王 磊,廉東本,王俊霖

1(中國科學院大學,北京 100049)

2(中國科學院沈陽計算技術(shù)研究所,沈陽 100168)

3(大連理工大學,大連 116024)

數(shù)據(jù)中心三維可視化場景編輯器的設計①

王 磊1,2,廉東本2,王俊霖3

1(中國科學院大學,北京 100049)

2(中國科學院沈陽計算技術(shù)研究所,沈陽 100168)

3(大連理工大學,大連 116024)

針對當前數(shù)據(jù)中心的三維可視化場景重復開發(fā)造成復用性較差的問題,提出了數(shù)據(jù)中心三維可視化場景編輯器.借助三維引擎技術(shù),以仿真、立體、互動實時的方式為管理者提供一個完整的、可視化、網(wǎng)絡化的虛擬環(huán)境管理設計平臺.可以高效靈活的創(chuàng)建數(shù)據(jù)中心3D場景,用于場景建模和數(shù)據(jù)中心的輔助設計.可視化編輯器基于Unity3D引擎和Web技術(shù)進行搭建,提供直觀的瀏覽器操作界面和環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng),解決了三維場景遠程實時查看數(shù)據(jù)中心監(jiān)控等問題.用戶可以借此快速搭建三維可視化場景,減少重復開發(fā).在提供其他3D模型基礎上,此編輯器也能夠廣泛用于其他非數(shù)據(jù)中心可視化場景的搭建和編輯.

數(shù)據(jù)中心;三維可視化;場景編輯;Unity3D;遠程監(jiān)控

隨著社會的數(shù)據(jù)信息量不斷的增多,我們需要更大的數(shù)據(jù)中心處理這些數(shù)據(jù),這也導致數(shù)據(jù)中心具有向大規(guī)模集中式發(fā)展的趨勢[1].數(shù)據(jù)中心計算機系統(tǒng)數(shù)量的擴大往往也伴隨著相關的環(huán)境設備的增加,這給數(shù)據(jù)中心的維護和管理帶來了極大的不便.在大型數(shù)據(jù)中心中往往分散著多種管理系統(tǒng),它們之間相互存在,如何高效、統(tǒng)一地管理這些設備就成為企業(yè)的難題.因此人們提出了開發(fā)三維可視化場景管理平臺以方便對數(shù)據(jù)中心進行展示、管理、監(jiān)控.數(shù)據(jù)中心的三維可視化場景具有實時提供設備參數(shù)、提供動力環(huán)境的實時表現(xiàn)等特點,滿足了管理者對數(shù)據(jù)中心“集中監(jiān)控,統(tǒng)一管理”的需求.而其中所用到的虛擬化技術(shù)以其交互性、想象性和沉浸式的技術(shù)特征[2]實現(xiàn)了將數(shù)據(jù)中心設備從現(xiàn)實到虛擬,從物理到邏輯的全面對應三維可視化以及從人工被動管理到統(tǒng)一虛擬化管理的轉(zhuǎn)變.但目前的數(shù)據(jù)中心三維可視化場景往往是是針對特定數(shù)據(jù)中心場景的開發(fā),這造成了復用性不強、代碼重復、開發(fā)難度高等問題.因此本文設計了一個具有通用性的數(shù)據(jù)中心三維可視化場景編輯系統(tǒng)來快速搭建不同數(shù)據(jù)中心的三維場景.

1 系統(tǒng)概述

1.1 編輯器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本編輯器采用了更加輕便的B/S架構(gòu),減少了傳統(tǒng)C/S模式給用戶安裝和升級帶來的麻煩.采用Spring+Struts2+Hibernate框架進行開發(fā),該框架可以讓開發(fā)者在較短的時間內(nèi)有效率地搭建結(jié)構(gòu)清晰,復用性較強的Web程序.此系統(tǒng)分為三個層次:瀏覽器端、服務器端、數(shù)據(jù)庫.如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 三維可視化場景編輯器的功能介紹

該編輯器主要分四個功能部分:系統(tǒng)管理,場景管理,基礎管理,功能管理.如圖2所示.

