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1、(10)申请公布号 CN 102930047 A (43)申请公布日 2013.02.13 CN 102930047 A *CN102930047A* (21)申请号 201210460648.8 (22)申请日 2012.11.15 G06F 17/30(2006.01) (71)申请人 中国科学院深圳先进技术研究院 地址 518055 广东省深圳市南山区西丽大学 城学苑大道 1068 号 (72)发明人 吕智涵 (74)专利代理机构 广州华进联合专利商标代理 有限公司 44224 代理人 吴平 (54) 发明名称 虚拟地球用户化身节点检索方法及系统 (57) 摘要 一种虚拟地球用户化身节点。
2、检索方法, 包括 如下步骤 : 采用基于球面均匀分割的区域四叉树 法对虚拟地球表面空间进行多次划分 ; 对地形与 场景分块和模型分别建立基于 Hash 明文编码的 索引 ; 采用 Hash 明文的虚拟地理编码对虚拟地球 中用户化身索引 ; 将所有数据的 Hash 明文编码索 引依照划分层次存入基于 Hash 明文编码的索引 数据库 ; 及通过节点Hash ID和XOR算法对节点进 行查找。上述方法设计了基于 Hash 明文的编码, 用以索引用户节点用、 用户化身以及三维地球场 景中的各类元素模型, 实现了 P2P 覆盖网络同现 实地球中对象间相对位置的统一, 并采用 XOR 算 法计算用户化身。
3、间的逻辑距离, 以快速获取最近 节点列表。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 11 页 附图 7 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 11 页 附图 7 页 1/1 页 2 1. 一种虚拟地球用户化身节点检索方法, 其特征在于, 包括如下步骤 : 采用基于球面均匀分割的区域四叉树法对虚拟地球表面空间进行多次划分 ; 对地形与场景分块和模型分别建立基于 Hash 明文编码的索引 ; 采用 Hash 明文的虚拟地理编码对虚拟地球中的用户化身索引 ; 将所有数据的 Hash 明文编码索引依照划分层次存入基于 Hash 明文编码。
4、的索引数据 库 ; 及 通过 XOR 算法对用户化身的 Hash ID 计算逻辑距离, 以获得相对位置。 2. 根据权利要求 1 所述的虚拟地球用户化身节点检索方法, 其特征在于, 对虚拟地球 的地表划分 8 次, 每一尺度级别以 16 位 Hash 保存, 组合成 128 位 Hash 作为其虚拟地理编 码, 对三维对象, 将其所在前七次划分地块的 Hash 组合成 112 位 Hash, 三维对象本身以 16 位 Hash 作为编码表示, 叠加组合为 128 位 Hash。 3. 根据权利要求 1 所述的虚拟地球用户化身节点检索方法, 其特征在于, 每个用户化 身登陆虚拟世界时记录其登陆所。
5、在地块的虚拟地理编码, 作为该化身当前虚拟地理编码前 128 位, 并以 32 位的二进制用户 ID 为尾数, 组成化身定位编码, 化身移动的过程中, 当其移 动至其他地块, 虚拟地理编码和相应的化身定位编码重新更新。 4.根据权利要求1所述的虚拟地球用户化身节点检索方法, 其特征在于, 通过XOR算法 对节点 Hash ID 进行逻辑距离运算并查找的具体步骤为 : 假如用户化身节点 a 要查找 ID 值为 b 的节点, 按照如下递归操作步骤进行路由查找 : 计算到 b 的距离 : d(a,c)=ac ; 从 a 的第 d 个路由表中取出 个节点的信息, 同时进行节点查找操作 ; 如果这个 路。
