| 網(wǎng)格應(yīng)用之遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用 |
| 作者：劉鵬 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系 |
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| 目錄： 背景 應(yīng)用舉例 虛擬歷史博物館 協(xié)同學(xué)習(xí)環(huán)境NICE 數(shù)據(jù)可視化協(xié)同分析環(huán)境CAVE6D 遠(yuǎn)程沉浸與網(wǎng)格的結(jié)合 遠(yuǎn)程沉浸(Tele-immersion)是一種特殊的網(wǎng)絡(luò)化虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。這個(gè)環(huán)境可以是對(duì)現(xiàn)實(shí)或歷史的逼真反映，可以是對(duì)高性能計(jì)算結(jié)果或數(shù)據(jù)庫(kù)的可視化，也可以是個(gè)純粹虛構(gòu)的空間。“沉浸”的意思是人可以完全融入其中：各地的參與者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聚在同一個(gè)虛擬空間里，既可以隨意漫游，又可以相互溝通，還可以與虛擬環(huán)境交互，使之發(fā)生改變。打個(gè)比方，遠(yuǎn)程沉浸是一部觀眾可以進(jìn)入其中的科幻電影。遠(yuǎn)程沉浸可以廣泛應(yīng)用于交互式科學(xué)可視化、教育、訓(xùn)練、藝術(shù)、娛樂(lè)、工業(yè)設(shè)計(jì)、信息可視化等許多領(lǐng)域。本章5.1節(jié)介紹了遠(yuǎn)程沉浸的來(lái)歷，5.2節(jié)介紹了它的應(yīng)用一些。從實(shí)現(xiàn)上看，雖然沒(méi)有網(wǎng)格的支持，照樣可以開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用，但有了網(wǎng)格的支持，實(shí)現(xiàn)這類(lèi)應(yīng)用會(huì)簡(jiǎn)單得多，所以5.3節(jié)重點(diǎn)討論了遠(yuǎn)程沉浸與網(wǎng)格的結(jié)合問(wèn)題。 背景 遠(yuǎn)程沉浸這個(gè)術(shù)語(yǔ)是在1996年10月，由伊利諾州大學(xué)芝加哥分校的電子可視化實(shí)驗(yàn)室EVL (Electronic Visualization Laboratory）最早提出來(lái)的[55]。遠(yuǎn)程沉浸建立在高速網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，是協(xié)同可視化環(huán)境CVE (collaborative virtual environments)、音頻、視頻會(huì)議以及超級(jí)計(jì)算機(jī)及海量數(shù)據(jù)存貯的有機(jī)融合[56]。遠(yuǎn)程沉浸使分布在各地的使用者能夠在相同的虛擬空間協(xié)同工作，就像是在同一個(gè)房間一樣[57]，甚至可以將虛擬環(huán)境擴(kuò)展到全球范圍內(nèi)，創(chuàng)造出“比親自到那兒還要好”的環(huán)境[55]。EVL的負(fù)責(zé)人Tom DeFanti預(yù)測(cè)遠(yuǎn)程沉浸將成為計(jì)算網(wǎng)格的關(guān)鍵應(yīng)用之一[59]。順便說(shuō)一句，Tom DeFanti是著名的計(jì)算機(jī)圖像專(zhuān)家，早在1977年就參與過(guò)第一部《星球大戰(zhàn)》中特技效果的制作，曾獲ACM杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。 遠(yuǎn)程沉浸與一些研究人員所提到的協(xié)同虛擬環(huán)境CVE (Collaborative Virtual Environment) 或分布式虛擬環(huán)境DVE (Distributed Virtual Environment)是不同的，它使用了更多視頻和圖像技術(shù)，所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境更為逼真[55]。更重要的是，它將“人/機(jī)交互”模式擴(kuò)展成為“人/機(jī)/人協(xié)作”模式，不僅提供協(xié)同環(huán)境，還將對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)挖掘、高性能計(jì)算等集成了進(jìn)來(lái)，為科技工作者提供了一種嶄新的協(xié)同研究模式[58] 。 