??? 摘? 要： 介紹利用UML工具設(shè)計(jì)和分析基于網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境的虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場模型，從系統(tǒng)需求和問題領(lǐng)域出發(fā)，分析系統(tǒng)用例圖，并從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)方面考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型。
??? 關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)? 網(wǎng)格計(jì)算? 虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場? UML
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??? 虛擬現(xiàn)實(shí)是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，它通過給用戶同時(shí)提供諸如視覺、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，最大限度地方便用戶的操作。其中分布式虛擬現(xiàn)實(shí)（Distributed Virtual Reality，DVR）系統(tǒng)是指基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，位于不同物理位置的多個(gè)用戶或多個(gè)虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)接，并共享信息。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在分布式環(huán)境下有二方面的原因：(1)充分利用分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的強(qiáng)大計(jì)算能力。(2)有些應(yīng)用本身具有分布特性，如多人通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行游戲和虛擬戰(zhàn)場模擬等。
??? 網(wǎng)格是一種把地理位置上分散的資源集成起來的基礎(chǔ)設(shè)施。其基本特征是：資源共享，通過通信網(wǎng)絡(luò)提供了計(jì)算資源、存儲資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識資源、專家資源和設(shè)備資源的全面共享。網(wǎng)格把同通信手段連接起來的資源無縫集成為一個(gè)有機(jī)整體。它給用戶提供一種基于國際互聯(lián)網(wǎng)的新型計(jì)算機(jī)平臺，即網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)環(huán)境，在這個(gè)平臺上對來自客戶的請求和提供資源的能力進(jìn)行合理的匹配，為用戶的請求選擇合適的起源服務(wù)，實(shí)現(xiàn)廣域范圍的資源共享。要想給用戶、資源提供暢通的渠道，提供安全、高效、高質(zhì)量的服務(wù)，網(wǎng)格必須具備4個(gè)基本特點(diǎn)：虛擬性、共享性、集成性和協(xié)商性。
??? 網(wǎng)格計(jì)算利用分布式計(jì)算(Distributed Computing)機(jī)網(wǎng)絡(luò)處理大計(jì)算量任務(wù)，最大限度地利用了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)資源共享。網(wǎng)格為分布式虛擬現(xiàn)實(shí)提供了強(qiáng)有力的支持，順應(yīng)了當(dāng)前分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展，使得分布式虛擬戰(zhàn)場擁有廣泛的應(yīng)用前景。
1? 網(wǎng)格環(huán)境分析
??? 網(wǎng)格可以簡單地劃分為分布式資源、網(wǎng)格系統(tǒng)和網(wǎng)格應(yīng)用3個(gè)層次。網(wǎng)格應(yīng)用層處于網(wǎng)格的頂層，分布式資源為網(wǎng)格的物理層即為網(wǎng)格底層，網(wǎng)格系統(tǒng)處在分布式資源和應(yīng)用層之間，在應(yīng)用層和資源之間起到橋梁作用。完整的網(wǎng)格系統(tǒng)需要有如圖1所示的基本管理功能。
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??? (1)信息管理：為網(wǎng)格中的活動(dòng)提供依據(jù)。
??? (2)資源管理：負(fù)責(zé)管理網(wǎng)格中的所有資源。
??? (3)數(shù)據(jù)管理：管理數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)的標(biāo)識和副本等。
??? (4)通信與安全管理：保證網(wǎng)格上的活動(dòng)合法，信息通達(dá)。
??? (5)界面管理：負(fù)責(zé)用戶和網(wǎng)格之間信息的轉(zhuǎn)換和表現(xiàn)。
?? ?(6)作業(yè)管理：支持用戶在計(jì)算資源上運(yùn)行自己的代碼。
??? (7)公共管理：包括用戶的管理、網(wǎng)格的監(jiān)控、記賬等。
??? 網(wǎng)格用戶通過界面管理的支持將作業(yè)提交給網(wǎng)格，最后從網(wǎng)格得到計(jì)算結(jié)果。網(wǎng)格在提供服務(wù)之前，首先需要通過信息管理確認(rèn)網(wǎng)格中哪些資源目前可用。分配好可用資源后還需要進(jìn)行資源管理。在作業(yè)計(jì)算過程中，需要使用網(wǎng)格中的數(shù)據(jù)，網(wǎng)格需要通過數(shù)據(jù)管理傳輸遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)。整個(gè)過程需要通信和安全管理作保障以防泄漏關(guān)鍵數(shù)據(jù)等。
