Web上协作虚拟环境的事件驱动体系结构：3D对象操作和可视化的应用

Web上协作虚拟环境的事件驱动体系结构：应用于3D对象的操作和可视化引用此版本：卡罗琳·德斯普拉特。Web上协作虚拟环境的事件驱动体系结构：3D对象操作和可视化的应用。建模和仿真。图卢兹米拉伊大学-图卢兹第二大学，2017年。法语。NNT：2017TOU20103。电话：02137485HAL ID：电话：02137485https://theses.hal.science/tel-02137485提交日期：2019年HAL是一个多学科的开放存取档案馆，用于存放和传播科学研究论文，无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构，也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire论文论文为了图卢兹大学博士学位发布者：于2017年12月1日提交并支持 通过：这是一种堕落。Web上协作虚拟环境的事件驱动体系结构：3D对象操作和可视化的应用陪审团T HIERRYDUVAL IMT教授，IMT-大西洋报 告 员 JEAN-P IERRE Jessel 图卢兹大学教授联 合 主 任 GUILLAUMELAVOUÉ讲师-HDR，INSA-Lyon报 告 员 HERVÉLUGA图卢兹大学教授主任GÉRALDINEMORIN讲师-HDR，ENSEEIHT考 官 NancyRODRIGUEZ蒙彼利埃大学讲师考试员博士学校及专业：MITT：图像、信息、超媒体研究单位：图卢兹计算机科学研究所（UMR 5505）论文主任：埃尔韦·卢加和让-皮埃尔·耶塞尔报告员：蒂埃里·杜瓦尔和纪尧姆·拉武摘要L’évolution虽然协作将地理位置不同的用户聚集在同一共享空间中，以实现共同的协作目标，但他们带来的硬件资源他们的知识仍然很少被使用，这是一个挑战。其目的是为为了实现高效的扩展，许多系统使用所谓的"混合"网络体系结构，该体系结构结合了客户端-服务器和对等网络乐观复制可以很本文提出了一个基于Web的3D协作编辑系统模型。客户端体系结构（3DEvent）允许尽可能接近3D的业务方面。 以事件的形式呈现给用户。这种面向事件的体系结构是基于在模型组装期间对3D数据的可追溯性和历史记录的这方面是由事件源设计模式固有地进行的该模型通过对等中间件的定义得到补充在最后一点上，我们建议在多个用户组的3D模型装配任务中，对两项用户研究进行了评估，以确定对关键词：协作虚拟环境、对等网络、WebRTC、3D Web、 3D设计、分布式事件处理、混合架构、事件源。摘要在过去的几十年里，Web技术的发展推动了大规模3D设计的协作虚拟环境的发展。尽管协作环境将地理位置遥远的用户聚集在同一个共享空间中，但他们的客户的硬件资源（计算、存储、图形......）由于它所代表的挑战，它经常被低估。这是一个向用户提供易于使用、高效和透明的协作系统的问题，该系统支持异构Web环境中的计算和3D设计可视化以及业务逻辑为了更好地扩展，许多系统使用一种称为"混合"的网络架构，将客户端-服务器和对等相结合乐观复制非常适合分布式应用程序，如3D协作环境：用户及其数量的动态性、使用的3D数据类型以及其巨大的数量和规模。本文介绍了一个基于3D Web的协作编辑系统模型此模型集成了3DEvent，这是一种基于客户端的体系结构，允许我们使用事件为用户带来更接近的3D业务逻辑。在3D设计过程中需要可追溯性和历史意识，尤其是在多个专家参与的过程中。这方面是事件源设计模式的本质。该体系结构由负责系统的同步性和一致简单地说，我们建议使用最新的Web标准API，称为WebRTC，它接近开发人员所知的云开发服务。为了评估该模型，对几组用户进行了两项用户研究，涉及其在3D模型合作装配任务框架内的响应性和用户接受度。关键词：协作虚拟环境、对等网络、WebRTC、Web 3D、3D设计、分布式事件驱动系统、混合架构、事件源。谢谢你首先，我要感谢评审团成员同意参加本委员会，特别是报告员在报告前阶段提出的相关和建设性然后，我要感谢我的论文导师Hervé Luga和我的论文共同导师Jean-Pierre Jessel，感谢他们在这三年（11个月）中的指导，让我对论文Hervé，自从硕士课程以来，他一直跟随我，并给了我机会将我的研究扩展Jean-Pierre，他在我的论文中提炼出了超越实验室生活的机会和资源。我也觉得自己是图卢兹联邦大学的一个测试对象，在我的注册和教学大学（UT 2J）、我办公室所在的大学（UT 1- C）和项目和研讨会大学这我特别想到的是ME310，那里朋友们。你有没有在第二天读过一篇论文，或者你什么都不知道，或者你没有问过我100次这个问题，"那么它是什么时候计划的"谢谢。Papounet，即使在远处也总是存在的。美味的食物，短信，旅行。... ... 总是敏感的，有时沉默，有时音乐，这些鼓励总是给我的支持休息。谢谢。朱莉娅，我爱你，这篇论文背后的动机欠你很多，我也欠。通过分享彼此的论文经验，我们学到了很多关于彼此的知识谢谢。本尼迪克特，我想你没有这样我也不知道。总是在那里，耐心，倾听我，给我想法，支持我。这些共同分享的论文时刻是我很高兴与你分享的独特的生活片段谢谢。对妈妈来说，ivv材料表摘要我谢谢你ii.材料表七图表九图片列表十一1引言11.1上下文。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...21.1.1合作。