[论文分享]利用Web3D技术开发基于Web的虚拟实验环境

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利用web3D技术开发基于Web的虚拟实验环境



【摘要】Web3D技术是基于互联网的３Ｄ图形渲染技术。目前，网页的大多数动画都是以flash为主导的2D动画，但随着Web3D技术的进步，网络带宽的快速增长，相信网页上的3D图形动画应用会出现不断丰富与繁荣的局面。本文试图讨论Web3D的主要关键技术，并介绍我们在开发基于Ｗｅｂ的虚拟仿真实验环境时所采用的技术思路和方案。

【关键词】虚拟实验环境；Web3D；vrml;X3D；Wirefusion

【中国分类号】Ｇ４２４．３１

【文章标识码】Ａ

【文章编号】ｌ００８—７６镐（２００７）０１一∞４９一０





一、研究背景



２００６年７月北京电大设备与实验中心承担了北京市教委的“基于Web的路由器配置虚拟仿真实验环境研究与实现”科研项目。该项目拟利用Web3D技术开发基于互联网的虚拟仿真实验环境。



Web3D技术可以理解为基于互联网的三维图形渲染技术，它实际上是虚拟现实技术在互联网中的应用，因此又与虚拟现实技术有着直接的联系。虚拟现实技术是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成逼真的三维虚拟环境。进入虚拟空间的使用者可以感知和操作虚拟世界中的各种对象，进行实时交互，从而获得身ｌ临其境的感受和体会。



按复杂程度划分，虚拟系统分为沉浸级和桌面级两种。沉浸级虚拟系统比较复杂，使用者必须配戴头盔、数据手套等传感跟踪装置，才能与虚拟世界进行交互。由于这种系统可以将使用者的视觉、听觉与外界隔离，用户可排除外界干扰，全身心地投入到虚拟现实中去，完全沉浸到虚拟世界中。但系统设备价格昂贵，难以普及。桌面级虚拟现实系统由一台普通计算机组成，使用者通过键盘、鼠标便可与虚拟环境进行交互，感受虚拟场景。其结构简单、价格低廉，易于推广。



在教育领域，虚拟现实技术具有广泛的作用和影响。亲身经历、亲身感受比抽象的说教更具说服力。主动的交互与被动的观看，有质的差别。如何将虚拟现实技术应用于实验教学，为学生提供一个形象逼真、可以进行交互操作的虚拟仿真实验环境是我们研究的方向。



二、需求分析



我们力图开发的虚拟系统的使用者是分布在北京市各城郊区县的北京电大学生。系统建立的目标是为学生提供一个虚拟仿真实验平台，使他们能够通过互联网完成中央电大教学大纲所规定的实验内容，尽量减少由于时间、地点、实验场地和设备所造成的制约。



因此系统应是简单的桌面级虚拟系统，学生使用普通个人电脑便可以通过互联网访问虚拟仿真实验服务器，进入虚拟仿真环境。此外，为降低学生所使用的客户端计算机的软件配置要求，实验者应该只需使用Web浏览器便可进入虚拟环境，一般无需下载、安装其它应用软件。虚拟仿真实验服务器应能实时响应用户的操作，从而与客户端实现交互。



内容方面，系统应该把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体。



根据需求分析我们认为，利用Web3D技术开发基于Web的虚拟实验环境是一种合理的技术选择。



三、Web3D相关技术简介



Web3D是上世纪90年代末期出现的互联网三维图形渲染技术。在它的发展过程中，出现了一系列标准、技术、产品和应用。以下简要说明几种主要关键技术：１．vrml一互联网3D图形的开放标准现在的绝大部分网页实际上都是ＨＴＭＬ文本，但是ＨＴＭＬ并不支持三维造型和动画。为了满足互联网上三维应用需求，1996年VRML1.0应运而生。ＶＲＭＬ的全称为Virtual Reality ModelingLanguage，是因特尔上基于Web的具有交互性的虚拟现实建模语言，用来描述3d场景中的几何对象的尺寸、形状、色彩、材质、灯光、动画及其交互操作。其应用范围极广：工程和科学可视化、多媒体、娱乐游戏、互联网3D图形、教育和虚拟社区等。1997年４月经国际标准化组织ＩＳＯ审议通过，VRML成为国际标准。与HTML相同，vrml文件也可以用文本编辑器进行编辑，也可以作为标记嵌入到普通ＨＴＭＬ文件中。以下是一个简单的VRML文件示例。该文件在ＩＥ浏览器上的显示效果如图ｌ。





