基于Web3D的虛擬仿真技術(shù)及應(yīng)用研究

摘要：隨著高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于WEB3D的虛擬仿真變得更加切實(shí)可行。目前WEB3D虛擬現(xiàn)實(shí)軟件和技術(shù)已達(dá)幾十種之多。通過對(duì)業(yè)界影響最大的幾種Web3D技術(shù)--VRML、X3D、Viewpoint、Cult3D、Java3D、VirTools、Shockwave3D等技術(shù)進(jìn)行了分析介紹，對(duì)基于Web3D的各種熱點(diǎn)仿真應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)Web3D的發(fā)展和應(yīng)用前景做了展望。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真 虛擬現(xiàn)實(shí) Web3D

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào)：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

1 Web3D技術(shù)

1.1 VRML

VRML是VRML聯(lián)盟發(fā)布的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言，是一個(gè)開放的、可擴(kuò)展的、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的景象描述語言。它的出現(xiàn)主要是為了解決在網(wǎng)頁中實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫的效果以及基于三維對(duì)象的用戶交互問題。

VRML1.0支持相對(duì)簡(jiǎn)單的動(dòng)畫，而VRML2.0通過允許Java和JavaScrip程序員編寫在VRML對(duì)象上施加動(dòng)作的腳本，以支持復(fù)雜的3D動(dòng)畫、模擬和行為。

VRML技術(shù)的原理是在用戶端提供一些基本的三維圖形庫，并在網(wǎng)頁運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)著色和渲染，這樣就使得在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大大減少。事實(shí)上，VRML文件只是一個(gè)文本文件。當(dāng)你在網(wǎng)頁上點(diǎn)擊VRML文件時(shí)，如果你的計(jì)算機(jī)上安裝了相應(yīng)的VRML瀏覽器，它便會(huì)首先將VRML文件(文本文件)下載到本地機(jī)上，然后在本地機(jī)上解釋運(yùn)行，因此這時(shí)的運(yùn)行速度只是取決于本地計(jì)算機(jī)的性能，而與網(wǎng)絡(luò)的速度無關(guān)。

1.2 X3D

Web3D協(xié)會(huì)為下一代VRML制定的X3D標(biāo)準(zhǔn)則使VRML又得到新的發(fā)展。X3D標(biāo)準(zhǔn)由XML、X3D文件格式和一個(gè)3D引擎組成。X3D文件格式沿襲了VRML97的節(jié)點(diǎn)、域、域值的結(jié)構(gòu)，兼容VRML97標(biāo)準(zhǔn)和MPEG-4格式。3D引擎基于Java Applet，無論是文字、圖片還是聲音都可以方便的與3D內(nèi)容結(jié)合，無需安裝專用的插件就可以在瀏覽器中觀看。除此之外，X3D新規(guī)范中突出了VRML與XML的集成。X3D采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言編碼，定義了一個(gè)小型運(yùn)行內(nèi)核、一組API和多個(gè)擴(kuò)展集，具有小型化、組件化和可擴(kuò)展等特性。通過XML，X3D能輕易地整合到網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和其他應(yīng)用程序里。

X3D體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是以軟構(gòu)件技術(shù)為指導(dǎo)的。構(gòu)件是指功能相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)類型的一個(gè)集合，一個(gè)構(gòu)件擴(kuò)展內(nèi)核在某一特定領(lǐng)域的功能。X3D首先將VRML的關(guān)鍵特性封裝為一個(gè)小型的、可擴(kuò)展的內(nèi)核，然后通過特性集擴(kuò)展內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的或是應(yīng)用程序定義的功能。用戶可以在內(nèi)核上建立一個(gè)完整的VRML97擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)VRML97規(guī)范的兼容；也可以添加其他擴(kuò)展，如NURBS擴(kuò)展、二進(jìn)制文件格式擴(kuò)展及Goral擴(kuò)展等。