圖2 編輯器功能圖

系統(tǒng)管理:包含用戶管理,權(quán)限管理,資源管理.用戶管理是分為用戶和游客管理,驗證登錄的合法性.權(quán)限管理是指用戶是否有權(quán)限能對場景編輯操作.資源管理是指具有權(quán)限的管理員可以對三維模型和物品欄下的圖片UI進行更新.

場景管理:可以對場景的創(chuàng)建,刪除和切換.同時還要對場景保存和還原.

基礎管理:該模塊包含了場景基本操作.天空盒的設置模擬真實室外場景,攝像機漫游(非自動)可以不同角度環(huán)繞觀察物體,或者觀測某一區(qū)域的場景變化.框選則使用OpenGL技術(shù)能同時選中大量物體,并對他們進行相同的操作.3D/2D的切換是在三維場景和二維場景相互切換,方便用戶查看整體場景布局.

功能管理:該功能部分包括對三維數(shù)據(jù)中心物體的一些操作.主要是GUI更改物體Transform屬性,物體批量生成,物體打組/解組,物體移動,框選物體后物體按照某一方向?qū)R,監(jiān)控系統(tǒng)管理等操作.

1.3 技術(shù)路線

圖3詳細的展示了Unity3D引擎和JavaScript引擎的交互、JavaScript引擎和服務器的交互、服務器和數(shù)據(jù)庫的交互等流程.

圖3 技術(shù)路線圖

主要過程:

1)1->2->3->4->5(用戶登錄過程):用戶在瀏覽器端輸入用戶名信息,服務端和數(shù)據(jù)庫協(xié)作驗證用戶登錄的合法性和權(quán)限,確認合法,返回主頁面.

2)A<->B<->C(Unity3D和Web端的交互):這個過程往往是多次相互通信完成的,服務發(fā)起者可以是Web端,也可以是Unity3D端.該交互是Unity3D和JavaScript引擎的通信,再由Web端Struts2+Spring解析通信消息,Hibernate讀取數(shù)據(jù)庫,完成交互服務.

3)U->P->Q->R(場景保存):Ajax發(fā)出保存請求, Unity3D引擎接收請求,并廣播消息讓場景每個物體以Json數(shù)據(jù)格式向JavaScript發(fā)送自身信息,JavaScript引擎收到消息后發(fā)送給服務器端解析JSon數(shù)據(jù),并存入MySQL數(shù)據(jù)庫.

4)Q->R->S->T->U(場景恢復):JavaScript向服務器端發(fā)起請求,經(jīng)WebService解析后,根據(jù)場景名稱讀取相關場景數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給Unity3D工具,Unity3D使用Resources.Load實例化預設生成物體.完成場景恢復.

5)Q->R->S->T->V(下載場景數(shù)據(jù)):用戶通過WebService下載場景,下載的數(shù)據(jù)格式為Json格式.

2 關鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)中心三維可視化場景編輯器借助Unity3D進行三維可視化模型呈現(xiàn).有四個關鍵技術(shù)點和算法改進:場景物體中批量算法改進的實現(xiàn)、場景的保存和恢復、環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)、三維場景實時顯示數(shù)據(jù)中心監(jiān)控主系統(tǒng)的實現(xiàn).

2.1 場景物體批量算法改進

本系統(tǒng)對原有物體批量算法進行了改進,原算法只能在X、Y、Z中某單一方向進行批量復制,而無法有效地在任意方向上批量生成物體.因此本系統(tǒng)在原有算法基礎上增加了向.量來得到物體與鼠標之間的真實方向,從而使物體能夠在任意方向上批量生成.解決了機柜不能按一定角度斜向批量擺放問題.

