Web3D場(chǎng)景對(duì)等傳輸研究

唐瑭

摘要：大規(guī)模虛擬場(chǎng)景在互聯(lián)網(wǎng)的傳輸延遲一直以來(lái)是困擾著Web3D的瓶頸問(wèn)題。為了突破傳輸瓶頸，一方面針對(duì)大規(guī)模虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)輕量化，細(xì)粒度化等預(yù)處理降低每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，另一方面基于WebRTC技術(shù)實(shí)現(xiàn)瀏覽器端的對(duì)等傳輸，提高了傳輸速度。

關(guān)鍵詞： Web3D； WebRTC； 對(duì)等傳輸；輕量化

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）10-0039-02

Abstract： Transmission delay of large scale virtual scenes is usually a bottleneck problem of Web3D application. To solve the transmission bottleneck， on the one hand， applying lightweight preprocessing and fine-grained preprocessing to decrease data size of each transmission， on the other hand， using WebRTC to implement P2P transmission to increase the transmission rate.

Key words：Web3D； WebRTC； P2P transmission； lightweight preprocessing

1 引言

Web3D是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行虛擬的三維立體展示并可互動(dòng)瀏覽操作的一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。如今Web3D技術(shù)已在互聯(lián)網(wǎng)上有了不少的應(yīng)用，如虛擬旅游，虛擬博物館網(wǎng)頁(yè)游戲等。一方面隨著虛擬場(chǎng)景的規(guī)模越來(lái)越大，相應(yīng)的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，所需的傳輸時(shí)間就越長(zhǎng)，尤其是較多用戶同時(shí)訪問(wèn)的時(shí)候，另一方面用戶對(duì)于加載時(shí)間要求很高，尤其是在瀏覽器端，幾秒鐘場(chǎng)景如果沒(méi)有加載好，用戶就可能將網(wǎng)頁(yè)關(guān)閉，因此數(shù)據(jù)量大，高并發(fā)的Web3D應(yīng)用面臨著傳輸瓶頸，利用P2P架構(gòu)進(jìn)行對(duì)等傳輸是一個(gè)解決傳輸瓶頸的有效方案。P2P充分利用用戶節(jié)點(diǎn)的資源，提升傳輸速度并且降低了服務(wù)器端的負(fù)載。WebRTC（Web Real-Time Communication）技術(shù)能建立一個(gè)瀏覽器與瀏覽器之間的信道，這個(gè)信道可以發(fā)送任何數(shù)據(jù)，使得瀏覽器端對(duì)等傳輸成為可能。

2 Web3D對(duì)等傳輸關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大規(guī)模虛擬場(chǎng)景預(yù)處理

大規(guī)模虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)量巨大，需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行預(yù)處理，降低傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)量。一方面場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用可重用的單元，去除場(chǎng)景中冗余數(shù)據(jù)，有效降低場(chǎng)景傳輸時(shí)所需的數(shù)據(jù)量。另一方面由于用戶漫游時(shí)的視野有限，只需先傳輸周圍場(chǎng)景數(shù)據(jù)并及時(shí)渲染，隨著用戶虛擬化身的變化逐漸下載場(chǎng)景增量，進(jìn)一步降低了每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

2.1.1 場(chǎng)景輕量化

3D模型往往存在著可重用的單元，它們只是方向和空間位置不一樣，所以可以通過(guò)對(duì)一些模型單元旋轉(zhuǎn)，縮放，平移得到另一些模型單元[1]。圖1中吊燈包括許多形狀大小完全一致的燈具，金屬管線材料，燈架等部分，它們均以吊桿為柚心，按照一定的角度有規(guī)則的擺放著。如果不進(jìn)行輕量化建模處理，將傳輸大量重復(fù)的3D 模型單元。通過(guò)輕量化的處理，燈具的模型簡(jiǎn)化為一個(gè)燈具實(shí)體，燈架也簡(jiǎn)化為一幅燈架，場(chǎng)景中存在多個(gè)相同燈具也只需要傳輸一個(gè)燈具，傳輸?shù)哪Ｐ蛿?shù)據(jù)量極大減少。因此，輕量化預(yù)處理對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)件層面的語(yǔ)義分析，幾何重復(fù)性檢測(cè)和重復(fù)性冗余去除，減少了整個(gè)場(chǎng)景的冗余數(shù)據(jù)。