2? 基于網(wǎng)格環(huán)境的虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場的具體分析
??? 虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場模型在本文中屬于網(wǎng)格的應(yīng)用，也是本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。網(wǎng)格應(yīng)用區(qū)別于傳統(tǒng)應(yīng)用的特點(diǎn)在于其運(yùn)行環(huán)境是網(wǎng)格，而且網(wǎng)格應(yīng)用可以調(diào)用整個(gè)網(wǎng)格上的各種遠(yuǎn)程服務(wù)。總的說來，網(wǎng)格應(yīng)用應(yīng)該具有如下一些特點(diǎn)：
??? (1)黏合性。網(wǎng)格應(yīng)用可以通過把不同的網(wǎng)格構(gòu)件黏合在一起來實(shí)現(xiàn)。這些黏合在一起的構(gòu)件可以是不同程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)出來的，可以運(yùn)行在不同的操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備上。
??? (2)動(dòng)態(tài)性。網(wǎng)格應(yīng)用的運(yùn)行環(huán)境是動(dòng)態(tài)的，即所用資源在網(wǎng)格上的來去是動(dòng)態(tài)的，運(yùn)行應(yīng)用的目標(biāo)機(jī)器的選擇也是動(dòng)態(tài)的。構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)格應(yīng)用的構(gòu)件隨著宿主設(shè)備的進(jìn)入和退出，網(wǎng)格呈現(xiàn)出的是可用和不可用的動(dòng)態(tài)性。
??? (3)平臺獨(dú)立性。網(wǎng)格應(yīng)用應(yīng)該與具體的平臺無關(guān)。盡管網(wǎng)格的思想中并不排斥某種特定的運(yùn)行環(huán)境，但這只是從兼容的角度強(qiáng)調(diào)網(wǎng)格上可以運(yùn)行所有的傳統(tǒng)應(yīng)用。網(wǎng)格應(yīng)用應(yīng)該脫離具體的平臺，可以在任何具體環(huán)境下運(yùn)行。
??? (4)網(wǎng)格應(yīng)用具有可伸縮性。在網(wǎng)格資源充裕的情況下，一個(gè)應(yīng)用可以利用多個(gè)資源實(shí)現(xiàn)自己的操作。如果網(wǎng)格資源比較緊張，同樣一個(gè)應(yīng)用在少數(shù)幾個(gè)資源上運(yùn)行也可以完成要做的事情。即網(wǎng)格應(yīng)用對資源的需求也應(yīng)該有伸縮性。
??? (5)自我管理性。網(wǎng)格應(yīng)用活動(dòng)涉及網(wǎng)格中的多個(gè)資源，在很多情況下，應(yīng)用的啟動(dòng)者也難以判斷活動(dòng)在哪個(gè)具體的機(jī)器上執(zhí)行，一旦出現(xiàn)故障，就需要應(yīng)用能配合網(wǎng)格管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自我管理，做好故障恢復(fù)和處理，做到不會(huì)影響其他應(yīng)用的正常執(zhí)行。
2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場系統(tǒng)需求和問題域分析
??? 該模型在初始化階段需要有一定的安全性，支持注冊、登錄、注銷和退出系統(tǒng)等功能。登錄上系統(tǒng)的網(wǎng)格用戶可通過EAI（External Authoring Interface）外部編程接口和虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場中的本地虛擬化身交互通信。一方面隨著本地用戶的化身在虛擬戰(zhàn)場中不斷地運(yùn)動(dòng)變化，一些本地信息如用戶序列號、方位、旋轉(zhuǎn)角度等都在不斷地發(fā)生變化，這些信息對于該網(wǎng)格用戶而言僅僅是需要在網(wǎng)格客戶端本地處理而已；另一方面在網(wǎng)格客戶端隨著代表該網(wǎng)格用戶的虛擬化身的不斷運(yùn)動(dòng)變化以及與其他虛擬化身的交互，如炮擊對方、在線聊天等，虛擬場景也要做出相應(yīng)的變化。這些數(shù)據(jù)信息都需要通過虛擬組織網(wǎng)格服務(wù)接口將客戶端網(wǎng)格服務(wù)發(fā)布到網(wǎng)格服務(wù)端，由網(wǎng)格服務(wù)端來管理虛擬戰(zhàn)場應(yīng)用并將其相應(yīng)的各種原語交付給任務(wù)調(diào)度中心和資源管理中心來進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)度處理。
??? 圖2即為在網(wǎng)格環(huán)境下所要實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用系統(tǒng)——虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場的UML用例圖。具體描述如下：
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??? 普通用戶通過注冊成為網(wǎng)格用戶，網(wǎng)格用戶在登錄上系統(tǒng)之后，可以進(jìn)行注銷、退出系統(tǒng)或是與其他網(wǎng)格用戶進(jìn)行交互，如發(fā)射武器、更新其他網(wǎng)格用戶虛擬場景中化身的方位等。這些操作都可被視為網(wǎng)格客戶端信息的處理。虛擬戰(zhàn)場中的化身亦代表虛擬戰(zhàn)場用戶，它主要是處理無需通過網(wǎng)格環(huán)境的本地信息，如更新自身的方位、旋轉(zhuǎn)角度等。而網(wǎng)格客戶端信息則通過客戶端網(wǎng)格服務(wù)發(fā)布到虛擬組織，再由VR應(yīng)用管理進(jìn)行資源調(diào)度和任務(wù)調(diào)度等。
2.2 基于網(wǎng)格的虛擬戰(zhàn)場靜態(tài)模型結(jié)構(gòu)分析?
