CN104616339A - 一种Web3D虚拟现实系统的场景数据调度方法 - Google Patents

Abstract

Web3D虚拟现实技术是基于网络的，因此设计Web3D虚拟现实的网络架构及通信方式至关重要，一种好的场景数据调度方法可以大大提高实时渲染的速度，获得较好的渲染效果。虚拟现实是一个充满活力、具有巨大应用前景的高新技术领域，然而还有许多挑战性的问题有待突破与解决用来提高虚拟现实系统的交互性、逼真性和沉浸感。

Description

一种Web3D虚拟现实系统的场景数据调度方法

技术领域

Web3D 虚拟现实技术是随着互联网与虚拟现实技术的发展而产生的，其目的在于在互联网上建立三维的虚拟世界。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality)是指利用计算机技术构建逼真的计算机虚拟环境，通过视觉、听觉、触觉等作用，使用户可以感知和操作虚拟环境中的各种虚拟对象，从而与虚拟环境进行交互，产生身临其境的感觉。虚拟现实具有三个最突出的特征，即“3I”特征，这三个特征是交互性(Interactivity)、想象(Imagination)和沉浸感(Immersion)。Web3D虚拟现实技术是随着互联网与虚拟现实(Virtual Reality)技术的发展而产生的，其目的在于在互联网上建立三维的虚拟世界。Web3D 虚拟现实技术涉及到一系列关键技术，如虚拟环境建模、人机交互技术、Web 网络构架及网络数据通信。

发明内容

 Web3D 虚拟现实系统主要应用于网络的虚拟场景漫游及交互。此方法采用了三层式的Client／Server 结构和分布计算模型，充分利用网络带宽和客户端图形处理能力，以达到实时三维虚拟场景漫游的效果。基于Web3D 的虚拟场景漫游系统的设计分成三个层次：数据与存储层、计算逻辑层和用户界面层，然后针对每个逻辑单元独立进行开发设计。Java3D是一种网上三维编程语言，通过节点进行三维图形描述。X3D 可以通过硬件绘制并配以图形加速性能来实现三维场景的真实感，用X3D 技术可以构造网上三维空间应用。

用户层主要是支持X3D 客户端浏览构件，负责与用户交互，响应查询、分析请求，使用户可以用一种自然方式以任意的角度、任意的高度、任意的路径浏览虚拟场景。中间层被称为分布式广义空间数据引擎。XML Web 服务器主要用于响应客户层的请求，并与虚拟逻辑数据库进行通信。应用服务器系统负责响应客户端的数据渲染和查询请求，从数据库中搜索、存取和分发海量数据，与后台数据库直接连接。

数据库及数据库处理放在服务器端，由数据库管理者进行集中、统一管理，普通用户在客户端通过网络向服务器端发出请求指令，服务器端根据客户端指令进行计算处理，计算处理的结果由网络传递给客户端，在客户端以指定的方式显示表达出来。基于Web3D 的虚拟场景漫游可在任何基于TCP／IP 协议的网络上运行。内建的网络传输缓冲机制，可以避免数据的单条分散发送，具有最低的网络负载，满足实时性的数据调度要求。基于Web3D 的虚拟场景漫游还使用协同处理策略，将客户的请求分散处理，根据当前客户端和服务器的CPU 使用情况和网络占用情况，自动分配计算任务，能大大降低整个系统对服务器的依赖，有效提高系统整体性能。

为了保证虚拟环境具有强烈的沉浸感，必须使虚拟场景具有真实性和实时性。在场景构建完后，系统还必须实现实时的场景调度管理，并在显示设备上实时绘制输出视景画面。为了保证系统的实时性，一方面提高与图形绘制有关的硬件性能(如配置高档的图形加速卡)，另一方面在现有硬件条件下，优化场景数据库，降低场景复杂度，采用高效的场景调度管理是十分必要的。本节的主要内容就是为了解决系统的实时性问题，对三维场景模型的优化及调度管理等方面的工作进行讨论。

