摘   要： 介紹利用UML工具設計和分析基于網格計算環境的虛擬現實戰場模型，從系統需求和問題領域出發，分析系統用例圖，并從靜態和動態方面考慮系統的結構模型。
關鍵詞： 虛擬現實  網格計算  虛擬現實戰場  UML

　　虛擬現實是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如視覺、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然的實時感知交互手段，最大限度地方便用戶的操作。其中分布式虛擬現實（Distributed Virtual Reality，DVR）系統是指基于網絡的虛擬環境。在這個環境中，位于不同物理位置的多個用戶或多個虛擬環境通過網絡相聯接，并共享信息。虛擬現實系統運行在分布式環境下有二方面的原因：(1)充分利用分布式計算機系統提供的強大計算能力。(2)有些應用本身具有分布特性，如多人通過網絡進行游戲和虛擬戰場模擬等。
　　網格是一種把地理位置上分散的資源集成起來的基礎設施。其基本特征是：資源共享，通過通信網絡提供了計算資源、存儲資源、數據資源、信息資源、知識資源、專家資源和設備資源的全面共享。網格把同通信手段連接起來的資源無縫集成為一個有機整體。它給用戶提供一種基于國際互聯網的新型計算機平臺，即網格計算(Grid Computing)環境，在這個平臺上對來自客戶的請求和提供資源的能力進行合理的匹配，為用戶的請求選擇合適的起源服務，實現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、高質量的服務，網格必須具備4個基本特點：虛擬性、共享性、集成性和協商性。
　　網格計算利用分布式計算(Distributed Computing)機網絡處理大計算量任務，最大限度地利用了現有網絡的計算能力，實現資源共享。網格為分布式虛擬現實提供了強有力的支持，順應了當前分布式虛擬現實的發展，使得分布式虛擬戰場擁有廣泛的應用前景。
1  網格環境分析
　　網格可以簡單地劃分為分布式資源、網格系統和網格應用3個層次。網格應用層處于網格的頂層，分布式資源為網格的物理層即為網格底層，網格系統處在分布式資源和應用層之間，在應用層和資源之間起到橋梁作用。完整的網格系統需要有如圖1所示的基本管理功能。

　　(1)信息管理：為網格中的活動提供依據。
　　(2)資源管理：負責管理網格中的所有資源。
　　(3)數據管理：管理數據的存儲、數據的標識和副本等。
　　(4)通信與安全管理：保證網格上的活動合法，信息通達。
　　(5)界面管理：負責用戶和網格之間信息的轉換和表現。 (6)作業管理：支持用戶在計算資源上運行自己的代碼。
　　(7)公共管理：包括用戶的管理、網格的監控、記賬等。
　　網格用戶通過界面管理的支持將作業提交給網格，最后從網格得到計算結果。網格在提供服務之前，首先需要通過信息管理確認網格中哪些資源目前可用。分配好可用資源后還需要進行資源管理。在作業計算過程中，需要使用網格中的數據，網格需要通過數據管理傳輸遠程節點上的數據。整個過程需要通信和安全管理作保障以防泄漏關鍵數據等。
2  基于網格環境的虛擬現實戰場的具體分析
　　虛擬現實戰場模型在本文中屬于網格的應用，也是本文設計的重點。網格應用區別于傳統應用的特點在于其運行環境是網格，而且網格應用可以調用整個網格上的各種遠程服務?？偟恼f來，網格應用應該具有如下一些特點：
　　(1)黏合性。網格應用可以通過把不同的網格構件黏合在一起來實現。這些黏合在一起的構件可以是不同程序設計語言開發出來的，可以運行在不同的操作系統和硬件設備上。
　　(2)動態性。網格應用的運行環境是動態的，即所用資源在網格上的來去是動態的，運行應用的目標機器的選擇也是動態的。構成一個網格應用的構件隨著宿主設備的進入和退出，網格呈現出的是可用和不可用的動態性。
　　(3)平臺獨立性。網格應用應該與具體的平臺無關。盡管網格的思想中并不排斥某種特定的運行環境，但這只是從兼容的角度強調網格上可以運行所有的傳統應用。網格應用應該脫離具體的平臺，可以在任何具體環境下運行。
　　(4)網格應用具有可伸縮性。在網格資源充裕的情況下，一個應用可以利用多個資源實現自己的操作。如果網格資源比較緊張，同樣一個應用在少數幾個資源上運行也可以完成要做的事情。即網格應用對資源的需求也應該有伸縮性。
　　(5)自我管理性。網格應用活動涉及網格中的多個資源，在很多情況下，應用的啟動者也難以判斷活動在哪個具體的機器上執行，一旦出現故障，就需要應用能配合網格管理系統實現自我管理，做好故障恢復和處理，做到不會影響其他應用的正常執行。
2.1 虛擬現實戰場系統需求和問題域分析
　　該模型在初始化階段需要有一定的安全性，支持注冊、登錄、注銷和退出系統等功能。登錄上系統的網格用戶可通過EAI（External Authoring Interface）外部編程接口和虛擬現實戰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場中不斷地運動變化，一些本地信息如用戶序列號、方位、旋轉角度等都在不斷地發生變化，這些信息對于該網格用戶而言僅僅是需要在網格客戶端本地處理而已；另一方面在網格客戶端隨著代表該網格用戶的虛擬化身的不斷運動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的變化。這些數據信息都需要通過虛擬組織網格服務接口將客戶端網格服務發布到網格服務端，由網格服務端來管理虛擬戰場應用并將其相應的各種原語交付給任務調度中心和資源管理中心來進行統籌調度處理。
　　圖2即為在網格環境下所要實現的應用系統——虛擬現實戰場的UML用例圖。具體描述如下：