6、由表中的信息少于 个, 则从附近多个表中选择距离最接近 d 的总共 个节点 ; 对接受到查询操作的每个节点, 如果发现自己就是 b, 则回答自己是最接近 b 的 ; 否则 测量自己和 b 的距离, 并从自己对应的路由表中选择 个节点的信息给 a ; a 对新接受到的每个节点都再次执行节点查找操作, 此过程不断重复执行, 直到每一个 分支都有节点响应自己是最接近 b 的 ; 通过上述查找操作, a 得到了 个最接近 b 的节点信息。 5. 一种虚拟地球用户化身节点检索系统, 其特征在于, 包括 : 划分模块, 采用基于球面均匀分割的区域四叉树法对地球表面空间进行多次划分 ; 地理索引构建模块, 。
7、用于对地形与场景分块和模型分别建立基于 Hash 明文编码的索 引 ; 用户化身索引模块, 用于在虚拟世界中采用 Hash 明文的虚拟地理编码对用户化身索 引 ; 存储模块, 用于将所有数据的 Hash 明文编码索引依照划分层次存入基于 Hash 明文编 码的数据索引数据库 ; 及 查找模块, 用于通过 XOR 算法对节点 Hash ID 计算逻辑距离以进行查找。 权 利 要 求 书 CN 102930047 A 2 1/11 页 3 虚拟地球用户化身节点检索方法及系统 技术领域 0001 本发明涉及地理信息系统领域, 特别是涉及一种虚拟地球用户化身节点检索方法 及系统。 背景技术 0002 。
8、虚拟技术的流行使得 “虚拟” 可与任何词连用。虚拟现实 (VR) 技术是对真实世界 的映射, 利用计算机模拟产生一个三维的虚拟空间。地理信息科学是在地理学、 地图学、 测 量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门科学, 基于其实现的软件实体称作地理信 息系统 (GIS) 。 虚拟地理信息系统(VRGIS)是地理信息系统与虚拟现实技术相结合的产物, 它不仅具有传统GIS所具有的空间数据的存储、 处理、 查询和分析等功能, 与VR技术的结合 对界面友好性及交互直观性均有显著的改善。 0003 随着本世纪初互联网络时代的来临, 同 Web 结合的理论和实践显示出其前所未有 的生机和活力, 网络虚拟。
9、地理信息系统 (WebVRGIS) 成为这一趋势下的必然产物。它借助全 球互联网的优势将 VR-GIS 应用到互联网上, 在提供数据分享、 协同漫游、 GIS 分析等功能的 同时, 更让整个 “地球虚拟世界” 在一个场景中显示。网络虚拟世界便是 WebVRGIS 的一个 向多用户交互延伸的案例, 在虚拟世界中, 每个用户都有一个虚拟角色化身, 与真实环境相 映射的虚拟世界、 方便快捷的信息共享等让每个虚拟角色完全不受时域空域的界限协同娱 乐或者工作。虚拟世界中用户数量的急速增加及人们对新事物探求欲的提升, 促使虚拟世 界的区域逐渐由城市向地球级别扩展。虚拟地球是虚拟世界在最宏观尺度的实现, 是。
10、 对现实环境的真实映射, 功能涉及 : 海量用户协同交互、 海量虚拟世界数据共享、 全球真实 地理位置映射等。 0004 然而, 当虚拟世界的范围扩大到地球级别, 新的问题随之出现。例如 :(1) 全球地 理位置错综复杂, 基于拓扑的传统 GIS 空间划分方式难以满足需求 ;(2) 全球虚拟世界数据 量相当庞大, 无法一次性在设备内外存中调入 ;(3) 全球规模网络用户节点数目众多、 变化 频繁、 虚拟化身行为无法预测。 0005 对于以上三个问题, 通常解决方案如下 : 为了有效进行 GIS 空间划分即地理区域 划分, 常用方法有人们熟知的经纬度区域划分模型和地图投影划分模型, 以及地理信息。
11、系 统中用到的泰森多边形区域划分等方法。对于全球虚拟世界庞大的数据量, 通常归结为 “全球空间数据剖分模型” 的问题, 三维空间中地球模型划分方法包括传统的 “格网划分” , “G2PS 模型” 等, 地球模型的合理划分和组织将有效减少虚拟世界数据量的问题, 并对用户 在虚拟地球中的化身以合适手段索引的问题。该问题与硬件水平相关度较大, 比较好的解 决办法是使用服务器集群 1 技术。如 Google 公司的 Google Earth 的地形与影像数据库 早在 2007 年就含有 70T 的数据, 由 Google 建立的庞大的 “云存储” 服务器集群支持。林登 公司的 “Second Life。
