基于分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的連鑄多人協(xié)作系統(tǒng)

闞闊 張凱峰

摘 要：針對(duì)連鑄生產(chǎn)過(guò)程的多人協(xié)作培訓(xùn)，文中應(yīng)用Unity 3D游戲引擎和Photon Server服務(wù)器引擎，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于客戶端/服務(wù)器的分布式虛擬仿真協(xié)作系統(tǒng)。系統(tǒng)將地理上相互獨(dú)立的用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接到同一個(gè)虛擬世界，使用戶共享資源，實(shí)現(xiàn)多用戶的協(xié)同工作，滿足連鑄培訓(xùn)的需求。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);分布式技術(shù);多人協(xié)作;信息同步;仿真協(xié)作;分布式虛擬

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）04-0-02

0 引 言

連鑄是指將液態(tài)鋼水經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的工藝過(guò)程變?yōu)楣虘B(tài)鋼坯的工藝[1]。連鑄生產(chǎn)工藝復(fù)雜，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程需要多工種配合工作。在連鑄生產(chǎn)培訓(xùn)過(guò)程中，多工種的配合工作已經(jīng)成為連鑄生產(chǎn)培訓(xùn)的重要環(huán)節(jié)，也是連鑄工人需要掌握的重要技能。所以實(shí)現(xiàn)連鑄多人協(xié)作系統(tǒng)成為連鑄培訓(xùn)的重要內(nèi)容。

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了信息技術(shù)的進(jìn)步[2]。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的更新和變化改變了傳統(tǒng)的信息應(yīng)用方式。由于傳統(tǒng)單機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不能滿足用戶需求，因此分布式虛擬現(xiàn)實(shí)（Distributed Virtual Reality，DVR）系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[3]。

本文針對(duì)連鑄生產(chǎn)過(guò)程中的多人協(xié)作培訓(xùn)過(guò)程，應(yīng)用Unity 3D游戲引擎和Photon Sever服務(wù)器引擎，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于客戶端/服務(wù)器的分布式虛擬仿真協(xié)作系統(tǒng)[4]。

1 系統(tǒng)協(xié)同架構(gòu)

本系統(tǒng)采用混合式協(xié)同架構(gòu)方法解決分布式虛擬現(xiàn)實(shí)時(shí)空不同步的問(wèn)題[4-6]，架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為客戶端和服務(wù)器兩部分。

客戶端負(fù)責(zé)用戶的控制流程輸入、場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)、位置移動(dòng)、碰撞檢測(cè)、與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌．?dāng)用戶進(jìn)行操作時(shí)，如控制工藝生產(chǎn)流程操作或位置移動(dòng)，客戶端接收到操作信息后，執(zhí)行動(dòng)作完成任務(wù)，并將執(zhí)行完的控制流程信號(hào)、位置信息和碰撞信息發(fā)送到服務(wù)器中。同時(shí)服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包端口，實(shí)時(shí)接收并更新和顯示場(chǎng)景中的生產(chǎn)狀態(tài)信息、位置信息和碰撞信息，及時(shí)把運(yùn)行狀態(tài)反饋給操作用戶。

服務(wù)器的主要功能是對(duì)在線用戶進(jìn)行管理、多任務(wù)處理和場(chǎng)景中用戶位置同步更新等。系統(tǒng)啟動(dòng)后，當(dāng)有客戶端成功連到服務(wù)端時(shí)，服務(wù)器按照用戶選擇的工種任務(wù)進(jìn)行編號(hào)標(biāo)識(shí)。多個(gè)用戶同時(shí)操作后，服務(wù)器根據(jù)客戶端傳來(lái)的數(shù)據(jù)同步更新碰撞、用戶位置和生產(chǎn)流程信息，再將同步后的信息分別發(fā)送到每個(gè)客戶端，最終實(shí)現(xiàn)在虛擬場(chǎng)景的同步協(xié)作生產(chǎn)過(guò)程[6]。

2 平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境構(gòu)成如下：

（1）操作系統(tǒng)：Windows 7;

（2）集成開(kāi)發(fā)環(huán)境：Visual Studio 2015;

（3）客戶端開(kāi)發(fā)：Unity 3D游戲引擎;

（4）服務(wù)器開(kāi)發(fā)：Photon Server服務(wù)器引擎;

（5）開(kāi)發(fā)語(yǔ)言：C#。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)服務(wù)器采用Photon Server服務(wù)器引擎開(kāi)發(fā)。Photon Server是網(wǎng)絡(luò)游戲引擎供應(yīng)商Exit Game開(kāi)發(fā)的一套高性能服務(wù)器引擎。不同于其他服務(wù)器的套接字（Socket）采用Java實(shí)現(xiàn)，Photon Server的核心使用C++開(kāi)發(fā)，其效能相較其他服務(wù)器更高[7-8]。

3.1.1 客戶端連接

在服務(wù)器中，每當(dāng)有一個(gè)客戶端成功連接，服務(wù)器都會(huì)調(diào)用CreatePeer（）函數(shù)創(chuàng)建客戶端請(qǐng)求，并在客戶端列表中加入客戶端ID。當(dāng)客戶端斷開(kāi)連接，服務(wù)器調(diào)用Disconnect（）處理客戶端斷開(kāi)時(shí)需釋放的資源等事項(xiàng)。代碼如下：