２．互联网3d图形实时渲染引擎ｗｅｂ浏览器是专门为HTML文件而设计的，并不支持ＶＲＭＬ标准。为了能在流行的ｗｅｂ浏览器上直接运行具有３Ｄ效果的ＶＲＭＬ文件，许多互联网3D图形软件厂商开发了多种插件。这些插件就是实时渲染引擎，其作用是：解释并翻译实时场景模型文件的语法，实时渲染从服务器端传来的场景模型文件，在网页访问者的客户端逐帧、实时地显示3D图形。用户在观看３Ｄ场景前要先下载实时渲染引擎并安装在ＩＥ浏览器上。实时渲染引擎的大小、图形渲染质量、渲染速度、如：图１中的IE浏览器已经安装了俄罗斯Ｐａｒａｌｌｅｌ－ｇｒａｐｈｉｃｓ公司的ｃｏｎｏｎａＶＲＭＬ实时渲染引擎。



插件大小1.33M，图形质量较好。在交互性方面，该插件支持通过鼠标拖动控制３Ｄ对象完成位移、旋转等操作，此外还提供了１３个交互按钮，丰富了实时交互方式。



３．新一代互联网３Ｄ图形的标准——X3D１９９７年以后，由于用户对互联网3D图形的需求并不急切，加之网络带宽瓶颈以及vrml技术本身过于庞大等原因，ＶＲＭＬ技术的进展远没有达到预期。与此同时，3D图形界出现了很多新的技术，这些技术并没有完全遵循vrml97的标准，相反它们拥有自己的开发软件和渲染引擎。为了改进和发展vrml，1998年vrml联盟改名为Web3D联盟并由此提出了Web3D的概念。2000年春，Web3D联盟完成了vrml到x3d的转换。x3d整合正在发展的可扩展标记语言xml（ＥｘｔｅｎｓｉｂｌｅＭａｒｋｕｐＬａｎｇｕａｇｅ）、java、流技术等先进技术，使其具有更高的渲染质量、更快的传输速度、更强３Ｄ计算能力。使用ｘＭＬ语法，这就意味着x3d是可扩展的，任何开发者可以根据自己需求扩展其功能。x3d与vrml97向后兼容，即x3d能提供标准vrml97浏览器的全部功能。x3d的主要任务是把vrml的功能封装到一个轻型的，可扩展的核心之中。



４．三维场景建模技术vrml、X3d语言的文件可以用任何文字编辑程序代码。以VRML为例，用windows中的记事本就能编辑ＶＲＭＬ三维场景模型文件（其扩展名是．ｗｄ）。但手工书写．ｗｒｌ文件是非常繁琐而复杂的工作，对于大型场景模型几乎是不可能的。为了制作复杂的Web3D图形的场景模型通常借助传统的专业三维建模软件，如3dsmax、maya等。以使用3DSMAX）【编辑ＶＲＭＬ文件为例，其基本步骤是：首先利用３ｄｓＭａｘ强大的建模功能构造场景模型，然后借助预先安装到３ｄｓＭ娃中的输出插件，将场景模型导出为符合ＶＲＭＬ９７标准的．ｗｄ文件。针对网线制作这一主题，我们制作了试验性场景。该场景用３ｄｓＭａｘ建模，导出为．ｗｄ文件后，可以在浏览器中运行。图２是该场景在ＩＥ浏览器中的显示效果。当然，许多互联网３Ｄ图形软件厂商都有自己的文件格式和相应的实时渲染插件，同样，也有它们自己的3D制作工具。





