互联网上的三维技术Web3D

互联网上的三维技术Web3D

Wed3D技术进展前景

尽管，Wed3D技术将有好的进展前景，但仍旧不可乐观，它面临下述咨询题：

网络带宽仍旧是Wed3D要紧瓶颈：当前处理器的速度与网络的带宽只能初步满足Wed3D图形联机操作的要求，随着Cable modems 和DSL 连接的应用，网络带宽将有更大的改进，当一个10MB左右的Wed3D模型文件只需要几秒钟下载时，Wed3D图形的质量将有专门大的改善，而现在的带宽还不能满足要求。

VRML---互联网3D图形的开放标准

VRML是3D图形和多媒体技术通用交换的文件格式，它描述交互式的3D对象和场景。它不仅应用在互联网上，也能够用在本地客户系统中。其应用范畴极广：工程和科学可视化，多媒体，娱乐游戏，互联网3D图形，教育，虚拟社区等。在1996年公布VRML1.0。VRML97是最新的国际标准。VRML97的制定促进互联网上的3D图形技术的开发。由于网上传输的是模型文件，故其传输量大大小于视频图像。VRML97使任何一个3D图形爱好者能制作可在互联网上实时渲染的3D场景模型。VRML是基于建模技术的，它描述3D场景中的几何对象的尺寸和形状，色彩，材质，灯光，动画及其交互性。

然而，在97年之后，VRML3D图形进展缓慢，远远没有达到期望值。究其缘故要紧有以下几点：

1 互联网对3D图形的需求并不急切，到目前为止2D图像仍在HTML 文件中站主导。

2 网络带宽仍旧是制约网上的3D图形要紧瓶颈。

3 VRML97过于庞大，它包罗万象：3D几何对象，色彩，材质，灯光，相机，动画以及提供交互性的传感器等等。

4 网站的访咨询者必须先花费10-15分钟的时刻下载插件，然后再像安装软件那样安装那个插件，才能观看一个十分粗糙3D图形。

图1用VRML制作的法国虚拟巴黎3D场景(可用鼠标实时3D漫游)

形形色色的互联网3D图形软件

国际上有一个VRML（VRML Consortium）协会，这是一个非赢利组织，要紧任务是制定互联网上的3D图形标准与规范。VRML97公布后，互联网上的3D图形几乎都使用VRML 。VRML协会没有及时推出VRML 97的下一代标准。

最近几年内互联网又有了长足的进展，互联网对图形、图像、视频技术的进展明显有了新的需求，专门是电子商务。互联网上的竞争十分猛烈，只要有需求，有利润，就会推进新技术。制作互联网3D图形的软件并没有完全遵循VRML97标准，许多公司推出了它们自己的制作工具，使用专用的文件格式和扫瞄器插件，类似的软件大约有三十几种之多。这些软件各有特色，都比VRML有了进步，在渲染速度，图像质量，造型技术，交互性以及数据的压缩与优化上有都胜过VRML之处。它们明显都瞄准了电子商务，为网上的电子商品或电子商场提供3D展现。

那个地点我们举出一些软件的英文简称：Cult3D，Viewpoint，GL4Jav a，Flatland，Fluid3D，Janet3D，Java3D，Pulse3D，Shout3D，Sumea，Sup

erscape，Vecta3D，blaxunn3D ，OpenWorlds。所有的公司都期望自己的解决方案能成为"事实上的国际标准"。

图2 Wed3D的商品展现(商品可用鼠标作3D旋转和细部观看)现在的咨询题是：要在互联网上观看它们的3D图形，先要下载1 MB-7MB的插件，然后安装在网页扫瞄器上（如IE）。这是一件十分烦人的事，插件的种类之多，使人无所适从。要观看十个不同网站，您就要下载并安装十个不同厂家的插件。

互联网3D图形的关键技术——实时渲染引擎

这些插件确实是实时渲染引擎,其作用是:讲明并翻译实施场景模型文

件的语法，实时渲染从服务器端传来的场景模型文件，在网页访咨询者的客户端逐帧、实时地显示3D图形。把实时渲染引擎做成一个插件，在观看前先要下载并安装在IE扫瞄器上，这是互联网3D图形软件厂商目前的通常做法。明显，实时渲染引擎是实施互联网3D图形的关键技术，它的文件大小、图形渲染质量、渲染速度、以及它能提供的交互性都直截了当反映其解决方案的优劣。

