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超大规模分布式虚拟现实系统
2015年11月19日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:汪国平 李胜
    单位:北京大学

    引言

    近年来,随着高精度复杂场景数据获取的便捷性,具有真实地理环境的虚拟现实系统引起了众多应用领域的关注。在超大规模地理环境中支持多维多源的综合信息集成和多用户协同交互分析仿真的分布式虚拟现实系统已经成为信息技术等领域的研究热点之一。

    随着虚拟现实在多种领域的深入应用,利用虚拟现实技术进行大规模数据的可视化分析和场景演变的模拟仿真已成为一种低成本、高效率的实验验证手段。众多领域对虚拟现实系统的要求不再局限于中小规模的局部场景构建和虚拟场景的真实感显示。例如,在国防军事应用中,现代战争所面临的是一个多兵种、多武器平台下诸多关联对象协同作战的全方位复杂战场环境。现有的模拟系统难以满足大规模跨地域作战模拟仿真演练中可视化分析表达以及战场环境实时真实感显示的要求,如海陆空多维海量作战信息和联合作战行动描述的可视化分析等,已经成为我军联合作战协同模拟演练中的瓶颈问题。

    同样,城市规划和文化娱乐等许多应用领域的发展,也面临着海量数据的高效处理和快速显示问题。因此,深入研究分布式虚拟现实中的共性关键技术,研制支持超大规模、跨域和多维多源场景信息可视化交互分析和仿真模拟的虚拟现实综合集成支撑平台已经成为一个迫切的重要任务。

    事实上,国际上对类似的信息集成系统的规划和研发已经成为研究热点,美军计划到2010年建成一体化的C4ISR(Command,Control, Communication, Computer, Intelligence,Surveillance, Reconnaissance,指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察)系统。它将战场信息获取与信息处理、传输和应用结合为一体,并隐含有电子战、信息战的功能,形成完整的综合电子信息系统。美国国防部提出的“全球信息栅格网”(Global Information Grid,GIG)在2010年初步建成。这是一个在全球范围内工作的超大规模信息系统,能提供一整套增值功能来支援信息处理、存储与传送,能“充分交织、融合,以实现大系统之互通”,以实时方式和真实图像向所有官兵提供全面的态势感知能力。完成这样的系统将为应用领域打下重要的基础,也是国防军事信息化建设中的重要任务。

    目前已有多家单位成功开发了了类似的成果,但是大多侧重于GIS(Geographic Information Systems,地理信息系统)应用。谷歌地球(Google Earth)和Skyline 等知名商用系统已取得了众多成功的应用。

    2006年12月,国家863计划启动了“虚拟现实应用系统集成开发环境”项目,主要研究内容包括:虚拟环境和对象高效建模的新型技术,虚拟现实应用系统开发、测试、发布和体验的关键技术,虚拟现实系统效能的验证与评判技术,千兆级复杂度的虚拟环境驱动引擎技术,支持虚拟现实相关技术研究的分布计算环境等。课题的主要目标是构建由工具和平台组成的、能够支持虚拟现实技术研究、应用系统开发和效能分析评价的综合集成环境。

    1、项目的主要进展和成果

    虚拟现实系统的功能需求由于应用领域不同而显差异,其中的共性技术主要集中在虚拟场景的高效构建和分布式复杂虚拟场景的实时绘制等方面,本项目的成果主要有以下几个方面:

    (1)利用GPU(Graphic Processing Unit,图形处理器)硬件加速和场景可见性高效组织技术,使复杂场景数据实时绘制的规模达到了千兆级;

    (2)利用分布式集群服务器架构技术,满足了TB (Terabyte,太字节。1TB =1,000GB)级以上复杂虚拟场景数据的高效组织处理和快速分发调度;

    (3)利用高效协同交互技术,使用户在客户端的协同交互并发总数可以达到上万个,适合复杂场景异地跨域多节点的协同交互显示和分析;

    (4)在进行多维多源的海量数据可视化显示中,可以进行基于网络即时传输的动态多分辨率可视化显示,可以满足文本、图形图像和音视频等各种信息展示,支持与GIS、视频会议系统等多种应用系统的集成。

    满足上述前三个方面条件的虚拟现实系统,我们称之为超大规模分布式虚拟现实系统。

    1.1 GB级场景的实时绘制技术

    复杂场景的实时绘制技术是虚拟现实系统的核心技术,结合应用领域的迫切需求,我们取得了以下几个方面的研究成果:

    超大规模复杂动态虚拟环境实时绘制引擎

    充分利用图形硬件GPU技术提出了一种GB级场景数据的实时可视化绘制技术,绘制流程以GPU为中心,使GPU多通道并行处理规则数据场的特性得到利用。通过场景层次可见性和LOD(Level of Detail,层次细节简化)等技术在时间和空间上的连贯性,大幅度提高了虚拟场景的绘制速率。例如在虚拟战场演练中,具有上万甚至数十万个复杂武器装备及其行动描述的GB级场景数据的实时绘制和可视化分析。