严格地说，减少系统的反馈延迟，使虚拟环境系统能实时地对各种输入作出响应，也是保证虚拟环境真实感的重要环节。鉴于视觉是人类获取外部信息的主要手段，所以系统首先应该能实时显示场景画面。

基于图象的图形绘制技术通过一些预先生成或拍摄到的图象来生成不同视点处的场景图象。快速可视性计算技术和层次细节模型技术出发点均是尽量降低最后画面绘制时的场景复杂性。本系统主要采用了场景调度技术来提高系统的实时性。场景调度管理有两方面含义。一方面，由于计算机物理内存容量的限制，有时无法将一个复杂的场景数据库一次全部调入内存之中，于是，有必要对场景的模型数据进行分块装载和卸载，这便是场景分块调度技术;另一方面，由于计算机硬件尤其是图形加速卡性能的限制，在一帧之中渲染过多的多边形也将超过系统处理能力的极限。减少一帧渲染的多边形数量就是场景调度管理的另一层面的含义。

由于系统所需渲染的数据量比较大，并且是按照文件方式进行存储，那么数据的获取必然要进行I/O 操作，为了动态将数据从外存调入内存，同时不要频繁进行文件的I/O 操作，本算法是通过移动文件流指针来动态调度数据的。下面将详细介绍数据调度的具体过程，为了介绍方便，首先定义几个变量，LoadList 是当前场景所需要加载的渲染数据块数组；RequestList 是申请加载的渲染数据块数组；FinishedLoadList是完成加载的渲染数据块数组；UnLoadList是需要卸载的渲染数据块数组

下面介绍下渲染数据调度的具体过程：

(1) 根据当前视点参数确定出需要绘制的数据块节点，判断这些节点的数据是否已经加载，如果没有加载，那么将其增加至LoadList 数组中，同时将不符合条件的节点增加至UnLoadList 数组进行数据卸载，此时不符合条件的节点是指之前存在于LoadList 已经加载但是由于视参数发生改变而处于“非激活”状态的数据块节点。

(2) 在创建LoadList 之前，数据调度线程已经开始执行，它不停地从LoadList 中选择一部分申请加载，即创建RequestList，但是由于创建LoadList 之前LoadList 为空，因此无法创建RequestList。只有当创建完毕后，才能创建RequestList。RequestList 创建完毕后，将RequestList 中的成员与FinishedLoadList 中的成员进行比较，对不在FinishedLoadList 中的RequestList 成员进行数据的读取，数据读取完毕后将其更新到FinishedLoadList 中，并将LoadList 清空，到此就完成了一次数据调度。

创建LoadList 在主程序中执行， 每一帧创建一次LoadList 操作;创建RequestList 在数据调度线程内执行，因此它一直在后台执行。实际上可以省去构建RequestList这个步骤，而让线程对LoadList 中的所有成员进行数据加载，但是同样由于数据量大的原因，完全加载将耗费一定的时间，将LoadList 分批构建成RequestList，然后在不同帧里完成对所有数据的加载，这样可以起到更好的效果。另外在创建与加载RequestList 中，虽然完成一次数据调度之后，LoadList 被清空，但是由于每一帧都会执行一次创建LoadList，因此会重新创建LoadList，并且新创建的Load-List 中不会包含上一次已经被加载了的渲染数据块节点，因此不用担心数据的重复加载。

Claims (4)

1.一种Web3D虚拟现实系统的场景数据调度方法其特征是了三层式的Client／Server 结构和分布计

算模型，充分利用网络带宽和客户端图形处理能力，以达到实时三维虚拟场景漫游的效果。

2.根据权利要求1 则基于Web3D 的虚拟场景漫游系统的设计分成三个层次：数据与存储层、计算逻辑层和用户界面层，然后针对每个逻辑单元独立进行开发设计。

3.根据权利要求1其场景实时显示技术在基于图象的图形绘制技术；快速可视性计算技术；层次细节模型技术；场景调度管理技术。

4.根据权利要求3实时渲染场景数据的调度是法是通过移动文件流指针来动态调度数据的。