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分布式虚拟现实环境仿真国际标准
2010年1月10日    评论:    分享:

    来源:北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室

来源: 北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室

    (本文源于早期文献整理,约2001年)

    虽然独立的虚拟现实系统发展很快,但它在模拟现实世界时存在一定的局限性。而网络技术和虚拟现实技术结合的产物——分布式虚拟现实技术(Distributed Virtual Reality)可以更为真实地模拟现实世界。分布式虚拟现实系统,又称为分布式虚拟环境、网络化虚拟现实、多用户虚拟环境,它将分散在不同地域的独立的虚拟现实系统通过网络联结起来共享信息,多个用户在一个共享的三维虚拟环境中进行交互,协同完成一项任务。其中每个独立的虚拟现实系统被称为一个“节点”或“主机”,这些虚拟现实系统中的节点可以由用户控制,也可以由程序自动控制,用户或自动程序在虚拟环境中由一个“实体(entity)”表示,也称为“化身(avatar)”或“对象(object)”。用户通过输入改变实体的状态,并通过消息传递机制将更新状态在其他节点上反映出来。分布式虚拟现实系统综合了计算机网络、图形图像处理、多模式人机交互等多项技术,可以广泛应用于军事仿真训练、灾难救援仿真、飞行员驾驶训练、异地协同设计、远程教学、远程会议、多用户游戏、遥操作(如远程会诊和远程手术)、产品异地设计、城市建设规划管理等领域,在应用和商品化方面有着巨大的发展潜力。

    分布式虚拟环境最早是美国军方提出的,它通过计算机网络将分散在不同地点的仿真器或军事仿真系统连结起来,在一致的共享虚拟战场环境下进行分布式虚拟战术演练。最早的分布式虚拟战场环境是1983年DARPA和美国陆军共同制定的SIMNET研究计划。其中包括了约260个地面装甲车辆仿真器、飞行模拟器、通讯网络、指挥所和数据处理设备等,所有的设备和人员分布在美国和德国的11个城市。这个系统可以训练军事人员和团组,也可以对武器系统的性能进行研究和评估。在美国国防部与工业界的共同促进下,形成了分布交互仿真(Distributed Interactive Simulation, 简称DIS)的第一个标准-IEEE 1278标准集。

    目前大部分领域的分布式虚拟现实应用系统开发主要参考了IEEE在分布交互仿真领域的两个标准——1993年颁布的IEEE DIS(IEEE Std 1278 - IEEE Standard for Distributed Interactive Simulation,DIS)标准和2000年颁布的IEEE HLA (IEEE Std 1516 - IEEE Standard for Modeling and Simulation (M&S) High Level Architecture,HLA)标准,本篇对它们进行简要介绍。

    2.1.1  DIS标准

    在SIMNET的基础上,美国军方与工业界进一步发展了异构型网络互联的分布式交互仿真技术,形成了DIS标准。DIS是SIMNET技术的标准化和扩展,它由一系列应用协议与通信服务标准、推荐的演练策略和相关规范来确保互操作能力。DIS标准和协议的核心是通过协议数据单元(Protocol Data Unit,PDU)的使用,支持异地分布的真实的或虚拟构造的平台级仿真系统之间的互操作。DIS技术推出后很快应用于美军各兵种的仿真系统研究和开发中,如美国海军的BFTT系统(Battle Force Tactical Training system)、空军的JMASS系统(Joint Modeling and Simulation System)以及由美军TMA投资,并由仿真、训练与装备司令部管理的CATT系统(The Combined Arms Tactical Trainer)等。

    在DVENET的开发和应用实践初期,我们开发了符合DIS标准的软件包DVE_Link,其中对DIS协议进行了一些扩充,主要是增加了几种类型的PDU,如动态地形环境PDU、命令指挥PDU和演练初始信息发布PDU等。

    可以说,DIS是由美国军方最早倡导并成为仿真领域的第一个IEEE标准,直到1998年IEEE还对其进行过修订和补充,目前仍有大量的基于DIS标准的仿真系统存在。但是,由于DIS采用广播通讯模式,使得应用程序被动地接收所有交互数据,其中很可能包括很多应用程序并不关心的垃圾数据,而且随着仿真规模的扩大这些垃圾信息也成正比例增加。DIS的这种在数据交互方面的局限以及DIS自身体系结构所固有的一些缺陷使得DIS在某些方面不适合适应仿真发展的要求,并促成了HLA标准的产生。

