基于Web3D的虚拟实验实现技术的比较与分析

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基于Ｗｅｂ３Ｄ的

虚拟实验实现技术的比较与分析术

刘锴

（徐州师范大学信息传播学院，江苏徐州２２１００９）

摘要：近年来基于ｗｅｂ３Ｄ的虚拟实验成为网络教育研究中的热点问题，本文简要介绍了目前开发虚拟实验的几种Ｗｃｂ３Ｄ技术，以及国内外对基于Ｗｅｂ３Ｄ的虚拟实验的研究与应用现状，并对这几种

技术进行了比较和分析。

关键词：ｗｅｂ３Ｄ虚拟实验实现技术

中图分类号：Ｇ４３４文献标识码：Ａ文章编号：１６７３—８４５４（２００８）１７—００７５一０３

一、引言维平面世界，实现真正的三维立体网络世界、动态交互

近年来随着网络教育的兴起．实验教学逐渐成为影与智能感知。是计算机网络、多媒体技术与人工智能等响网络教育质量的重要因素之一。网络教育中师生双方技术的完美结合。与其他Ｗｅｂ技术语言相比，其语法简异地分离．学生几乎不可能亲自到校做实验，当地学习中单、易懂，学习相对容易。ＶＲＭＬ具有创建三维造型与场心的实验条件也难以满足实验要求，这严重影响了远程景的能力，并可以很好地实现交互效果，而且可嵌入Ｊａｖａ、学员的学习质量，导致理论与实践的分离。另外，一些学Ｊａｖａｓｃｒｉｐｔ等程序，使其表现力得到极大扩充。此外，ＶＲＭＬ校实验条件有限，而学生众多，导致实验课时开设不足，的文件容量小，适宜网络传输，还具有多媒体功能，其程学生的实验技能不强．而且有一些具有危险性、抽象性的序中可方便地加入声音、图像、动画等效果。

实验也难于开设。要解决以上问题，开发虚拟实验是较好国内外一些高等院校利用ＶＲＭＬ语言，已成功开发的途径之一。而现有的虚拟实验系统绝大多数是二维平了许多基于集成声音、图像及其它多媒体技术的ｉ维空面的，在真实感、交互性方面还有所欠缺。在需要表现一间的虚拟实验室。例如美国密西两比州立大学的ＴａＩｌａ些空间立体化的知识，如原子和分子的结构、分子的结合Ｍｚｏｕｇｌｌｉ、Ｓ．ＤａｖｉｓＨｅ而ｎｇ等人开发了名为ＷｅｂＴＯＰ的物过程、机械的运动时。三维的展现形式必然使学习过程形理虚拟实验室，该实验主要是帮助教师教学，学生学习物象化，学生更容易理解、接受和掌握。因此，近年来利用理中的波和光学。【－咳虚拟实验是综合运用了ＶＲＭＬ、Ｊａｖａ、Ｗｅｂ３Ｄ技术开发ｉ维虚拟实验已成为网络教育研究的ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ，以及ＶＲＭＬ的ＪａｖａＥＡｌ来实现的。中国农业热点问题。Ｗｅｂ３Ｄ是一个专业术语，通常指基于互联网大学的卢洁，游运华等人开发了基于ＶＲＭＬ技术的动物的任何三维图形技术。由于Ｗｅｂ３Ｄ技术目前有几十种之解剖虚拟实验。【习ｊ亥虚拟实验系统町以给学生提供一个身多，许多初学者在开发网络三维虚拟实验时，往往不知如临其境的学习环境，调动学生的学习积极性，帮助他们更何选择这些技术，造成了选择上的困惑。本文希望通过对好地掌握专业知识中的重点难点。

目前几种用于开发虚拟实验的Ｗｅｂ３Ｄ技术的介绍、分析２．基于）（３Ｄ技术的虚拟实验

和比较，能够为今后开发网络ｉ维虚拟实验的技术方案随着互联网技术的发展。ＶＲＭＬ在取得巨大成功的和实现方法提供一些参考。同时，也暴露出一些缺点。主要体现在：性能表现欠佳；代