５．Ｊａｖａ３Ｄ技术Ｊａｖａ以其平台无关性在互联网上显示出强大的影响力。同样，ｓｕｎ公司对互联网３Ｄ图形应用也给予了高度关注。Ｊａｖａ３Ｄ就是ｓｕｎ公司提供的用来开发三维图形和开发基于Ｗｅｂ的３Ｄ应用程序（ａｐｐｌｅｔ）的编程接口，它与ＯｐｅｎＧＬ、Ｄｉｒｅｃｔ３Ｄ，在软件等级上处于同一级。通过调用Ｊａｖａ３Ｄ提供的ＡＰＩ可以在应用程序中定义几何实体、材质、纹理、灯光和动画，从而构造具有实时交互能力的三维虚拟场景。



使用Ｊａｖａ的重要理由之一是平台无关性。Ｊａｖａ虚拟机（ＪＶＭ）对于实现平台无关性是必不可少的。Ｊａｖａ应用程序以字节流的形式从服务器下载到本地计算机，然后由ＪＶＭ完成对Ｊａｖａ应用程序的解释执行。不同的平台有它自己ＪＶＭ，处理与平台相关的功能。因此，只要支持ＪｖＭ，就能运行Ｊａｖａ小程序。两种最有名的浏览器Ｎｅｔｓｃａｐｅ和ＩＥ都支持ＪＶＭ。所以，用Ｊａｖａ制作的３Ｄ图形几乎都可以在上述浏览器上显示，无需象ＶＲＭＬ那样在浏览器中安装插件才能渲染。但是，微软宣布在它的ｗｉｎｄｏｗｘＰ中不再预装ＪＶＭ，其目的是否出于商业竞争我们不得而知，但由此引起的麻烦是在ｗｉｎｄｏｗｓＸＰ中要运行基于Ｊａｖａ的应用，就必须下载安装ＪＶＭ，这显然不比安装一个插件更简单。



四、工程技术方案的选择



目前，Web3D处于战国时代。flash作为２Ｄ动画在互联网上的成功的关键是只有唯一的技术和标准。而现在的Web3D图形领域却有几十种可供选择的技术和解决方案，多种文件格式和渲染引擎的存在是Web3D图形在互联网上应用的最大障碍。



ＶＲＭＬ标准已近退潮，而ｘ３Ｄ标准能否独挑大梁却尚存疑问。虽然ｘ３Ｄ是一个成熟的标准，得到许多有影响力的企业和大学的支持。但曾经参与ｘ３Ｄ标准研究的硬件巨头Ｉｎｔｅｌ公司却告退出，并于２００２宣布单独成立Web3D／ｃＡＤ工作组，目的在于建立一个统一、开放的文件格式，用于在Web上显示实时的３Ｄ图形。无独有偶，软件巨头微软也许同样是出于商业利益的考虑，迟迟未对ｘ３Ｄ表态。目前还看不出谁能一统天下。



选择技术方案时，通常要考虑是否是主流技术，是否代表发展方向。但面对这样的尴尬局面也许不该过多地去纠缠谁能最后胜出，毕竟工程方案要以需求为核心，要更多地把精力放在比较技术的短长、拿捏实现的技术难度和成本上。



经过比较我们发现，ＶＲＭＬ是一种过时的标准，运行需要安装插件，界面也比较乏味。ｘ３Ｄ是新的Ｗｅｂ３Ｄ标准，但开发工具尚不丰富。Ｊａｖａ３Ｄ程序设计层次较低，编程较复杂。最终我们选择了ｗｉｒｅＦｕｓｉｏｎ。