遠(yuǎn)程沉浸的基本構(gòu)想，最早可以追溯到1995年的I-WAY項(xiàng)目[59]。I-WAY為Information Wide Area Year的縮寫(xiě)，它是一個(gè)為期一年的研究計(jì)劃，試驗(yàn)用異步轉(zhuǎn)移模式ATM (asynchronous transfer mode) 寬帶網(wǎng)絡(luò)連接全國(guó)范圍內(nèi)的超級(jí)計(jì)算機(jī)中心、虛擬現(xiàn)實(shí)研究機(jī)構(gòu)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)，在上面試驗(yàn)了約60個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目[60]。在圣地亞哥舉行的Supercomputing 95年會(huì)上，I-WAY對(duì)其應(yīng)用項(xiàng)目作了精彩展示，其中，那些將超級(jí)計(jì)算機(jī)與虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備相結(jié)合、用共享的虛擬空間推動(dòng)計(jì)算科學(xué)協(xié)同研究的項(xiàng)目尤其引人注目。雖然相比現(xiàn)在的遠(yuǎn)程沉浸環(huán)境而言，I-WAY還只算是個(gè)原型，它的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量沒(méi)有保障，帶寬不夠充足，對(duì)人機(jī)交互的平臺(tái)支持不夠，但I(xiàn)-WAY開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)嶄新的局面，之后有50多家研究團(tuán)體沿著I-WAY所指明的方向，繼續(xù)研究新的軟硬件平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和應(yīng)用[59]。 在Supercomputing 95上，有一種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備大放異彩，它的名字叫CAVE 自動(dòng)虛擬環(huán)境(CAVE Automatic Virtual Environment)，是由EVL的Carolina Cruz-Neira、Daniel J. Sandin和Tom DeFanti于1991年共同提出的[61]，如圖 5?1[60]所示。  圖 5?1 CAVE虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境 CAVE是一個(gè)10×10×9英尺的小房間，它的四面和頂上使用高清晰背投產(chǎn)生一個(gè)360度的三維立體環(huán)境，在該場(chǎng)景中有一個(gè)與該人對(duì)應(yīng)的卡通角色(avatar)，它代表真實(shí)的人在三維空間活動(dòng)。人置身其中，頭戴一副LCD快門(mén)眼鏡，兩臂綁有電磁跟蹤系統(tǒng)，再配以三維環(huán)境聲音，角色的位置、方向以及舉手投足都與真人相同，會(huì)讓人產(chǎn)生非常逼真的臨場(chǎng)感[60]。 應(yīng)用舉例 過(guò)去幾年里，EVL與十幾家合作伙伴一起，開(kāi)發(fā)了一些具有遠(yuǎn)程沉浸特征的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用[62]，這些應(yīng)用的典型特征是[58]： 1 它們依據(jù)科學(xué)計(jì)算結(jié)果和數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)造虛擬環(huán)境，當(dāng)參加者沉浸在虛擬環(huán)境中時(shí)，他們不僅能夠看見(jiàn)對(duì)方，還能用做手勢(shì)或說(shuō)話進(jìn)行交互，當(dāng)他們離開(kāi)時(shí)，虛擬環(huán)境本身可以隨著科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)的變化仍然存在并繼續(xù)演化； 2 在虛擬環(huán)境中以角色代表，這個(gè)角色比人在真實(shí)環(huán)境中的能力要強(qiáng)得多：它們能夠站在分子鏈可視化圖像的某個(gè)環(huán)節(jié)前進(jìn)行討論；也能鉆進(jìn)設(shè)計(jì)好的汽車(chē)模型里，體驗(yàn)汽車(chē)是否舒適；還能站在云層的頂端，觀察風(fēng)暴的形成。