    所取得的部分成果发表在The Visual Computer和Computers & Graphics等国际期刊上。

    多码流多显示设备下的实时绘制技术

    针对系统网络带宽变化,动态调整场景数据传输优先级和场景数据传输码流,上至首长机关指挥模拟训练,下至单兵显示作战信息交换,系统允许从PDA(Personal Digital Assistant,个人数码助理)移动设备到多屏显示器的动态绘制变化,通过码流传输算法计算调整场景绘制流程和码流传输率,以得到优先层次的绘制资源和绘制效果。部分相关技术已申请了国家发明专利。

    虚拟环境中各种综合信息显示技术文字、图标、图像和音视频、GIS矢量等各种信息),包括各种军标的动态显示和控制 

    基于实时数据传输的各种战场环境要素显示,各种战场要素的动态二三维联动显示,基于语义的三维模型集和二维军标之间在多分辨率显示中的聚合和解聚等,在统一的虚拟战场环境下进行战场环境信息的按需显示,便于指挥员对各种军事指挥训练信息的分析和决策。

    网络环境下基于信息特征的多源多维交互可视化显示引擎

    基于网络多分辨率传输,对当前复杂战场环境下的气象条件、复杂电磁场、海洋温盐密和风浪流等标量场/矢量场数据进行实时交互可视化显示,可以适应多种网络带宽要求,方便可视化数据的集中管理,确保数据的安全性和高效利用。

    1.2 复杂场景对象模型的快速重构和高效管理技术

    对场景对象模型等数据进行高效处理和组织管理,是虚拟战场得以高效分发和实时绘制的基础。我们进行了以下几个方面的研究:

    基于图像的三维模型快速重建技术

    虚拟场景的快速构建需要针对各种三维模型进行大规模的快速构建和处理,基于图像的三维模型重建技术是一种行之有效的模型保精度重建方法,其中的关键技术包括相机定标参照物的设计、曲线演化、三维轮廓的恢复和三维纹理自动生成等技术,可以在模型精度保证的前提下简单快速地生成三维模型,避免了各种三维场景模型及其纹理的繁重而低效率的交互构建操作。相关成果已发表在国内外期刊上并申请了国家发明专利。

    三维模型的几何优化技术

    真实感高的虚拟环境有赖于各种高精度的三维模型表示,通过三维扫描仪得到的数据精度高,但是几何数据处理技术复杂。我们通过特征保持模型数据网格的拓扑调整和光顺等几何优化处理技术,方法直观方便,模型处理效果要优于国外知名三维几何造型商业系统,如UG(Unigraphics Solutions公司出品)等,部分成果已在国际权威期刊CAGD和重要国际会议ACM SPM上发表。

    三维模型的流式处理技术

    针对虚拟环境中模型表示的多样性和数据安全性,以及用户使用的瘦客户端的部署要求(例如单兵便携式显示设备或者手机等移动设备),场景模型数据的集中存储和实时传输也是虚拟战场模拟系统部署的基础。基于模型数据在虚拟场景中的受限网络带宽和实时性等要求,我们提出了一种基于二次距离函数的逆向细分初始网格表示方法和法向插值偏移曲面(Normal Interpolation Displaced Surfaces,NIDS)结合的表示方法。逆向细分初始网格表示方法可以大大减少模型的传输数据量,NIDS模型表示方法几何信息表达直观紧凑,且具有半规则结构,具有基曲面表面法向的可插值特性。与当前典型的模型压缩表示方法DSS (Displaced Subdivision Surfaces)相比,避免了DSS转换算法获得基网格过程中由于采用启发式规则导致的细节丢失现象,同时,转换的时间效率也较DSS提高了一个数量级左右。

    管理海量场景对象数据的分布式场景图引擎

    有效管理战场环境中的各种场景对象,是超大规模虚拟环境的重要基础。当前用于场景管理的场景图技术,其节点承载了过多的信息,造成场景图结构复杂、数据量庞大、场景维护和更新困难等问题,限制了场景对象的管理数量。我们针对分布式复杂虚拟场景的模型管理特点,采用场景管理和资源管理分离的管理模式,通过资源管理扩展场景管理的功能,有效减少了场景对象的管理难度,简化了场景图结构,降低了场景图维护的开销,可以满足动态的海量场景对象的高效管理和绘制要求。同时提出了分布式多级场景图体系结构以管理相应的分布式虚拟现实系统中的各种场景对象,通过构建协调服务器中的全局场景图、数据服务器的区域场景图及客户端场景图,独立而又统一管理分布式场景中相应的场景操作逻辑。使分布式场景图结构清晰、管理方便,内存资源和计算资源开销小,使用效率高。同时也解决了分布式虚拟现实系统中的场景图一致性问题。部分研究成果发表在《中国科学》(F辑)等期刊上。

