本文采用并发服务器方案，用Ｊａｖａ语言来进行服务　维普资讯 http://www.cqvip.com

兵　工　学　报　第２３卷　器的设计，该语言与ＶＲＭＬ在编程方式上一致，都　是面向对象、基于事件和跨平台的。服务器是运行　于后台的的Ｊａｖａ控制台应用程序，除ｒ响应客　户端连接之外，还有两个主要功能：一是作为虚拟车　间场景中替身位置跟踪和设备运动状态信息传输，　当用户浏览于共享场景中时，都向服务器传递位置　信息，服务器使用该信息更新其它用户的本地替身　的位置；二是服务器进行场景的一致性维护，当客户　操作场景设备并导致状态发生变化时，通过事件将　结果返回给服务器，服务器再将该信息重新分配给　场景中的其它用户，这样，二维虚拟车间场景的更新　被复制并由所有用户共享＝　３　２通信部件的设计　通信部件是服务器端和客户端的信息通道，其　功能是负责传输服务器和客户机之间的数据信息。　该组件由两个类组成，一个是ＶＲ　Ｓｅｎｄｅｒ类，是从线　程类ｃＴｈｒｅａｄ　Ｃｌａｓｓ　派生　来一ＶＲ　Ｓｅｎｄｅｒ类在服务　器的守护进程中被调用　该类接受场景中设备运动　和客户替身的状态并分发给其它相连的客户，工作　时首先进行初始化，建立一个到客户浏览器的通信　连接，创建一个输入饰出流，然后给客　端赋一个　标识符ＩＩ］，最后运行进程＝它还负责将其它客户替　身更新的位置传递给该类的客户端，以使与该类相　连的客户端知道其它各客户在场景中的状态：另一　个是ＶＲ　Ｃｌｉｅｎｔ类，是从Ｓｃｒｉｐｔ节点类派生而来，该　类负责通知服务器用户替身和设备在场景中的状　态，并管理代表其它用户的替身。在初始化时．通过　设置一个内部结构来保存Ｓｃｒｉｐｔ节点中的域值从而　控制替身的位置和方向，以及场景中设备的状态变　化，该娄还负责从服务器Ｅ读取数据。　３　３共享场景中的多用户替身描述　替身描述是用户形象和行为在虚拟环境中的表　现，可提供多种形态的３Ｄ替身供用户选择，也町由　用户自己设计３Ｄ替身加人共享环境中。传感器　Ｐｒｏｘｉｍｉｔｖ　Ｓｅｎ∞ｒ的定义应和场景一样大，在客户端　场景加载时．传感器总星启动着的．在Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ　Ｓｅｎ∞ｒ的Ｉｓ　Ａｃｔｉｖｅ事件产生之后，通过Ｓｃｒｉｐｔ节点　送到外部ＶＲ　Ｃｌｉｅｎｔ类进行处理；事件路由是实现　场景变化的依据，其通过外部程序逻辑地控制虚拟　环境中实体事件的信息传送。场景的变化和用户替　身的状态更新是由客户端浏览器来维护的。　３　４系统的协同感知　目前，系统　同感知的实现主要是利用ＶＲＭＬ　的Ｐｒｏｘｉｍｉｔｖ　Ｓｅｎｓ０ｒ节点跟踪用户视点的移动和转　动并获得位置和方向值，这个值可　通过网络改变　其它用户的ＶＲＭＬ虚拟空间中该用户３Ｄ替身的　位置和方向，这样其它用户就能感知该用户正移向　场景中的某个区域，用户间的信息交流可　简单地　通过文本的方式来实现：用户浏览共享场景时，其　位置和方向的变化由替身节点的两个域值通过ＶＲ　Ｓｅｎｄｅｒ类经服务器分发给相连客户端的共享场景，　导致该场景中用户替身的状态变化　在网络中传输　的只是替身的两个域值．至于替身在场景巾实时运　动的图形生成是由客户端类似于虚拟机的ＶＲＭＬ　插件来解释支持的，其实时性是由客户端的机器性　能决定的。更进一步．在用户进行信息交流期间，能　感知各替身在场景中的行为动作，需要进一步定义　替身问相互作用的语义，实现场景行为共享的一致　性，这是ＤＶＥｓ研究的一个重要方向　３　５场景的一致性维护　当多个用户同时对场景巾的虚拟设备进行操作　时．必然会产生冲突，要求服务器能够对场景中的设　备进行管理，当用户需要对某一虚拟设备进行操作　时，必须向服务器发送对该设备操作的请求，若该设　备未被其它用户操作，则服务器向用户发出可操作　响应，同时屏蔽其它用户的操作请求，其具体方法是　服务器对设备节点的（Ｅｘｐｏｓｅｄ　Ｆｉｅｌｄ　ＳＦ　Ｂ。ｏＩ）Ｔｏｕｃｈ　ｓｅｎｓ。ｒ　Ｅｎａｂｌｅ域值的控制来实现的。　３　６系统的运行机制　系统运行过程中，首先启动服务器程序，在服务　器初始化之后．加载三维虚拟车问场景到客户端浏　览器中。由于服务器处于监听状态，当服务器和客　户端浏览器连接后，即生成客户标识符ＩＤ。随后　每当用户通过场景导航时，浏览器就给服务器发送　图３．１三ｉ维虚拟车间多用户共享场景和　同界面　Ｆｉｇ　３】　Ｉｎｔｅｒｒａｃｅ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ　ｕｓｅｒ　ｓｈａｒｅｄ　ＬｄＫ＇ｅｒｔｅ　ａｎｄ　ｃｏｌｌａｌｉｖｅ　ｏｆ　３【）ｖｉｒｔｕａ！