12、” 利用每台计算机资源模拟 90 平方米虚拟世界, 现在已经有超过 5000 台服务器在运行中。 0006 在实践中, 首先 “地理区域划分” 及 “全球空间数据剖分模型” 有效性和可行性亟 说 明 书 CN 102930047 A 3 2/11 页 4 待提高, 其次支持类似 “云存储计算” 的全球规模网络对硬件的较高要求加上维护费用足以 让各种机构望而却步。与此同时, 现有的数据分布式网络算法中以基于 DHT 算法的虚拟对 等网络 (P2P) 为主, 其用户 ID 多是基于逻辑距离, 但是和其实际所处地理位置毫无关联, 和 网络地址如 IP 更是没有直接或间接关系, 导致用户 ID 与用户。
13、虚拟化身的潜在联系并未得 到充分运用。基于逻辑距离固然可以减少对用户的索引时间, 但虚拟化身的行为交互和数 据交互时跨区域、 跨国家的带宽浪费和流量拥塞已成为一个不容忽视的问题。 发明内容 0007 基于此, 提供一种查找速度较快的虚拟地球用户化身节点检索方法和系统。 0008 一种虚拟地球用户化身节点检索方法, 包括如下步骤 : 0009 采用基于球面均匀分割的区域四叉树法对地球表面空间进行多次划分 ; 0010 对地形与场景分块和模型分别建立基于 Hash 明文编码的索引 ; 0011 虚拟世界中采用 Hash 明文的虚拟地理编码对用户化身索引 ; 0012 将所有数据的Hash明文编码索。
14、引依照划分层次存入基于Hash明文编码的数据索 引数据库 ; 及 0013 通过 XOR 算法对节点 Hash ID 运算逻辑距离进行比较以查找。 0014 在其中一个实施例中, 对地表划分 8 次, 每一尺度级别以 1 6 位 Hash 保存, 组合 成 128 位 Hash 作为其虚拟地理编码, 对三维对象, 将其所在前七次划分地块的 Hash 组合成 112 位 Hash, 三维对象本身以 16 位 Hash 作为编码表示, 叠加组合为 128 位 Hash。 0015 在其中一个实施例中, 每个用户化身登陆虚拟世界时记录其登陆所在地块的虚拟 地理编码, 作为该化身当前虚拟地理编码前 1。
15、28 位, 并以 32 位的二进制用户 ID 为尾数, 组 成化身定位编码。 化身移动的过程中, 当其移动至其他地块, 虚拟地理编码和相应的化身定 位编码重新更新。 0016 在其中一个实施例中, 通过节点 Hash ID 和 XOR 算法对节点进行查找的具体步骤 为 : 0017 假如用户化身节点 a 要查找 ID 值为 b 的节点, 按照如下递归操作步骤进行路由查 找 : 0018 计算到 b 的距离 : d(a,c)=ac ; 0019 从a的第 d个路由表中取出个节点的信息, 同时进行节点查找操作 ; 如果 这个路由表中的信息少于 个, 则从附近多个表中选择距离最接近 d 的总共 个节。
16、点 ; 0020 对接受到查询操作的每个节点, 如果发现自己就是 b, 则回答自己是最接近 b 的 ; 否则测量自己和 b 的距离, 并从自己对应的路由表中选择 个节点的信息给 a ; 0021 a 对新接受到的每个节点都再次执行节点查找操作, 此过程不断重复执行, 直到每 一个分支都有节点响应自己是最接近 b 的 ; 0022 通过上述查找操作, a 得到了 个最接近 b 的节点信息。 0023 一种虚拟地球用户化身节点检索系统, 包括 : 0024 划分模块, 采用基于球面均匀分割的区域四叉树法对地球表面空间进行多次划 分 ; 0025 地理索引构建模块, 用于对地形与场景分块和模型分别建。
