虚拟场景中协同感知技术研讨

  

第一章绪论

 

       随着计算机技术，特别是虚拟现实技术和网络技术的飞速发展和融合，协同虚拟现实技术应运而生。目前的研究成果和发展趋势表明，协同虚拟现实技术作为虚拟现实技术与网络技术的交又研究领域将最终改变人类的生活和工作方式。Tesle:曾对计算机的发展史进行了非常精确的概括:计算机开始时是依靠许多技术精英为之服务的笨重机器，现在已经逐渐转变为个人所拥有的工具，而下一代的计算机将会通过网络主动地和使用者进行协同工作。1.1课题来源本课题来源于总参军训和兵种部项目“虚拟现实实验室建设”。该项目是用于某装备维修训练环境的模拟，而构造高度真实感的协同虚拟训练环境，可以提高装备维修的质量和效率。协同用户通过专用网络登录到位于服务器端的虚拟场景中，对某一装备进行协同维修完成特定任务。虚拟场景与用户替身的建模是其中的一个组成部分，而在虚拟场景中用户之间的协同感知是研究的一个重点内容，只有相互感知到对方，感知到对方的行为和目的才能进行下一步的协同工作。为避免多个用户对同一装备同时进行操作而引起的冲突，必要的并发控制也是研究的一个内容。

 

        1.2研究背景及意义协同虚拟环境(CollaborativeVirtualEnvironment,CVE)}z'+'}'，技术，是把计算机协同工作(ComputerSupportedCollaborativeWork,CSCW)}'0，技术、虚拟现实技术、人工智能技术、多媒体技术和网络技术等多种技术结合在一起，在一组互联的计算机上同时运行虚拟环境系统实现协同工作。目前它已经成为计算机领域研究、开发和应用的热点。虚拟现实技术本身就是一种可视化操纵和交互复杂数据对象的手段，与CSCW相结合更是大大丰富了计算机作为交互和通信工具的职能和作用，其目标是提供共享的极具真实感的虚拟空间，将现有的计算机网络改造成可浏览的三维虚拟空间，使人们能够更加自然、协调地与他人进行交互和协同。借助该技术，“在网络上漫游”就可以成为一种真实的生活，人们可以真正进入计算机，通过网络到达任何地方，甚至进入那些通过仿真创造出来的虚拟世界，与任何人进行逼真的远程会面，完成协同工作。虚拟现实建模语言(VirtualRealityModelingLanguage,VRML)}a'的出现更是促进了以网页为中心，主要用于信息发布的第一代Web向主要用于通信并以交互、动态和逼真的三维世界为特征的第二代Web的发展。

 

        目前，以VRML,Java等各种技术为基础，代表了未来计算机交互界面发展方向的协同虚拟环境正在逐步实现多用户协同、分布式、三维可伸缩等特点。如果说二十世纪九十年代是多媒体技术的时代，那么二十一世纪将是协同虚拟环境技术的时代。协同感知〔‘3，是多用户共享虚拟环境中研究的重点。所谓感知是对环境中事物的了解与认知，这种了解基于空间和时间，由于环境的不断变化，感知必须是最新的，感知包括被第i页动感受和主动获取。虚拟环境中的协同感知是指多用户共享虚拟场景中共享对象(尤其是用户的替身)对所处场景信息的认知能力，这些信息包括共享对象的更新信息、文本、语音或视频信息、通信以及其他用户的相关信息((}u用户的位置与运动信息)。多用户之间的感知主要是通过应用合理的感知策略来定义用户的交互范围，实现用户之间的协同;其次适当的感知管理机制也是减少网络信息交互量，增加系统扩展性的有效途径。通过定义不同的感知范围和不同的感知粒度，可以实现用户之间不同程度的交互。

 

       1.3国内外研究现状协同虚拟环境(CVE)的发展历程与虚拟环境的发展历程息息相关。最初，虚拟现实方面的研究工作集中于单用户系统，强调系统的沉浸特性，追求多种感知的逼真性。随着网络的发展，特别是WWW应用的成功，研究者开始将单机上的单用户虚拟现实系统扩展为网络上的多用户分布式虚拟现实系统。CVE的研究开发工作起步于二十世纪八十年代初，如1983年美国国防部(DOD)制定了SIMNET的研究计划。近年来，网络技术的飞速发展更进一步推进了CVE的研究和开发。美国科学基金会在1992年召开的虚拟环境研究方向研讨会上，对虚拟环境的定义及其研究方向提出了详细的建议，该会议奠定了CVE作为独立研究方向的地位。二十世纪九十年代中后期以来，CVE的研究蓬勃展开，相关产品已经形成相当规模的产业。CVE与一般虚拟环境的本质区别在于前者更关注用户间协同而非仿真;Internet上的协同虚拟现实系统与强调沉浸的单用户系统的不同在于前者更强调系统的协同性和用户间的通信，能让一组分布于不同地点的用户在相同的虚拟环境中相遇并交互，用户间以自然的非正式的方式相互通信，以支持协同工作。对CSCW的研究到目前为止已有二十多年了，欧美等国在CSCW领域的研究处于领先地位。由欧洲一些研究机构组织的CSCW系列会议，从1989年开始，每两年在欧洲有关国家轮流召开，同样具有很高的学术水平。

 

      在国内对CSCW的研究起步较晚，从90年代才开始引入和展开CSCW相关领域的研究。清华大学和国防科技大学的CSCW研究在国内处于领先地位，从开始对国外CSCW技术的跟踪介绍，到对协同多媒体和协同编著系统等方面展开初步研究。随着对CSCW研究和理解的不断加深，CSCW的理论、关键技术和具体应用开始受到关注并成为研究的热点。从1998年开始，每两年举办一次全国性的CSCW学术会议。虚拟现实技术、网络技术、CSCW技术以及人工智能技术己在各个领域结合应用，极大地改变了人类的生活和工作方式。我们可以把众多的应用总结为两大类:一类是真实世界仿真，另一类是抽象概念建模。前者包括虚拟商场、虚拟城市、数字图书馆、虚拟博物馆、虚拟实战演练等应用;而后者包括远程教育〔34]、虚拟产品原型设计和制造等应用。但是，当前各种应用对上述技术的渗透是不均衡的，从另一个角度来说，各种技术没有能够非常紧密地结合使用，如仅仅表现为原有表现形式的一种简单应用而没有进一步综合利用新媒体的优势。