Web3D技术简介

的发展-X3D标准 三、web3d的发展 的发展 标准
随着网络和计算机的发展，基于 随着网络和计算机的发展，基于Web的虚拟现实应用技 的虚拟现实应用技 术也在日趋活跃。一些独立厂商开发出了自己的Web3D解 术也在日趋活跃。一些独立厂商开发出了自己的 解 决方案，这些实现技术面向不同的应用需求 面向不同的应用需求， 决方案，这些实现技术面向不同的应用需求，并没有完全遵 标准， 循VRML标准，但在渲染速度，图像质量，造型技术，交互 标准 但在渲染速度，图像质量，造型技术， 性以及数据的压缩与优化上都有胜过VRML之处。 性以及数据的压缩与优化上都有胜过 之处。 之处 1998年VRML组织更名为 组织更名为Web3D组织。 组织。 年 组织更名为 组织 2002年7月，web3d组织发布了可扩展 （X3D）标准 组织发布了可扩展 年 月 组织发布了可扩展3D（ ） 草案，是虚拟现实建模语言（ 草案，是虚拟现实建模语言（VRML）的后续产品，是用 ）的后续产品， XML语言表述的。X3D的主要任务是把 语言表述的。 的主要任务是把VRML的功能封装到 语言表述的 的主要任务是把 的功能封装到 一个轻型的，可扩展的核心之中， 一个轻型的，可扩展的核心之中，开发者可以根据自己的需 扩展其功能。 求，扩展其功能。
引 言
虚拟现实概念
虚拟现实（ 虚拟现实（Virtual Reality）技术是一种逼真地模拟人在 ） 自然环境中的视觉、听觉、运动等行为的人机界面技术。 自然环境中的视觉、听觉、运动等行为的人机界面技术。 技术及其在工程图学教学中的应用， 【Web3D技术及其在工程图学教学中的应用，工程图学学报】 技术及其在工程图学教学中的应用 工程图学学报】 该技术综合了计算机图形系统和各种显示、 该技术综合了计算机图形系统和各种显示、控制等接口设 是一种可提供沉浸感觉和交互操作的计算机三维技术。 备，是一种可提供沉浸感觉和交互操作的计算机三维技术。20 世纪80年代 美国VPL公司的创始人 年代， 公司的创始人Jaron Lanier 最早提出了 世纪 年代，美国 公司的创始人 虚拟现实”这一概念，它以“ 为主要特征的综合性信息技 “虚拟现实”这一概念，它以“3I”为主要特征的综合性信息技 指的是沉浸（ ），交互 术，“3I”指的是沉浸（Immersion），交互（Interaction）， 指的是沉浸 ），交互（ ）， 构想（ 构想（Imagination）。 ）。
实时渲染就是每一帧都不假设任何条件，都是针对当时实际的光源， 实时渲染就是每一帧都不假设任何条件，都是针对当时实际的光源，相机和 材质参数进行光照计算——常见的 常见的D3D,OPENGL的光照计算。 的光照计算。 材质参数进行光照计算 常见的 的光照计算 预渲染一般是固定光源，和物体的材质参数，通过其他的辅助工具， 预渲染一般是固定光源，和物体的材质参数，通过其他的辅助工具，把光源 对物体的光照参数输出成纹理贴图，在显示的时候不对物体进行光照处理， 对物体的光照参数输出成纹理贴图，在显示的时候不对物体进行光照处理，只进 行贴图计算 。
(1) 沉浸 是指用户借助各类先进的传感器进入虚拟环境之后， 是指用户借助各类先进的传感器进入虚拟环境之后，由 于他所看到的、听到的、感受到的一切内容非常逼真，因此， 于他所看到的、听到的、感受到的一切内容非常逼真，因此， 他相信这一切都“真实”存在， 他相信这一切都“真实”存在，而且相信自己正处于所感受 到的环境中。 到的环境中。 (2) 交互 是指用户进入虚拟环境后， 是指用户进入虚拟环境后，不仅可以通过各类先进的传 感器获得逼真的感受， 感器获得逼真的感受，而且可以用自然的方式对虚拟环境中 的物体进行操作。如搬动虚拟环境中的一个虚拟盒子， 的物体进行操作。如搬动虚拟环境中的一个虚拟盒子，甚至 还可以在搬动盒子时感受到盒子的重量。 还可以在搬动盒子时感受到盒子的重量。 (3) 构想 是由虚拟环境的逼真性与实时交互性而使用户产生更丰 富的联想，它是获取沉浸感的一个必要条件。 富的联想，它是获取沉浸感的一个必要条件。
Web3D技术的昨天、今天和明天 技术的昨天、 技术的昨天
主要内容
