[科普中国]-协同虚拟环境

简介

协同虚拟环境(CVE) 的研究开发工作起步于二十世纪八十年代初。协同虚拟环境营造一个数字世界，在其中人们可以方便的共享信息，与环境中其他人员和虚拟物体进行交互，从而完成协同任务，即协同虚拟环境的最显著特征在于“协同”二字。而且可以看出，协同虚拟环境并不一定是3D场景，它可以使是2.5D和2D场景。协同虚拟环境所采用的输入输出设备可包含移动设备、穿戴式设备和公共场合的设备。1

协同虚拟环境是一个复杂系统，集成了分布式系统、协同系统、虚拟现实系统、智能技术、网络技术和多媒体技术等多种类型的系统和多种技术。协同虚拟环境系统在生产和生活的诸多领域(军事、协同设计、教育、医学、娱乐等)得到了成功的应用。

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交互性和用户间的通信，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，用户间以适合于各种社交情况的自然和非正式的方式相互通信，以支持协同工作。2

协同虚拟环境特点一个通用的 CVE 系统应该具有以下特点：

(1) 共享的虚拟空间。地理位置分散的用户通过网络联入同一个虚拟空间，进行实时交互。它包括资源信息共享及允许用户自然操作环境中的对象。

(2) 伪实体的行为真实感。用户不仅能够感知到自身在虚拟环境中的存在，而且可以感受到其他协同用户在环境中的存在，即主体存在性。虚拟世界中的一切操作都是与现实世界一致的、真实可行的。

(3) 沉浸性。它是协同虚拟环境的一个主要特征。一方面，系统必须提供一种用户可以在虚拟世界中得以具体化的表现方式，且用户行为和视点都要以该特定的表示方式加以体现，我们称其为网络化的个体沉浸；另一方面，沉浸性表现为虚拟实体的行为真实感，虚拟环境的视图随着用户的移动而改变。

(4) 交互性。CVE 系统中除了存在一般系统的人机交互外，还有人与人即用户间的同步交互以及用户与虚拟物体和虚拟物体之间的各种交互行为。

(5) 一致性和实时响应性。CVE 系统是一个实时变化的动态系统，实时同步性是系统协同工作的重要基础之一。用户在某个时刻的操作要影响其作用范围内的虚拟世间的视图。因此，实时同步包括两个方面：一是实时一致性，即用户所在的 CVE 空间对所有的用户而言必须保持一致；二是实时响应性，即用户的操作的响应时间要满足实时要求。

(6) 多个用户以多种方式相互通信。由于 CVE 系统沉浸性和交互性的需求，传统的交互技术已经不能满足用户要求，需要采用多用户多通道的交互技术，包含音频、视频、文本等各种形式的信息。同时支持多个用户采用多个方式（一对一、一对多、多对多）的快速实时网络通信及其规模的可扩展性。2

协同虚拟环境需求应用需求协同虚拟环境的通用应用需求可以总结如下：

(1) 虚拟世界描述和发布。虚拟世界的描述是层次结构的，如图1 所示。

通常提供基本虚拟物体及其属性、行为和触发事件的定义，在此基础上可构建复杂的虚拟物体，描述其动态行为并触发相关事件。任何一个用户加入一个 CVE 系统时，系统首先将该虚拟世界的描述发布给它，然后再开始协同会话。因此，一方面要注意确保用户得到充分的描述发布，比如获得虚拟世界中共享虚拟物体的实时状态另一方面还要尽量减少冗余，以降低对网络带宽的要求。

(2) 自我感知与相互感知。用户作为 CVE 的参与主体，需要通过适当的方式感知自身和其他参与者，并确定自身以及其他参与者的角色、当前状态等必要的协同信息，其中自我感知是相互感知的基础。因此用户在 CVE 中的具体化方式需要具有空间位置、视点、行为等特性。