圖1 吊燈模型的輕量化處理

2.1.2 基于空間分割的場(chǎng)景細(xì)粒度化

場(chǎng)景中存在著大量建筑物，不僅內(nèi)外部數(shù)據(jù)遮擋明顯，且理論上每棟建筑物又可以被分解為多個(gè)樓層，各樓層內(nèi)部又可以分解為多個(gè)空間。建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）數(shù)據(jù)中包含語(yǔ)義信息，根據(jù)前期解析得到相應(yīng)的樓層（Storey）和空間（Space）對(duì)象，分析這兩種對(duì)象的地板（Slab）及頂部（Covering）構(gòu)件對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證并形成初步的構(gòu)筑物空間結(jié)構(gòu)；其次獲取整個(gè)構(gòu)筑物地板等特殊構(gòu)件，結(jié)合初步空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的樓層分析，形成整個(gè)建筑物的樓層分布情況以及樓層間的連通關(guān)系，最后在每個(gè)樓層內(nèi)部，結(jié)合初步空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的樓層內(nèi)連通關(guān)系分析，形成整個(gè)建筑物的室內(nèi)子空間劃分及連通關(guān)系結(jié)構(gòu)圖[2]。

場(chǎng)景漫游時(shí)，用戶的視野是有限的，只會(huì)對(duì)于其周圍場(chǎng)景感興趣，因此只要傳輸和加載用戶虛擬化身周圍的可見(jiàn)對(duì)象即可滿足當(dāng)前漫游要求。視錐是指場(chǎng)景中攝像機(jī)的可見(jiàn)的一個(gè)錐體范圍，在視錐體內(nèi)的景物可見(jiàn)，反之則不可見(jiàn)。根據(jù)用戶虛擬化身當(dāng)前所在位置判斷出其所在子空間并計(jì)算出當(dāng)前視錐內(nèi)的物體，可進(jìn)一步減低了加載的數(shù)據(jù)量，在實(shí)時(shí)漫游過(guò)程中始終都能用來(lái)對(duì)當(dāng)前視點(diǎn)范圍內(nèi)需要加載的數(shù)據(jù)量進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景數(shù)據(jù)的漸近式傳輸和加載。

2.1.3 漸進(jìn)式網(wǎng)格

漸進(jìn)式網(wǎng)格（Progressive Mesh， PM）也是當(dāng)前復(fù)雜模型傳輸時(shí)的常用手段。利用了人眼觀察事物的清晰程度與距離成反比的這一客觀事實(shí)，當(dāng)物體距離用戶虛擬化身較遠(yuǎn)時(shí)粗糙，較近時(shí)細(xì)致。在對(duì)于場(chǎng)景中一些復(fù)雜的、在低帶寬時(shí)無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行PM預(yù)處理，將原始模型處理成含有較少數(shù)據(jù)量的基網(wǎng)絡(luò)和增量網(wǎng)格兩部分。在進(jìn)行場(chǎng)景漫游時(shí)，首先處理基網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并在后續(xù)的漫游過(guò)程中，通過(guò)根據(jù)視點(diǎn)位置增加相應(yīng)的增量網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整該模型的精度。使得整個(gè)漫游過(guò)程中，不僅不影響用戶體驗(yàn)質(zhì)量，做到增量數(shù)據(jù)的按需處理。

2.2 基于WebRTC的對(duì)等傳輸

WebRTC是網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)通信（Web Real-Time Communication）的縮寫(xiě)，它是以瀏覽器為中心，建立在應(yīng)用層級(jí)的協(xié)議，目標(biāo)是提供web開(kāi)發(fā)者基于簡(jiǎn)單的JavaScript api就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信的功能，從而快速開(kāi)發(fā)出豐富的瀏覽器端多媒體應(yīng)用[3]。使用WebRTC的應(yīng)用無(wú)須安裝任何瀏覽器插件，支持跨平臺(tái)。WebRTC提供了視頻會(huì)議所需的核心技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用到基于瀏覽器的視頻會(huì)議。

使用WebRTC進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)傳輸只需要使用兩個(gè)API，RTCPeerConnection是WebRTC用于構(gòu)建點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間穩(wěn)定、高效的流傳輸?shù)慕M件[4]。RTCDataChannel使得瀏覽器之間（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）建立一個(gè)高吞吐量、低延時(shí)的信道，用于傳輸任意數(shù)據(jù)。首先要在節(jié)點(diǎn)間用RTCPeerConnection建立連接，這需要兩個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)由服務(wù)器進(jìn)行信令傳遞，可以選擇任何方式、采取任何協(xié)議來(lái)傳遞信令，需要交換的信令有三種：session的信息：用來(lái)初始化通信還有報(bào)錯(cuò)。網(wǎng)絡(luò)配置：比如IP地址和端口。媒體適配：發(fā)送方和接收方的瀏覽器能夠接受什么樣的編碼器和分辨率。建立好連接之后，創(chuàng)建RTCDataChannel在對(duì)等連接中建立雙向數(shù)據(jù)通道，基于它可以在瀏覽器之間任意傳遞數(shù)據(jù)，當(dāng)然包括Web3D場(chǎng)景模型數(shù)據(jù)。