一、Web3D的概念 的概念 二、Web3D的起源 的起源 三、Web3D的发展 的发展 四、Web3D的应用 的应用 五、Web3D的实现技术 的实现技术 六、Web3D的典型开发技术 的典型开发技术 七、Web3D的未来 的未来
X3D整合了正在发展的 整合了正在发展的XML、JAVA、流技术等先进 整合了正在发展的 、 、流技术等先进 技术，包括了更强大、更高效的3D计算能力 计算能力、 技术，包括了更强大、更高效的 计算能力、渲染质量 和传输速度，以及对数据流强有力的控制， 和传输速度，以及对数据流强有力的控制，多种多样的交 互形式。 标准的发布， 互形式。X3D标准的发布，为Web3D图形的发展提供了 标准的发布 图形的发展提供了 广阔的前景。 广阔的前景。 2002年，正式发表 标准及相关3D浏览器 年 正式发表X3D标准及相关 浏览器。由此， 标准及相关 浏览器。由此， 虚拟现实技术进入了一个崭新的发展时代。 虚拟现实技术进入了一个崭新的发展时代。
Web3D与本机的 图形技术的主要差别在于： 与本机的3D图形技术的主要差别在于 与本机的 图形技术的主要差别在于：
实时渲染性更强， ① 实时渲染性更强，它是由渲染引擎进行实时渲染从而 实时显示的，而本机的3D图形多数采用预渲染 图形多数采用预渲染。 实时显示的，而本机的 图形多数采用预渲染。 交互性更强， 主要注重实时显示和动态交互， ② 交互性更强，Web3D主要注重实时显示和动态交互， 主要注重实时显示和动态交互 正是因为实时渲染，使得交互性变得更强。 正是因为实时渲染，使得交互性变得更强。 优化和压缩能力更强， 强调网上远程传输， ③ 优化和压缩能力更强，Web3D强调网上远程传输，由 强调网上远程传输 于网络带宽的限制， 于网络带宽的限制，文件必须经过优化和压缩以保证用户端 快速下载。 快速下载。 说明： 说明：
四、Web3D的应用 的应用
Web3D目的就是在网络上实现实时三维模型的浏览， 目的就是在网络上实现实时三维模型的浏览， 目的就是在网络上实现实时三维模型的浏览 并可以实现动态效果和实时交互。 并可以实现动态效果和实时交互。它的提出是直接针对网络 所以应用领域非常广泛。 的，所以应用领域非常广泛。 Web3D有着独特的技术特色，它以较低的成本获得一 有着独特的技术特色， 有着独特的技术特色 定程度的虚拟现实体验，它在立体空间的展示 立体空间的展示， 定程度的虚拟现实体验，它在立体空间的展示，立体物体的 展示，展品的介绍，虚拟空间的营造与构建， 展示，展品的介绍，虚拟空间的营造与构建，虚拟场景的构 等方面有着作独特的优势。 造等方面有着作独特的优势。目前这种非沉浸式的网络虚拟 现实系统Web3D技术在电子商务、远程教育、计算机辅助 技术在电子商务、 现实系统 技术在电子商务 远程教育、 设计、工程训练、娱乐游戏业、企业和虚拟现实展示、 设计、工程训练、娱乐游戏业、企业和虚拟现实展示、虚拟 社区等领域已经获得了广泛的应用 等领域已经获得了广泛的应用， 社区等领域已经获得了广泛的应用，并取得了许多可喜的研 究成果。 究成果。
二、Web3D的起源 的起源
1.VRML的产生 的产生
Web3D最早可追溯到 最早可追溯到VRML（Virtual Reality 最早可追溯到 （ Modeling Language，即虚拟现实建模语言）。 ）。VRML最 ，即虚拟现实建模语言）。 最 初是由Mark Pesce构想出来的，他期望在 构想出来的， 初是由 构想出来的 他期望在Web上三维图形 上三维图形 有标准可循。 有标准可循。1993年，由Mark Pesce 和Tony Parisi开发 年 开发 了一个称为Labyrinth（迷宫）的浏览器，这是 了一个称为 （迷宫）的浏览器，这是WWW上3D 上 浏览器的雏形。 月首届WWW国际会议上将 国际会议上将VRML 浏览器的雏形。1994年3月首届 年 月首届 国际会议上将 术语定义为用于在Web上的三维实现语言。VRML语言的出 上的三维实现语言。 术语定义为用于在 上的三维实现语言 语言的出 现使得虚拟现实技术得以应用于互联网络， 现使得虚拟现实技术得以应用于互联网络，从而揭开了 Web3D的发展序幕。 的发展序幕。 的发展序幕
