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核心技术:分布式DynaVR-Net虚拟现实立体互动信息系统平台
  • 1. 前言

    近十年来,随着人类对互联网IT技术不断要求其简单化、可视化、互动化、真实化、直觉化,网上的三维立体信息互动就日益受到重视和推动。 在国外, IBM、MICROSOFT、APPLE、SUN等大公司和许多专业公司都拟订自己的新一代3D显示和3D网络信息传输项目计划。 从VISTA操作系统开始,新一代的WINDOWS操作系统已然是立体界面的操作系统。

    分布式虚拟现实系统(DVR),是指一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统,每个用户在同一个虚拟现实环境中,可以通过计算机与其它用户进行立体可视化交互,并共享信息。

    近年来国内外分布式虚拟现实技术在不同行业也得到了不断扩大和深入应用, 包括虚拟数字地球、3D地理信息、建筑规划模拟、网络立体商城、网络3D游戏、军事对抗演习等, 尤其是虚拟数字地球"Google Earth"和"Virtual World"、网络3D虚拟社会"Second Life" 的火爆, 三维立体互动的网络技术应用的时代已经到来了。

    2. DynaVR-Net系统

    DynaVR-Net互动立体信息网络系统是一个由北京动态时空科技有限公司集国内外20多年研发成果的、自主创新研发的、具有世界先进水平的、多用户交互的分布式网络动态立体图形及多媒体信息交互网络软硬件一体化技术平台, 具有广泛的市场前景。

    DynaVR-Net系统采用和集成分布式动态网络服务技术、三维动态建模技术、三维虚拟现实仿真技术、三维角色运动模拟技术、动态数据压缩和传输技术、可扩展网络服务技术、数据加密技术、数据库技术、多媒体技术、互联网通讯等技术为一个多用户交互式多功能多层网络系统,来构造栩栩如生的网上立体虚拟环境、角色和世界,满足各个行业的应用要求。 客户端可动态地从最近或最优的服务器上取得相关立体数据,在显示设备上虚拟模拟立体化的环境、角色、物体外观特性,还通过电子文档、图片、音响、视频来加强表达虚拟内容的其它基本属性。用户可以在世界任何地点通过客户端计算机和互联网身临其境似地自主漫游参观,并远程亲自交互操作虚拟环境和物体的全面信息。

    动态时空公司自主知识产权的先进的DynaVR-Net系统处于国内外领先水平,填补了国内相关领域无自主知识产权产品的空白, 使动态时空公司成为了一个立体信息时代先驱和领跑者。

    DynaVR-Net技术平台能够构造栩栩如生的三维立体和多媒体网 上虚拟环境。用户通过互联网身临其境似地在虚拟场景里自主漫游 参观,并远程与网上虚拟场景互动和操作,用户之间还可以在虚拟 场景里看到对方,并和对方进行互动和信息交流,并协同进行配合, 能够远程可视化地完成和真实环境中一样互动工作和任务。

    该技术由我公司自主研发,拥有其全部核心技术,因此我们可 根据客户需求定制或修改,以满足客户最大的各种特殊要求。 该软件产品荣获2007年中关村海淀园创新基金奖,2007年全国宁波科 技创新大赛新苗奖, 2008年VR峰会技术创新奖, 2009年海淀区自主创新产品, 政府指定优先采购产品。

    3. 应用领域

    DynaVR-Net 分布式动态交互虚拟现实网络系统可以广泛地应用于以下方面:

     (3.1)三维电子地图(三维 GIS)和三维信息搜索平台;
     (3.2)三维虚拟奥运会、亚运会,及各种运动项目的动态仿真、展示及信息查询;
     (3.3)三维数字城市, 数字社区, 城市规划、房地产、室内装修展示及互动信息查询;
     (3.4)飞机、卫星、航天器、汽车、坦克、船舰等复杂设备的驾驶训练模拟器, 以及它们的虚拟制造、装配和维护。
     (3.5)军事战场模拟和军队联合作战对抗演习
     (3.6)公安现场和犯罪过程模拟和反恐演习
     (3.7)三维多角色交互网络游戏;
     (3.8)三维虚拟旅游和名胜景观展示;
     (3.9)立体电子商城及立体产品展示和商务;
     (3.10)三维数字城市及其电子政务、警务、保卫、商务、交通模拟;
     (3.11)三维虚拟学校和实验室及教学实验模拟;
     (3.12)三维虚拟博览会、展览馆、博物馆;
     (3.13)三维古文物、古建筑、古遗址的虚拟重建及其动态展示;
     (3.14)航空航天、石化、交通、机械等众多领域的各种三维仿真和模拟。

    由于在性能上、功能上、表现力和特效上的优异表现, DynaVR-Net系统完全可以满足现在单机和网络上虚拟现实应用, 包括虚拟数字地球、3D地理信息、建筑规划、航空航天工程、石油化工、立体网络商城、多人在线3D游戏、军事对抗模拟演习等的需要和挑战。为适应不同行业、公司、单位、学校的不同层次需要, 最新的DynaVR-Net系统按照功能分别模块化, 包括虚拟现实模块、网络通讯模块、角色人物仿真模块、分布式多用户互动模块、开发SDK平台等。客户可以按照自己的需要来选择合适的模块, 方便使用和节省技术费用。

    4. 同类产品比较及优势

    目前, 国内市场上还没有和我们同类的成熟商业化的产品, 只有单机版和简单网络展示得虚拟现实软件产品。 国内现有的其它商业化虚拟现实产品很少,而且只还在单机和初始网络展示阶段,还没有进入到我们产品到达得网络化互动时代,更不用说到分布式的复杂高水平了, 因此我公司的DynaVR-Net系统和网络虚拟现实多人互动创作及商业娱乐平台已经在技术上领先了其它公司相应产品一大步。

    5. 系统主要架构

    DynaVR-Net系统是一个大型而复杂的多级的动态虚拟现实多人互动网络系统, 并支持局域网和单机上的运行。此技术平台涉及很多关键技术, 主要包括:动态虚拟现实仿真技术, 多用户动态虚拟现实网络交互技术, 三维角色造型、姿态编辑及运动模拟技术 , 快速三维动态碰撞检测及反应技术 , 三维动态数据压缩和流传输技术, 动态分布式及网络平衡网络服务技术等。

    DynaVR-Net系统是一个复杂的多层(multi-tier)的互联网络软件系统。

    如下图所示, 它包含多级软件系统:IE浏览器、3D虚拟现实Active-X控件、IM即时通讯模块、场景建造编辑器、动态网页、Web服务器系统、3D立体信息服务器、3D立体场景协调服务器、3D模型和贴图文件及SQL 数据库服务器,系统管理系统等。

    (a) 客户端层

    客户端层的模块主要包括IE浏览器、3D虚拟现实Active-X插件、场景建造编辑器、聊天控件、客户场景管理页面、系统管理页面等。 主要具备以下特点:

     系统管理页面

    通过系统管理页面, 系统管理员具备对整个立体互动网络内的所有数据的添加、删除、修改等操作, 包括对普通用户、企业用户、立体空间用户的管理, 及对他们立体空间、物品、属性的所有管理操作。