    2.1.2 HLA规范及RTI服务

    SIMNET、DIS、ALSP都是同类功能仿真应用(武器平台、模拟仿真器、计算机生成兵力CGF、聚合级仿真模型)的互联,只有有限的互操作性,不能满足日益复杂的作战仿真需求。为此,美国国防部于1995年发布了建模与仿真主计划(M&S Master Plan,MSMP),决定在国防部范围内建立一个通用的仿真技术框架来保证国防部范围内的各种仿真应用之间的互操作性。该技术框架的核心是高层体系结构HLA。HLA在1996年8月完成基础定义,随后为北约各国采纳,并于2000年9月被IEEE接受为推荐标准。美国国防部规定2001年后所有国防部门的仿真系统必须符合HLA规范。

    (一)HLA规范

    HLA规范主要由三部分组成:HLA规则(HLA Rules);HLA接口规范(Interface Specification),实现该接口规范的软件被称作运行基础结构(Run-Time Infrastructure,RTI);HLA对象模型模板(Object Model Template,OMT),OMT中包括联盟对象模型(Federation Object Model,FOM)和仿真对象模型(Simulation Object Model,SOM)。在HLA规范中,定义了联盟(Federation)和盟员(Federate)。

    (1)HLA规则

    HLA规则定义了在联盟设计阶段必须遵循的基本准则,是联盟中的盟员必须遵守的一些规则,这些规则保证了交互的正确性。这些规则共有十条,其中前五条规定了联盟必须满足的要求,后五条规定了盟员必须满足的要求。

    联盟规则

    1)每个联盟必须有一个FOM,该FOM的格式应与HLA OMT兼容;

    2)联盟中,所有与仿真有关的对象实例应该在盟员中描述而不是在RTI中;

    3)在联盟运行过程中,各盟员之间的交互必须通过RTI来进行;

    4)在联盟运行过程中,所有盟员应按照HLA接口规范与RTI交互;

    5)联盟运行过程中,在任一时刻,同一实例属性最多只能为一个盟员所拥有。

    盟员规则

    6)每个盟员必须有一个符合HLA OMT规范的SOM;

    7)每个盟员必须有能力更新/反射任何SOM中指定的对象类的实例属性,并能发送/接收任何SOM中指定的交互类的交互实例;

    8)在联盟运行过程中,每个盟员必须具有动态接收和转移对象属性所有权的能力;

    9)每个盟员应能改变其SOM中规定的更新实例属性值的条件;

    10)盟员必须管理好局部时钟,以保证与其它盟员进行协同数据交换。

    (2)HLA接口规范

    HLA接口规范是HLA的关键组成部分,它定义了在仿真系统运行过程中,支持盟员之间互操作的标准服务。这些服务分为六大类,即联盟管理服务、声明管理服务、对象管理服务、所有权管理服务和数据分发管理服务。这六大类服务实际上反映了为有效解决联盟成员间的互操作所必须实现的功能。

    (3)HLA对象模型模板

    HLA对象模型模板为HLA相关信息提供了一个文档模板,这些信息包括联盟中的对象,它们的属性和交互类,通用的模板使得对于不同的仿真以及联盟更容易理解和比较。HLA规定联盟和单个的盟员都必须有对象模型描述。OMT并没有定义具体的数据,它只是定义了信息表示的格式。对象模型采用OMT格式描述了联盟中的对象及其属性(即对象的状态)和可能发生在联盟中对象之间以及对象与仿真环境之间的交互。

    HLA定义了两种对象模型:HLA联盟对象模型FOM和HLA仿真对象模型SOM。FOM中定义了参加此联盟的所有对象类和交互类以及它们的属性和参数信息。SOM中定义了单个联盟成员(盟员)的信息,包括对象、属性、交互和参数。

    HLA把数据和结构分开,并规定按照OMT定义的对象类和交互类模板可以不依赖任何HLA软件进行构建、交换,利于在仿真之间对仿真的部件进行交互和重用。

    (二)RTI服务

    RTI是HLA接口规范的具体实现,它是基于HLA仿真的核心部件,也是HLA仿真应用程序设计和运行的基础,其功能类似与分布式操作系统。RTI原型系统的开发始于1995年底,由DMSO主持开发,以后随着HLA仿真应用领域的拓宽,不断有商业公司介入其中,因此目前有多种版本的RTI。随着HLA接口规范的不断发展,RTI也不断完善。

    根据HLA接口规范,RTI提供六大类服务:联盟管理、声明管理、对象管理、时间管理、所有权管理、数据分发管理。

    联盟管理提供管理联盟的服务,包括:

    1)创建一个新的联盟;

    2)销毁一个联盟;

    3)盟员申请加入某个联盟;

    4)盟员退出联盟。

    声明管理可以发送和接收的数据,这些服务为盟员提供进行数据交换的方法。HLA的数据交互采用“发布-订购”机制,这种机制提供了基于类型的信息过滤,尤其是在具有多种对象类和交互类的盟员中,它可以降低仿真应用程序之间传输的数据量。需实现的服务包括:

