背景技术
在专业训练模拟与娱乐产业上，用计算机来模拟操控车辆和航空
器等运输载具已经相当普及。加上现代网路科技的突飞猛进，计算机
游戏的发展日益精巧，而且能够同时由不同参与者分别操控多台不同
的模拟运输载具。
例如，关于赛车方面的计算机游戏，其中所设计的赛车情节，可
以设计成令多位参赛者共同参加比赛；且每位参赛者各自坐在一台模
拟器的座舱中，并由显示装置上所呈现的虚拟环境影像中，看到赛车
跑道和其它所有参赛车辆，宛如身历其境。每位参赛者在虚拟环境中
藉由座椅外围的控制设备，各自操控一台虚拟赛车。不同的车辆之间
会依据事先给定的物理原理及模式，彼此产生互动。车辆在计算机游
戏中的互动作用，包含有不同车辆之间的碰撞、车辆和围篱或树木之
间的碰撞等。这些令游戏达到融入性与临场感所需要的资料数据就是
透过网路进行传输。
在现有技术的专利案例中，关于多人同时游戏的模拟器系统方面
的技术，包括有发明名称为“具跨网路回授的车辆模拟器”(vehicle
simulator including cross-network feedback)，且公开号为WO
92/16922的专利文献，其揭露一种车辆模拟装置，具有二个转换的地
表面(tandem surfaces)，可分别提供给第一位游戏者和第二位游戏者
同时使用，且同时在模拟的空间内各自驾驶各自的车辆模拟装置。每
位游戏者坐在一台影像屏幕的前面，且每台影像屏幕连接到各自所属
的计算机上。每部计算机的计算机游戏模拟空间，储存在每部计算机
的电子记忆体中，且每部计算机经由共享随机存取记忆体(COMMON RAM)
而构成连结。各游戏者所属的计算机，在每一次游戏循环不断地进行
存取共享随机存取记忆体(COMMON RAM)，所以可以判断是否已经发射
攻击，如果已经发射攻击，计算机会计算这一次攻击是否已经射中相
关的车辆模拟装置。
而另一篇发明名称为“虚拟影像娱乐”(virtual image
Entertainment)，且公开号为WO 93/16776的专利文献，其揭露一种
实时的、交互式的、有运动平台的模拟器娱乐系统，这个系统利用计
算机产生影像游戏，与装有运动平台并由操纵者控制的控制站或模拟
器产生互动。多数参与者(通常为二位)，经事先选定的计时影像情节，
来达成互动的结果。而且，使用控制轭和控制按钮来达成互动功能。
在现有技术中，该多人游戏模拟系统，是为特定团队的工作经验
所需而实施的硬件接线配置。虽然为了模拟不同的竞赛跑道，以硬件
线路重新配置出一个竞赛模拟器，是相当容易的，但这种模拟器，并
不能重新配置成例如包括机动车辆彼此一对一发生相撞对抗的情境。
另外，在现有技术中，又包括发明名称为“提供一场模拟乘坐和
游戏的系统和方法”(The System and Method for Providing a
Simulation Ride and Game)，且公开号WO 94/19783的专利文献。这
个系统的结构具有一登机卡或卡匣，其中包含可应用于模拟装置上的
乘坐参数，以提供使用者自行设定乘坐动态感受、视觉和声音感受。
同时，这个系统允许使用者以网路和调制解调器与乘坐设计者或参赛
者产生互动，在一场游戏之中共同设计一次乘坐或游戏比赛。
现有技术所揭示的模拟系统，多属于云霄飞车类的大型机台游戏，
其特性在于使用者可自行设计组合各种不同的轨道。但这种模拟系统
不允许参赛者彼此之间的实际互动，例如，不能进行类似战斗机的缠
斗模拟等。
在现有技术中，又包括发明名称为“多人同时游戏的娱乐系
统”(Multi-Player Entertainment System)，且专利号为第6,126,548
号的美国专利文献。这件专利所示的娱乐系统，包括多台模拟装置，
且每台模拟装置均经过其计算机主机(host computer)而耦合连结到网
路上，运作时就像一台分布式状态(distributed state)的机器。每台
计算机主机藉由其状态向量(state vector)定义该模拟装置的现有状
