Flash三維可視化研究

◆趙欣 李敏智 黃艷麗

作者：趙欣、李敏智、黃艷麗，山東師范大學(xué)傳媒學(xué)院（250014）。

隨著Flash客戶端應(yīng)用領(lǐng)域的不斷增加，其簡(jiǎn)單的二維展示已經(jīng)不能滿足其巨大的市場(chǎng)需求，因此其二維可視化向三維可視化的發(fā)展成為亟待解決的問題。

1 ActionScript（簡(jiǎn)稱 AS）

AS是支持面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，它是Flash內(nèi)置的編程語(yǔ)言，并且在其環(huán)境中運(yùn)行，吸收了多種計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言特點(diǎn)。其具有內(nèi)容和程序的交互、數(shù)據(jù)綁定、數(shù)據(jù)編輯等功能。它可以為生動(dòng)形象的動(dòng)畫進(jìn)行腳本編程，可以制作出各種各樣逼真的動(dòng)畫高級(jí)特效，可以很好地控制編輯完成的動(dòng)畫影片，實(shí)現(xiàn)人性化的人機(jī)交互操作、與各種服務(wù)器的人性化“對(duì)話”功能。AS在其虛擬機(jī)上運(yùn)行。該腳本語(yǔ)言可以通過文本編輯器等軟件來進(jìn)行編譯，被編譯成的字節(jié)碼格式是一種計(jì)算機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制代碼格式，SWF文件中包含編譯完成的字節(jié)碼，該字節(jié)碼在Flash中運(yùn)行。

2 Flash技術(shù)框架

Flash是一款二維矢量動(dòng)畫設(shè)計(jì)與編輯軟件，支持流式媒體播放技術(shù)，可以在保證圖像不失真的前提下，邊下載邊觀看動(dòng)畫。同時(shí)所生成的FLA和SWF動(dòng)畫文件很小。該軟件內(nèi)容豐富，可以融合色彩、聲音、文字和腳本交互等元素，創(chuàng)造出驚人的動(dòng)畫編輯效果。設(shè)計(jì)人員可以利用腳本設(shè)計(jì)出不同類型的高水平的動(dòng)畫。Flash主要由AS虛擬機(jī)與圖形渲染引擎兩大部分組成。其中，前者負(fù)責(zé)執(zhí)行編譯后的AS字節(jié)碼，而后者則用來繪制顯示列表中的圖形對(duì)象。

顯示對(duì)象列表 在Flash運(yùn)行過程中，被渲染引擎渲染出來的屏幕中顯示的“樹”狀圖形對(duì)象被稱為顯示對(duì)象列表。如果顯示對(duì)象沒有在顯示對(duì)象列表中出現(xiàn)，那么它就不會(huì)出現(xiàn)在屏幕上。當(dāng)顯示對(duì)象從顯示列表中移出后，它就不能在屏幕上顯示。顯示對(duì)象列表是Flash中屏幕內(nèi)容的層次關(guān)系結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單說顯示對(duì)象其實(shí)就是AS腳本語(yǔ)言的內(nèi)部類。顯示對(duì)象列表是多個(gè)需要渲染的顯示對(duì)象的集合，顯示對(duì)象在被添加到顯示對(duì)象列表之前是不需要渲染的。顯示對(duì)象列表是一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)，樹的最上面是舞臺(tái)，囊括多個(gè)顯示對(duì)象。本身不是顯示對(duì)象容器的顯示對(duì)象不可以再包含顯示對(duì)象，但是原本就是顯示對(duì)象容器的顯示對(duì)象可能包含其他顯示對(duì)象或顯示對(duì)象容器。顯示對(duì)象的類遵循類的繼承規(guī)律，子類所有的方法和屬性由繼承父類而來。

Flash技術(shù)優(yōu)勢(shì) Flash可以作為瀏覽器插件運(yùn)行在瀏覽器中，與其他傳統(tǒng)技術(shù)相比較，具有比其他傳統(tǒng)的播放技術(shù)更多的優(yōu)點(diǎn)：跨多種平臺(tái)的瀏覽器；插件較小并且具有極大的市場(chǎng)占有率；具有優(yōu)美的界面效果和豐富的組件；Flex技術(shù)應(yīng)用是開源的并且獲得眾多的開源社區(qū)支持；強(qiáng)大的功能以及多種數(shù)據(jù)技術(shù)支持。

3 Flash三維圖形顯示原理

三維坐標(biāo)變換 在Flash三維圖形顯示中，幾何變換將圖形上的點(diǎn)作為基本元素進(jìn)行操作，它將原始圖形上的點(diǎn)作相應(yīng)的變換后，重新組合變換后的點(diǎn)，形成新的圖形。三維圖形的幾何變換都是以點(diǎn)為基本元素進(jìn)行的，把圖形的一系列定點(diǎn)作幾何變換后，變換后的新的點(diǎn)就重新組合成新的幾何圖形。幾何變換分為縮放、平移和旋轉(zhuǎn)變換三大類，這三類變換可以用齊次坐標(biāo)所給出的三維矩陣來表示。