17、立基于 Hash 明文编码 说 明 书 CN 102930047 A 4 3/11 页 5 的索引 ; 0026 用户化身索引模块, 用于在虚拟世界中采用 Hash 明文的虚拟地理编码对用户化 身索引 ; 0027 存储模块, 用于将所有数据的 Hash 明文编码索引依照划分层次存入基于 Hash 明 文编码的数据索引数据库 ; 及 0028 查找模块, 用于通过节点 Hash ID 和 XOR 算法对节点进行查找。 0029 上述方法设计了基于 Hash 明文的编码, 用以索引用户节点用、 用户化身以及虚拟 地球场景中的各类元素模型, 实现了 P2P 覆盖网络节点同现实世界中对象间与虚拟地球。
18、中 化身的相对位置的统一, 并采用 XOR 算法计算哈希距离以比较逻辑距离, 快速获取最近节 点列表。 附图说明 0030 图 1 为一实施方式的虚拟地球用户化身节点检索方法流程图 ; 0031 图 2 表示地球表面建立笛卡尔坐标系与划分方式 ; 0032 图 3 表示图 1 所示地球表面分别采用 90 度划分, 45 度划分, 22.5 度划分 ; 0033 图 4 为三维地球地表的四叉树分块图示 ; 0034 图 5 表示空间剖分方法 ; 0035 图 6 表示 Hash 索引二叉树数据结构 ; 0036 图 7 为面向虚拟地理环境的 Hash 虚拟对等网络架构示意图 ; 0037 图 8。
19、 为 Hash 数据编码路由表结构图 ; 0038 图 9 表示散列虚拟地理编码数据结构 ; 0039 图 10 表示通过节点 Hash ID 对节点进行查找的过程 ; 0040 图 11 为三维虚拟地球空间、 P2P 覆盖网络空间、 真实地理空间三个空间的映射示 意图。 具体实施方式 0041 为使本发明的上述目的、 特征和优点能够更加明显易懂, 下面结合附图对本发明 的具体实施方式做详细的说明。 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发 明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施, 本领域技术人员可以在不 违背本发明内涵的情况下做类似改进, 因此本发明不受下面公开的具。
20、体实施的限制。 0042 综合以上考虑, 本发明提出一种新颖的空间划分方式, 基于 Hash 明文对全球地理 环境模型进行编码映射, 使其可以同时适用于真实世界、 虚拟世界、 网络结构的划分, 作为 网络虚拟世界这个重叠世界的空间划分方式。 该方案将分别属于地理信息科学、 虚拟现实、 虚拟对等网络三个子学科的问题合理结合, 如果得以普及, 可将 “地球虚拟世界” 进行推广, 提供全球用户以三维化身在虚拟现实环境中交流的平台, 可以为科学研究工作提供良好的 数据分享手段和协同工作途径。 0043 本发明拟对全球空间数据模型剖分后, 借助 Hash 明文编码作为全球虚拟世界中 的空间数据分块的索引。
21、以及节点的地理位置标识和索引, 将参与其中的各节点组织成为全 球范围的虚拟对等网络。对全球剖分模型与虚拟对等网络模型分别进行国内外现状分析。 说 明 书 CN 102930047 A 5 4/11 页 6 0044 (一) 地球规模虚拟世界剖分模型 0045 地球规模虚拟世界的地形为球状。全球空间数据剖分模型方法包括 : 传统的 “格 网划分”和 “全球空间剖分模型 (G2PS 模型) ” 2。 “传统格网划分”在表达局部信息时 基本满足应用需要 , 但若直接应用于处理大范围 ( 甚至全球 ) 空间问题 , 不可避免地导 致空间数据的不连续 ( 重叠和断裂 ) 和较大的空间变形。其他格网剖分系。
22、统 3-6 在不 同领域具有优势 , 是管理海量数据的有效途径。 “G2PS” 模型包括了 “柏拉图立体球面剖 分” 7,“Voronoi 球面剖分模型” 78,“QTM” 9 等。 “G2PS” 模型在管理全球、 多层次 和海量的空间数据具有优势。 球表纹理划分模型包括 “均匀分割四叉树模型” 、“重叠四叉树 模型” 等 1011, 既具有经纬度格网结构简单的特征, 又具有 QTM 几何变形稳定等优点。 Google Earth采用的基于网络clipmap切割方式也已经在到软件中实现。 已实现的球体包 括 Google Earth, NASAWorld Wind, Microsoft Vir。
