基于Web3D的网上三维地球

基于Web3D的网上三维地球科学博物馆构建研究
摘要：梳理了Web3D主流技术，分析了网上三维博物馆构建流程。

以石家庄经济学院地球科学博物馆开发为例，基于建模工具AutoCAD和3ds Max进行场景、实体建模和贴图、灯光、烘焙渲染处理，利用VRMLPad进行模型优化；基于VRML和Java3D实现场景漫游交换控制，利用Applet实现网上发布与展示。

详细地介绍了运用多种混合技术设计和开发网上三维博物馆系统的方法和过程。

关键词：三维博物馆；虚拟技术；3ds Max；Java3D；地球科学0引言
虚拟现实技术（Virtual Reality）是集计算机技术、通讯技术、仿真技术、教育技术等为一体的复合技术，其突出特征是3I，即Immersion（沉浸）、Interactive（交互）和Imagination（想象）。

目前虚拟现实技术在虚拟实验室建设、科技探索、航空航天、远程教育、电子商务、医学、娱乐、图书馆、文物保护等应用领域已经得到了广泛应用。

Web3D是基于网络的3D图形实时渲染技术，它使人们能够在网络空间中通过普通的浏览器、键盘和鼠标与虚拟环境进行交互。

网上三维博物馆是使用Web3D技术将博物馆展厅及藏品进行重现，用户通过网络就可以在任何时间、任何地点全方位地观看展品的三维展示，自由地漫游在虚拟的三维博物馆中，带给用户的是全新的体验，充分发挥了博物馆在文化信息服务、公众文化教育中的价值。

虚拟瑞
典、基于网络的全景浏览数字巴黎卢浮宫、敦煌洞窟壁画虚拟博物馆、三峡数字博物馆、山东大学考古数字虚拟博物馆、北京航空航天大学开发的航空馆三维虚拟漫游系统、虚拟紫禁城、网上世博会等项目都是采用了
Web3D技术来实现，给人们展示了虚拟现实技术的魅力。

本文梳理了Web3D主流技术，分析了网上三维博物馆构建流程，以石家庄经济学院地球科学博物馆开发为例，基于建模工具AutoCAD和3ds Max进行场景、实体建模和贴图、灯光、烘焙渲染处理，利用VRMLPad进行模型优化，基于VRML和Java3D实现场景漫游交换控制，利用Applet实现网上发布与展示。

详细地介绍了设计和开发网上三维博物馆系统的方法和过程。

1Web3D主流技术
Web3D的开发技术和软件很多，主流技术可以分为基于VRML、基于Flash3D、基于Java3D和公司开发的Web3D可视集成开发。

1.1基于VRML的Web3D技术
VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一种虚拟现实建模语言，定义了三维应用系统中常用的语言描述规范，如层次变换、光源、视点、几何体、动画、材料特性和纹理映射等，定义了一些简单的行为特征描述功能。

优点是VRML能够创建简单的三维场景，与其它Web技术语言相比，其语法简单、易懂，学习相对容易。

但在交互性方面，不能实现高级交互行为。

X3D是VRML最新发展，是由Web3D联盟设计的国际标准，但是由于基于X3D的可视化集成开
发环境没有推出，使得其应用和开发受到了限制。

1.2基于Flash3D的Web3D技术
Flash 3D引擎是一种用Action Script在Flash二维的世界里表现三维对象的方法，可以在Flash Player播放器中播放实时三维动画。

目前Flash 3D引擎主要有Papervision3d、Alternativa3D、Away3d、Sandy3D、Sharikura3D等。

由于Flash文件格式小，网络播放速度快捷，目前这种Web3D技术正处于快速发展时期。

1.3基于Java3D的Web3D技术
Java3D是适用于Web环境的三维图形开发工具包，是Java语言在三维图形领域的扩展，能运行于Windows、Unix等多种平台，提供了应用编程接口。

Java3D从高层次为开发者提供接口，利用Java3D 的API，可以快速创建实体模型，并能够实现高级交互控制（缩放、移动、转动）。

利用Java3D编写的程序生成Applet嵌入网页内，客户端只需要使用标准的Java虚拟机就可以浏览，不需要安装其它插件。

Java3D不仅本身具有建模的类，如线LineArray、球Sphere等，而且具有外部模型载入类Loader，可以方便地载入其它工具如3ds Max、AutoCAD、Maya等建模生成的VRML文件。

1.4Web3D工具
由于商业竞争存在和Web3D标准不统一，各个软件公司纷纷开发自己的Web3D可视集成开发环境，如瑞典Cycore公司开发的Cult3D、法国Dassualt Systemes公司开发的Virtools、美国Viewpoint 公司的ViewPoint、Shout Interactive公司Shout3D、荷兰ACT3D的
Quest3D、Unity Technologies公司开发的Unity3D、中视典VRP、创图科技公司的Webmax等主流工具。