Viewpoint

Viewpoint Experience Technology (簡(jiǎn)稱VET)是由Metacreation和Intel開發(fā)的Metastream技術(shù)。Metastream生成的文件格式非常小，三維多邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有可伸縮和流傳輸特性，使得它非常適合于在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。在結(jié)構(gòu)上，VET分成兩個(gè)部分，一個(gè)是儲(chǔ)存三維數(shù)據(jù)和貼圖數(shù)據(jù)的Mts(Metastream)文件，一個(gè)是對(duì)場(chǎng)景參數(shù)和交互進(jìn)行描述的基于XML的mtx文件。它具有一個(gè)純軟件的高質(zhì)量實(shí)時(shí)渲染引擎，渲染效果接近真實(shí)而不需要任何的硬件加速設(shè)備。VET可以和用戶發(fā)生交互操作，通過鼠標(biāo)和瀏覽器事件引發(fā)一段動(dòng)畫或一個(gè)狀態(tài)的改變，從而動(dòng)態(tài)地演示一個(gè)交互過程。VET除了三維對(duì)象外還猶如一個(gè)能容納各種技術(shù)的包容器。它可以把全景圖像作為場(chǎng)景的背景。Flash動(dòng)畫能作為貼圖使用。

Viewpoint的主要運(yùn)用市場(chǎng)是作為物品展示的產(chǎn)品宣傳和電子商務(wù)領(lǐng)域。許多著名的公司與電子商務(wù)網(wǎng)站使用了此技術(shù)作為產(chǎn)品展示。

1.4 Cult3D

Cult3D是瑞典的Cycore公司開發(fā)的一種跨平臺(tái)3D渲染引擎。Cult3D使用高效的壓縮技術(shù)使用戶可以通過Internet來訪問Cult3D的內(nèi)容。Cult3D的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是具有很好的跨平臺(tái)效能，它支持目前主流的各種瀏覽器、從PC到蘋果的各種機(jī)型和包括Unix、Linux、Windows在內(nèi)的各種常用操作系統(tǒng)。它的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以作為元素插入到Word和Acrobat等文檔中使用。

Cult3D在表現(xiàn)和交互上和Viewpoint十分相似。和Viewpoint相比，Cult3D的內(nèi)核是基于Java的，利用Java來增強(qiáng)交互和擴(kuò)展。Cult3D的開發(fā)環(huán)境比Viewpoint人性化和條例化，開發(fā)效率也高得多。

1.5 Java3D

Java3D API是Sun定義的用于實(shí)現(xiàn)3D顯示的接口。3D技術(shù)是底層的顯示技術(shù)，Java3D提供了基于Java的上層接口。Java3D把OpenGL和DirectX這些底層技術(shù)包裝在Java接口中。這種全新的設(shè)計(jì)使3D技術(shù)變得不再繁瑣并且可以加入到J2EE、J2SE的整套構(gòu)架中，這些特性保證了Java3D強(qiáng)大的擴(kuò)展性。

Java3D實(shí)際上是Java語言在三維圖形領(lǐng)域的擴(kuò)展，是面向?qū)ο蟮木幊?，Java語言的簡(jiǎn)單性為Java3D的推廣提供了便利。它可以實(shí)現(xiàn)如生成物體、顏色貼圖和透明效果、燈光、事件的處理判斷能力、霧和聲音等效果、模型變換及動(dòng)畫等功能。

現(xiàn)在，使用Java3D API技術(shù)生成的純粹的Java3D圖形，一定要有插件才能看到。但以后如果完美兼容Java2的話，Java3D也將得到更好的應(yīng)用。

1.6 Virtools

Virtools是法國(guó)公司的產(chǎn)品，是國(guó)外專業(yè)游戲、3D/VR設(shè)計(jì)及企劃人員廣泛使用的軟件及開發(fā)平臺(tái)，目前全球已有多家設(shè)計(jì)公司使用此軟件平臺(tái)開發(fā)多樣的游戲軟件及交互式網(wǎng)頁。Virtools之所以會(huì)受專業(yè)人士采用，是因?yàn)槔闷渫耆梢暬涌谂c高度邏輯化編輯方式，輕易地將互動(dòng)模塊加入到一般的3D模塊中，非常適合非程序設(shè)計(jì)出身的設(shè)計(jì)人員。

Virtools可以輸入3DS Max、LightWave、Softimage等3D動(dòng)畫軟件所制作的模型，支持JPG、TIFF、TGA、AVI等2D圖片和影片格式，支持WAV、MP3等聲音文檔，也可利用SDK進(jìn)行二次開發(fā)。Virtools制作效果非常好，如國(guó)內(nèi)的虛擬故宮就是采用該技術(shù)開發(fā)的。