??? 虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場位于網(wǎng)格系統(tǒng)的應(yīng)用層，對該戰(zhàn)場的設(shè)計(jì)分為實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)和模型界面設(shè)計(jì)。
??? (1)實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)：同一個(gè)局域網(wǎng)共享一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場，實(shí)現(xiàn)三方軍隊(duì)相互交戰(zhàn)，其中所有同在一個(gè)局域網(wǎng)且通過身份驗(yàn)證的用戶均可通過網(wǎng)格環(huán)境參與到該戰(zhàn)場場景中，此時(shí)該用戶即被稱為在線用戶。所有在線用戶均可利用某些儀器如鼠標(biāo)、鍵盤等對虛擬場景進(jìn)行操作，如代表在線用戶的化身在本地客戶場景中作轉(zhuǎn)身、移動(dòng)等動(dòng)作，與此同時(shí)其他在線用戶化身的客戶場景中同樣記錄著這些動(dòng)作信息，并以此改變自身客戶場景中此化身的狀態(tài)變化。另一方面，基于虛擬戰(zhàn)場的特性，每個(gè)在線用戶勢必會(huì)與敵方交戰(zhàn)，他們可以在自身的客戶場景中運(yùn)用鼠標(biāo)和鍵盤熱鍵發(fā)射炮彈，攻擊對方等，這些作戰(zhàn)情況都會(huì)記載在本地客戶場景信息中。另外，各個(gè)在線用戶因是交互作戰(zhàn)，彼此之間的語言交流必不可少。因此本地客戶場景中應(yīng)集成有在線聊天功能，便于在線用戶之間的交流。
??? (2)模型界面設(shè)計(jì)：虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)共有6個(gè)界面子模塊：用戶登錄界面、武器選擇界面、本地化身信息界面、本地化身作戰(zhàn)情況界面、在線用戶界面和虛擬戰(zhàn)場場景圖。首先用戶在登錄界面中輸入身份驗(yàn)證信息，通過驗(yàn)證后方可進(jìn)入虛擬場景作戰(zhàn)；同時(shí)在線用戶界面中會(huì)為該合法用戶提供此刻同在虛擬戰(zhàn)場中的各個(gè)在線用戶名。另外，客戶化身在鼠標(biāo)和鍵盤的控制下，可以在虛擬戰(zhàn)場場景中隨意暢游，本地化身信息界面中會(huì)實(shí)時(shí)地記錄下化身的方位數(shù)據(jù)信息，并提供彼此間聊天功能；而本地化身作戰(zhàn)情況界面也會(huì)在化身之間進(jìn)行交互作戰(zhàn)時(shí)，可視化地顯示出本地化身的作戰(zhàn)情況，如生命值、得失分情況、攻擊是否成功等信息。
??? 該虛擬戰(zhàn)場的UML類圖如圖3所示，其中網(wǎng)格客戶端體系結(jié)構(gòu)使用C/S模式構(gòu)造，在實(shí)現(xiàn)中分5個(gè)模塊組成：服務(wù)端監(jiān)控中心模塊、多線程發(fā)送器模塊、本地處理機(jī)模塊、多線程接收器模塊和后臺數(shù)據(jù)庫維護(hù)模塊。由于本地處理機(jī)模塊必須監(jiān)聽各種事件，并做出相應(yīng)的事件處理，所以需要實(shí)現(xiàn)事件監(jiān)聽接口。
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2.3 基于網(wǎng)格的虛擬戰(zhàn)場動(dòng)態(tài)行為模型分析
??? 需要指出的是，本系統(tǒng)使用EAI外部編程接口實(shí)現(xiàn)用戶界面的可視化，使虛擬現(xiàn)實(shí)場景更利于控制和管理，這就需要用到Java Applet。由于Applet存在安全性和sandbox(沙盒)機(jī)制問題，需要有個(gè)服務(wù)器容器作為HTTP SERVER來下載Applet，初始階段只需在客戶端輸入服務(wù)器的IP地址及文件存放位置，這樣就可以訪問到存放在HTTP SERVER如Tomcat中的HTML。至此可以在客戶端開始與服務(wù)端和其他客戶的交互。
??? 以發(fā)射武器為例，由于采用EAI外部編程接口，武器完全可以在虛擬場景中通過EAI接口動(dòng)態(tài)生成。網(wǎng)格用戶向VR場景發(fā)送某個(gè)消息表示需要發(fā)射武器，其整個(gè)過程如圖4所示。具體描述如下：
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??? (1)網(wǎng)格客戶端創(chuàng)建好線程MultiSender多用戶發(fā)送器，一個(gè)線程就代表一個(gè)網(wǎng)格用戶。
??? (2)本地處理機(jī)客戶端獲得VRML瀏覽器對象，以便通過EAI接口控制VRML場景。
??? (3)本地處理機(jī)客戶端獲得虛擬戰(zhàn)場用戶化身的節(jié)點(diǎn)，由此可以通過節(jié)點(diǎn)的入事件和出事件屬性來監(jiān)視和控制虛擬化身。
??? (4)本地處理機(jī)客戶端創(chuàng)建線程MultiReceiver多用戶接收器，接收從其他網(wǎng)格用戶中發(fā)來的更新信息或是虛擬場景中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如由于化身不斷運(yùn)動(dòng)變化而帶來的虛擬場景的更新變化等。