态。当模拟装置的状态与其低分辨率推测模型(low resolution dead
reckoning model)所计算出来的行为结果差异大于预设阈值
(threshold)时，则该状态向量中与这个系统内的其它模拟装置有关的
那些元素，将由每台主计算机在不同时间公布在网路上。每台模拟装
置会针对自己以及在共同虚拟环境内的其它虚拟装置执行此一推测模
型(dead reckoning model)。因此，每台模拟平台状态参数的更新有
两种方式，一是由推测模型方法(dead reckoning process)进行更新
(只要准确度保持在所定义的误差阈值范围之内)，或是由网路上公布
的状态值进行更新，该状态值是用以修正由推测模型方法所计算出来
的估计值。
前述“多人同时游戏的娱乐系统”所揭示的发明重点，主要是在
强调多人同时游戏时的娱乐系统重组，以及令这些参与者在这个系统
中能够体验三维虚拟环境中的马赛克视觉显示(mosaic visual
display)效果。这个系统并没有揭示具有监控训练用途的内容，譬如
监控汽车驾驶训练等，也没有揭示让观看者能够自由参与观看的系统，
譬如，不能让观看者依照自己所选择的视点和视线观看类似战斗机的
缠斗模拟。
因此，综合前述技术，不论模拟乘坐(simulation ride)或模拟游戏
(simulation game)是否开始启动，在其过程当中，实在需要一项创新功
能，该功能可允许属于管控者等级的参与者随时能够教导游戏操控，
和允许属于观看者等级的参与者随时能够观看这场模拟乘坐
(simulation ride)或模拟游戏(simulation game)。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种共享记忆体(share-memory)的
网路运动模拟系统。此系统具有共享记忆体的架构，对不同的参与者
分配不同的优先等级。
在本发明的内容中，“参与者”一词，泛指拥有最低限度装备的
游戏参与者，而所称的最低限度装备，是指拥有一部计算机，且透过
网路而连接到本发明所提供的共享记忆体的网路运动模拟系统。根据
记忆体的存取权限优先等级，每位不同的参与者，都得以从这个开放
给不同记忆体使用者的共享记忆体中读取、写入、和重写相关资料。
这个共享记忆体是经由网路进行维护，以确保对所有使用者所开放的
数据的一致性与透明度。
在构成网路的计算机群中，选用其中一部计算机当作处理整个模
拟系统网路的服务器计算机，并用来控制网路模拟游戏的状态和顺序；
而这部服务器计算机以外的其它计算机，均称为客户端计算机，每台
客户端计算机最多控制一台模拟器。每台模拟器的较佳安装方式，是
安装在运动平台(motion platform)上，该运动平台可按照参与者在模
拟游戏中下达的运动暗示(motion cue)而同步运动，使得参与者可感
受到与模拟游戏的动作完全一致的运动模拟效果。
此处所称的“cue”就是一种“暗示”，代表我们对于某种事物或
现象的本质，经由其特性或暗示而有所感知。在一场模拟游戏中，会
有可移动物件，包括车辆、飞弹、火箭、炮弹及掉下来的树木等；也
会有静态对象，包括山、路、桥梁、及轨道等。
由游戏操纵者所控制的可移动对象，例如车辆，以下简称为“客
户端的载具”。由服务器自动操纵的动态对象，例如火箭，以下简称
为“伺服端的可移动对象”。静态对象的表现，例如太阳的位置和雾
气等，是依据一组称为虚拟环境参数的资料来决定的。用来管理规范
游戏程序的集中式信息(centralized information)，例如，游戏开始
状态或游戏时间计时等，以下简称为″游戏状态参数″。这个″游戏状态
参数″的内容包括在虚拟世界里面的对象以及所模拟车辆的位置、方位
坐标，速度和加速度等。
模拟游戏所使用的共享记忆体，其最低限度必须足以提供参与者
有关动作暗示(motion cue)、视觉暗示(visual cue)和声音暗示(sound
cue)的必备资料。其目的在于使网路流量可以达成最小化，同时每一