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...21.1.2 3D协作虚拟环境。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...51.1.3协作编辑系统... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...61.1.4面向事件的协作体系结构。. . . ...81.2问题。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...121.3捐款。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...143.1理论贡献。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...151.3.2实际贡献。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...151.4手稿的组织。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...162最新技术水平172.1网络上的协作3D建模。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...182.1.1 3D中的协作和竞争。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...182.1.2. 在Web上：HTML5、Web 3D等。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...202.2实时通信。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...252.2.1主要传输协议。 . . . . . . . . . . . . . . . ...292.2.2 WebRTC：P2P中的超媒体Web。 . . . . . . . . . . . . . . . ...31vi2.2.3 EVC3D采用哪种协议？ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...342.3用于协作的面向事件的分布式系统。 . . . . ...362.3.1简介。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...362.3.2发布-订阅系统。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...362.3.3域驱动设计。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...402.3.4命令查询责任隔离。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...432.3.5事件采购。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...442.4结论。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...48材料表vi3捐款513.1导言523.2EVC 53中3D域集成的事件驱动模型3.2.1通用型号553.2.2调整事件源（ES）和命令查询资源-p责任分离（CQS）模式583.2.3事件日志603.2.4可视化的灵活性3.2.5与CQS63的可能一致性3.2.6第65章3.3混合通信体系结构663.3.1对等体的组成部分3.3.2混合"面向状态"723.3.3从3.3.4面向事件的混合通信体系结构773.3.5比较结果853.4第八十五章结论4用于协作3D设计的Web应用程序原型4.1导言884.23DState：面向90个状态的概念验证4.2.1通信组件的实施904.2.2与3DState91的接口4.2.3会议管理914.2.4关键资产负债表924.33DEvent：面向事件的分拆方法944.3.1用于通过事件交换3D的中间件4.3.2面向任务的界面994.3.3幽灵选择1014.3.4103号放款记录4.4第105章结论53D对象协作组装的用户研究5.1案例5.2实验1：可行性证明1095.2.1实验演示5.2.2结果和讨论1115.2.3实验结束5.3实验2：事件框架113的集成5.3.1实验介绍5.3.2结果和讨论1155.3.3实验结束5.4实验1和实验2之间的比较材料表vii6结论1236.1讨论1246.2潜在应用和其他用途1286.3前景129参考书目131A实施和实验资源A.1 3DEvent141中按聚合列出的事件描述A.2 用于事件存储同步143A.3 实验1材料144A.3.1所用型号的说明144A.3.2用户调查问卷A.4 实验2，144A.4.1所用型号的说明144A.4.2用户调查问卷词汇表147首字母缩略词149材料表viiiix图表1.1贡献在不同研究领域的位置132.1Web上的2D和3D声明性与命令性232.2支持WebGL 1（2014-2017）和WebGL 2（2016-2017）252.3IP协议栈：TCP与UDP322.4STUN、TURN和信号342.5发布-订阅体系结构372.6域驱动设计（DSD）模式及其工件的插图412.7FDD的4层架构（左）与2.8ES45中的交易2.9ES46中的快照3.1说明域的事件概念事件的实例。.................................................................................................................563.23DEvent 59中的客户端体系结构模型3.3事件日志的表示3.4CAP定理和折衷算法643.5三重混合体系结构：服务器、持久性和对等体。..................................................... 