他們既可以讓自身像星系一樣大，以便縱覽宇宙風(fēng)云；也可以讓自己像蟲(chóng)子一樣小，以便鉆進(jìn)一個(gè)做跌落試驗(yàn)的物品中，并與物品一起跌落，找到防止物品在跌落過(guò)程中損壞的辦法。 3 人與虛擬環(huán)境是交互的，可以通過(guò)改變超級(jí)計(jì)算的參數(shù)等手段，動(dòng)態(tài)改變虛擬環(huán)境的形成方式。 本節(jié)將介紹幾個(gè)典型的遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用。 虛擬歷史博物館 共享的愛(ài)奧尼亞(Shared Miletus)項(xiàng)目[63]讓2000年前的希臘愛(ài)奧尼亞古城復(fù)活，參觀者可以在虛擬的城池中暢游，如圖 5?2[64]所示。  圖 5?2 參觀者進(jìn)入虛擬希臘古城 該項(xiàng)目由希臘世界基金會(huì)FHW(Foundation of the Hellenic World)與CVL共同完成。FHW是一個(gè)非盈利組織，其任務(wù)是保存和再現(xiàn)希臘歷史和文化[65]。最初，F(xiàn)HW已將愛(ài)奧尼亞古城建模，并用ImmersaDesk[66]和ReaCTOR虛擬環(huán)境在博物館里展示出來(lái)，參觀者可以在城市上空“飛行”或進(jìn)入殿堂參觀。CVL的加入是為了讓該環(huán)境體現(xiàn)遠(yuǎn)程沉浸的特征，讓參觀者也可以從網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行參觀：所有來(lái)自不同地方的人進(jìn)入同一個(gè)虛擬環(huán)境，他們互相之間可以自由交流。為了方便瀏覽，既可以由真人擔(dān)任虛擬環(huán)境中的向?qū)?，也可以指定一個(gè)虛擬的向?qū)В?#8220;他”能夠帶領(lǐng)大家到不同地點(diǎn)參觀，會(huì)說(shuō)多國(guó)語(yǔ)言，還可以根據(jù)聽(tīng)眾的要求將解說(shuō)簡(jiǎn)化或細(xì)化[64]。 除了希臘古城外，中國(guó)敦煌莫高窟價(jià)值連城的壁畫(huà)也被數(shù)字化并用在遠(yuǎn)程沉浸環(huán)境中[67]，如圖 5?3[68]所示。之所以選擇它，是因?yàn)槎鼗捅徽J(rèn)為是亞歐絲綢之路的起點(diǎn)，而敦煌石窟是人類(lèi)歷史上不可多得的珍寶。該項(xiàng)目于1998年完成，是歷史學(xué)家、藝術(shù)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家協(xié)同研究的結(jié)晶。  圖 5?3 虛擬的敦煌莫高窟 協(xié)同學(xué)習(xí)環(huán)境NICE 備受關(guān)注的NICE——敘事式沉浸的建設(shè)者及協(xié)同環(huán)境 (Narrative Immersive Constructionist / Collaborative Environments)——是伊利諾州大學(xué)芝加哥分校電子可視化實(shí)驗(yàn)室EVL和交互計(jì)算環(huán)境實(shí)驗(yàn)室CEL(Interactive Computing Environments Laboratory)合作推出的。NICE是一個(gè)探索性質(zhì)的協(xié)同學(xué)習(xí)環(huán)境，專(zhuān)為6至10歲孩子設(shè)計(jì)[70]。  圖 5?4 一個(gè)兒童正在NICE虛擬花園中活動(dòng) 孩子們進(jìn)入CAVE虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中（如圖 5?4[70]所示），戴著特制的眼鏡，手中拿著一個(gè)特制的小棒用于交互操作，每一個(gè)孩子都有一個(gè)角色，來(lái)自不同地方的孩子可以在這個(gè)虛擬的花園中打招呼、交談、互相學(xué)習(xí)。他們既可以將鮮花或蔬菜拿在手上觀察，又可以將自己縮小，“深入”觀察植物的根系；他們既可以除去雜草并將它扔到肥料堆，又可以順手摘下天邊飄過(guò)的雨云給花兒澆灌，或者將天邊的太陽(yáng)拉過(guò)來(lái)讓花朵享受陽(yáng)光，等等。除此之外，這些植物本身也會(huì)有一些反饋信息，例如，當(dāng)給花澆水太多時(shí)，花兒會(huì)撐起一把小傘，讓孩子們得到一個(gè)直接的反饋——過(guò)多澆水會(huì)讓花兒受不了。