    1.3 TB级场景数据的高效处理、组织和流式传输技术

    超大规模虚拟地理环境的构建和管理是大规模虚拟环境下构建各种应用系统的基础设施。本项目的主要研究成果有:

    基于样例和草图的真实感地形和城市场景自学习重构方法

    针对大尺度地理数据建模特点,我们设计了一种新颖的大尺度室外地形场景构建工具,有效地描述了室外场景的高度海拔、地质生态特征、人文特征属性等。

    同时,针对虚拟城市环境的规划需求,提出了一种基于细胞自动机的快速城市建模方法。该方法以草图作为输入条件,动态演化生成一幅三维城市规划场景,根据模型数据库中建筑物模型进行三维叠加从而构成一个三维城市场景(建筑模型库的种类大小影响城市建筑模拟的真实度)。相对于传统的城市建模方式,该方法简单高效、耗时短,能够生成规模巨大的城市场景模型,可用于军事演练和城市规划等应用中。

    分布式服务器集群技术

    高效的可扩充的数据存储和分发服务是超大规模分布式虚拟现实应用系统的重要保障。本项目的服务器集群由协调服务器和数据服务器集群组成,协调服务器是系统服务器端的管理核心,负责数据服务器和客户端的注册和权限认证,维护数据服务器之间的负载均衡和客户端的接入服务,维护和管理系统的运行状态。协调服务器/数据服务器/客户端三层分布式集群结构可以保证场景数据请求服务的动态调整和优化,具有扩展性好、服务能力强、适应性广等特点。同时我们提出了一种热点感兴趣区域的数据服务器动态迁移和数据一致性技术,设计并实现了一种适合TB级以上海量数据分发的动态负载均衡技术、基于线程池和连接池的通信优化技术,基于重叠I/O(Input/Output,输入/输出)的请求高效技术以及基于集群的断点续传和并发数据请求技术等,提高了服务器性能的核心技术,为超大规模虚拟现实综合集成服务提供了稳定可靠和低成本的高效服务。

   1.4 可扩展全构件结构的分布式虚拟现实综合集成支撑系统

    研制一个具有良好二次开发接口和易扩展的应用软件系统,可以为虚拟战场乃至其他领域的各种应用提供一个统一的支撑平台。本项目以软件插件为核心,由插件配置文件为引导,通过基础封装为上层构件提供系统逻辑使用。把固定不变的业务流程、资源管理、事件处理的分发作为框架封装在服务中,而把可能有多种算法实现的场景管理、地形组织、碰撞检测以及多种数据类型的资源封装成接口,置于平台接口定义中,模块使用场景和地形时通过定义的接口来引用,并且可以随时为新的数据格式添加对应的资源实现。

    通过消息事件分发通知的机制,使模块之间松耦合,消息事件分发机制使得远程客户端对场景的修改可以看作是本地的修改一样,只要实现了基础平台定义的初始化和清理接口的功能模块都可被接入系统,这个特性使系统变得开放,便于扩展整个系统的功能。

    系统的开放性使得仅作少量的代码修改就可以将其他既有的系统移植过来成为基础平台之上的一个功能模块。目前,系统平台之上的视频会议系统模块和视频点播模块,均是从我们原有开发的系统中快速移植过来的。这种微内核加插件型功能模块形式,有利于实现应用系统对不必要的功能模块进行裁剪,有利于按需选用合适的功能模块组装各种应用系统。本项目研制的超大规模分布式虚拟现实综合集成支撑平台ViWo(Virtual World简写成ViWo作为系统的名称)是一个可定制、易扩展、具有良好的二次开发接口的构件化大型应用软件系统(如图1所示),具有以下几个功能特点:


图1 ViWo系统体系结构图

    虚拟场景和场景对象模型的高效可视化预处理工具集

    本工具集包含多个处理工具,按照功能可分为两大类:场景地形重构融合组织工具ViWoTe rr a,场景对象模型几何优化与流式处理工具ViWoMode l。

    (1)ViWoTerra主要针对地形高程数据、影像纹理数据的替换拼接融合、多分辨率组织以及场景重构等功能;

    (2)ViWoModel主要针对三维景模型进行模型的正则化处理、填补裂缝和空洞、形变、光顺、重网格化、流式处理等功能,也能够从图像序列重构三维模型,或者通过常用的交互方法生成和处理三维模型。本工具集可以快速高效处理场景数据。