文件的大小：目前大多数1MB左右，如微软的VRML渲染引擎是1.2 M、blaxxun公司的Contact是4.2M、而最小的基于JA V A技术的只有58k。因此，渲染引擎越大，渲染的图像质量就越好，功能就越强大。但下载一个4.2M的插件才能在网上观看3D图形，在目前的网络速度下,仍旧是不现实的。

图形渲染质量: 目前图形质量较好的渲染引擎应该属于cult3D和viewp oint ( 它们的文件尺寸分不是1.4M 和7.9M ) ,使用专用的文件格式。即有较好的图形质量而下载文件尺寸也不大的应该是Parallelgraphics公司的Co rtonaVRML(1.33M)。

渲染速度:支持openGL 或微软的Direct3D 是提升渲染速度和图形质

量的关键，在这一点上互联网3D图形与本地3D图形没有区不。

交互性：交互性是互联网3D图形的最大特色，只有实时渲染才能提供这种交互性，本地3D图形的预渲染不能提供这种至关重要的灵活性。交互性是指3D图形的观看者操纵和操纵虚拟场景及其中3D对象的能力，例如：你能够随时改变在虚拟场景中漫游的方向和速度，你能够打开虚拟场景中的门等等。

研制更好的实时渲染引擎是各软件厂商竞争的焦点，因此就产生了五花八门的3D图形文件格式与相应的扫瞄器插件。然而VRML如何讲是交互式3D图形开放式国际标准,仍旧有专门多软件提供对VRML的兼容性。

终止这种纷乱局面的最好方法是微软在它的IE扫瞄器中预装一个或几个实时渲染插件，以至于互联网3D图形的观看者不必花费10分钟的时刻去下载插件。然而，微软并未选中任何一家公司作为其合作伙伴，也许在某一天微软会推出它自己的一整套解决方案，从而保持它在互联网3D图形领域中的霸权地位。

新一代互联网3D图形的标准——X3D

VRML（VRML Consortium）协会在1997年将它的名字改为Wed3D（W eb 3D Consortium）协会，并制定了VRML97新的国际标准。此后Wed3D 这一专用缩写开始在互联网上显现。然而，1997年后的几年，该协会并没有什么大的动作。直到去年（2001年）8月Wed3D协会公布新一代国际标准---- X3D (X3D的含义是可扩展的3D)。

X3D是Wed3D协会（Wed3D Consortium）制定的下一代VRML97标

准。X3D是在重要软件厂商的支持下提出的，如3Dlabs, ATI Technologies, Blaxxun, Nexternet, OpenWorlds, ParallelGraphics, Sony Electronics, US Army STRICOM, and SGDL Systems 。X3D与MPEG-4和XML兼容。X 3D将集成到MPEG-4的3D内容之中，使用XML语法。它与VRML 97

向后兼容，即X3D能提供标准VRML 97 browser的全部功能。X3D的要紧任务是把VRML的功能封装到一个轻型的，可扩展的核心之中。由于X 3D是可扩展的，任何开发者能够按照自己需求，扩展其功能。X3D 渲染引擎的商业版本也在去年的SIGGRAPH 2001的年会上推出，ParallelGraph ics（Wed3D技术的领先软件公司）将联合几个公司开发X3D 新技术。X3 D标准的公布，为互联网3D图形的进展提供了宽敞的前景，不管是小型的具有3D功能的web客户端应用，依旧高性能的广播级应用，X3D都应该是大伙儿共同遵守的标准，从而终止当前互联网3D图形的这种纷乱局面。在统一的X3D差不多框架下保证不同软件厂家开发软件具有互操作性。

在SIGGRAPH 2002会议上Wed3D Consortium公布X3D最终工作草案。Wed3D Consortium期望Wed3D软件公司使用X3D规范开发相应的产品评估规范的可行性。Wed3D Consortium预备将该规范递交给国际标准化组织ISO。

三维建模与Wed3D图形的制作工具

VRML是一种标记语言，任何文字编辑程序都能够编辑VRML的场景模型文件（其扩展名是.wrl）。手工书写.wrl文件是专门繁琐而复杂的工作，关于大型场景模型几乎是不可能的。为了制作Wed3D图形的场景模型文件必需使用传统的三维建模软件。近几年，许多软件厂商都把3Dmax作为三维建模与场景的制作工具。使用3Dmax建立场景模型，安装相应的输出插件，即能够直截了当建立场景模型文件。现在最有名的Wed3D图形软件公司，如cult3D 和viwepoint都能够在3Dmax中直截了当输出它们的专用文件格式的场景模型文件。如前述，每个公司都有自己的文件格式和相应的