NICE有趣又有益，孩子們不僅非常喜歡在里邊玩耍，還可以輕松地了解原本很復(fù)雜的生態(tài)關(guān)系[69]。 數(shù)據(jù)可視化協(xié)同分析環(huán)境CAVE6D CAVE6D[73]是CAVE5D與遠(yuǎn)程沉浸環(huán)境CAVERNsort相結(jié)合的產(chǎn)物。CAVE5D[72]由弗吉尼亞大學(xué)ODU(Old Dominion University)和威斯康星－麥迪威大學(xué)WISC(University of Wisconsin-Madison)聯(lián)合研制的一個(gè)可配置虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用框架，它是在Vis5D[71]的支持下運(yùn)作的。Vis5D是一個(gè)強(qiáng)大的圖形庫(kù)，能夠提供顯示三維數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的可視化支持，廣泛應(yīng)用于大氣、海洋及其他類(lèi)似模型的可視化中[75]。VERNsort[74]是一個(gè)用來(lái)建造協(xié)作式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開(kāi)放源碼平臺(tái)，主要為高吞吐量的協(xié)作應(yīng)用（不一定是CAVE應(yīng)用）提供網(wǎng)絡(luò)支持。另外，它還提供了建造遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用的專(zhuān)門(mén)模塊。  圖 5?5 幾個(gè)參與者就可視化圖像的某一區(qū)域進(jìn)行討論 由于CAVERNsoft的支持，CAVE6D變成了一個(gè)遠(yuǎn)程沉浸環(huán)境，如圖 5?5所示。它允許多個(gè)用戶(hù)在虛擬的環(huán)境里對(duì)超級(jí)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化并與數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。參與者們不僅以角色的方式進(jìn)入三維可視化場(chǎng)景中自由漫游，還可以改變可視化參數(shù)，如循環(huán)矢量、溫度、風(fēng)的速度、魚(yú)群的分布等[75] 。CAVE6D不僅提供了交互式的可視化手段，還提供了讓各地參與者協(xié)同交流和研究的手段[76]。 遠(yuǎn)程沉浸與網(wǎng)格的結(jié)合 從網(wǎng)格的角度來(lái)看，遠(yuǎn)程沉浸算得上是個(gè)“另類(lèi)”，它與分布式超級(jí)計(jì)算、分布式儀器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)密集型計(jì)算的性質(zhì)有很大的不同：一方面，雖然它能把高性能計(jì)算的結(jié)果用一種全新的方式可視化出來(lái)，但它本身對(duì)高性能計(jì)算的要求并不高；另一方面，它并沒(méi)有集網(wǎng)絡(luò)上的大量資源于一身。那么，遠(yuǎn)程沉浸問(wèn)題到底還算不算網(wǎng)格問(wèn)題呢？ 讓我們回到網(wǎng)格的定義上來(lái)：動(dòng)態(tài)多機(jī)構(gòu)虛擬組織中的資源共享和協(xié)同問(wèn)題解決(Resource sharing and coordinated problem solving in dynamic, multi-institutional virtual organizations.[77])。顯然，參與遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用的各方是來(lái)自不同的虛擬組織的，他們所要共享的資源就是這個(gè)共同的虛擬環(huán)境，而共享的目的就是要協(xié)同解決問(wèn)題，因此，遠(yuǎn)程沉浸還是一個(gè)典型的網(wǎng)格問(wèn)題，只不過(guò)它所共享的是一個(gè)集中的虛擬環(huán)境（這個(gè)虛擬環(huán)境是所共享資源的映象，如超級(jí)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)等），而主要不是共享參與者的資源罷了。 