??? (5)通過對發(fā)射武器的屬性(如大小、形狀、顏色等)進(jìn)行描述而動(dòng)態(tài)地在虛擬場景中生成它。
??? (6)武器生成后需要在各個(gè)在線網(wǎng)格用戶的虛擬場景中發(fā)射，并沿著一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。這些軌跡的位置和轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)的計(jì)算通過網(wǎng)格環(huán)境來解決。
??? (7)多用戶發(fā)送器將計(jì)算武器發(fā)射軌跡數(shù)據(jù)的操作通過網(wǎng)格服務(wù)發(fā)布接口發(fā)布相應(yīng)的網(wǎng)格服務(wù)。
??? (8)向網(wǎng)格服務(wù)器請求執(zhí)行完成網(wǎng)格服務(wù)。
??? (9)網(wǎng)格服務(wù)完成，返回結(jié)果。
??? (10)向網(wǎng)格客戶端返回計(jì)算結(jié)果。
??? (11)線程MultiSender多用戶發(fā)送器向每個(gè)網(wǎng)格用戶的線程MultiReceiver多用戶接收器發(fā)送同步消息，將武器發(fā)射軌跡數(shù)據(jù)發(fā)送到接收器。
??? (12)接收到武器發(fā)射軌跡數(shù)據(jù)后，通過EAI接口實(shí)時(shí)更新虛擬戰(zhàn)場中的武器發(fā)射軌跡。
3? 結(jié)束語
??? 網(wǎng)格作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的新興技術(shù)，它著眼于高性能和分布式計(jì)算能力。本文簡單介紹了網(wǎng)格技術(shù)，并著重分析了基于網(wǎng)格環(huán)境的虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場模型的UML建模。整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場模型建立在網(wǎng)格基礎(chǔ)上。網(wǎng)格應(yīng)用的安全要求并不高，只需簡單地進(jìn)行網(wǎng)格用戶身份檢驗(yàn)核對，因?yàn)榫W(wǎng)格安全工作的核心應(yīng)放在網(wǎng)格基礎(chǔ)安全如CA認(rèn)證等方面。所以下一步的工作就是如何考慮整個(gè)網(wǎng)格的安全如CA認(rèn)證等。另外，由于虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場完全可以充分利用網(wǎng)格環(huán)境中強(qiáng)大的分布式計(jì)算能力，因此該模型的可擴(kuò)展性和實(shí)時(shí)性能都比較理想。
參考文獻(xiàn)
1?? Ames A，Nadeau D R，Moreland J.VRML資源手冊.北京：電子工業(yè)出版社，1998
2?? Julier S，King R，Colbert B et al.The Software Architecture of a Real-time Battlefield Visualization Virtual Environment.IEEE，1999；(13～17)
3?? Zhang B，Chen Ye-sho.Enhancing UML Conceptual Modeling through the Use of Virtual Reality.System Sciences，2005.HICSS′05.Proceedings of the 38th Annual Hawaii?International Conference on，2005
4?? Matijasevic M，Gracanin D，Valavanis K P et al.A Framework for Multiuser Distributed Virtual Environments.Systems，Man and Cybernetics，Part B.IEEE Transactions?on，2002；32(4)
5?? 趙小林.網(wǎng)頁制作技術(shù)教程——虛擬現(xiàn)實(shí)篇.北京：國防工業(yè)出版社，2002
6?? 徐志偉，馮百明，李偉.網(wǎng)格計(jì)算技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2004
7?? 冀振燕.UML系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)與應(yīng)用案例.北京：人民郵電出版社，2003
8?? 雷鳴，馮永浩，張軍.基于VRML技術(shù)的分布交互式虛擬戰(zhàn)場仿真.計(jì)算機(jī)仿真，2003；20(11)
9?? 胡少林，吳玲達(dá)，張茂軍.3D虛擬戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)造技術(shù)研究.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2002；23(12)