实时渲染插件，同样，也有它们自己的制作工具。

Wed3D图形的制作工具及有用程序五花八门难以详述，然而它们的功能一样都包括：

1 建立或编辑三维场景模型

2 增加或改进Wed3D图形的图像质量

3 增加Wed3D图形交互性

4 压缩或优化场景模型文件的大小

5 文件加密

三维建模是Wed3D图形制作的关键，而所用的成本是比较高的，例如：如果您要制作一个较高质量的3D手表模型，专业人员要花费40小时建模，价值几万元。大型建筑场景则需要更多的工作量。为解决那个咨询题，近几年国外显现一种新的建模技术：照片建模技术。对建模对象实地拍照两张以上的照片，按照透视学和摄影测量学原理，标志和定位对象上的关键操纵点，建立三维网格模型。近年已有商品化软件推出，如Canoma，Phot o3D，PhotoModeler，ImageModeler等。此类软件的技术要点如下：

1 查找和标识建模对象关键点：复杂曲面则需要数量较多的关键点。

2 拍照1---4张以上的照片：相机的位置不限，但关键点要拍照清晰。

3 把拍照的照片输入到软件中，使用软件提供的手段定位关键点，构建三维网格模型。

4 把照片上拍下的2D图像作为材质贴图贴在模型的表面

5 把已建好的模型输出成相应的文件格式，如VRML

MetaCreations公司的Canoma是比较早推出的软件，适用于由直线构成的建筑物。

REALVIZ公司的ImageModeler（价格5000$）是第二代产品，能够制

作复杂曲面物体。

与大型3D扫描仪比较，这类软件有专门大的优势：使用简单，节约人力，降低成本。ImageModeler差不多被Cult3D用于建模工具。

最近，3D studio max软件的制作厂家Discreet推出了一款直截了当面向Wed3D的制作软件----Plasma，Discreet看到了Wed3D市场的庞大商机，凭借3D studio max的市场优势,相信: Plasma市场前景看好。

JA V A在互联网上的3D图形的成功

Java在互联网上几乎随处可见，而它在3D图形上正在显示出更大的威力。使用Java 的重要理由之一是它的平台无关性。它的平台无关性来自于Java只需部分编译，负责编译Java程序的叫做Java Virtual Machine (JVM)，不同的平台有它自己JVM，处理与平台有关的功能。因此，只要支持JVM，就能运行JA V A小程序。两种最有名的扫瞄器Netscape 和IE 3都支持JV M（Java 1.0.2）。因此用Java制作的3D图形几乎都能够在互联网的扫瞄器上显示。

令人遗憾的是:微软在它的以后极具进展前景的Window XP中不再预装JVM，由此引起的苦恼是庞大的:要运行基于JA V A的应用，就必须安装JVM，这明显比安装一个插件更苦恼。

由于全世界有90%的人上网使用微软不要钞票的扫瞄器IE，而Wed3D 的渲染引擎插件又必须安装在IE上。面对Wed3D技术以后的进展潜力，软件巨人微软作何打算我们不得而知。

Shout Interactive and Blaxxun两个公司使用纯Java技术开发了实时渲染引擎（大小只有50K），那个小小的JA V A小程序，不仅在网上自动下载，

而且能够在客户端实时渲染3D场景，逐帧显示动态的3D图像。Shout Int eractive and Blaxxun为用户扩充自己的3D图形功能预留了极大的空间。两个公司并没有抛弃VRML，Shout Interactive公司能够同意VRML文件，并把它变成自己的文件格式，Blaxxun公司的软件能够直截了当运行VRM L。因此，Shout 3D的小巧灵活并不是没有代价的：它简化了VRML的功能，VRML的一些功能不能用小小50K的Java来实现。能够讲这两个公司最先在它们的产品中实现了核心的X3D技术。

使用这种"无插件技术"（plug-in）的Shout公司为Macy's and Excite web portal网站制作了栩栩如生如生的3D虚拟时装模特展现，观看者用菜单能够选择：展现的服装，模特的肤色，发型，步型，甚至于灯光都能够用菜单即刻更换。观看者能够用鼠标变换视角，远近，从各个角度观看动态展现。而所有的展现文件只有1M-2M，不需下载插件。图像的质量较好，人物动画的动作流畅自然。