ＷｉｒｅＦｕｓｉｏｎ是瑞典Ｄｅｍｉｃｍｎ公司提供的互联网３Ｄ图形开发软件。它基于Ｊａｖａ技术，用可视化的方式完成ｗｅｂ３Ｄ场景中的交互动作设计，支持ｘ３Ｄ、ＶＲＭＬ标准，可以将ｘ３Ｄ、ＶＲＭＬ转换成Ｊａｖａ３Ｄ对象。借助ｗｉｒｅＦｕｓｉｏｎ，可以利用ＶＲＭＬ、ｘ３Ｄ在三维造型方面的优势，结合Ｊａｖａ３Ｄ、Ｊａｖａ在交互性方面具有的特长，构造交互式３Ｄ虚拟环境。



需要说明的是，ＷｉｒｅＦｕｓｉｏｎ无法独立完成整个虚拟环境的建设工作。开发人员必须首先深入理解ＶＲＭＬ或ｘ３Ｄ，同时还必须能够熟练使用３ｄｓＭａｘ等三维建模工具。这是使用ｗｉｒｅＦｕｓｉｏｎ的前提条件。



五、如何使用ｗｉｒｅＦｕｓｉｏｎ开发虚拟环境



ｗｉｒｅＦｕｓｉｏｎ是采用Ｊａｖａ３Ｄ技术的可视化开发工具，但它本身并不具备３Ｄ建模能力，不能单独完成３Ｄ虚拟环境的构建工作，其主要功能是为各３Ｄ对象设计交互相应动作。可以将ＷｉｒｅＦｕｓｉｏｎ理解为ｗｅｂ３Ｄ领域的“后期制作”软件。以下将讨论使用ｗｉｒｅＦｕｓｉｏｎ构造交互式３Ｄ虚拟环境的主要工作步骤、文件格式转换和工作机制三个问题。



１．主要工作步骤依据主题设计场景；使用３Ｄ造型软件构造３Ｄ场景；将３Ｄ场景导出为ｘ３Ｄ或ＶＲＭＬ文件格式；将ｘ３Ｄ或ＶＲＭＬ文件导入ｗｉｒｅＦｕｓｉｏｎ工程；在ＷｉｒｅＦｕｓｉｏｎ中，用可视化的方法进行动作设计；发布ＷｉｒｅＦｕｓｉｏｎ工程，生成ＪａｖａＡｐｐｌｅｔ及相关的Ｈｔｍｌ、ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ文件。



２．ＷｉｒｅＦｕｓｉｏｎ的文件格式转换



上述步骤Ｄ的技术本质是将ｘ３Ｄ或ＶＲＭＬ文件转换为ｗ３Ｆ文件。



ｗｉｒｅＦｕｓｉｏｎ采用基于Ｊａｖａ的ｗ３Ｆ文件格式来描述３Ｄ场景。将ｘ３Ｄ或ＶＲＭＬ文件导人ｗｉｒｅＦｕ８ｉｏｎ工程，实际上是将ｘ３Ｄ或ＶＲＭＬ场景、节点、域等元素转换成Ｊａｖａ的类。



例如：在ＷｉｒｅＦｕｓｉｏｎ中，用ＷＦ３ＤＳｃｅｎｅ类表示ｘ３Ｄ、ＶＲＭＬ中的场景图（ＳｃｅｎｅＧｍｐｈ）。ｗＦ３ＤＳｃｅｎｅ类中包含一系列节点，相当于根结点。



．用ｗＦ３ＤＮｏｄｅ类的实例来表示ｘ３Ｄ、ＶＲＭＬ中的节点（Ｎｏｄｅ８）



．用ＷＦ３ＤＦｉｅｌｄ类的实例来表示ｘ３Ｄ、ＶＲＭＬ中的域（Ｆｉｅｌｄｓ）。



３．ＷｉｒｅＦｕｓｉｏｎ的工作机制



ｗｉｒｅＦｕｓｉｏｎ的主要工作在步骤Ｅ中完成，即用可视化的方法进行交互动作设计。



ＷｉｒｅＦｕｓｉｏｎ采用消息传递和事件驱动的方式处理３Ｄ场景中各对象的互动关系。场景中的每个对象都有特定的出事件和人事件。出事件是产生事件的逻辑输出端，是对象向外界报告自身状态改变的出口；人事件是对象接收事件的逻辑接受器，会导致对象的状态发生改变。一对出、入事件构成一个完整的事件路由。