齊次坐標(biāo)就是將n維的點(diǎn)或向量表示成n+1維，如三維點(diǎn)(x,y,z)的齊次坐標(biāo)為(mx,my,mz,m)。因此，同一個(gè)點(diǎn)和向量的齊次坐標(biāo)表示可以有多個(gè)，即取不同的m值對(duì)應(yīng)于同一個(gè)三維點(diǎn)。然而在三維幾何概念中，點(diǎn)與向量的齊次坐標(biāo)表示是不一樣的：最后一個(gè)代數(shù)分量為0的是三維向量，最后一個(gè)代數(shù)分量為1的是三維點(diǎn)。判斷一個(gè)齊次坐標(biāo)表示的是點(diǎn)還是向量，只需要看坐標(biāo)的最后一個(gè)代數(shù)式0還是1就可以。因此，普通坐標(biāo)向齊次坐標(biāo)進(jìn)行變換時(shí)，若是點(diǎn)，最后一個(gè)代數(shù)就直接寫1；若是向量，最后一個(gè)代數(shù)就直接寫0。從齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成普通坐標(biāo)時(shí)，直接去掉第四個(gè)坐標(biāo)變成普通坐標(biāo)。在文中涉及的幾何變換中，向量只有大小與方向，沒有位置概念。因此，平移變換變換的對(duì)象只能是點(diǎn)，縮放變換與旋轉(zhuǎn)變換變換的對(duì)象是點(diǎn)與向量。

這些齊次坐標(biāo)所給出的三維變換矩陣中存儲(chǔ)著用于變化的一系列數(shù)據(jù)，在此三維矩陣中，X軸、Y軸、Z軸的數(shù)據(jù)位于前三列。平移變換的數(shù)據(jù)在最后一列，縮放變換和旋轉(zhuǎn)變換的數(shù)據(jù)在前三列中，縮放因子居于前三列的對(duì)角線上。

投影變換 由于Flash是一個(gè)二維坐標(biāo)體系，要模擬三維立體效果就需要把三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成二維坐標(biāo)，這樣才能在二維坐標(biāo)系中顯示。而要實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換需要借助于投影變換。通過投影方式能將三維空間中的物體映射到二維屏幕，投影模式主要包括透視投影與平行投影倆大類。被透視物體成像的大小是根據(jù)物體離所觀察視點(diǎn)的遠(yuǎn)近而定的，透視投影更符合人類真實(shí)的視覺感受。

1）透視投影。從三維空間中選取的某個(gè)特定的投影中心與所觀察物體上的每一個(gè)點(diǎn)的連線匯聚成多條射線，這些射線和所選定的投影平面交點(diǎn)的集合就是被觀察物體的投影。透視投影的投影中心是在有限遠(yuǎn)處的。透視投影的特點(diǎn)是：不保持物體相關(guān)比例，被透視物體成像的大小是根據(jù)物體離所觀察視點(diǎn)的遠(yuǎn)近而定的，透視投影更為符合人類真實(shí)的視覺感受，能夠生成逼真的感視圖，遵循“近大遠(yuǎn)小”視覺規(guī)律。透視投影可以從投影中心、投影平面、投影方向等方面分析。

2）平行投影。保持所觀察物體大小比例不發(fā)生變化，投影中心距離在無(wú)限遠(yuǎn)處的投影是平行投影。投影的這種特點(diǎn)是三維圖形繪制中比例繪圖的一個(gè)重要方法，所觀察物體的精確繪制是通過平行投影獲得的。平行投影可以從投影方向、視平面、物體上面的某點(diǎn)投影到視平面上的坐標(biāo)等幾方面進(jìn)行分析。

紋理映射 將系統(tǒng)存儲(chǔ)的紋理模式由紋理空間轉(zhuǎn)換到屏幕空間的物體表面的過程被稱為紋理映射。其中紋理模式由一組紋理矩陣數(shù)據(jù)來表示，還能用來修飾被映射物體的光強(qiáng)度值。在三維圖形顯示中，紋理映射成為逼真圖形繪制的重要組成成分，應(yīng)用紋理映射可以舍棄物體的表面細(xì)節(jié)部分，快速繪制出逼真的圖形。如繪制一間室內(nèi)場(chǎng)景時(shí)，可以使用一幅拍攝完成的逼真的室內(nèi)全景照片作為紋理圖片貼到一個(gè)腳本編譯的球形模型上面，這樣，一間逼真的室內(nèi)場(chǎng)景就完成了。如果舍棄紋理映射的簡(jiǎn)單方法不用，室內(nèi)的每一面墻都要拆分為一個(gè)獨(dú)立的矩形分開繪制，無(wú)疑增加了繪制室內(nèi)場(chǎng)景的難度系數(shù)。

在Flash三維圖形顯示中，每個(gè)像素紋理的寬和高對(duì)應(yīng)一個(gè)紋理坐標(biāo)，這些紋理坐標(biāo)沿著UV坐標(biāo)被映射到[0,1]范圍內(nèi)，這個(gè)過程叫做UV映射，坐標(biāo)為UV坐標(biāo)。當(dāng)繪制一個(gè)多邊形時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)計(jì)算出三角形中每個(gè)頂點(diǎn)的UV坐標(biāo)，這些坐標(biāo)決定在渲染時(shí)如何將一張紋理應(yīng)用到多邊形上。■

[1]張學(xué)軍,唐久磊,魏江明.基于Flash3D的中學(xué)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電化教育研究,2014(1):79-84.

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