　　普通用戶通過注冊成為網格用戶，網格用戶在登錄上系統之后，可以進行注銷、退出系統或是與其他網格用戶進行交互，如發射武器、更新其他網格用戶虛擬場景中化身的方位等。這些操作都可被視為網格客戶端信息的處理。虛擬戰場中的化身亦代表虛擬戰場用戶，它主要是處理無需通過網格環境的本地信息，如更新自身的方位、旋轉角度等。而網格客戶端信息則通過客戶端網格服務發布到虛擬組織，再由VR應用管理進行資源調度和任務調度等。
2.2 基于網格的虛擬戰場靜態模型結構分析 
　　虛擬現實戰場位于網格系統的應用層，對該戰場的設計分為實現功能設計和模型界面設計。
　　(1)實現功能設計：同一個局域網共享一個虛擬現實戰場，實現三方軍隊相互交戰，其中所有同在一個局域網且通過身份驗證的用戶均可通過網格環境參與到該戰場場景中，此時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、鍵盤等對虛擬場景進行操作，如代表在線用戶的化身在本地客戶場景中作轉身、移動等動作，與此同時其他在線用戶化身的客戶場景中同樣記錄著這些動作信息，并以此改變自身客戶場景中此化身的狀態變化。另一方面，基于虛擬戰場的特性，每個在線用戶勢必會與敵方交戰，他們可以在自身的客戶場景中運用鼠標和鍵盤熱鍵發射炮彈，攻擊對方等，這些作戰情況都會記載在本地客戶場景信息中。另外，各個在線用戶因是交互作戰，彼此之間的語言交流必不可少。因此本地客戶場景中應集成有在線聊天功能，便于在線用戶之間的交流。
　　(2)模型界面設計：虛擬戰場系統共有6個界面子模塊：用戶登錄界面、武器選擇界面、本地化身信息界面、本地化身作戰情況界面、在線用戶界面和虛擬戰場場景圖。首先用戶在登錄界面中輸入身份驗證信息，通過驗證后方可進入虛擬場景作戰；同時在線用戶界面中會為該合法用戶提供此刻同在虛擬戰場中的各個在線用戶名。另外，客戶化身在鼠標和鍵盤的控制下，可以在虛擬戰場場景中隨意暢游，本地化身信息界面中會實時地記錄下化身的方位數據信息，并提供彼此間聊天功能；而本地化身作戰情況界面也會在化身之間進行交互作戰時，可視化地顯示出本地化身的作戰情況，如生命值、得失分情況、攻擊是否成功等信息。
　　該虛擬戰場的UML類圖如圖3所示，其中網格客戶端體系結構使用C/S模式構造，在實現中分5個模塊組成：服務端監控中心模塊、多線程發送器模塊、本地處理機模塊、多線程接收器模塊和后臺數據庫維護模塊。由于本地處理機模塊必須監聽各種事件，并做出相應的事件處理，所以需要實現事件監聽接口。

2.3 基于網格的虛擬戰場動態行為模型分析
　　需要指出的是，本系統使用EAI外部編程接口實現用戶界面的可視化，使虛擬現實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)機制問題，需要有個服務器容器作為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端和其他客戶的交互。
以發射武器為例，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接口動態生成。網格用戶向VR場景發送某個消息表示需要發射武器，其整個過程如圖4所示。具體描述如下：

　　(1)網格客戶端創建好線程MultiSender多用戶發送器，一個線程就代表一個網格用戶。
　　(2)本地處理機客戶端獲得VRML瀏覽器對象，以便通過EAI接口控制VRML場景。
　　(3)本地處理機客戶端獲得虛擬戰場用戶化身的節點，由此可以通過節點的入事件和出事件屬性來監視和控制虛擬化身。
　　(4)本地處理機客戶端創建線程MultiReceiver多用戶接收器，接收從其他網格用戶中發來的更新信息或是虛擬場景中的動態數據，如由于化身不斷運動變化而帶來的虛擬場景的更新變化等。
　　(5)通過對發射武器的屬性(如大小、形狀、顏色等)進行描述而動態地在虛擬場景中生成它。
　　(6)武器生成后需要在各個在線網格用戶的虛擬場景中發射，并沿著一定的軌跡運動。這些軌跡的位置和轉向數據的計算通過網格環境來解決。
　　(7)多用戶發送器將計算武器發射軌跡數據的操作通過網格服務發布接口發布相應的網格服務。
　　(8)向網格服務器請求執行完成網格服務。
　　(9)網格服務完成，返回結果。
　　(10)向網格客戶端返回計算結果。
　　(11)線程MultiSender多用戶發送器向每個網格用戶的線程MultiReceiver多用戶接收器發送同步消息，將武器發射軌跡數據發送到接收器。
　　(12)接收到武器發射軌跡數據后，通過EAI接口實時更新虛擬戰場中的武器發射軌跡。
3  結束語
　　網格作為計算機發展的新興技術，它著眼于高性能和分布式計算能力。本文簡單介紹了網格技術，并著重分析了基于網格環境的虛擬現實戰場模型的UML建模。整個虛擬現實戰場模型建立在網格基礎上。網格應用的安全要求并不高，只需簡單地進行網格用戶身份檢驗核對，因為網格安全工作的核心應放在網格基礎安全如CA認證等方面。所以下一步的工作就是如何考慮整個網格的安全如CA認證等。另外，由于虛擬現實戰場完全可以充分利用網格環境中強大的分布式計算能力，因此該模型的可擴展性和實時性能都比較理想。
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