    客户端高并发协同交互和海量数据实时绘制子系统 

    客户端ViWoClient具有良好的协同交互编辑功能,可以进行场景模型的导入和简单的修改、模型的运动控制和感知、矢量线和区域图生成和高效绘制、模型的属性信息编辑、文字信息编辑和图像视频添加播放、GIS信息导入和显示、场景模型显示的聚合和解聚、基于网络的可视化数据的显示、自然场景的真实感绘制、千兆级复杂场景的实时绘制、二三维联动等。、

    场景动态管理和数据高效分发子系统

    针对场景动态变化和场景数据量大的特点,具有分布式场景图引擎ViWoSG、动态负载均衡、数据动态迁移、场景数据更新、协同交互通信等功能。

    海量数据的高效组织和管理的分布式集群服务器 

    采用协调服务器、数据服务器组和客户端组成的分布式服务器集群结构ViWoServer,以适合TB级甚至PB级大范围复杂数据的高效处理、组织与发布,包括各种复杂模型及其各种复杂行动描述等综合环境。协调服务器负责负载均衡、数据服务器管理、数据服务器数据一致性、用户认证等,数据服务器负责场景管理、数据存储和分发、协同交互管理、场景更新数据管理、图像和视频数据库管理等,每个数据服务器负责部分区域数据及其上面的各种场景数据的管理及其操作,同一区域数据服务器之间的一致性通过协调服务器数据一致性功能实现。

    上述功能模块和系统从底层设计到系统代码编写全部由本项目组实现,具有我国完全自主知识产权。在此基础上形成了若干个重要的应用系统。面向军事演练的重大需求,研制了可以支持武器装备实体的几百种类型上万个行动描述的陆海空诸兵种联合作战的、异地多节点协调交互图4 数字博物馆中的数字天坛和青花扁壶的三维重建的分布式虚拟战场系统(如图2所示),对节约演练费用,提高军事作战模拟效果真实度,提升我军军事演练水平和战斗力具有重要的作用。


图2 虚拟战场及电子对抗应用系统

    面向数字海洋的迫切需求,研制了一个数字海洋的虚拟现实和互操作系统,实现了基于网络的海量多维海洋特征数据(温度盐度密度、风暴潮海浪洋流等)的多分辨率交互可视化的应用(如图3所示),为我国国家数字海洋发展提供了核心技术。


图3 数字海洋及海洋流场可视化应用系统

    面向数字博物馆,开发了适合博物馆演示和研究的虚拟博物馆系统(如图4所示)。同时本系统也可以作为面向城市规划设计应用系统的支撑平台,现正在与合作单位在我国数字城市规划设计中进行推广应用。


图4 数字博物馆中的数字天坛和青花扁壶的三维重建

    结论和展望

    本项目研制的分布式虚拟现实系统在多个领域得到了应用,取得了良好的经济效益和社会效益。我们研制的虚拟现实综合集成支撑平台,不仅可以支持大地域、海量信息的集成和表达,也可以支持各分布节点复杂虚拟场景的各种信息的快速表达和分析,场景规模可以超过上千万个三角面片,包括各种视频音频等信息的综合集成显示和分析模拟。对场景的构建和组织不仅达到了便捷,还可以满足不同应用领域的场景规模要求和模型表示精度要求。

    虚拟现实要满足复杂场景对象的模拟仿真,使虚拟现实真正变成实用的应用系统,需 参考文献要研究不同应用领域的基于物理和领域知识的场景运动演变规律的仿真平台。快速实时和高真实感的增强现实场景构建与表示等关键技术是未来研究发展的方向。

    作者简介:

    汪国平 中国计算机学会高级会员、虚拟现实与可视化专委副主任。北京大学信息学院教授,软件研究所副所长。主要研究方向为计算机图形学和虚拟现实等技术。gwang@graphics.pku.edu.cn

    李 胜 中国计算机学会会员。北京大学信息学院讲师。主要研究方向为计算机图形学和虚拟现实等技术。lisheng@graphics.pku.edu.cn

    参考文献

    [1] Zhao Qiniping, A Survey on Virtual Reality, Sci China Ser F-Inf Sci, 52(2009), 3: 348~400

    [2] Wang Guoping, et al, WiWoSG: A Distgributed Scene graph of ultra-massive distributed virtual environments, Sci China Ser F-Inf Sci, 52(2009),3: 457~469

    [3] Yoon, S.-E.,et al., Quick-VDR: Out-of-Core View-Dependent Rendering of Gigantic Models.IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 11(2005), 4: 369~382.

    [4] Varadhan, G.,Manocha, D., Out-of-Core Rendering of Massive Geometric Environments,IEEE Visualization Proceeding, 2002: 69~76

标签:分布式gis
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