虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高新技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，可以產(chǎn)生親臨對(duì)應(yīng)真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。自1993年Heim開始，虛擬現(xiàn)實(shí)開始成為哲學(xué)家的關(guān)注點(diǎn)，有哲學(xué)家認(rèn)為，人類區(qū)別與其他動(dòng)物的主要特點(diǎn)是通過制造和使用工具來認(rèn)識(shí)世界、改造世界，而虛擬現(xiàn)實(shí)是獨(dú)一無二的工具，因?yàn)閰⑴c人也是這個(gè)工具的一部分，他們預(yù)測(cè)虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)整個(gè)人類社會(huì)的發(fā)展將是革命性的。
將不同地點(diǎn)的人拉到同一個(gè)虛擬環(huán)境的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)(Distributed Virtual Reality, DVR)技術(shù)更是成為人們無盡遐想的源泉，多個(gè)用戶可在共享的分布式虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互、協(xié)作，通過姿勢(shì)、聲音和文字等“在一起”進(jìn)行交流、學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、娛樂，甚至協(xié)同完成一件復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)或合作完成一項(xiàng)任務(wù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，分布式虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)在很多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用，如工程技術(shù)、建筑、設(shè)計(jì)、交互式娛樂、電子商務(wù)、數(shù)據(jù)可視化、軍事等。網(wǎng)絡(luò)游戲就是一種典型的分布式虛擬環(huán)境應(yīng)用，如今的網(wǎng)絡(luò)游戲已經(jīng)越來越逼真，如圖1所示，圖中的人物來自于在不同地點(diǎn)的參與者。
圖1 某分布式虛擬環(huán)境場(chǎng)景
分布式虛擬環(huán)境有基于互聯(lián)網(wǎng)和基于專用網(wǎng)兩大類?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的分布式虛擬環(huán)境可以追溯到70年代末出現(xiàn)的多用戶游戲(Multiuser Dungeon，MUD)。虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言(Virtual Reality Modeling Language，VRML)第一次在Web上實(shí)現(xiàn)了三維的世界。2000年左右，大型多人在線游戲 (Massively Multiplayer Online Game，MMPOG)等網(wǎng)絡(luò)游戲迅速崛起，得到了大范圍應(yīng)用，國內(nèi)流行的“石器時(shí)代”、“傳奇”、“千年”、“命運(yùn)”都屬于這一類中的MMORPG (Massively Multiplayer Online Role Playing Game，大型在線角色扮演類游戲)。
基于專用網(wǎng)的分布式虛擬環(huán)境應(yīng)用最早、最廣泛的領(lǐng)域是仿真領(lǐng)域，也稱為分布交互仿真（Distributed Interactive Simulation，DIS）或分布式仿真（Distributed Simulation）。分布交互仿真技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了SIMNET（SIMulator NETwork），DIS協(xié)議，ALSP協(xié)議（Aggregate Level Simulation Protocol）等三個(gè)階段，目前已進(jìn)入高層體系結(jié)構(gòu)HLA（High Level Architecture）研究階段。美、英、日、德等發(fā)達(dá)國家紛紛啟動(dòng)HLA的研究計(jì)劃。HLA是分布交互仿真的最新標(biāo)準(zhǔn)，它旨在建立一個(gè)通用的高層仿真體系，達(dá)到各種模型和仿真的互操作和可重用性。由于HLA標(biāo)準(zhǔn)思想和技術(shù)的先進(jìn)性，它已經(jīng)成為分布式仿真領(lǐng)域官方和事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，是研究應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。美國軍方從2000年開始在美軍內(nèi)部強(qiáng)制全面推廣國防部標(biāo)準(zhǔn)HLA 1.3，2000年通過的IEEE P1516標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)在工業(yè)界開始了應(yīng)用。采用分布交互仿真技術(shù)構(gòu)建分布式虛擬環(huán)境已成為軍事領(lǐng)域和一些工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。
隨著互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)和基于專用網(wǎng)這兩大類的技術(shù)逐漸出現(xiàn)交叉，基于專用網(wǎng)的分布交互仿真也開始出現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上，專用網(wǎng)上也有些應(yīng)用采用基于互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。圖2從這兩個(gè)方面按照技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間簡(jiǎn)要給出了分布式虛擬環(huán)境技術(shù)的發(fā)展歷程。