台模拟装置的共享记忆体的数据也可以提供给在网路上所有其它模拟
装置使用。
模拟游戏中的参与者，根据他们在共享记忆体的存取权限优先次
序，将被区分成三种不同的参与者等级。其中，第一等级的参与者称
为管控者等级(supervisory class)，在模拟过程中，具有最高的优先
等级来读/写共享记忆体的数据；第二等级的参与者称为驱动者等级
(driver class)，在模拟过程中，具有权利读/写共享记忆体的数据，
然而，由驱动者等级所写入的数据可以被管控者等级所写入的数据重
写；第三等级的参与者称为观看者等级(viewer class)，在模拟过程
中，仅具有从共享记忆体中读取数据的权利。
根据这种原则，在本发明所示的共享记忆体的网路运动模拟系统
中，就能够达成根据参与者的等级差别而赋与相对应的数据处理方式。
管控者等级的参与者能够更正个别驱动者等级的参与者的游戏操控动
作；观看者等级的初学参与者，透过诸如模拟装置等先进设备，能够
观看到所显示的模拟游戏。
具体实施方式
在一场模拟游戏之中，若干可移动的对象，可能经由撞击，而使
得彼此之间会产生互动。例如，可移动对象本身，可能会因撞击而分
解成二件可移动的对象，而且，其中一件可移动的对象，归属于服务
器端(server-owned)的可移动的对象。同理，可移动的对象也可能会
与静态的对象发生碰撞，使得彼此之间会产生互动。而这个静态的对
象，因受到碰撞的关系，亦可能变成一件归属于服务器端
(server-owned)的可移动的对象。而两件对象的碰撞，是藉由边界相
交分析(boundary intersection analysis)来检测，简称为碰撞分析
(collision analysis)。
在构成网路的计算机群中，选用其中一部计算机当作处理整个模
拟系统网路的服务器计算机(server)，并用来控制网路模拟游戏的状
态和顺序；而这部服务器计算机以外的其它计算机，均称为客户端计
算机(client)，且每台客户端计算机最多控制一台模拟器(simulator
unit)。每台模拟器的较佳安装方式，是安装在运动平台(motion
platform)上，该运动平台可提供参与者在模拟游戏中运动状态的运动
暗示(motion cue)，使得参与者感受到与模拟游戏的动作完全一致的
运动模拟效果。在运动平台上面，设有一座舱，座舱中设置有投影式
显示装置，游戏控制器和音效系统。这个投影式显示装置，依照使用
者的眼睛视点位置及/或所选择的视线方向，会在二维(2D)屏幕上显现
虚拟的三维(3D)立体世界中的对象映像。使用者的眼睛视点位置及/或
视线方向被设定依附在虚拟车辆上，这台虚拟车辆可以在三维(3D)立
体虚拟世界中移动行驶。这辆虚拟车辆的移动动作是藉由物理定律来
操控，以产生类似实际车辆真正行驶的动作轨迹；而该虚拟车辆的运
动动作则是由运动平台所产生，藉由运动平台作动，摇荡参与者并提
供参与者“运动暗示”(motion cue)来进行运动模拟。参与者的眼睛
视点位置及/或视线方向被设定依附在虚拟车辆上，而依据视点所产生
的投影影像则会显示在屏幕上。参与者的眼睛视点位置及/或视线方向
会随着虚拟车辆的行驶移动而改变，如此，对参与者而言，将产生一
系列称为视觉暗示(visual cue)的二维(2D)影像投影。
座舱所设置的音效系统，具有2个到6个扬声器，每个扬声器会
发出模拟自虚拟世界中不同音源的音响。这个音效系统的设计可以对
参与者发出声音暗示(sound cue)，参与者藉由声音暗示(sound cue)
可以判断出在虚拟世界之中该对象的位置、以及该对象的接近/离开速
度。
模拟游戏中的参与者，根据他们在记忆体的存取权限优先次序，
将被区分成三种不同的参与者等级。其中，第一等级的参与者称为管
控者等级(supervisory class)，在模拟过程中，具有最高的优先次序
读/写共享记忆体的数据；第二等级的参与者称为驱动者等级(driver
class)，在模拟过程中，具有权利读/写共享记忆体的数据，然而，由