二、几种基于Ｗｅｂ３Ｄ的虚拟实验实现技术概述码重用率不高；在不同播放器中效果不一致。因此。

１．基于ＶＲＭＩ．技术的虚拟实验Ｗｅｂ３Ｄ协会制定了一个替代ＶＲＭＬ的新标准：Ｅｘｔ朗ｓｉｂＪｅＶＲＭＬ（Ｖｉｒｔｕ８ｌＲｅａｌｉｔｙＭｏｄｅｌｉｎｇＬａＪｌｇｕａｇｅ）是一种虚拟３Ｄ（Ｘ３Ｄ），它整合了正在发展的ＸＭＬ、Ｊａｖａ、流媒体技术等现实建模语言，它的基本目标是建立互联网上的交互式先进技术，包括了更强大、更高效的３Ｄ计算能力、渲染质三维多媒体，它以互联网作为应用平台，作为构筑虚拟现量和传输速度。ｘ３Ｄ标准的发布结束了当前互联网３Ｄ实应用的基本构架。它的出现及其发展改变了网络的二图形的混乱局面。在统一的Ｘ３Ｄ基本框架下保证不同软

宰本项目得到徐州师范大学研究生科研创新计划项目基金资助（项目批准号：０８ＹＬＢ０４１）

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技术应用＜中国教育信息化》煽辑部：ｍｉｓ＠血∞．ｅｄｕ．姐

件厂家开发软件具有互操作性。它集成了最新的图形硬件技术，其可扩展性将使它能够为未来Ｗｅｂ３Ｄ图形技术提供最优秀的性能。

由于２００４年，Ｘ３Ｄ才成为新一代的Ｗｅｂ３Ｄ国标标准，目前基于Ｘ３Ｄ技术的虚拟实验还不多，这方面的研究才刚开始不久。如美国北达科他州州立大学考古学技术实验室利用Ｘ３Ｄ技术开发了一个名为ＯＮ—Ａ—ＳＬＡＮＴ的虚拟村庄。用于学生在去美国大草原地区探险之前，指导他们如何与当地的土著居民进行文化交流。１３１国内山东科技大学杨卫平等人用Ｘ３Ｄ技术开发的虚拟示波器应用实验。实现的虚拟仪器造型逼真、交互性强．网络传输速度快，显示效果良好。１４ｌ四川师范大学的刘洪也研究了基于Ｘ３Ｄ技术的虚拟化学实验。阁同济大学的周培聪开发了基于Ｘ３Ｄ技术的磁头场近磁隙场的模拟实验。阍３．基于Ｔａｖａ３Ｄ技术的虚拟实验

Ｊａｖａ３Ｄ是由ＳＵＮ公司在１９９８年年底正式推出。是Ｊａｖａ语言在三维图形领域的扩展。它由一组应用编程接口（ＡＰｌ）组成，并将Ｊａｖａ“一次书写，随处运行”的优点带给了三维图形程序，使得Ｊａｖａ３Ｄ能运行于多种平台。利用Ｊａｖａ３Ｄ的ＡＰＩ，可以编写出基于网贞的三维动画、各种计算机辅助教学软件和三维游戏等等。利用Ｊａｖａ３Ｄ编写的程序，只需要编程人员调用这些ＡＰＩ进行编程．而客户端只需要使用标准的Ｊａｖａ虚拟机就可以浏览．因此具有不需要安装插件的优点。Ｊａｖａ３Ｄ从高层次为开发者提供对三维实体的创建、操纵和着色。使开发工作变得极为简单。同时，Ｊａｖａ３Ｄ的低级ＡＰＩ是依赖于现有的ｉ维图形系统的，如Ｄｉｒｅｃｔ３Ｄ、０ｐｅｎＧＬ、ＱｕｉｃｋＤｒａｗ３Ｄ和ＸＧＬ等。Ｊａｖａ３Ｄ实现了三维显示能够用到的功能。如牛成简单或复杂的形体，使形体具有颜色、透明效果、贴图，具有行为的处理判断能力，使形体变形、移动、生成三维动画等。

目前国内．山东理工大学的葛文庆设计了一个基于Ｊａｖａ３Ｄ技术的工程制图课程虚拟实验系统，该系统实现了对实验影响因素的参数化控制和图形投影变换方法的控制，可帮助学生建立正确的形体概念、投影概念，易于对课程难点内容（如截交线、相贯线受各种因素影响的变化）加以理解。ｒ７ｌ可有效地克服传统工程制图实验教学的缺陷，有利于提高学生的图形认知能力和水平。另外，吉林大学、华中师范大学也在研究基于Ｊａｖａ３Ｄ技术的虚拟实验。