圖2 分布式虛擬環(huán)境技術(shù)的發(fā)展歷程
分布式虛擬環(huán)境系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡(luò)傳遞虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的各類數(shù)據(jù)，由于虛擬現(xiàn)實(shí)本身是個(gè)多維數(shù)字空間，可以理解，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、帶寬都有著較高的要求。事實(shí)上，現(xiàn)有的很多高精細(xì)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用都是在單機(jī)或局域網(wǎng)上進(jìn)行的，像網(wǎng)絡(luò)游戲這樣的遠(yuǎn)程應(yīng)用都有著諸多的限制，如場(chǎng)景逼真度不高、人物動(dòng)作機(jī)械且不及時(shí)等。而互聯(lián)網(wǎng)的升級(jí)換代對(duì)分布式虛擬環(huán)境會(huì)有多大的幫助呢？
CNGI上的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用試驗(yàn)
近年來，互聯(lián)網(wǎng)在社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的不足逐漸顯露，下一代互聯(lián)網(wǎng)（Next Generation Internet, NGI）的研究和實(shí)踐開始成為全世界關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的升級(jí)改造，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量大為改善，現(xiàn)有專用網(wǎng)上分布式虛擬環(huán)境的一些技術(shù)可以向互聯(lián)網(wǎng)上推廣，為跨城市的分布式虛擬環(huán)境的發(fā)展提供了契機(jī)。
北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、首都師范大學(xué)等單位，在中國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程CNGI (China Next Generation Internet) 項(xiàng)目的支持下，從2005年到2007年，在北京、廣州、武漢、上海、杭州共5個(gè)城市的6個(gè)主要節(jié)點(diǎn)開展應(yīng)用試驗(yàn)，如圖3所示。開發(fā)部署了基于IPv6的分布式虛擬環(huán)境運(yùn)行平臺(tái)BH RTI，并在5個(gè)城市間開展了涉及分布式虛擬仿真、生物科學(xué)、虛擬數(shù)字博物館、射擊類網(wǎng)絡(luò)游戲、城市規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)管理和災(zāi)情勘查等領(lǐng)域、具有遠(yuǎn)程控制功能的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用示范試驗(yàn)。具體包括：
圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
1．北京航空航天大學(xué)--基于IPv6的分布式虛擬環(huán)境運(yùn)行平臺(tái)BH RTI
BH RTI支持分布交互仿真國際標(biāo)準(zhǔn)HLA 1.3及IEEE P1516，是國際第一個(gè)發(fā)布的支持IPv6的運(yùn)行時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施RTI軟件。與國際同類軟件相比，BH RTI在跨城市的大規(guī)模分布式虛擬環(huán)境支撐能力方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，在CNGI CERNET2上，BH RTI有效支持了跨3個(gè)城市的一千多個(gè)應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)協(xié)同。北京-武漢兩個(gè)城市間的交互延遲測(cè)試結(jié)果如圖4所示，報(bào)文的往返時(shí)間低于50毫秒，BH RTI傳輸?shù)难舆t比純TCP傳輸延遲僅高不到0.5毫秒。這樣的實(shí)時(shí)性可以滿足大部分虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的需要。
圖4 北京-武漢之間的TCP往返延遲和BH RTI傳輸往返延遲
從2006年開始，虛擬現(xiàn)實(shí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室免費(fèi)發(fā)放基于IPv6的BH RTI (http://www.hlarti.com)及其分布式網(wǎng)絡(luò)游戲源碼供相關(guān)CERNET2單位研究和使用。目前國內(nèi)已有約200家單位基于BH RTI開展學(xué)習(xí)、研究或應(yīng)用?；贐H RTI的一些應(yīng)用效果如圖5所示。
圖5 基于BH RTI的跨城市仿真和分布式網(wǎng)絡(luò)游戲
2．北京航空航天大學(xué)--基于IPv6的大型多人在線室外FPS類網(wǎng)絡(luò)游戲Attention