驱动者等级所写入的数据可以被管控者等级所写入的数据重写；第三
等级的参与者称为观看者等级(viewer class)，在模拟过程中，仅具
有从共享记忆体中读取数据的权利。
参照图1所示的一种交互式网路运动模拟系统架构，在这个网路
运动模拟系统中，有三种不同等级的参与者：驱动者等级的参与者、
管控者等级的参与者、及观看者等级的参与者。
属于驱动者等级的参与者基本装备，具有一部客户端计算机11和
一台模拟装置12；属于管控者等级的参与者基本装备，具有一部客户
端计算机11，且最好同时装备有一台模拟装置12；而属于观看者等级
的参与者基本装备，则仅具有一部客户端计算机11。所有的客户端计
算机11，都经过网路缆线14与一部服务器计算机13构成网路联结，
同时最好是使用以太网路(Ethernet)联结。
参照图2所示的模拟装置12，每台模拟装置12，由一座运动平台
21、一组电控箱22、及一座座舱23所组成；其中，该座舱23的空间，
至少可容纳一位使用者外、并设置有一台投影式显示装置24，一组游
戏控制器25、及一组具有扬声器26的音效系统。
参照图3所示的共享记忆体30的数据区域结构。这个共享记忆体
30被区分成复数块区域，包括属于服务器拥有的数据区(server-owned
data section，以下称为服务器数据区)、和属于客户端拥有的数据区
(client-owned data section，以下称为客户端数据区)。而为了加快
资料的传输速度，这个共享记忆体30的规格，最好是使用最小型的记
忆体。在本发明的特定具体实施例中，每一个服务器资料区使用32
DWORD(32bits)记忆体，每一个客户端资料区，同样也使用32
DWORD(32bits)记忆体。
在本发明中，从共享记忆体存取数据的权限，是依照存取数据的
优先等级来管理的。所以，在排队队列等候存取数据的所有使用者当
中，只有一位使用者拥有权限被允许对共享记忆体写入(write)资料。
属于较低优先等级的其余使用者，在等候较高优先等级的使用者离开
排队队列之前，只能读取(read)共享记忆体的资料。
因此，如果任何一位参与者正在控制客户端资料区时，则该笔客
户端资料即相应连结于虚拟环境之中的一辆虚拟车辆。而所谓“控制”
的实际意义，就是执行对共享记忆体“写入”数据的权限。所以，为取
得控制权限，参与者最多可检视一块客户端资料区。据此，同一块属
于客户端拥有的数据区域，就可能会有超过一位参与者企图想要控制。
遇到这种情况时，参与者就得在排队队列等候取得控制的权限。
图4为客户端数据区的使用者队列的一项具体实施例。这个具体
实施例共有八位参与者，且每一位参与者，在本发明所示的共享记忆
体的模拟系统中，都被分配有优先等级。如图4所示，参与者#1、参
与者#2、和参与者#8在共享记忆体的同一块客户端#2数据区内被检测
到，因为参与者#2在此处具有存取资料的最高优先等级，所以他被指
派去控制连结到客户端#2数据区的虚拟车辆；换言之，当其余参与者
正在客户端#2数据区排队队列等候取得控制的权限时，参与者#2被允
许对这块客户端#2数据区写入(write)资料。当参与者#2离开客户端
#2数据区时，具有存取数据第二优先等级的参与者#1可以立刻取代来
控制连结到客户端#2数据区的虚拟车辆。
如果参与者#2再一次进入排队队列来取得控制的权限时，因为参
与者#2具有存取数据的最高优先等级，所以参与者#1将再被指派到
排队队列等候取得控制权限。
藉由客户端资料区控制权限的转移，可以由一位使用者交替转移
到另一位使用者，使得本发明中监视控制使用者的行为，因此得以实
现。在图4所示的这个特定具体实施例中，共享记忆体的客户端#2数
据区内有三种不同等级的参与者，其中参与者#2是参与者#1的管控者，
它具有较高优先等级，可以对较低优先等级的参与者#1所产生的控制
行为进行干涉。而坐在车辆后座上的另一位参与者#8，则成为属于观
看者等级的初学参与者角色，得以观看车辆移动(或行驶)。