更進(jìn)一步，網(wǎng)格是未來(lái)Internet的發(fā)展方向，也就是說(shuō)，網(wǎng)格會(huì)成為未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，幾乎所有的應(yīng)用都將基于網(wǎng)格，因而極富創(chuàng)新精神、有廣闊發(fā)展空間的遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用，也會(huì)毫無(wú)例外地依賴(lài)于網(wǎng)格的支持。另外，遠(yuǎn)程沉浸以嶄新的手段極大地促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)化協(xié)作，這也正是網(wǎng)格的精髓所在。由于遠(yuǎn)程沉浸與其他網(wǎng)格應(yīng)用有很大的不同，它對(duì)網(wǎng)格有比較特殊的需求[59]： 1 服務(wù)質(zhì)量(QoS)機(jī)制 遠(yuǎn)程沉浸對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求主要有三個(gè)方面：(1) 提供最低服務(wù)保障，并能為每一個(gè)數(shù)據(jù)流指定相對(duì)優(yōu)先級(jí)；(2) 如果服務(wù)質(zhì)量因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化而出現(xiàn)改變，能夠通知服務(wù)接受方，并給出彌補(bǔ)建議；(3) 能夠評(píng)估服務(wù)質(zhì)量預(yù)測(cè)的可靠性。 2 網(wǎng)格編程環(huán)境 遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用將大大依賴(lài)于網(wǎng)格分布式計(jì)算編程環(huán)境的支持：(1) 遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用需要查找或發(fā)現(xiàn)資源，如遠(yuǎn)程沉浸服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、儀器等，因此網(wǎng)格的資源定位器和資源目錄將大有用場(chǎng)；(2) 需要有編程工具使遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用能夠與復(fù)雜的服務(wù)質(zhì)量體系相結(jié)合，并能監(jiān)視網(wǎng)格資源的實(shí)際使用情況，如網(wǎng)格帶寬、計(jì)算能力、數(shù)據(jù)等；(3) 需要有分布式資源管理工具和調(diào)度工具的支持，使遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用能夠用一種抽象的方法指定資源，例如，用類(lèi)型指定，而不是用名字指定。 3 先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用需要不斷擴(kuò)展用戶(hù)容量，以便讓更多用戶(hù)加入進(jìn)來(lái)，但是如果用戶(hù)數(shù)增加得太多，數(shù)據(jù)傳輸量將出現(xiàn)組合爆炸，這時(shí)就需要有革新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，例如，現(xiàn)有的Internet尚不能很好支持多播（multicast），如果網(wǎng)格能夠提供這樣的功能，應(yīng)用程序的能力將大大增強(qiáng)。 4 性能監(jiān)控和度量 當(dāng)前的Internet不太可能給出端到端通信性能下降的原因，更不能預(yù)測(cè)某個(gè)分布式應(yīng)用將能達(dá)到的網(wǎng)絡(luò)性能，而遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用是非常需要知道這些信息的——不僅包括某個(gè)數(shù)據(jù)流的性能，還包括整個(gè)應(yīng)用的性能。所以，網(wǎng)格平臺(tái)必須具有監(jiān)控和度量網(wǎng)絡(luò)性能的能力。 5 資源調(diào)度 資源調(diào)度對(duì)于遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用是非常關(guān)鍵的，因?yàn)樗粌H要滿足整個(gè)應(yīng)用的資源需求，還需要實(shí)時(shí)完成調(diào)度。在很多情況下，需要有一些特別的調(diào)度策略，如交互式調(diào)度和資源預(yù)留服務(wù)。 |
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