683.63DEvent中每个对等体的组件（从网络角度703.7面向事件的通信体系结构783.8"面向事件"的通信体系结构示例4个Web实例和2个服务器实例793.93DEvent 81实例网络连接协议4.1与3DState92的接口4.2体系结构中会话管理的序列图"面向国家"934.3聚合示例4.4界面100的侧面板选项卡4.53DEvent框架中3个用户之间的协作流1024.63D环境中的体模选择插图5.1协作会话期间的用户界面（三人）1165.2长期持久性（Event Store®），数据库/监控。1175.3一段时间内协作会话的摘要5.4收集的调查问卷119图表xxi图片列表2.1协作问题的常规解决方案[Yu et al. 2016年]。 ...192.2传输数据的编码232.3运输协议概述313.1网格聚合的事件（从选项卡提取。A.1）.................................................................583.2两种通信体系结构方法的概述4.13DState94的技术选择摘要4.23DEvent104的技术选择摘要A.1 3DEvent：按聚合列出142A.2 同步时的消息类型143A.3 节点143的状态A.4 实验期间使用的模型A.5 实验中使用的模型图片列表xiixiii第一章引言摘要1.1上下文。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...21.1.1协作21.1.23D协作虚拟环境51.1.3协作出版系统1.1.4面向事件的协作体系结构81.2问题121.3捐款141.3.1理论贡献151.3.2实际贡献151.4手稿的组织16第一章. 简介21.1上下文对3D对象及其版本控制的实时协作和操作的需求 虽然工程和科学可视化已经在诸如建筑设计、文化遗产或制造对象设计的领域中产生了大量的数据，但是越来越需要维护、可视化和操作可以由多个用户同时编辑的大型多边形3D场景[Chandrasegaran等人，2008年]。2013年，Wu等人。2014年]。随着数据量和大小的不断增长，共享模型变得越来越困难，尤其是与无法访问最新软件和图形硬件的用户共享因此，为满足这些需求而部署在Web上的轻量级平台的开发正在快速推进。在3D虚拟环境（EV 3D）中，3D环境的虚拟和分布式模拟，位于不同地理位置的大量用户可以实时地彼此3D协作虚拟环境（3D EVC）强调这种物理和时间空间的扭曲要求3D EVC具有快速通信机制，从而在需要使用客户端作为访问3D EVC的介质来向服务器发送请求。客户端可以由用户或软件代理（bot）操作。3D EVC还包括通信协议，该通信协议允许不同的客户端交换与在共享虚拟3D空间中所做的改变相因此，在时间、安全性和可靠性方面，数据的分布成为这种类型的应用中的主要问题1.1.1协作协作通常被定义为一个递归过程，其中至少有两个参与者（个人或组织）在共同目标的十字路口共同工作，分享知识以学习和建立共识。协作使共享设计能够在复杂的环境和系统中实现共享的愿景。每个域的嵌套和跨域1. "递归循环原理"可以在复杂思维的概念中找到。埃德加·莫林（Edgar Morin）解释说100]。1.1. 上下文3在复杂思维的概念中，双元性被接受埃德加·莫林（Edgar Morin）在他对复杂性大多数合作都需要一个领导者，他可以在一个分散的、平等的（横向的）群体中采取社会形式（人）。领导因素通常也有助于达成共识（例如：资源的可用性）。一个合作的团队有机会在资源有限的竞争中集中更多的资源、认可和奖励。合作也存在于对对立目标的追求中，强调了矛盾合作的概念（与建设性合作相对）;谈判和竞争也可以是合作领域的一部分。协作应用程序还可以包括协调和协作的概念：— 协调的基础是— 合作解决了复杂系统和环境中的问题，在这些系统和环境中，参与者无法（时间、空间、知识、材料）单独完成在2000年代后期，对合作配给进行了两种分类[Bauwens，2011]。Gotta [Gotta，2007]在2007年描述了第一种分类，提出了一个模型，以结构化的方式将协作分为四类：从最直接的到最自由的（自愿的），再到— 以流程为中心的协作该过程的要求需要用户的承诺，用户必须通过其角色或责任来指导其与他人合作的努力。该战略侧重于3D协作操作活动，而不是其组织背景，以促进围绕流程成功的协同作用例如，在商业信息建模（BIM）环境中创建和使用3D模型的目的是促进项目决策并就此进行— 以活动为中心的协作。共同的活动创造了一种相互依赖的感觉，这导致了成员之间的合作。相互依赖将个人利益作为合作的动机。团队需要每一个人，这样目标才能被认为已经实现。 例如，可视化