图３在wirefusion中设置事件路由



图３是一个在ＷｉｒｅＦｕｓｉｏｎ中编辑３Ｄ场景事件路由的示例。图中共有６个不同的对象，分别为３Ｄ场景“３Ｄ１”，动画“Ａ１”以及四个按钮“ｕｐ”、“Ｄｏｗｎ”、“ｋｆｔ”和“Ｒｉｇｈｔ”。还有６条事件路由（１～６），其出、人事件如表１。



分析图３和表１不难想象该３Ｄ场景的交互动作。当鼠标单击四个按钮中的某一个时，场景会相应产生上下左右的位移。当在场景中的特定点按下鼠标时，三维动画开始播放。



在ｗｉｒｅＦｕｓｉｏｎ中对这些事件路由进行设置都是以可视化的方式进行的，每一条事件路由都对应一条线，这也正是软件名称“ＷｉｒｅＦｕｓｉｏｎ”中“Ｗｉｒｅ”的含义所在，由此可见事件路由的设置在ｗｉｒｅＦｕ８ｉｏｎ中的重要地位。



我们的设计目标是将实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体。而ｗｉｒｅＦｕｓｉｏｎ制作的３Ｄ场景能够很容易的在普通２Ｄ网页上发布，这一点对我们来说是十分重要的。将知识要点、题库、帮助等文本、图片素材与３Ｄ虚拟场景有机融合，相信一定能获得很好的教学效果。



五、总结



在构造基于Ｗｅｂ的虚拟仿真实验环境的过程中，首要任务是深入理解实验内容，并结合学生的认知心理和学习特点，设计合理、逼真、美观的实验场景。使三维场景能够体现教学意图，满足学生的需要。这一步工作是重中之重。完成场景设计后，应使用３ｄｓＭａ】【、Ｍａｙａ的专业３Ｄ造型软件完成建模，并导出为ｘ３Ｄ或ＶＲＭＬ文件。



然后将ｘ３Ｄ或ＶＲＭＬ文件导人ｗｉｒｅＦｕｓｉｏｎ，完成交互动作的制作，生成ＪａｖａＡｐｐｌｅｔ小程序。



最后完成网页设计，将３Ｄ虚拟实验场景与文本、图片等２Ｄ网页元素结合在一起，为学生提供一个丰富、逼真、可交互的实验环境，使他们通过互联网，仅使用浏览器就能超越时间、空间的制约完成实验操作，加深对所学知识的理解。



目前，Web3D面临着需求不旺盛、标准不统一和网络带宽有限等问题的困扰，其发展远比想象中的困难。但“食欲是在咀嚼中产生的”，随着新的应用的不断出现，相信越来越多的用户会对更逼真、能交互的Web3D感兴趣，相应的技术也会越来越成熟。



【参考文献】



［１］刘运增：“互联网上的３Ｄ图形技术——Web3D＇’，《计算机与网络》，第ｌＯ期，２００３／０５／２６

［２］刘运增：“Web3D——图形技术革命的中心”，《计算机世界报》，２００５［３］黄文丽：《ＶＲＭＬ语言人门与应用》，中国铁道出版社，２００３年９月第１版［４］黄心渊：《虚拟现实技术与应用》，科学出版社，１９９９年７月第ｌ版



本项研究得到了北京市教委２００６年高等学校教育教学改革立项项目“基于ｗｅｂ的路由器配置虚拟仿真实验环境研究与实现”的支持，谨此致谢。



作者简介：李笑涛，北京广播电视大学设备与实验中心，工程师，研究方向计算机应用；唐士亮，北京广播电视大学设备与实验中心，工程师，研究方向计算机应用；万迪文，北京广播电视大学继续教育学院，讲师，研究方向计算机应用。



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