第一人稱射擊類游戲（First-Person Shooting, FPS）要求高實(shí)時(shí)性，在游戲中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要頻繁交互，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和帶寬成為了當(dāng)前限制多人在線FPS游戲規(guī)模的主要因素?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)游戲，包括大規(guī)模多人在線網(wǎng)絡(luò)游戲，都有著局部小規(guī)模場(chǎng)景或多個(gè)封閉子世界的特點(diǎn)，尤其是FPS類實(shí)時(shí)游戲都只能支持?jǐn)?shù)十個(gè)游戲者同時(shí)交互，這都是與網(wǎng)絡(luò)制約有關(guān)。
北京航空航天大學(xué)在CERNET2上構(gòu)建了一個(gè)超大場(chǎng)景、不存在封閉空間、有數(shù)百人參與的射擊類游戲Attention，并進(jìn)行了試驗(yàn)。Attention 2.0構(gòu)建了一個(gè)100平方公里的室外大型開放性室外場(chǎng)景，采用多服務(wù)器架構(gòu)進(jìn)行區(qū)域劃分，用戶可以在服務(wù)器間自由遷移，服務(wù)器之間通過分層迭代進(jìn)行平滑的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡。圖6是局部大量玩家作戰(zhàn)的效果?？绫本虾５臏y(cè)試表明，在CERNET2上，Attention 2.0用兩臺(tái)服務(wù)器可支持超過256個(gè)在線玩家的流暢交互，交互延遲約30-50ms。這項(xiàng)試驗(yàn)表明，在下一代互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)上百人的實(shí)時(shí)類游戲是可行的。
圖6 局部近百個(gè)玩家的實(shí)時(shí)交互
3．浙江大學(xué)--基于IPv6的城市景觀服務(wù)
在IPv4互聯(lián)網(wǎng)上目前還沒有發(fā)布大數(shù)據(jù)量的精細(xì)三維城市規(guī)劃，浙江大學(xué)針對(duì)三維城市規(guī)劃應(yīng)用需求，在CERNET2上開展研究，建立了基于IPv6的城市景觀服務(wù)示范應(yīng)用系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)杭州市遠(yuǎn)程景觀評(píng)審的示范應(yīng)用，其傳輸數(shù)據(jù)量和規(guī)劃精細(xì)程度大大超過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)城市規(guī)劃案例。
基于IPv6的城市景觀服務(wù)示范應(yīng)用系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)支持遠(yuǎn)程評(píng)審的杭州重要景區(qū)的景觀規(guī)劃展示和評(píng)審平臺(tái)，提供面向城市規(guī)劃領(lǐng)域的景觀網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，如圖7所示。該系統(tǒng)的在下一代互聯(lián)網(wǎng)的成功應(yīng)用，意味著大規(guī)模精細(xì)城市建筑三維數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳播的可行性得到驗(yàn)證。
圖7 基于IPv6的城市景觀服務(wù)
4．華南理工大學(xué)--蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)可視化分析預(yù)測(cè)系統(tǒng)
蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)科學(xué)與生物科學(xué)相結(jié)合，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人類對(duì)微觀世界的觀察研究。它建立了一個(gè)科學(xué)計(jì)算可視化的服務(wù)平臺(tái)，支持多學(xué)科的科學(xué)計(jì)算和可視化驗(yàn)室和分析，實(shí)現(xiàn)在生物科研中需要進(jìn)行的大規(guī)模計(jì)算查找功能，并將肉眼無法觀察到的蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行三維模擬，使用戶可以方便地進(jìn)行觀察和分析研究。本系統(tǒng)在生物科研功能方面主要實(shí)現(xiàn)同源搜索、比對(duì)建模、模型評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)比對(duì)四部分功能，并提供蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的三維顯示功能，多點(diǎn)交互功能和高清晰視頻流傳輸功能，如圖8所示，可在下一代互聯(lián)網(wǎng)CERNET2上提供科學(xué)計(jì)算可視化服務(wù)。
圖8 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)可視化分析預(yù)測(cè)系統(tǒng)部署和界面
清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、華中科技大學(xué)、首都師范大學(xué)等單位也在遠(yuǎn)程立體視覺、多視點(diǎn)視頻、分布式攻防對(duì)抗、遠(yuǎn)程災(zāi)害預(yù)測(cè)等方面做出了很好的工作成效，限于篇幅，此處不詳細(xì)介紹。總的來看，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明CNGI能夠支持大規(guī)模精細(xì)三維數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，對(duì)支持遠(yuǎn)程虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用有著距離更遠(yuǎn)、規(guī)模更大、模型更精細(xì)的特點(diǎn)，尤其是帶寬優(yōu)勢(shì)明顯。
最新的發(fā)展