23、tual Earth 等。然而, 现有球面剖分模 型并未同 P2P 网络覆盖模型映射, 因此无法利用全球规模参与用户的资源, 达到最高的数 据调度成功率与网络中空闲硬件的利用率。 0046 (二) 虚拟对等网络划分模型 0047 虚拟对等网络即 P2P 网络, 分为以下四种结构 : 集中式、 分布式非结构化、 分布式 结构化 (DHT) 、 混合式。 从发现算法效率、 可扩展性、 可靠性、 可维护性等评判标准综合来看, 其中以 DHT(Distributed Hash Table, 分布式哈希表) 即分布式结构化的 P2P 系统最为理 想。 因此, 基于DHT的结构化定位模型成为P2P领域的研。
24、究趋势。 典型的DHT结构模型包括 : Plaxton-Rajaraman design12, Viceroy13, Symphony14, Kademlia15, CAN16, Bamboo17, Pastry18, Cycloid19, Chord20, Tapestry21 等。在众多 DHT 模型 中, 无论从路由复杂度、 实现难度、 算法扩展性还是容错性、 负载平衡性等来看 Kademlia 协 议综合占优, 这些优势使其成为现在基于 DHT 的对等网络中应用最为广泛, 原理和实现最 为实用、 简洁的一种搜索算法。Kademlia 协议优势主要包括以下三点 : 新颖的异或运算拓 扑结。
25、构简化了网络节点的定位算法、 同步消息的定时发送实现灵活处理查询信息提高查询 速度、 节点间消息的即时更新提高了系统的稳定性。但与此同时, 该协议的缺陷也是显而 易见, 首先是不支持语义搜索, 其次是用户哈希 (即用户 ID) 是随机生成, 跟用户时间空间 信息毫无关联, 会造成文件传输时跨地域、 跨国家的网络带宽浪费。而对此两点弊端, 均不 会影响对虚拟数据的分享。由于在虚拟世界数据的发布和传输过程中, 必须精确搜索单一 文件, 恰恰无需语义搜索, 因此对我们的模型构建没有影响。用户哈希与空间无关的问题, 我们提出了基于 Hash 明文的编码映射, 使得用户哈希和其所处地理位置哈希紧密关联,。
26、 既 保证 Kademlia 协议基于哈希的快速索引机制的实现又防止对网络带宽的无端占用。然而 Kademlia 协议的异或运算仅仅实现时间相近原则而快速搜索到数据, 对三维虚拟世界的空 间数据查找却未作任何优化。以基于 Hash 明文的编码对划分后的地物模型索引, 并通过 XOR 算法进行最优搜索的算法流程, 是本发明研究的切入点。 0048 此外, 虚拟对等网络模型还涉及的问题包括拓扑一致性、 Qos 问题、 信息发布有 效性、 智能资源索引等。其中后两点是近两年 P2P 网络中研究的热点。如法国 Moritz Steiner22 等人提出的 DHT 网络中用户 ID 改变对信息发布有效性。
27、的影响, 美国 Arkansas 大学的 Haiying Shen23 提出的智能资源索引 (PIRD:P2P-based Intelligent Resource Discovery) 等。 说 明 书 CN 102930047 A 6 5/11 页 7 0049 就国内的 P2P 技术发展现状来看, 北京交通大学的张宏科、 中国民航大学张宇翔 等人对 P2P 面临的 churn 问题研究进行了综述, 总结出解决 churn 问题的主要步骤以及未 来可能的研究方向 24 ; 清华大学的邓纬民等人针对云计算进行了综述, 介绍了当前云计 算所采用的技术、 剖析其背后的技术含义以及当前云计算参与企。
28、业所采用的云计算实现方 案等 25, 邓纬民又与杨广文等人对基于 P2P 的 Web 搜索的各项关键技术的研究现状做 了总结, 以期进一步研究 26 ; 清华大学的杨士强等人介绍了一种用于大规模视频直播的 P2P 网络系统模型 Gridmedia27 ; 中国科学院计算机网络信息中心的阎保平等人建立并 行下载模型, 并基于这一模型, 分析并提出最优机制 28 ; 国防科技大学的吴泉源、 周斌等 人借鉴人际网络中的信任关系提出了一种基于节点反馈可信度的分布式 P2P 全局信任模 型 29 ; 国防科技大学计算机学院朱桂明、 金士尧与国防科技大学信息系统与管理学院郭 得科等人提出了一种具有较高效率。