改進算法部分代碼如下:

2.2 場景的保存和恢復

用戶在三維可視化場景編輯系統(tǒng)完成場景編輯后,編輯器需要將場景數(shù)據(jù)永久保存.在此過程中,通過最高級別父物體向所有子物體廣播信息,將每個子物體的位置position參數(shù)、縮放localScale參數(shù)、旋轉(zhuǎn)eulerAngles參數(shù)、名稱、所屬預設的名稱、父體的名稱(以上是三維場景保存和恢復的必要數(shù)據(jù))均以Json的數(shù)據(jù)形式發(fā)送給Web端,數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)服務接口進行驗證處理后保存到相應的數(shù)據(jù)庫中.

場景保存流程如圖4所示.

圖4 場景保存流程

保存場景后,可以恢復場景,并重新編輯.恢復場景需要獲得預設名字以實例化每個物體.

2.3 環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)控一般是通過數(shù)據(jù)驅(qū)動實時自動生成和更新3D實景,快速反映出管理對象的位置、煙感、溫感等變更情況 ,通過可視化的方式實時反映系統(tǒng)的運行狀態(tài),提供最貼近真實情況的虛擬現(xiàn)實環(huán)境.

2.3.1 位置信息數(shù)據(jù)驅(qū)動

對現(xiàn)實數(shù)據(jù)中心進行三維可視化場景的設計與編輯之后,需要將數(shù)據(jù)中心中的機柜、攝像頭等物體的現(xiàn)實編號、機型等信息和對應的三維場景的物體名稱(必須為唯一)并存入數(shù)據(jù)庫,形成現(xiàn)實場景物體和虛擬場景物體一一對應的關系,這樣能夠提供一個動態(tài)修改接口保證三維場景物體信息實時變化.如當對現(xiàn)實中數(shù)據(jù)中心的機柜等物體進行移動時,只需在編輯器中輸入該機柜移動的水平橫向距離、水平豎向距離、垂直移動距離,根據(jù)位置轉(zhuǎn)化算法將對三維場景里對應物體位置也做出相應的改變.

2.3.2 煙感、溫感信息數(shù)據(jù)驅(qū)動

對于煙感,溫感等實時顯示,編輯器不做任何數(shù)據(jù)采集工作,它會通過標準接口WebService服務遠程讀取煙感器和溫感器的實時數(shù)據(jù)和其所在位置信息,并在通過預設數(shù)據(jù)中心上方生成一個Plane,添加shader腳本,形成一個云圖.將傳感器位置信息通過位置轉(zhuǎn)化算法獲取在三維可視化場景中的云圖位置坐標,并依據(jù)溫度高低、煙感信息動態(tài)調(diào)整shader腳本里顏色RGB的百分比來實時支持云圖的可視化渲染表現(xiàn).

溫感感應圖如圖5所示.

圖5 三維場景溫感感應圖

2.4 三維場景實時顯示數(shù)據(jù)中心監(jiān)控主系統(tǒng)的實現(xiàn)

由于Unity3D已經(jīng)提供調(diào)用本地授權(quán)攝像頭的接口,當我們在本地運行該系統(tǒng)可以方便的查看本地攝像頭的實時監(jiān)控信息,這里也不在過多詳述.

但是對于系統(tǒng)需要遠程運行并查看數(shù)據(jù)中心監(jiān)控主系統(tǒng)的情況,目前并沒有相關的三維場景遠程監(jiān)控的公開解決辦法.為了解決這一問題,提出了設計了基于UDP傳輸+ffmpeg解碼+合成texture的解決方案.

流程圖如圖6所示.

圖6 遠程實時顯示主控系統(tǒng)流程圖

流程的主要難點有兩個部分:

一、視頻流轉(zhuǎn)化為每幀數(shù)據(jù).本編輯器使用了ffmpeg進行解碼.首先窮舉流格式,找到其VIDEO _TYPE,再找到對應解碼器DECODER,最后從碼流中讀取FRAME數(shù)據(jù).

二、Texture的容錯控制.由于系統(tǒng)使用UDP無連接傳輸,在傳輸時會丟失數(shù)據(jù)包,這可能導致某個Texture無法繪制或者恢復順序錯誤,需要容錯控制.被恢復的視頻流需要記錄恢復的上一幀圖像,如某幀恢復錯誤,視頻流需要停留在上一幀進行等待,直到后面某幀圖像正確恢復時才繼續(xù)執(zhí)行播放.對于每幀恢復順序,采用一個隊列的FIFO特性來保證視頻流被恢復的幀順序不會發(fā)生改變.