图3 用shout3D 的java技术制作的3D服装展现

互联网3D图形技术的应用

当前，互联网上的图形仍以2D图像为主流。然而，3D图形必将在互联网上占有重要地位。互联网上的交互式3D图形技术--- Wed3D正在取得新的进展，正在脱离本地主机的3D图形，而形成自己独立的框架。互联网的需求是它进展的动力。互联网的内容提供商和商业网站持续使用新的工具与技术使网站更具吸引力，Wed3D图形是最新的和最具魅力的技术。We d3D图形将在互联网上有广泛应用，从目前的趋势来看要紧有：

1 电子商务：用3D图形展现商品，更能吸引客户。虚拟商场是人们热中的话题。客户能够在虚拟商场中漫游，选择商品。许多Wed3D图形技术的软件厂商是瞄准了电子商务的，如cult3D和viewpoint，其图形技术要紧

是用于商品的3D展现，您甚至于能够在网上操作或使用要购买的商品。然而，Wed3D图形的商业利益怎么讲有多大，网上的商品销售商只有在能增加销售额的情形下，才肯出资制作Wed3D图形。

2 联机娱乐休闲与游戏：多用户联机3D游戏将搬上互联网，现在您差不多能够在网上经历简单的赛车或空中射击游戏，下载文件不超过2M。因此，如果您想运行大的联机游戏仍旧需要CD-ROM的支持。娱乐休闲网站对Wed3D图形有更多的需求，如：都市景观或风景点的虚拟旅行，虚拟博物馆，展览会，艺术画廊等等。

3 科技与工程的可视化：科普，工程演示，都市建设，建筑装修。

4 教育：学校，培训，军事训练，可视化仿真。

5 医学：医疗培训，医疗商业的B2B和B2，许多医学图像的处理将使用Wed3D图形技术。

6 地理信息系统的数据可视化：将GIS与Wed3D结合起来，能够在互联网上建立许多应用系统，如地图，导游，都市建设，交通运输等等。

7 多用户虚拟社区（virtual-community）：虚拟社区是建立一个大型的虚拟场景，每个虚拟场景的访咨询者都能够指定一个"替身"，"替身"在场景中能够漫游。当几个远程访咨询者同时访咨询虚拟社区时，它们能够用语音或文字通讯。虚拟社区能够是一个会场，教室，俱乐部，展览会，画廊等。它真正实现了虚拟现实，在互联网上仿真虚拟社会的各种活动，分布在世界各地的人能够借助互联网开展各种文化科技，娱乐活动。而现在虚拟场景确实是他们的三维环境。虚拟社区专门可能是Wed3D图形在互联网上的一种要紧应用形式。

现在，已有几家公司推出了自己虚拟社区及全套的解决方案，如Blaxx un, Adobe Atmosphere. Geometrek ，Cybertown，OuterWorlds，berkom ，ActiveWorlds，iCity，pointworlds等。它们除了提供虚拟场景制作以外，还提供：服务器治理，通讯治理，用户治理等功能。Blaxxun公司Virtual Wo rlds Platform 5.1服务器差不多有许多网站用它建立虚拟社区。

图4 Cybertown虚拟社会首页

Cybertown是目前世界上规模最大的虚拟社区，它有近200个虚拟场景，几百万人在那个虚拟社会中居住，安家。它有完整的社会治理体系，各类公用设施：商店，俱乐部，职业介绍所，体育馆，公园，跳蚤市场，市政大厅，咖啡厅，画廊等等。您能够在那个虚拟都市中购置房地产，查找工作，娱乐，学习。您能够结交世界各个角落不同国籍的朋友，与他们会见，谈话（语音或文字），交流各种信息。Wed3D技术将把虚拟社会变成现实，借助于互联网，居住在地球上人们的距离一下子拉近了。

Wed3D技术进展前景

尽管，Wed3D技术将有好的进展前景，但仍旧不可乐观，它面临下述咨询题：

网络带宽仍旧是Wed3D要紧瓶颈：当前处理器的速度与网络的带宽只能初步满足Wed3D图形联机操作的要求，随着Cable modems 和DSL 连接的应用，网络带宽将有更大的改进，当一个10MB左右的Wed3D模型文件只需要几秒钟下载时，Wed3D图形的质量将有专门大的改善，而现在的带宽还不能满足要求。