建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，就是NAT穿越技術(shù)。在處于使用了NAT設(shè)備的私有TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)之間需要建立連接時(shí)需要使用NAT穿越技術(shù)。在建立連接中，使用ICE框架來(lái)保證RTCPeerConnection能實(shí)現(xiàn)NAT穿越 ICE，全名叫交互式連接建立（Interactive Connectivity Establishment），一種綜合性的NAT穿越技術(shù)，它是一種框架，可以整合各種NAT穿越技術(shù)如STUN、TURN（Traversal Using Relay NAT 中繼NAT實(shí)現(xiàn)的穿透）。ICE會(huì)先使用STUN，嘗試建立一個(gè)基于UDP的連接，如果失敗了，就會(huì)使用TCP，如果依舊失敗ICE就會(huì)使用一個(gè)中繼的TURN服務(wù)器。

2.3 基于WebRTC的對(duì)等傳輸框架WebTorrent

WebTorrent是一個(gè)流媒體對(duì)等傳輸框架，使用WebRTC的數(shù)據(jù)信道進(jìn)行對(duì)等傳輸，可以在瀏覽器中和node.js環(huán)境下運(yùn)行[5]。WebTorrent是純JavaScript實(shí)現(xiàn)，因此瀏覽器上無(wú)需安裝任何插件就可以使用。WebTorrent大部分的交互直接瀏覽器節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行，不過(guò)初始的步驟仍然需要訪問(wèn)服務(wù)器端。WebTorrent下載文件類似BitTorrent， 首先需要獲取元信息文件（metafile），也稱為種子文件（torrent）。種子包含文件信息和Tracker信息，Tracker信息只是下載過(guò)程需要用到的Tracker服務(wù)器的地址以及設(shè)置信息，Tracker服務(wù)器中記錄了擁有目標(biāo)文件的節(jié)點(diǎn)信息，可以從其中選擇節(jié)點(diǎn)高速下載。此外，還可以通過(guò)磁力鏈接，利用其中記錄的基于文件內(nèi)容哈希生成的用于識(shí)別文件的數(shù)字指紋，可以直接利用DHT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行搜索獲取擁有目標(biāo)文件的節(jié)點(diǎn)信息，無(wú)需通過(guò)Tracker服務(wù)器。

2.3.1 WebTorrent傳輸大規(guī)模虛擬場(chǎng)景流程

1）在服務(wù)器端對(duì)大規(guī)模虛擬場(chǎng)景預(yù)處理后，按照空間分割的細(xì)粒度化的場(chǎng)景中模型數(shù)據(jù)打包成一個(gè)數(shù)據(jù)包，并創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的torrent文件和磁力鏈接。

2）當(dāng)下載節(jié)點(diǎn)下載虛擬場(chǎng)景的數(shù)據(jù)包，使用WebTorrent解析對(duì)應(yīng)的磁力鏈接，WebTorrent會(huì)同時(shí)使用DHT和Tracker服務(wù)器兩種方式獲取擁有目標(biāo)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)信息。同時(shí)服務(wù)器端會(huì)記錄下載節(jié)點(diǎn)的信息和請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包的信息。

3）下載節(jié)點(diǎn)根據(jù)候選節(jié)點(diǎn)列表選擇一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)直接建立通信連接，下載數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

本文研究了Web3D場(chǎng)景的傳輸涉及的關(guān)鍵技術(shù)。首先研究了大規(guī)模虛擬場(chǎng)景一些預(yù)處理技術(shù)，通過(guò)輕量化，細(xì)粒度化等預(yù)處理，大幅降低每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。 然后研究WebRTC建立連接以及傳輸數(shù)據(jù)的詳細(xì)過(guò)程以及基于WebRTC的傳輸框架WebTorrent傳輸文件的流程， 實(shí)現(xiàn)瀏覽器端免插件的對(duì)等傳輸，加快了傳輸速度，有效的降低傳輸延遲。

參考文獻(xiàn)：

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[5] Feross aboukhadijeh.What is webtorrent[EB/OL]. https：//webtorrent.io.