3 編輯器運行效果

本系統(tǒng)借助Unity3D引擎實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心從物理到邏輯的三維場景可視化,可以直觀簡單的看到層次化圖片所對應的物體,點擊圖片后向發(fā)送Unity3D消息,通過射線碰撞得到鼠標位置信息并實例化物體.借助物體上所附腳本來編輯物體,最終通過編輯不同模型組建成一個三維可視化數(shù)據(jù)中心.并將數(shù)據(jù)驅(qū)動的環(huán)境監(jiān)控和遠程顯示主監(jiān)控系統(tǒng)來達到多種數(shù)據(jù)融合到統(tǒng)一虛擬監(jiān)控窗口,減少數(shù)據(jù)孤島的現(xiàn)象.

數(shù)據(jù)中心可視化場景編輯器運行效果如圖7.

圖7 運行效果圖

如果將該系統(tǒng)的3D模型替換成其他場景的模型,同樣可以使用該編輯器開發(fā)其他三維可視化場景.

4 結(jié)語

本系統(tǒng)通過提供直觀的,交互性的界面,使用戶可以快速的搭建三維可視化數(shù)據(jù)中心,解決了可視化場景復用性較差的問題,提高開發(fā)效率.本文所述技術(shù)路線和功能部分并不局限適用于數(shù)據(jù)中心的可視化場景開發(fā),同樣適用于其他場景可視化編輯系統(tǒng)的實現(xiàn),在三維場景開發(fā)中提供了一定的技術(shù)參考價值.

1龔昊,張琦.數(shù)據(jù)中心三維可視化管理軟件的設計與實現(xiàn)[碩士學位論文].北京:北京郵電大學,2012.

2劉柱,李先毅,劉瑾.基于UNITYWeb3D虛擬校園的設計和實現(xiàn).中國教育網(wǎng)絡,2014,(11):77–78.

3朱惠娟.基于Unity3D的虛擬漫游系統(tǒng).計算機系統(tǒng)應用, 2012,21(10):36–39.

4任國棟,陳林華,陶雪峰,方先行.基于Unity3D的虛擬博物館信息三維可視化系統(tǒng).計算機系統(tǒng)應用,2013,22(9):86–90.

5張敏,陳云海.虛擬化技術(shù)在新一代云計算數(shù)據(jù)中心的應用研究.廣東通信技術(shù),2009,29(5):35–39.

6 Yang K,Jie J.The research of making scenic wandering system based on Unity 3D.IEEE Workshop on Electronics, Computer andApplications.2014.237–239.

Design of Scene Editor for Three Dimension Visualization of Data Center

WANG Lei1,2,LIAN Dong-Ben2,WANG Jun-Lin3

1(University of ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100049,China)
2(Shenyang Institute of Computing Technology,ChineseAcademy of Sciences,Shenyang 110168,China)
3(Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

Aiming at the problem of poor reusability of the 3D visual scene’s repeated development in data center,a visualized editor system for three dimension visualization of data center is proposed.With the aid of 3D engine technology,the system provides a complete,visual and networked environment design platform for managers in the way of simulation,three-dimension and interaction.With high efficiency and flexibility,it can create 3D scene for data center for scene modeling and auxiliary design of the data center.The visual editor is structured on Unity3D engine and web technologies,which not only provides intuitive browser interface and real time environment monitoring system for users, but also solves the problem of remote real-time monitoring of data center monitoring in the way of three dimensional scenes.Users can use it to build a three-dimensional visual scene quickly,reducing duplication of development.Based on other 3D models,this system can be also widely used to build and edit scene of three dimension visualization for other non data center.

data center;three dimension visualization;scene editing;Unity3D;remote monitoring

2016-08-27;收到修改稿時間:2016-09-29

10.15888/j.cnki.csa.005753