而参与者#3、参与者#4、参与者#5、及参与者#6则在虚拟环境中
各自控制一台所属的虚拟车辆，都是属于驱动者等级的参与者；此外，
因为在共享记忆体客户端资料区内，参与者#7没有在任何一块客户端
资料区被检视到，所以，他是一位自由的观看者等级的参与者，在虚
拟环境中，他可以随意选择他的静态视线和眼睛视点。
图5为本发明所示的共享记忆体(share-memory)用于产生网路
通讯的动作图，在本发明的特定具体实施例中，每台计算机的共享记
忆体(common memory)以每0.03秒的频率更新一次。服务器计算机13
依照游戏状态参数，会将数据写入共享记忆体内的服务器资料区。同
时，服务器计算机13也负责将服务器数据区的数据上传到各客户端计
算机11，同时从各客户端计算机11下载相应的客户端数据区的数据，
以维持每台客户端计算机11与服务器计算机13的共享记忆体中资料
的一致性。
在本发明的特定具体实施例中，客户端计算机11与服务器计算机
13的网路连结，是利用一种无连接协议(connectionless protocol)
的使用者数据封包协议(UDP，User Datagram Protocol)来达成的。要
使用以使用者数据封包协议(UDP)来传输数据时，客户端计算机11首
先要设定客户端计算机的区域端口特性(local port property)。接着
服务器计算机13只需将其远程主机(remote host)的因特网地址，设
定成与客户端计算机11的因特网地址相同，和将服务器计算机13的
远程端口特性(remote port property)，设定成与客户端计算机11的
区域端口特性(local port property)为相同，接着，启动″SendData″
发送数据的方法，就开始发送讯息。而客户端计算机11则使用具有
DataArrival动作的″GetData″接受数据方法，来接收由服务器计算机
13发送出来的讯息。
客户端计算机有可能会加入一系列不同的服务器计算机网路。为
了要找寻启动中的主服务器(active server)，UDP可以具有搜寻服务
器的功能。如果前述表列中的服务器没有任何一个是在活动中(active)
的，则该客户端计算机即成为服务器计算机(server computer)。当一
台服务器计算机被搜寻到是主服务器计算机(active server)时，后续
的传输控制协议(TCP，Transfer Control Protocol)，就在客户端计
算机11和被搜寻到的服务器计算机13之间构成传输时的标准协议。
因此，利用传输控制协议(TCP)，远程计算机群之间就可产生网路连结
和维持联系。
当两部计算机利用这种网路连结方式连结时，这两部计算机之间
就可相互传送数据。将服务器计算机的其中一个通讯端口(Port)，设
定成“听”(Listen)，并且启用“听”(Listen)的接收呼叫方法。当
客户端计算机11请求网路连结时，服务器计算机13执行客户端请求
连结“ClientRequest”动作，且服务器计算机为了要完成客户端计算
机的请求，在其客户端请求连结“ClientRequest”动作之中，将启动
接受请求连结的接受(Accept)方法。
图6为服务器计算机和客户端计算机软件执行的方块图。客户端
计算机11将车辆型态参数、车辆状态参数、车辆声音/视觉参数、以
及车辆撞击参数等数据，上传到服务器计算机13，而且将这些参数数
据写入共享记忆体的客户端资料区。接着客户端计算机11自服务器计
算机13下载共享记忆体的所有数据。同时，客户端计算机11并获得
来自游戏控制器25所输入的游戏资料。在本发明的特定具体实施例中，
由游戏控制器25所输入的游戏资料的取样率(sampling rate)，是每
十分之一秒一次。
客户端计算机11依照输入的游戏资料及所下载的客户端数据，会
执行客户端虚拟车辆的动力学分析(dynamics analysis)；同时，客户
端计算机11依照输入的游戏资料及所下载的客户端数据，也同时执行