2. VRML的发展 的发展
VRML1.0版草案在1994年10月的第二届 版草案在 月的第二届WWW大会上 年 月的第二届 大会上 被制定， 有一定的局限性， 成像速度慢， 被制定，VRML1.0有一定的局限性，它存在成像速度慢，不 有一定的局限性 它ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ在成像速度慢 能进行并行处理，限制灯光范围等缺点； 能进行并行处理，限制灯光范围等缺点；特别是它不允许移 动物体，使得所创建的世界是静止不动的。 动物体，使得所创建的世界是静止不动的。 规范于1996年8月发布，VRML2.0以SGI 年 月发布， 以 VRML2.0规范于 规范于 月发布 （Silicon Graphics Inc，公司名称）的动态境界提案为基 ，公司名称） 相对于VRML1.0而言其交互性、碰撞检测等功能上都有 而言其交互性 础，相对于 而言其交互性、 很大改善和提高。 很大改善和提高。 1997年12月VRML作为国际标准正式发布，并于 作为国际标准正式发布， 年 月 作为国际标准正式发布 并于1998 。它是 经 年1月获得 月获得ISO批准，通常成为VRML97。它是VRML2.0经 批准，通常成为 月获得 批准 过编辑修订和少量功能性调整后的结果。作为ISO/IEC国际 过编辑修订和少量功能性调整后的结果。作为 国际 标准， 的稳定性得到了保证， 标准，VRML的稳定性得到了保证，并在随后推动了一批 的稳定性得到了保证 Internet上交互式三维应用的迅速发展。 上交互式三维应用的迅速发展。 上交互式三维应用的迅速发展
Web3D技术属于桌面级的非沉浸式虚拟现实，由于会 技术属于桌面级的非沉浸式虚拟现实， 技术属于桌面级的非沉浸式虚拟现实 受到周围现实环境的干扰， 受到周围现实环境的干扰，用户不能完全的沉浸在虚拟现 实环境中，因而真实感体验相对较差， 实环境中，因而真实感体验相对较差，但是这种虚拟现实 投入比较少， 技术的投入比较少 对于硬件的要求相对较低， 技术的投入比较少，对于硬件的要求相对较低，一般不借 助于传感设备，也不强求用户的沉浸感，而是注重在 注重在Web 助于传感设备，也不强求用户的沉浸感，而是注重在 上实现三维图形的实时显示和动态交互， 上实现三维图形的实时显示和动态交互，因而应用范围比 较广泛。 较广泛。
一、 Web3D的概念 的概念
Web3D技术是虚拟现实技术的一种实现形式。 技术是虚拟现实技术的一种实现形式。 技术是虚拟现实技术的一种实现形式 它是指基于Internet、依靠软件技术来实现的桌面级 它是指基于 、依靠软件技术来实现的桌面级 虚拟现实技术。 虚拟现实技术。 Web3D技术可以简单的看成是 Web3D技术可以简单的看成是Web技术和3D技 技术可以简单的看成是Web技术和 技术和3D技 术的结合，实际上就是本机的3D图形技术向互联网 术的结合，实际上就是本机的 图形技术向互联网 的扩展，其本质特征为：三维性、网络型和互动性。 的扩展，其本质特征为：三维性、网络型和互动性。
虚拟现实技术系统主要包括三个部分: 虚拟现实技术系统主要包括三个部分 (1) 输入输出设备，如头盔式显示器、立体耳机、头部跟 输入输出设备，如头盔式显示器、立体耳机、 踪系统以及数据手套； 踪系统以及数据手套； (2) 虚拟环境及其软件，用以描述具体的虚拟环境等动态 虚拟环境及其软件， 特性、结构以及交互规则等； 特性、结构以及交互规则等； (3) 计算机系统以及图形、声音合成设备等外部设备。 计算机系统以及图形、声音合成设备等外部设备。 用户在封闭的BOOM或CAVE环境中佩戴头盔显示器或数 用户在封闭的BOOM或CAVE环境中佩戴头盔显示器或数 据手套，通过和虚拟世界的交互获得身临其境的感觉， 据手套，通过和虚拟世界的交互获得身临其境的感觉，从而 最终达到“沉浸其中，超越其上，出入自然”的理想境界。 最终达到“沉浸其中，超越其上，出入自然”的理想境界。 汪成为等.灵境 虚拟现实）技术的理论、实现及应用[M]. 灵境（ 【汪成为等 灵境（虚拟现实）技术的理论、实现及应用 北京：清华大学出版社.1996.1-20】 北京：清华大学出版社 】