Shockwave3D

Shockwave3D是MacroMedia公司聯(lián)合Intel公司合作開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)。它可以輸入3DSMax、Maya等軟件制作的模型，最后得到的文件非常小，在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行流式傳輸，能根據(jù)電腦的資源自動(dòng)調(diào)整3D內(nèi)容的品質(zhì)，并不影響圖像的清晰度，只是影響可見的細(xì)節(jié)水平。

Shockwave3D通過MacroMeadia Director進(jìn)行制作，由于Director本身是多媒體開發(fā)平臺(tái)，因此Shockwave3D可以和多媒體很好的結(jié)合。Director也為Shockwave3D加入幾百條Lingo控制函數(shù)，通過這些函數(shù)，Shockwave3D在交互能力和擴(kuò)展能力上也具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，通過Havok，Shockwave3D可以模擬真實(shí)物理環(huán)境和剛體特性。但在畫面的生成質(zhì)量上看，Shockwave3D還無法和Viewpoint、Cult3D抗衡，目前多應(yīng)用在不太復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)游戲上。

1.8 其他技術(shù)

基于WEB3D的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和產(chǎn)品有很多，除了上述技術(shù)和產(chǎn)品，市場(chǎng)上還有Pulse3D、OpenGVS、Blaxxun3D、Shout3D、B3D、EON、3D WebMaker、3DS Net、AXELedge、DarkBasic、LivePicture、Muse技術(shù)等，另外還有國(guó)內(nèi)公司自主開發(fā)的如西安賽能的3DVRi，廣州維亞的Limn3D，武漢適普的3Dbrowser，杭州光影的inVista等技術(shù)。它們?cè)跇I(yè)界和市場(chǎng)上或者有一定影響，或者是著名公司的產(chǎn)品。

2 基于Web3D的仿真應(yīng)用

隨著基于WEB3D技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種基于WEB3D的仿真應(yīng)用。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：教學(xué)仿真、產(chǎn)品仿真、工程可視化仿真、虛擬展示仿真、娛樂仿真等。

2.1 基于Web3D的教學(xué)仿真

Web3D技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括虛擬教學(xué)展示和虛擬實(shí)驗(yàn)[3]：

在虛擬教學(xué)方面，瑞士皇家技術(shù)學(xué)院開發(fā)了共享型虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境CyberMath，用三維立體的方式來表現(xiàn)抽象數(shù)學(xué)模型，體現(xiàn)了數(shù)學(xué)科學(xué)的內(nèi)在藝術(shù)性。中國(guó)第二軍醫(yī)大學(xué)現(xiàn)代教育中心人員使用QTVR技術(shù)開發(fā)了一個(gè)胎兒學(xué)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程，該課程可以讓學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上全方位的觀察畸形胎兒的標(biāo)本，從而加深學(xué)生理解和認(rèn)識(shí)先天性胚胎發(fā)育畸形的原因。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)利用Web3D技術(shù)進(jìn)行了晶體學(xué)研究和教學(xué)應(yīng)用，通過直觀演示它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大大加深了學(xué)習(xí)者對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的了解。此外，國(guó)內(nèi)外的一些教育資源開發(fā)者將Web3D技術(shù)結(jié)合中小學(xué)的地理課程開發(fā)了一些關(guān)于宇宙天體、火星全景、火山爆發(fā)、太陽系運(yùn)動(dòng)等漫游型和演示型網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程，這些課程向?qū)W生直觀地展示了平時(shí)無法觀察和接觸到的自然現(xiàn)象。

在虛擬實(shí)驗(yàn)方面，國(guó)內(nèi)外研究主要包括休斯頓大學(xué)和NASA約翰遜空間中心開發(fā)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)Michigan大學(xué)的VRiCHEL(Virtual Reality in Chemical Engineering Laboratory)實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)北卡羅萊納大學(xué)的用戶用手操縱分子運(yùn)動(dòng)的VR系統(tǒng)，中國(guó)科技大學(xué)基于Web3D開發(fā)的物理實(shí)驗(yàn)仿真軟件，北京師范大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)研究所研發(fā)的三維電子線路實(shí)驗(yàn)環(huán)境Evlab系統(tǒng)，海軍航空工程學(xué)院青島分院自主開發(fā)的“電路與電子網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”，浙江大學(xué)研制的基于網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)的大學(xué)工程化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等。清華大學(xué)的面向網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬協(xié)同裝配技術(shù)研究等[4]。

