闞闊 張凱峰

摘 要：針對連鑄生產(chǎn)過程的多人協(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)計并實現(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)將地理上相互獨立的用戶通過計算機網(wǎng)絡(luò)連接到同一個虛擬世界，使用戶共享資源，實現(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;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：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-0-02

0 引 言

連鑄是指將液態(tài)鋼水經(jīng)過一系列復(fù)雜的工藝過程變?yōu)楣虘B(tài)鋼坯的工藝[1]。連鑄生產(chǎn)工藝復(fù)雜，實際生產(chǎn)過程需要多工種配合工作。在連鑄生產(chǎn)培訓(xùn)過程中，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，計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展推動了信息技術(shù)的進步[2]。計算機網(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)單機虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不能滿足用戶需求，因此分布式虛擬現(xiàn)實（Distributed Virtual Reality，DVR）系統(tǒng)應(yīng)運而生[3]。

本文針對連鑄生產(chǎn)過程中的多人協(xié)作培訓(xùn)過程，應(yīng)用Unity 3D游戲引擎和Photon Sever服務(wù)器引擎，設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于客戶端/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)實時空不同步的問題[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、場景實現(xiàn)、位置移動、碰撞檢測、與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮?。?dāng)用戶進行操作時，如控制工藝生產(chǎn)流程操作或位置移動，客戶端接收到操作信息后，執(zhí)行動作完成任務(wù)，并將執(zhí)行完的控制流程信號、位置信息和碰撞信息發(fā)送到服務(wù)器中。同時服務(wù)器監(jiān)聽發(fā)送的數(shù)據(jù)包端口，實時接收并更新和顯示場景中的生產(chǎn)狀態(tài)信息、位置信息和碰撞信息，及時把運行狀態(tài)反饋給操作用戶。

服務(wù)器的主要功能是對在線用戶進行管理、多任務(wù)處理和場景中用戶位置同步更新等。系統(tǒng)啟動后，當(dāng)有客戶端成功連到服務(wù)端時，服務(wù)器按照用戶選擇的工種任務(wù)進行編號標(biāo)識。多個用戶同時操作后，服務(wù)器根據(jù)客戶端傳來的數(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)送到每個客戶端，最終實現(xiàn)在虛擬場景的同步協(xié)作生產(chǎn)過程[6]。

2 平臺開發(fā)環(huán)境搭建

平臺開發(fā)環(huán)境構(gòu)成如下：

（1）操作系統(tǒng)：Windows 7;

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

（3）客戶端開發(fā)：Unity 3D游戲引擎;

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

（5）開發(fā)語言：C#。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 服務(wù)器的實現(xiàn)

系統(tǒng)服務(wù)器采用Photon Server服務(wù)器引擎開發(fā)。Photon Server是網(wǎng)絡(luò)游戲引擎供應(yīng)商Exit Game開發(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實現(xiàn)，Photon Server的核心使用C++開發(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)有一個客戶端成功連接，服務(wù)器都會調(diào)用CreatePeer（）函數(shù)創(chuàng)建客戶端請求，并在客戶端列表中加入客戶端ID。當(dāng)客戶端斷開連接，服務(wù)器調(diào)用Disconnect（）處理客戶端斷開時需釋放的資源等事項。代碼如下：

3.1.2 服務(wù)器數(shù)據(jù)接收和同步

在一個分布式系統(tǒng)中，服務(wù)器最主要的工作就是接收來自不同客戶端的數(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)接收來自不同客戶端的位置、碰撞和工序數(shù)據(jù)信息，再通過OnOperationReponse（）函數(shù)將信息同步到其他客戶端，如圖2所示。

3.2 客戶端實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用Unity 3D游戲引擎開發(fā)客戶端。Unity 3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個讓用戶能輕松快速創(chuàng)建對象、引入外部資源以及通過代碼把它們聯(lián)系起來的物理引擎，同時也是一個全面整合的專業(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、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，每個客戶端需要實時獲取客戶移動位置、旋轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳到服務(wù)器中，同時接受服務(wù)器傳送的其他客戶端的數(shù)據(jù)進行同步。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的碰撞檢測功能集成于其內(nèi)置的PhysX物理引擎中，通過碰撞器組件（Collider）實現(xiàn)。其中Box Collider為軸對齊包圍盒，Sphere Collider為球包圍盒。碰撞器與處理物理運動特性的剛體組件（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組件用于檢測兩個添加Box Collider組件的用戶之間是否存在碰撞，Rigidbody組件能使兩個發(fā)生碰撞的用戶不存在穿透現(xiàn)象。當(dāng)客戶端檢測到發(fā)生碰撞時，會記錄下發(fā)生碰撞的用戶名字和用戶位置信息，并傳到服務(wù)器中進行同步。其記錄信息代碼如下：

4 實際運行效果

連鑄協(xié)作培訓(xùn)系統(tǒng)運行良好。圖3展示了客戶端連接服務(wù)器過程;圖4展示了多個用戶在虛擬場景中的移動情況;圖5展示了兩個客戶端之間虛擬場景同步的情況。

5 結(jié) 語

本文針對連鑄的多人協(xié)作培訓(xùn)，開發(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)實連鑄培訓(xùn)多人協(xié)作系統(tǒng)，實現(xiàn)了多用戶在虛擬系統(tǒng)中的位置同步，碰撞檢測和生產(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和使用效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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