基本介紹
- 中文名：協同虛擬環境
- 外文名：Collaborative Virtual Environment
- 檢測：CVE
- 套用：軍事、協同設計、教育、醫學等
- 特點：共享的虛擬空間、沉浸性等
- 需求：套用需求、平台需求
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簡介
協同虛擬環境(CVE) 的研究開發工作起步於二十世紀八十年代初。協同虛擬環境營造一個數字世界，在其中人們可以方便的共享信息，與環境中其他人員和虛擬物體進行互動，從而完成協同任務，即協同虛擬環境的最顯著特徵在於“協同”二字。而且可以看出，協同虛擬環境並不一定是3D場景，它可以使是2.5D和2D場景。協同虛擬環境所採用的輸入輸出設備可包含移動設備、穿戴式設備和公共場合的設備。
協同虛擬環境是一個複雜系統，集成了分散式系統、協同系統、虛擬現實系統、智慧型技術、網路技術和多媒體技術等多種類型的系統和多種技術。協同虛擬環境系統在生產和生活的諸多領域(軍事、協同設計、教育、醫學、娛樂等)得到了成功的套用。
CVE 與一般虛擬環境的本質區別在於前者更關注用戶間協同而非仿真；Internet 上的協同虛擬現實系統與強調沉浸的單用戶系統的不同在於前者更強調系統的互動性和用戶間的通信，能讓一組分布於不同地點的用戶在相同的虛擬環境中相遇並互動，用戶間以適合於各種社交情況的自然和非正式的方式相互通信，以支持協同工作。
協同虛擬環境特點
一個通用的 CVE 系統應該具有以下特點：
(1) 共享的虛擬空間。地理位置分散的用戶通過網路聯入同一個虛擬空間，進行實時互動。它包括資源信息共享及允許用戶自然操作環境中的對象。
(2) 偽實體的行為真實感。用戶不僅能夠感知到自身在虛擬環境中的存在，而且可以感受到其他協同用戶在環境中的存在，即主體存在性。虛擬世界中的一切操作都是與現實世界一致的、真實可行的。
(3) 沉浸性。它是協同虛擬環境的一個主要特徵。一方面，系統必須提供一種用戶可以在虛擬世界中得以具體化的表現方式，且用戶行為和視點都要以該特定的表示方式加以體現，我們稱其為網路化的個體沉浸；另一方面，沉浸性表現為虛擬實體的行為真實感，虛擬環境的視圖隨著用戶的移動而改變。
(4) 互動性。CVE 系統中除了存在一般系統的人機互動外，還有人與人即用戶間的同步互動以及用戶與虛擬物體和虛擬物體之間的各種互動行為。
(5) 一致性和實時回響性。CVE 系統是一個實時變化的動態系統，實時同步性是系統協同工作的重要基礎之一。用戶在某個時刻的操作要影響其作用範圍內的虛擬世間的視圖。因此，實時同步包括兩個方面：一是實時一致性，即用戶所在的 CVE 空間對所有的用戶而言必須保持一致；二是實時回響性，即用戶的操作的回響時間要滿足實時要求。
(6) 多個用戶以多種方式相互通信。由於 CVE 系統沉浸性和互動性的需求，傳統的互動技術已經不能滿足用戶要求，需要採用多用戶多通道的互動技術，包含音頻、視頻、文本等各種形式的信息。同時支持多個用戶採用多個方式（一對一、一對多、多對多）的快速實時網路通信及其規模的可擴展性。
協同虛擬環境需求
套用需求
協同虛擬環境的通用套用需求可以總結如下：
(1) 虛擬世界描述和發布。虛擬世界的描述是層次結構的，如圖1 所示。
圖1 虛擬世界層次結構描述
圖1 虛擬世界層次結構描述通常提供基本虛擬物體及其屬性、行為和觸發事件的定義，在此基礎上可構建複雜的虛擬物體，描述其動態行為並觸發相關事件。任何一個用戶加入一個 CVE 系統時，系統首先將該虛擬世界的描述發布給它，然後再開始協同會話。因此，一方面要注意確保用戶得到充分的描述發布，比如獲得虛擬世界中共享虛擬物體的實時狀態另一方面還要儘量減少冗餘，以降低對網路頻寬的要求。
(2) 自我感知與相互感知。用戶作為 CVE 的參與主體，需要通過適當的方式感知自身和其他參與者，並確定自身以及其他參與者的角色、當前狀態等必要的協同信息，其中自我感知是相互感知的基礎。因此用戶在 CVE 中的具體化方式需要具有空間位置、視點、行為等特性。