2.2基于Web3D的產(chǎn)品仿真

虛擬現(xiàn)實(shí)在產(chǎn)品仿真中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面， 一是面向設(shè)計(jì)人員的， 主要用來模擬復(fù)雜的建?；蜓b配過程、輔助設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析等， 另一方面就是直接面向制造商的客戶， 主要用來向消費(fèi)者展示產(chǎn)品的外觀、性能等。

大連理工大學(xué)應(yīng)用Web3D技術(shù)開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品信息發(fā)布系統(tǒng)，并以部分電子產(chǎn)品為應(yīng)用對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了新產(chǎn)品信息發(fā)布、瀏覽產(chǎn)品信息、產(chǎn)品三維模型互動(dòng)操作展示、產(chǎn)品快速查詢、用戶信息反饋等功能，用戶不僅能從文字、圖片了解產(chǎn)品功能，還可以通過互動(dòng)操作從不同角度觀察產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品的屬性有一個(gè)更加直觀的了解]。西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)了一套基于網(wǎng)絡(luò)的交互式虛擬展示系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)展示了醫(yī)療設(shè)備X光機(jī)產(chǎn)品外形、結(jié)構(gòu)和性能仿真效果。

現(xiàn)在，越來越多的企業(yè)將他們的產(chǎn)品發(fā)布成網(wǎng)上三維的形式，能夠展現(xiàn)出產(chǎn)品外形的方方面面，加上互動(dòng)操作，演示產(chǎn)品的功能和使用操作，充分利用互連網(wǎng)高速迅捷的傳播優(yōu)勢(shì)來推廣公司的產(chǎn)品。

2.3 基于Web3D的工程可視化仿真

工程可視化是指將工程計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結(jié)果信息以圖形或圖象信息呈現(xiàn)，能夠更加直觀的描述隨時(shí)間和空間變化的物理現(xiàn)象和物理量。

三峽大學(xué)結(jié)合長(zhǎng)江三峽工程二期廠壩施工的實(shí)踐，開發(fā)了基于Web3D的水電工程施工過程可視化仿真和施工信息的交互查詢，為施工管理者提供了遠(yuǎn)程科學(xué)決策的信息支持。海軍工程大學(xué)遵循IETM技術(shù)思想，開發(fā)了基于Web3D的交互式維修支持系統(tǒng)，通過對(duì)裝備維修和技術(shù)培訓(xùn)提供支持，有效提高武器裝備的保障、維修以及培訓(xùn)的質(zhì)量。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使用Web3D實(shí)現(xiàn)工程可視化仿真成為當(dāng)前可視化仿真技術(shù)新的發(fā)展方向。

2.4 基于Web3D的虛擬展示仿真

使用Web3D技術(shù)進(jìn)行虛擬展示仿真主要通過構(gòu)建三維場(chǎng)景，支持用戶進(jìn)行漫游和交互，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺，該技術(shù)在虛擬展廳、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑房地產(chǎn)、旅游等虛擬展示領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

國(guó)外在虛擬展示方面的研究較早，IBM東京研究所與日本民族學(xué)博物館合作的全球數(shù)字博物館計(jì)劃，主要支持網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中藏品信息的檢索及互動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)編輯瀏覽。國(guó)內(nèi)雖然起步較晚，但由于受數(shù)字技術(shù)全球化趨勢(shì)的影響，近年來各行業(yè)也相當(dāng)重視，開發(fā)了很多基于Web3D的虛擬展示系統(tǒng)。

企業(yè)基于Web3D的虛擬展示仿真研究的代表性應(yīng)用如下：

故宮博物院的超越時(shí)空的紫禁城：這座“紫禁城”用高分辨率、精細(xì)的3D建模技術(shù)虛擬出宮殿建筑、文物和人物，并設(shè)計(jì)了6條觀眾游覽路線。虛擬紫禁城囊括了目前故宮所有對(duì)外開放的區(qū)域，游客可以通過網(wǎng)絡(luò)足不出戶地“游覽”故宮全貌。