碰撞分析(collision analysis)，以判断客户端的虚拟车辆是否碰撞
到另一辆客户端的虚拟车辆或是否碰撞到服务器计算机所拥有的可移
动物件。客户端计算机11根据动力学分析和碰撞分析的结果以及共享
记忆体的数据，立即执行视觉和音响效果，且根据所执行的视觉和音
响效果，客户端计算机11同步执行控制显示装置和音效系统。
客户端计算机11根据动力学和碰撞分析数据，并同所设定的运动
暗示法则(motion cue laws)，即可产生运动数据，接着依据所产生的
运动数据，客户端计算机11可以控制运动平台21产生动作。
而服务器计算机13依据预定的游戏规则和共享记忆体的数据，来
控制游戏状态参数，并且依据游戏状态参数，将游戏状态参数和虚拟
环境参数，写入共享记忆体内的服务器资料区。在模拟过程中服务器
计算机13最重要的任务，就是维持共享记忆体内数据的一致性。所以，
服务器计算机13根据共享记忆体的数据，将产生属于服务器端的可移
动物件。而且，服务器计算机13同样会对服务器端的可移动对象执行
动力学分析和碰撞分析。接着，服务器计算机13会将服务器端的可移
动对象的状态参数和碰撞参数，写入共享记忆体内的服务器资料区。
此外，服务器计算机13并得进一步包含多重处理(multi-processes)
和多执行绪(multi-threads)的功能，其中每一执行绪均可如客户端计
算机执行前述的功能。
图7为描述共享记忆体的数据区内所存取的资料内容。在本发明
的特定具体实施例中，共享记忆体内服务器资料区的内容，得包含游
戏状态参数、虚拟环境参数、服务器端的可移动对象的状态参数、和
服务器端可移动对象的碰撞参数；而共享记忆体内客户端资料区的内
容，得包含车辆型态参数、客户端车辆的状态参数、车辆声音/视觉参
数、以及车辆碰撞参数等资料。其中，车辆的相关状态参数，得包括
车辆的位置，车辆的速度和加速度；车辆碰撞参数，得包括目前发生
碰撞的车辆身份辨识(ID)数据，和该车辆在发生碰撞后应该改变的车
速；车辆声音参数得包括相应于该客户端数据区的车辆所发出的声音
型态，譬如爆炸声和车辆的引擎声音等；而车辆视觉参数得包括车辆
的车前灯是否已经开灯。
综上所述，本发明提供一种共享记忆体的网路运动模拟系统，这
个系统具有共享记忆体的架构，对不同的参与者分配不同的优先等级。
在本发明内容中，使用″参与者″一词，泛指拥有最低限度装备的游戏
参与者，而所称的最低限度装备，是指拥有一部计算机，且透过网路
而联结到本发明所提供的共享记忆体的网路运动模拟系统。每位不同
的参与者，根据记忆体的存取权限优先等级，得以由此一公开放分享
给不同使用者的共享记忆体来读取、写入、和重写相关数据资料。这
个共享记忆体经由网路进行维护，以确保对所有使用者所开放数据的
一致性与透明度。
在构成网路的计算机群中，选用其中一部计算机当作处理整个模
拟系统网路的服务器计算机，并用来控制网路模拟游戏的状态和顺序；
而这部服务器计算机以外的其它计算机，均称为客户端计算机，每台
客户端计算机最多控制一台模拟器。每台模拟器的较佳安装方式，为
安装在运动平台(motion platform)上，该运动平台可提供参与者在模
拟游戏中运动状态的“motion cue”(运动暗示)，使得参与者感受到
与模拟游戏的动作完全一致的运动模拟效果。此处所称的“cue”就是
一种“暗示”，代表我们对于某种事物或现象的本质，经由其特性或暗
示而有所感知。
而且，本发明所揭示的交互式网路运动模拟系统，允许属于管控
者等级的参与者，教导属于驱动者等级的参与者在游戏中如何进行操
控，并允许属于观看者等级的参与者观看模拟游戏。此外，本发明所
揭示的的网路运动模拟系统，具有多重用途，包括娱乐用途和训练用
途。
在不偏离本发明所揭露的发明精神或必要特征的情形下，以上所
叙述的本发明内容，可以确认能以其它特定形式将其付诸具体实施。
因此，应该理解本发明并不仅限定在前面所说明的详细内容，而且应
该以申请专利范围所界定的内容为准。