(3) 用戶角色和許可權控制。不同用戶在 CVE 中擔任不同的角色，而不同的角色又關聯各種物體和資源上的不同權利，從而可以更好地維護用戶間協同順利地進行。
(4) 物體操作與資源管理。用戶可以對虛擬空間中的物體進行各種操作，也可以對虛擬空間中的各種資源進行多種管理。
(5) 通信。支持不同用戶之間通過文本、音頻、視頻等多種媒體的交流，並且支持直接交流和間接交流兩種通信方式。
平台需求
協同虛擬環境的通用平台需求可以總結如下：
(1) 規模可擴展性。規模可擴展性意味著一個系統在其用戶逐漸增加時，不必作重大修改依然可保持其運行效率。
(2) 可視化。可視化問題是指當用戶或者其它虛擬物體在虛擬環境中變換其點時，如何使得三維場景能夠被快速地渲染，且保證連續、平穩的效果；也就是說，用戶行為與系統回響之間的滯後時間應儘可能小；系統刷新率需要保持在一個合理的恆定值之上；並需要為不同的機器提供相應的三維場景渲染最佳化算法。
(3) 安全性。安全性設施用於證實在特定訪問限制條件下是否允許所請求的動作，或者用於確認系統中各類虛擬實體的身份；通常，安全服務分別包括授權服務和認證服務。
(4) 異構性。分散式環境決定了 CVE 系統必須支持異構性，即允許其中各個用戶所用的計算機、軟體環境、互動手段不盡相同；事實上，用於連線整個環境的網路也存在著多樣性;因此，CVE 系統需要在如此異構的環境中有效地支持用戶間協同工作。
(5) 開放性和標準化。作為一個開放系統，CVE 需要支持各種媒體的多種標準格式，包括 audio、 video 和 image 等媒體，從而支持與其它 VR 系統及各種可視化套用之間的數據交換，並要為將來的新型媒體格式預留各種相應的接口等。
協同虛擬環境的相關問題
協同虛擬環境有許多問題需要解決，大體上可分為人類協同工作本身和計算機相關技術兩大方面。
協同工作方面
協同虛擬環境系統於一般分散式虛擬環境系統的區別就在於協同虛擬環境系統特彆強調協同，它對協同工作提供特殊的支持，其宗旨是給協同任務的完成提供保障。因此協同方面有如下要求：
(1) 共享上下文(主要是虛擬空間)
對於協同虛擬環境，上下文的共享是非常關鍵的。共享上下文要求：用戶能夠共享其他人當前的狀態；共享其他人過去的行為和狀態；共享虛擬環境的物體和狀態。最終實現共享理解，即大家都知道其他人對虛擬環境的認知，以便協同。
(2) 感知技術
感知是：知道理解別人的行為，從而為自己作出正確行為提供一個參考環境。這裡涉及協同時應該感知那些信息?通過什麼方式感知?是主動感知還是被動感知?是實時感知還是異步感知?
(3) 互動性(人和環境的互動)
互動方式是必須提供的。互動方式有：文字、語音、聲音、動作和表情等，其中套用最多的是語音。由於網路延遲等因素影響，這些交流在協同虛擬環境中都會受到不同程度的障礙。因此必須進行相關研究。
(4) 協作性(人與人互動)
人與人之間的互動有著某些固定模式和規律。協同虛擬環境必須體現這些規律，並通過具體設定使得這些互動協同方式在系統中得以順利進行。不同協同任務，有不同的表示，不同的人又會有不同的看問題方式。這樣就需要研究如何劃分視圖，如何組織視圖。還有就是人們在進行一個任務時，其協同方式會動態變化，這個也是協同虛擬環境必須考慮的。
計算機技術方面
協同虛擬環境的協同需求對技術也提出了挑戰，主要體現在以下幾個方面：
(1) I/0 設備
傳統的輸入輸出設備(鍵盤，滑鼠，顯示器)已不能很好地滿足協同虛擬環境的要求。因此協同虛擬環境需要許多專用設備。例如：頭盔式顯示器(I-IMU ) 、數據手套、成套的 CAVE 顯示系統、動力反饋裝置等。
(2) 一致性
現代的協同虛擬環境基本都是基於複製的連續互動分散式系統，因此一致性問題的出現是不可避免的。為了保證協同虛擬環境系統的可用性，系統必須提供某些手段來保證協同虛擬環境的一致性。
(3) 網路傳輸
系統各節點之間需要進行大量的通信，以便保障系統各節點的一致性和協同互動。因此，協同虛擬環境的網路傳輸與任務的協同互動和一致性控制是緊密聯繫在一起的，有著自己的要求:網路頻寬較高、網路傳輸延遲儘可能短、傳輸必須保證正確性和對傳輸信息分類處理。