另外，还有3ds Max、AutoCAD、Maya等三维建模渲染软件，是Web3D中应用开发的建模工具。

上述Web3D开发技术和软件各有优缺点，一般在实际开发过程中，常采用的方法是组合应用各种技术和工具，使各自的优点最大限度地发挥出来，以满足实际设计和开发需要。

2网上三维地球科学博物馆构建
一般网上三维博物馆的构建需要经过真实数据采集、场景建模和实体建模、模型优化处理、贴图、灯光、烘焙渲染、场景漫游交换控制和网上发布与展示等处理步骤。

2.1地球科学博物馆展厅及实体分析
石家庄经济学院地球科学博物馆是地质科学类博物馆，根据建筑楼层分布，设立4个常设展厅。

一层为宇宙与地球厅，重点展示宇宙与地球的起源和组成；二层为岩石矿物厅，展示三大岩类及矿物标本；三层为宝石与矿产厅，主要展示天然珠宝玉石、人工宝石和各类矿产资源；四层和五层为恐龙与古生物厅，展示有9条恐龙的骨架和有关恐龙的起源、分类、特征、演化及灭绝，展示生命的起源和生物进化各阶段的珍稀化石。

2.2网上三维地球科学博物馆的设计与开发（1）设计。

依据实体展厅的分布，网上三维地球科学博物馆也同时提供以上4个展厅的链接入口，用户点击超链接地址就可以进入展厅进行参观。

（2）开发流程。

根据石家庄经济学院地球科学博物馆实体分析，
下面是具体开发流程：①对石家庄经济学院地球科学博物馆的物理场馆进行数据采集：从博物馆空间构成到各层展厅的布局、实物标本进行数据采集；②利用建模工具AutoCAD和3ds Max进行场景、实体建模和贴图、灯光、烘焙渲染处理，利用3ds Max导出*.wrl文件，利用VRMLPad对导出的*.wrl文件进行模型优化处理，这样可以大大减少代码文件大小，加快后续交互计算速度；③基于VRML和Java3D实现场景漫游交换控制，利用Java编译生成*.class文件；④基于*.class文件开发生成Applet，将Applet嵌入到网页中，建立Web 工程，实现网上三维地球科学博物馆发布与展示。

2.3开发关键技术
（1）三维场景建模。

通过实地测量，获得展厅的尺寸数据，利用AutoCAD绘制展厅内部的平面图和立面图，并导入到3ds Max中作为建模的尺寸参考。

依据AutoCAD绘制的图形文件，在3ds Max 中分别对各层展厅和实体进行建模。

综合运用二维图形、几何体修改及多边形等建模方式完成场景建模，使用Vray调制主要的材质，结合光度学灯光和VrayLight完成场景灯光布局，使用Vray渲染器进行场景渲染及烘焙工作。

图1为完成的Cosmos_Earth_expo（宇宙与地球厅）的部分Max场景文件。

（2）Web漫游交互控制采用Java3D。

在Java可视化集成化开发环境Myeclipse中利用Java3D实现Web漫游交互控制，需要新建博物馆Web工程，然后将j3dcore.jar、j3dutils.jar、vecmath.jar3个Java3D 开发包添加到工程中。

由于3ds Max导出为*.w r l格式的VRML文
件支持vrml97标准，因此还需要将j3dvrml97.jar添加到工程中，这样Java3D开发环境即搭建完成。

下面是在Java中转动、缩放、移动交互控制实现：
MouseRotate behavior1 = new MouseRotate（）；//转动交互
MouseZoom behavior2 = new MouseZoom（）；//缩放交互
MouseTranslate behavior3 = new MouseTranslate（）；//移动交互（3）基于Applet网上发布与展示。

利用Java3D开发Web页面三维交互操作完成后，编译形成*.class文件，然后在Html文件中加载*.class文件。

这时需要通过继承Applet类嵌入网页运行，用户进行交互时不需要手动加载任何插件或者安装专用浏览器，大大方便了用户使用，具有用户友好性。

具体采用储存在Java JDK的bin目录中HtmlConverter.exe，将<Applet>标记转换成<Object>和<Embed>标记，以便使不支持<Applet>标记的浏览器可以运行applet程序。

图2为Cosmos_Earth_expo展厅Applet效果图。

3结语
传统的基于网页的二维地球科学博物馆通常对馆藏
文献、实物、模型、标本等资源以文本、图片、声音、视频影像等方式展示在二维网站上，直观性、实时交互性和沉浸感比较差，利用虚拟现实技术可以创建虚拟环境来真实再现三维现实世界，用户可以有身临其境的逼真感受。

本文梳理了Web3D主流技术，分析了网上三维博物馆构建流程，以石家庄经济学院地球科学博物馆开发为例，详细地介绍了运用多种混合技术设计和开发网上三维博物馆系统
的方法和过程。

网上三维地球科学博物馆的构建可以增强用户的直观感受和体验。

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