29、的基于熟人关系的增量式 P2P 搜索算法 IPSBSAR30 ; 北京大学的代亚非等人综述了 P2P 存储系统及数据持久存储相关技术的研究现状 31 ; 东 北大学的张霞、 刘积仁等人提出一种新的 P2P 环境下的多粒度信任模型 32 ; 0050 由上述现状可知, 由于 P2P 对网络数据调度效率的提升非常显著, 而且适应了网 络用户数量庞大的现状, 因此国内外对 P2P 覆盖网络模型的研究持续发展。然而在国内仍 未有面向虚拟世界数据分享的基于空间划分的 P2P 覆盖网络模型研究, 国外也未曾有将全 球剖分模型与 P2P 网络覆盖模型相映射的前例。 0051 通过对国内外研究工作的深入分析,。
30、 并结合我们在 P2P 网络虚拟地理环境中的研 究实践中发现的问题, 认为在下面几点有值得研究的地方 : 0052 (1) 应该研究一种支持海量的、 精细的真实地球环境模型的空间划分与索引方式, 与真实地理位置相映射, 并增强逼真度, 满足对三维数据的深层次规划需求。 法国IRISA、 法 国电信与巴黎第六大学合作研制了一套基于 Voronoi 图理论空间划分的 P2P 模型 33, 用 于非常庞大的城市三维场景传输, 并计划在未来用于网络游戏。然而其支持流式传输的三 维场景索引结构PBTree34面向于2.5维数据, 即由带有高度属性的二维矢量数据挤压出 的三维模型, 并不支持精细的真实模型。
31、, 对于深层次规划需求并不适用。法国 EURECOM 的研 究人员将KAD网络模型结合到虚拟世界的数学模型中35, 并以Secondlife为框架进行了 测试 36, 但仍以 Secondlife 原有数据划分和组织方式为核心模型, 并未引入空间划分和 真实世界映射的先进理论。 0053 (2) 应该研究基于空间划分的分布式哈希散列结构虚拟对等网络的索引结构, 提高稳定性与数据命中率。分布式网络中对结点频繁加入退出会造成大量的网络波动 (Churn) , 这对整体分布式网络架构的健壮性提出了更高的要求。如中国台湾中央大学也 研制了一套基于 Voronoi 图理论空间划分的 P2P 模型 Flo。
32、d37, 然而基于空间划分理论的 P2P 模型时刻处于动态, 而且不是分布式存储用户列表, 因此每次用户移动都会引发整个用 户列表的遍历, 需消耗大量计算机运算性能, 在现有硬件条件下无法扩展至全球领域。 而面 向全球范围的空间划分, 基础地理环境处于相对静止状态, 因此, 采用预划分方式进行提前 处理, 可以一次性将地块进行彻底划分, 无需在节点移动过程中时刻变换划分区域, 极大提 高了系统运行的实时性。 而采用基于空间划分的分布式哈希散列结构存储和索引可以实现 分布式资源检索, 达到负载均衡的要求, 也提高了检索效率与数据命中率。 0054 (3) 应该研究如何创建一套能够同时适用于真实世。
33、界、 全球虚拟世界、 全球网络结 说 明 书 CN 102930047 A 7 6/11 页 8 构的空间划分模型, 可以将地理地址、 网络地址、 用户身份标识三者有机耦合, 对用户化身 有效索引。通常的研究, 空间数据剖分模型、 虚拟对等网络都是作为独立的分支进行研究, 将虚拟对等网络架构用于虚拟世界场景数据的分享, 同时将虚拟世界地理信息和真实用户 信息关联, 将为有效解决模型精度低、 数据量庞大、 多用户交互延迟、 网络带宽浪费等问题 给出优化配置解决方案。 0055 参考文献 0056 1Anderson T.E.,D.E.Culler,D.A.Patterson,et al.A ca。
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