     用户管理页面

    通过用户管理页面, 用户可以对自己立体空间所有数据进行添加、删除、修改等操作, 包括立体空间模型、物品、属性的所有管理操作。

     立体场景编辑器

    使用三维虚拟场景及动态仿真系统三维图形系统,设计师能够对话式地堆砌和修改不同的三维场景模型,包括建筑物、树木、家居设备、动物及人体模型,及各种现实生活中的一切物品,并可设置各种色彩的灯光,为不同的物体选择各种材质贴图,以达到逼真的虚拟仿真效果。 另外还可以进行摄像机、物体、环境、动物和人物的运动设计和仿真,以达到各种虚拟场景及动物和人物事件发生、过程、结果的重现。 使用者可以实时操作画面, 身临其境地在虚拟场景里行走和漫游,和虚拟场景里的人和物进行互动. 最后, 通过三维虚拟场景及动态仿真系统自身的光线跟踪渲染润色子系统的强大功能,可生成高度逼真的三维场景图片和动画片。把这些三维场景图片和动画片和声音、文字结合, 就可为各种用户生成各自不同目的三维虚拟场景的多媒体影音和影像材料,并把这些数字化多媒体信息在光盘里或互联网上保存、交流和传输。

     虚拟现实渲染引擎

    虚拟现实渲染引擎主要是保证三维图形的表现效果逼真和快速高效。它支持常用镂空贴图、透明贴图、双重贴图、动态贴图等功能, 具有火焰、爆炸、流水等艺术和环境特效。可模拟碰撞、水流、水波、喷泉、雾效、光照、阴影、风动、群鸟飞行、四季变换、烟火、霓虹灯、电视、视频等。

     3D动态建模技术

    3D动态建模技术, 就是在网络虚拟现实的应用过程中, 实时地根据需要按照参数来动态建成需要的立体几何物体模型, 其目的是增加建模的灵活性、减轻模型传输数据量、占用尽量小的内存, 来增加整个系统的性能。

     多用户动态虚拟现实网络交互技术

    由于实时操作的要求,在动态虚拟现实网络中, 多用户之间的远程立体信息和多媒体信息交互, 就变成了一个复杂的过程。它涉及了多线程网络通讯的管理和协调、几何指令的编码和解码、交互动作的同步和延迟的处理等。

     3D角色运动模拟技术

    虚拟世界是一个生机活泼的世界, 里面充满了各种机械装置和动物, 包括人物和飞禽走兽, 他们统称为角色。每种角色都有自己的运动特性, 比如说人物的坐立走跑等。3D角色的运动机构仿真是一个复杂高深的技术难题, 智能化的角色运动模拟技术非常重要, 能够有效和逼真地模拟虚拟世界里各种不同角色运动特性。

     分布式多通道立体投影技术

    支持跨地区的分布式多通道立体投影技术, 能够在不同的地点搭建不同规模和形式的多通道立体沉浸式虚拟现实环境, 并通过分布式网络技术把这些沉浸环境连接起来, 让用户在这些不同地点的沉浸环境中进行高速互动和协作, 完成特定的模拟训练和应用工作。

    b)应用服务端层

    应用服务中端层的模块主要包括网站服务器系统、登陆服务器、分布式立体场景服务器、场景及用户协调服务器、 聊天服务器等。

    主要具备以下特点:

     3D动态数据压缩技术

    减轻虚拟现实网络应用中的网络传输数据, 增强整个系统的运行性能, 3D动态数据压缩技术就显得很重要。我们独特的3D动态数据压缩技术, 能够把3D数据压缩到1/4以上。

     3D数据多线程传输技术

    在多用户分布式动态虚拟现实网络应用中, 用户都是在虚拟场景里随意漫游和操作, 往往漫游范围非常的大,这样就要求虚拟场景不断地切换和变化。为保证这种场景数据的连续变化的需要,我们开发了 3D数据流传输的关键技术。我们独特优秀的多线程的高效3D数据流传输技术, 和上述的压缩技术, 能把数据传输速度提高20倍以上, 从而保证整个虚拟现实网络系统流畅地运行, 让用户体验顺畅无缝的场景漫游。

     动态分布式网络服务技术

    DynaVR-Net分布式虚拟现实网络技术的基本目标, 是保证很多用户分布在互联网的任意角落里, 远程地共享一个虚拟现实场景, 并在这个场景里互相进行实时的几何动作和信息交互。我们拥有很好而高效的动态分布式网络服务技术来保证这个目标。