網(wǎng)上世博會(huì)：通過采用virtools和Turntool兩種技術(shù)，開發(fā)了網(wǎng)上世博會(huì)的一系列展館，包括園區(qū)內(nèi)152個(gè)獨(dú)立建筑外觀、200多個(gè)游覽型展館和近100個(gè)由參展方自行開發(fā)建設(shè)的體驗(yàn)型展館、“一軸四館”等13個(gè)組織方展館，讓網(wǎng)民們足不出戶就能看遍世博園區(qū)每個(gè)角落。

2.5 Web3D在娛樂領(lǐng)域的仿真應(yīng)用

現(xiàn)今，互連網(wǎng)上已不是單一靜止的世界，動(dòng)態(tài)HTML、flash動(dòng)畫、流式音視頻，使整個(gè)互連網(wǎng)呈現(xiàn)生機(jī)黯然。動(dòng)感的頁面較之靜態(tài)頁面更能吸引更多的瀏覽者。三維的引入，必將造成新一輪的視覺沖擊，使網(wǎng)頁的訪問量提升。娛樂站點(diǎn)可以在頁面上建立三維虛擬主持這樣的角色來吸引瀏覽者。游戲公司除了在光盤上發(fā)布3D游戲外，現(xiàn)在可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中運(yùn)行在線三維游戲。利用互連網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，受眾和覆蓋面得到迅速擴(kuò)張。隨著3G技術(shù)云計(jì)算概念的普及，游戲的無端化發(fā)展將代表未來娛樂發(fā)展的趨勢(shì)。人們追求可以隨時(shí)隨地體驗(yàn)很“輕”的無端健康的游戲而帶來的快樂，在未來一個(gè)瀏覽器就完全可以輕松滿足這個(gè)愿望。

3 結(jié)論與展望

目前網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正處在一個(gè)百花齊放的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展時(shí)期。如果發(fā)布產(chǎn)品到網(wǎng)絡(luò)上觀看，Viewpoint或Cult3D都是不錯(cuò)的選擇;如果要開發(fā)三維在線游戲，Shockwave3D是比較好的技術(shù)；如果需要深入的交互和控制，Java3d可以更好地滿足你的要求?？傊?，各種技術(shù)都有自己的特點(diǎn)，用戶使用時(shí)可以根據(jù)自己的需要選用。

雖然現(xiàn)在的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)取得一系列成果，產(chǎn)生了一批應(yīng)用級(jí)的軟件，但其未來的發(fā)展仍面臨諸多問題，網(wǎng)絡(luò)帶寬是Web3D應(yīng)用發(fā)展的主要瓶頸，另外，目前的Web3D始終不能達(dá)成一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，這使得用戶在線觀看不同Web3D技術(shù)生成的網(wǎng)絡(luò)三維圖形時(shí)必須下載不同的插件，這將會(huì)影響用戶的使用積極性。最后，由于相關(guān)Web3D技術(shù)廠商的開發(fā)授權(quán)金額昂貴，導(dǎo)致其實(shí)現(xiàn)成本過高，開發(fā)出的商業(yè)產(chǎn)品也常常受到版權(quán)保護(hù)的制約而難以推廣。盡管如此，WEB3D技術(shù)和仿真應(yīng)用的發(fā)展仍具有廣闊的空間。隨著硬件設(shè)備、傳感技術(shù)、自然交互等技術(shù)的發(fā)展，WEB3D的前景也將更加光明。

參考文獻(xiàn)

[1] 周良.利用Virtools設(shè)計(jì)與開發(fā)基于分布式VR技術(shù)的教學(xué)游戲:[碩士學(xué)位論文].上海：華東師范大學(xué)，2008

[2] 蔣先梅.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電子商務(wù)展示平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)：[碩士學(xué)位論文].江西：江西科技師范學(xué)院，2010

[3] 葉培彬.基于Web3D的網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)與開發(fā)研究：[碩士學(xué)位論文].河南：河南大學(xué)，2010

基金項(xiàng)目：上海市科委科技攻關(guān)計(jì)劃(10DZ1140900)、上海高校選拔培養(yǎng)優(yōu)秀青年教師科研專項(xiàng)基金、上海大學(xué)創(chuàng)新基金和上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)(編號(hào):Y0102)資助

作者簡(jiǎn)介:胡小梅(1978-)女，山東濟(jì)南人，漢族，副研究員，主要從事制造業(yè)信息化、可視化仿真等研究