４．基于ＣｕｌｏＤ技术的虚拟实验

Ｃｕｌｔ３Ｄ是由瑞典的Ｃｖｃｏｒｅ公司推出的一种崭新的Ｗｅｂ３Ｄ技术，是应用于主流操作系统和应用程序的交互三维渲染软件，使用Ｃｕｌｔ３Ｄ技术。用户可以在线浏览、观察可交互的三维产品模型，仅仅通过鼠标点击，用户即可以翻转、缩放和平移Ｃｕｌｔ３Ｄ模型，从任何角度观察它，单击Ｃｕｌｔ３Ｄ对象中设置的交互区域可以开启或者关闭模型的部件或者播放音乐，语音解说等。Ｃｕｌｔ３Ｄ并不在语言上有所创新，而是利用现有的技术．采用跨平台的３Ｄ引擎，其目的是在网页上建立互动的３Ｄ物件。利用Ｃｕｌｔ３Ｄ技术制作出的３Ｄ立体产品交互能力强．采用流的形式，文件较小，效果较好。可以旋转，放大，缩小，体现真实的物体属性。特别是对于窄带网的应用．Ｃｕｌｔ３Ｄ是展示产品最好的解决方案之一．浏览Ｃｕｌｔ３Ｄ的文件只需在浏览器中安装一个插件，既可观看。同时Ｃｕｌｔ３Ｄ文件可以应用于网页Ｄｉ”ｅｃｔｏｒ、０ｍｃｅ文档、Ａｃｍｂａｔ文档以及支持ＡｃｔｉｖｅＸ开发语言的程序中。

基于Ｃｕｌｔ３Ｄ技术的虚拟实验，目前，国内已知有福建师范大学开发的虚拟光学实验１８ｊ，其分光计的ｉ维操作模型在网络浏览器中该模型可以任意翻转、任意分解。可以从任何角度对仪器进行观察，可以实际操作该仪器．同时给出提示。并设计了学生加入该实验室的虚拟身份，使用者可以如同加入游戏一样加入实验系统。以达到身ｌ临其境的感觉，该设计的引入为实验室的设备基本使用介绍提供了良好的解决方案，大大降低了实验设备中由于学生对设备的不熟悉而带来的设备损坏。另外还有吉林大学高等教育研究所利用Ｃｕｌｔ３Ｄ和ｎ鹊ｈ技术开发的一些大学物理虚拟实验，河南工业大学的朵天林开发的摄像机操作虚拟试验。

三、比较和分析

目前基于Ｗｅｂ３Ｄ的虚拟实验系统常见的四种实现技术比较见表ｌ。各种实现技术都有各自的优势。同时也

表１四种常见基于Ｗｅｂ３Ｄ技术的虚拟实验平台制作技术比较

Ｗｃｂ３ｄ技术浏览要求操作平台特点

访问方式基于Ｃ／ｓ模式，基于ＡｓＣＩＩ码的低带宽可行ｖＲＭＩ安装插件各种操作系统平台

性，实时３Ｄ着色引擎。可扩充性

安装应用程序如ｏｃ乜ｇａ、Ｘｊ３Ｄ‘诹ＭＬ的升级版。整合ｘＭＩ，统一了在不同播放器中

Ｘ３Ｄ各种操作系统平台

或安装插件，如ＢＳｃｏｎｃａｃｔ的操作，组件化。可移植性

封装了３Ｄ开发工具ｏＰｅｎＧＬ和Ｄｉｒｅｃｏ（，生成ａｐｐｌｅｔＪａｖａ３Ｄ安装Ｊａｖａ虚拟杌（ⅣＭ）各种操作系统平台

实现网络传输，跨平台运行。

基于Ｊ“ａ，文件量小，图像质量好，不需硬件支持，可用于ＣＩｌｌｔ３Ｄ安装插件Ｗｉｎ９ｘ／ＭＥ／ＮＴ／２０００／ＸＰ／Ｖｉｓ组／ＭａｃｏＳ

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７６中目麓青ｔ＿化／２００８．１７（＿赣职麓）