     动态场景及用户协调技术

    我们具有很好的场景及用户协调技术, 来保证用户在不同场景之间的自动无缝转移。

     动态可扩展网络服务技术

    在虚拟现实网络技术的应用里, 用户的数量是不断的发展和壮大的, 在不同的时间和地点, 上线用户人数也是变化的。我们的网络服务的架构是随着用户的增加, 而可以增加服务器来扩展, 并自动平衡网络载荷。

     数据加密技术

    任何网络系统的应用, 为了保证其数据和信息的安全, 在网络传输中, 都要求对数据进行加密。虚拟现实网络技术的应用里也不例外。 我们系统内置的128位数据加密技术, 绝对保证整个系统的信息的安全。

    c)数据端层

    数据端层的模块主要包括SQL 数据库,3D模型和贴图和多媒体数据文件管理等。为了数据的安全, 数据端层是严格放在防火墙之内的。

    6. 技术功能特点

    (6.1)自主知识产权的平台,完全独立的三维软件,仅依靠微软Windows操作系统环境,不依赖任何其他图形软件;
    (6.2)具备完善的服务器/客户端或多层架构,支持通过互联网络完成软件版本升级、材质及贴图的更新。客户端支持自动升级(软件版本、数据)功能, 可支持C/S结构或利用插件构建的B/S结构;
    (6.3)系统中模型、贴图、材质数据分离,利用维护工具(场景编辑器)可对各种数据进行维护更新;
    (6.4)支持鼠标、键盘、游戏杆等标准设备操作功能,方便的实时交互和漫游,在虚拟现实场景能前进、后退、左右移动,随时点击场景跳转和动态信息查看;
    (6.5)多媒体支持,支持多种格式的声音、图象、动态贴图;
    (6.6)Windows 环境下单机运行,在普通中挡家庭计算机(1.7G处理器,2GB内存, 64M显存)以上就可以实现数据库支持的网络动态VR交互;
    (6.7)画面支持任何分辨率和任何尺寸的显示设备。

    7. 性能及技术指标

    在满足系统客户端和服务器端运行参数指标条件下,系统应该正常运行,保持良好的用户体验。整体性能满足以下指标:

     (7.1)虚拟现实画面表现效果真实逼真。支持常用镂空贴图、透明贴图、双重贴图、动态贴图等功能, 具有火焰、爆炸、流水等特效。
    (7.2)数据流传输、动态画面、人机交互顺利流畅。客户端虚拟场景的帧速率不得低于12帧/秒,本机操作响应时间延迟不大于0.5秒,在正常宽带环境下,网络响应时间延迟不大于5秒。
     (7.3)支持多人在线、人物外形和衣服个性化、人工智能动作等。
     (7.4)分布式网络数据传输和逻辑服务架构下, 能自动检测网络速度并自动优化选择最近或空闲的数据服务器和逻辑服务器。
     (7.5)优秀的服务器分布机制, 让客户端自动侦测并挂接到最快的服务器, 保证系统的可扩充性,改善整个系统运行的网络带宽、延迟、和可靠性。

    本项目产品由于前后端都建立微软公司的平台架构上,对服务器端和客户端的硬件配置要求不很高,使得大部分企业用户就可以设置立体展示服务器, 普通家庭用户都可以通过公司的网站体检本项目的使用效果。这些真实的感受提高了本项目产品的竞争力和可信度。

    为满足上述功能要求,客户端和服务器端软硬件系统的基本最低配置应满足以下要求。

    客户端硬件最低配置指标:

     Windows XP以上操作系统

     Intel P 4 - 1.7 GHz以上CPU

     64 MB以上独立显存

     2GB以上内存,硬盘有100GB以上空余空间,

     麦克风

     耳机或音箱

     鼠标

     100K以上宽带

    服务端硬件最低参数指标:

     Windows 2003 Server以上操作系统

     Intel Xeon 3.0 GHz以上 双CPU

     4.0GB 以上内存

     200GB以上高速硬盘

     2M 以上独享高速宽带

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