ｐｌａｎｔ　场景变化信息以及替身的位置和方向信息，当其它　浏览器加载相同场景时，也被连接到服务器卜，此　时，一个浏览器中场景和用户替身状态的变化信息　通过通信部件传送到服务器，服务器进行信息ｌ处理　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　面向多用户的三维虚拟车间场景共享技术研究　２３７　之后，再通过通信部件发送到其它客户端浏览器，其　它客户端浏览器负责维护和更新替身和场景状态的　变化　这样，多用户可以共享场景．同时能够感知场　景的变化和其它用户在场景中的状态。图３．１是多　用户的状态以及对场景状态的一致性维护，该系统　能够实现多用户对　维虚拟车间布局和车间的运动　状态进行群体评价．为虚拟制造环境的多用户共享　提供了一种低代价的实现方法。　参考文献　纪废革，拱焙炳等分布式虚拟环境　十箅机Ｔ程与应用【９９９　１５（１０）、３～５　用户共享场景界面，图中的两个替身代表其它两个　用户在场景中的位置，替身的身份是通过主躯干的　不同颜色标识的。　４结论　本文基于ＶＲＭＩ　，结合Ｊａｖａ　ＡＰＩ初步实现了一　个虚拟车间的多用户共享原型系统，能够感知协同　赵∞平．洗旭昆等Ｌ）ＶＥＮＥ１一个分布式虚拟环境计算机酐究　与发展【９９８．３５（１２ｊ：１０６４～【０６８　张杰札ＶＲＭＬ　２　０交互式三维图形嬉程铀ｊ头：汕头大学　版　１９９９　８５—１０６　Ａ　ＳＴＵＤＹ　ｏＮ　ＴＨＥ　ＳＨＡＲＥＤ　ＥＮＶＩＲｏＮＭＥＮＴ，ＭＵＬＴＩ．ＵＳＥＲ　ｏＲＩＥＮＴＥＤ　ＴＥＣＨ　ｏＬｏＧＹ　ｏＦ　３Ｄ　ＶＩＲＴＵＡＬ　ＰＬＡＮＴ　ＳＣＥＮＥＳ　Ｓｈｅｎ　Ｃｈｕｎｌｏｎｇ　Ｊｉ　Ｇｅｎｌｉｎ　（（ｂｍｐｕｔｅｒ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｍｉｎｇ，２１００９７）　Ｚｈａｎｇ　ＹｏｕｌｉａｎＫ　（ＣＩＭＳ　ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｉ＇ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　３Ｄ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｐｌａｎｔ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｚｎ　ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ，ａｎｄ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ。ｆ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔ；ｕｓｅｒ　ｓｈａｒｅｄ　ｖｉｒｌｕａ［ｐｌａｎ１　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｆｎｒ　ａ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｐｌａｎｔ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｈｎｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｅｒｖｅｒ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ—ｕｓｅｒ　ａ　ｖａｌａｒ、ｔｈｅ　ｍｕｈｉ　ｕｓｅｒ　ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ　ａｗａｒｅｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｌｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｉ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｍａｎｕｆａｃｌｕｒｍｇ．ｍｕｌｔｉ　ｕｓｅｒ　ｓｈａｒｅｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ｃｌｉｅｎｔ／ｓｅｒｖｅｒ