(3) 用户角色和权限控制。不同用户在 CVE 中担任不同的角色，而不同的角色又关联各种物体和资源上的不同权利，从而可以更好地维护用户间协同顺利地进行。

(4) 物体操作与资源管理。用户可以对虚拟空间中的物体进行各种操作，也可以对虚拟空间中的各种资源进行多种管理。

(5) 通信。支持不同用户之间通过文本、音频、视频等多种媒体的交流，并且支持直接交流和间接交流两种通信方式。

平台需求协同虚拟环境的通用平台需求可以总结如下：

(1) 规模可扩展性。规模可扩展性意味着一个系统在其用户逐渐增加时，不必作重大修改依然可保持其运行效率。

(2) 可视化。可视化问题是指当用户或者其它虚拟物体在虚拟环境中变换其点时，如何使得三维场景能够被快速地渲染，且保证连续、平稳的效果；也就是说，用户行为与系统响应之间的滞后时间应尽可能小；系统刷新率需要保持在一个合理的恒定值之上；并需要为不同的机器提供相应的三维场景渲染优化算法。

(3) 安全性。安全性设施用于证实在特定访问限制条件下是否允许所请求的动作，或者用于确认系统中各类虚拟实体的身份；通常，安全服务分别包括授权服务和认证服务。

(4) 异构性。分布式环境决定了 CVE 系统必须支持异构性，即允许其中各个用户所用的计算机、软件环境、交互手段不尽相同；事实上，用于连接整个环境的网络也存在着多样性;因此，CVE 系统需要在如此异构的环境中有效地支持用户间协同工作。

(5) 开放性和标准化。作为一个开放系统，CVE 需要支持各种媒体的多种标准格式，包括 audio、 video 和 image 等媒体，从而支持与其它 VR 系统及各种可视化应用之间的数据交换，并要为将来的新型媒体格式预留各种相应的接口等。2

协同虚拟环境的相关问题协同虚拟环境有许多问题需要解决，大体上可分为人类协同工作本身和计算机相关技术两大方面。

协同工作方面协同虚拟环境系统于一般分布式虚拟环境系统的区别就在于协同虚拟环境系统特别强调协同，它对协同工作提供特殊的支持，其宗旨是给协同任务的完成提供保障。因此协同方面有如下要求：

(1) 共享上下文(主要是虚拟空间)

对于协同虚拟环境，上下文的共享是非常关键的。共享上下文要求：用户能够共享其他人当前的状态；共享其他人过去的行为和状态；共享虚拟环境的物体和状态。最终实现共享理解，即大家都知道其他人对虚拟环境的认知，以便协同。

(2) 感知技术

感知是：知道理解别人的行为，从而为自己作出正确行为提供一个参考环境。这里涉及协同时应该感知那些信息?通过什么方式感知?是主动感知还是被动感知?是实时感知还是异步感知?

(3) 交互性(人和环境的互动)

交互方式是必须提供的。交互方式有：文字、语音、声音、动作和表情等，其中应用最多的是语音。由于网络延迟等因素影响，这些交流在协同虚拟环境中都会受到不同程度的障碍。因此必须进行相关研究。

(4) 协作性(人与人交互)

人与人之间的交互有着某些固定模式和规律。协同虚拟环境必须体现这些规律，并通过具体设置使得这些交互协同方式在系统中得以顺利进行。不同协同任务，有不同的表示，不同的人又会有不同的看问题方式。这样就需要研究如何划分视图，如何组织视图。还有就是人们在进行一个任务时，其协同方式会动态变化，这个也是协同虚拟环境必须考虑的。

计算机技术方面协同虚拟环境的协同需求对技术也提出了挑战，主要体现在以下几个方面：

(1) I/0 设备

传统的输入输出设备(键盘，鼠标，显示器)已不能很好地满足协同虚拟环境的要求。因此协同虚拟环境需要许多专用设备。例如：头盔式显示器(I-IMU ) 、数据手套、成套的 CAVE 显示系统、动力反馈装置等。

(2) 一致性

现代的协同虚拟环境基本都是基于复制的连续交互分布式系统，因此一致性问题的出现是不可避免的。为了保证协同虚拟环境系统的可用性，系统必须提供某些手段来保证协同虚拟环境的一致性。

(3) 网络传输

系统各节点之间需要进行大量的通信，以便保障系统各节点的一致性和协同交互。因此，协同虚拟环境的网络传输与任务的协同交互和一致性控制是紧密联系在一起的，有着自己的要求:网络带宽较高、网络传输延迟尽可能短、传输必须保证正确性和对传输信息分类处理。2