最近，一種基于視覺的遠(yuǎn)程沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)成為虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。遠(yuǎn)程沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)讓真實(shí)的人“進(jìn)入”虛擬的三維場(chǎng)景中，通過實(shí)時(shí)、逼真的遠(yuǎn)程再現(xiàn)技術(shù)將真實(shí)的人的動(dòng)作、表情、姿態(tài)、手勢(shì)等在共享的虛擬環(huán)境中同步再現(xiàn)出來，不同地域的多個(gè)人“進(jìn)入”到共享的三維虛擬環(huán)境中進(jìn)行“面對(duì)面”的互動(dòng)交流，從而達(dá)到身臨其境的互動(dòng)體驗(yàn)。這類系統(tǒng)的特點(diǎn)都是用大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來重構(gòu)出遠(yuǎn)程的人或者環(huán)境，需要大量的帶寬，因此相關(guān)研究均在下一代互聯(lián)網(wǎng)上開展。
美國UC Berkeley大學(xué)的Tele-immersion實(shí)驗(yàn)室從2004年開始采用實(shí)時(shí)建模和遠(yuǎn)程傳輸共享的方法開發(fā)遠(yuǎn)程沉浸式交互系統(tǒng)。系統(tǒng)使用攝像機(jī)采集圖像，每4個(gè)攝像機(jī)分為一組，共12個(gè)攝像機(jī)組，每個(gè)機(jī)組采集到的圖像交由后臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像重建，共有12臺(tái)并行工作的后臺(tái)計(jì)算機(jī)完成三維模型的構(gòu)建。采集環(huán)境如下圖9（a）所示?；谠撓到y(tǒng)，Berkeley與Illinois大學(xué)、UIUC大學(xué)共同合作的遠(yuǎn)程沉浸系統(tǒng)，它可以使異地的舞者在同一個(gè)虛擬環(huán)境中進(jìn)行表演，圖9（b）是遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)太極拳的演示效果。
圖9 Tele-immersion采集環(huán)境與演示效果
系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)包括UC Berkeley和UC Davis，數(shù)據(jù)從Berkeley單方向流向Davis。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量如圖10所示，在演示中，其帶寬占用量達(dá)到200～600Mbps，可以看到，這類的研究及未來可能的應(yīng)用只能在下一代互聯(lián)網(wǎng)上開展。
圖10 Tele-immersion網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量
在歐洲，Salford等大學(xué)和空客子公司CIMPA等工業(yè)界共十多家單位正聯(lián)合開展一個(gè)名為CoSpaces的歐盟項(xiàng)目，該項(xiàng)目的一個(gè)重要目標(biāo)就是要建立一個(gè)遠(yuǎn)程沉浸的分布式協(xié)同設(shè)計(jì)工作空間，為處在不同地域的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)減少長途跋涉進(jìn)行面對(duì)面研討的次數(shù)，從而有效提高合作水平和效率。圖11為遠(yuǎn)程研討飛機(jī)設(shè)計(jì)的示意圖，其中不同地域的廠家將各自設(shè)計(jì)的零部件的模型加入到虛擬的工作空間中進(jìn)行遠(yuǎn)程組裝、研討。
圖11 遠(yuǎn)程研討飛機(jī)設(shè)計(jì)
真人互動(dòng)的遠(yuǎn)程共享虛擬環(huán)境需要在所有節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)交換視頻圖像信息，并共享同一個(gè)虛擬工作環(huán)境，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和實(shí)時(shí)性需求很高。北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于多攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集、三維重建和交互的思想，搭建了無標(biāo)定實(shí)時(shí)三維建模和虛擬交互實(shí)驗(yàn)環(huán)境，包括1個(gè)1立方米的小型立方體實(shí)驗(yàn)架以及3米*3米*3米的可用于多人協(xié)同交互的立方體實(shí)驗(yàn)架，如圖12所示。
圖12 實(shí)時(shí)三維重建系統(tǒng)
進(jìn)一步擬在下一代互聯(lián)網(wǎng)CNGI上搭建一個(gè)遠(yuǎn)程沉浸的協(xié)同工作空間，該空間通過虛實(shí)混合的手段，使分布的用戶可以共享同一個(gè)虛擬工作空間，并提取其真人立體信息，實(shí)時(shí)疊加到該虛擬環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)各參與者在同一個(gè)虛擬環(huán)境中進(jìn)行可視地交互。圖13為遠(yuǎn)程沉浸的協(xié)同工作空間示意圖。
圖13 遠(yuǎn)程沉浸的協(xié)同工作空間示意圖
遠(yuǎn)程沉浸的協(xié)同工作空間的建立尚屬起步階段，實(shí)驗(yàn)室正與國內(nèi)外同行密切研討，推動(dòng)在現(xiàn)有NGI網(wǎng)絡(luò)上建立全國甚至洲際間的協(xié)同工作空間。想象一下將來我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)上通過一定的設(shè)備支持進(jìn)行“面對(duì)面”聊天、工作的場(chǎng)景，隨著NGI的普及以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程沉浸的虛擬協(xié)同工作將會(huì)進(jìn)入大家的生活、工作中。
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