3.1.2 服務(wù)器數(shù)據(jù)接收和同步

在一個(gè)分布式系統(tǒng)中，服務(wù)器最主要的工作就是接收來(lái)自不同客戶端的數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)信息同步更新到其他客戶端中。在Photon Server服務(wù)器中，采用OnOperationRequest（）函數(shù)接收來(lái)自不同客戶端的位置、碰撞和工序數(shù)據(jù)信息，再通過(guò)OnOperationReponse（）函數(shù)將信息同步到其他客戶端，如圖2所示。

3.2 客戶端實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用Unity 3D游戲引擎開(kāi)發(fā)客戶端。Unity 3D是由Unity Technologies開(kāi)發(fā)的一個(gè)讓用戶能輕松快速創(chuàng)建對(duì)象、引入外部資源以及通過(guò)代碼把它們聯(lián)系起來(lái)的物理引擎，同時(shí)也是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎[9-10]。

3.2.1 用戶獲取位置、旋轉(zhuǎn)信息

在Unity 3D中，Transform組件能用于控制模型旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放等，是模型的基礎(chǔ)組件。其中，Position變量用于表示模型在世界坐標(biāo)的位置;Rotation變量用于表示模型按世界坐標(biāo)系X，Y，Z坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度;Scale變量用于表示模型放大的倍數(shù)。

在多人協(xié)作操作中，每個(gè)客戶端需要實(shí)時(shí)獲取客戶移動(dòng)位置、旋轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳到服務(wù)器中，同時(shí)接受服務(wù)器傳送的其他客戶端的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。系統(tǒng)獲取自身位置、旋轉(zhuǎn)信息，并同步其他客戶端位置、旋轉(zhuǎn)，代碼如下：

3.2.2 物體碰撞信息

Unity 3D的碰撞檢測(cè)功能集成于其內(nèi)置的PhysX物理引擎中，通過(guò)碰撞器組件（Collider）實(shí)現(xiàn)。其中Box Collider為軸對(duì)齊包圍盒，Sphere Collider為球包圍盒。碰撞器與處理物理運(yùn)動(dòng)特性的剛體組件（Rigidbody）配合使用。

為客戶端上的所有用戶在虛擬場(chǎng)景中添加空物體GameObject，此空物體表示用戶的位置。在空物體上添加Box Collider組件和Rigidbody組件。其中Box Collider組件用于檢測(cè)兩個(gè)添加Box Collider組件的用戶之間是否存在碰撞，Rigidbody組件能使兩個(gè)發(fā)生碰撞的用戶不存在穿透現(xiàn)象。當(dāng)客戶端檢測(cè)到發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)記錄下發(fā)生碰撞的用戶名字和用戶位置信息，并傳到服務(wù)器中進(jìn)行同步。其記錄信息代碼如下：

4 實(shí)際運(yùn)行效果

連鑄協(xié)作培訓(xùn)系統(tǒng)運(yùn)行良好。圖3展示了客戶端連接服務(wù)器過(guò)程;圖4展示了多個(gè)用戶在虛擬場(chǎng)景中的移動(dòng)情況;圖5展示了兩個(gè)客戶端之間虛擬場(chǎng)景同步的情況。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)連鑄的多人協(xié)作培訓(xùn)，開(kāi)發(fā)了以Photon Server服務(wù)器引擎和Unity 3D游戲引擎為核心的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)連鑄培訓(xùn)多人協(xié)作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多用戶在虛擬系統(tǒng)中的位置同步，碰撞檢測(cè)和生產(chǎn)狀態(tài)同步，滿足了連鑄多人培訓(xùn)的需求，具有良好的用戶體驗(yàn)和使用效果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]朱朝月.連鑄虛擬交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].唐山：華北理工大學(xué)，2017.

[2]杜寶江，林靈，徐剛.分布式交互技術(shù)在虛擬培訓(xùn)中的研究與應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2015（6）：157-161.

[3]謝敬偉.分布式虛擬現(xiàn)實(shí)交互仿真系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2017.

[4]耿小兵，劉思江，朱曉陽(yáng)，等.洗消分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)技術(shù)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2012，24（2）：339-343.

[5]文娟.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在出版和教育領(lǐng)域的應(yīng)用分析[J].信息記錄材料，2018，19（10）：150-152.

[6]朱東方，蘇群星，劉鵬遠(yuǎn).裝備分布式虛擬維修訓(xùn)練云仿真關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33（10）：2778-2782.

[7]王立，張勇.船舶航行視景分布式可視化仿真技術(shù)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2016，38（22）：76-78.

[8]黃鵬.基于Unity 3D的分布式協(xié)同虛擬裝配仿真研究及實(shí)現(xiàn)[D].湘潭：湘潭大學(xué)，2017

[9]李大鵬.基于P2P架構(gòu)的多人在線游戲的安全性研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2017.

[10]賀馮政.網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)器通信架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.