    1)通知RTI某类或其某些属性可以发布,包含a) 联盟可以注册这种类的实例;b)盟员拥有相对应的类的实例所发布的属性;

    2)通知RTI联盟不再注册这种类的实例,则RTI不再更新这种类的实例的任何属性;

    3)发布交互类;

    4)取消发布交互类;

    5)订购对象类的属性;

    6)取消对该对象类的订购。

    对象管理为对象类和交互类实例提供实际的数据交换服务,包括对象生产者的对象实例注册和实例更新以及对象消费者的对象实例发现和反映。其中还包含发送和接收交互的相关方法,并可以为每个属性和交互提供尽力(Best Effort)和可靠(Reliable)两种传输服务。需实现的服务包括:

    1)注册对象实例;

    2)发现对象实例,一个对象实例在已由另一个盟员注册或进行了Local Delete Object Instance操作后就可以进行发现操作;

    3)盟员给所发布的属性提供更新;

    4)给盟员更新特定实例属性的值;

    5)发送交互;

    6)接受交互;

    7)从联盟中去除该对象实例;

    8)通知各盟员该对象实例已被去除,不再保留相关的对象属性更新;

    9)请求属性更新, RTI接到此请求后通知相应盟员进行Provide Attribute Value Update服务;

    10)得到本盟员的当前属性值,盟员对此请求进行响应,以Update Attribute Values服务来向联盟提供请求的对象实例属性值。

    所有权管理提供服务使得对象/属性的所有权能够在盟员之间共享以及传递。对于某个对象来说,任意时刻只有一个盟员拥有这个对象的某个属性,即具有更新此属性的权利。它可以将这一权利传递给其他盟员,使得由其他盟员更新此属性。如果一个盟员实例化了一个对象,就自动拥有删除此对象的权利,除非它将这一权利传递给其他盟员。需实现的服务包括:

    1)盟员放弃对对象属性的所有权;

    2)询问对象属性的所有者;

    3)提供对象属性的所有权信息;

    4)查询对象实例的特定属性是否由本地盟员所有

    时间管理提供支持仿真时间一致性的服务。时间管理为联盟演练提供了乐观或保守时间推进机制和时间戳或接收序的消息处理顺序,保证联盟范围内事件发生的一致性。

    数据分发管理提供数据传输的路由表,它与对象管理的组播技术密切相关。对联盟中盟员接收数据的范围进行限制,减少盟员的数据处理量和网络的负担。

    HLA只定义了RTI的服务功能,并没有定义或推荐一种具体的实现方法。因此,国内外有多种RTI,如美国DMSO RTI、Mak RTI、FDK、瑞典pRTI,以及日本和中国也发布了几个RTI系统,另外还有一些开源的GMU-RTI、CE-RTI等。

    (三)HLA的主要特点

    HLA是一个开放的、支持面向对象的体系结构。它最显著的特点就是通过提供通用的、相对独立的支撑服务程序,将应用层同底层支撑环境分离,即将具体的仿真功能实现、仿真运行管理和底层通信三者分开,隐蔽各自的实现细节,从而可以使各部分相对独立地进行开发,最大程度地利用各自领域的最新技术来实现标准的功能和服务,适应新技术的发展。同时,HLA可实现应用系统的即插即用,易于新的仿真系统的集成和管理,并能根据不同的用户需求和不同的应用目的,实现联盟的快速组合和重新配置,保证了联盟范围内的互操作和重用。与DIS不同(DIS中所有仿真都接受一段数据广播),HLA的盟员有能力确定:它们将产生什么信息,它们喜欢接受什么信息,数据传输服务的类型(例如可靠的或快速的)等等。正因为如此,采用HLA后,整个联盟范围内所发送的数据量将明显减少,因而可以使一个网络上同时有更多的仿真应用,而且仿真软件也被简化。另外,HLA既不规定对象由什么构成(对象是被仿真的实际物体,例如坦克和导弹),也不规定对象交互的规则,它考虑的重点是如何实现盟员之间的互操作,即如何将已有的盟员集成联盟。这是DIS和HLA的主要区别。

    然而,HLA的强大和灵活也有它的弱点,除非仿真系统中所有的盟员对于一个单一的联盟对象模型(FOM,Federation Object Model)来说是一致的,否则,即使盟员与HLA是一致的,它们也不能互操作。

    从1998年开始,在形成基于DIS标准的DVE_Link软件包的基础上,我们进行了HLA/RTI的跟踪,同时为了充分利用已有的基于DIS的资源,对DIS系统和HLA系统的互联技术(DIS/HLA网关)进行了研究。2000年以来,开始了RTI软件和各类配套开发工具的研制,经过多年发展,形成了分布交互仿真运行平台BH RTI和BH HLA,基于这些工具完成了DIS向HLA的过渡。

 

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