Web 3D技術(shù)綜述

艾 達， 喬明明， 李 敏

(1.西安郵電大學 通信與信息工程學院,陜西 西安 710061;2.西安郵電大學 計算機學院,陜西 西安 710061)

1 Web 3D發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)是一種可提供沉浸感覺和交互操作的三維技術(shù)。20世紀80年代,Jaron Lanier最早提出了“虛擬現(xiàn)實”這一概念。

Web 3D技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)與虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù)的產(chǎn)物,是指基于Internet、依靠軟件技術(shù)來實現(xiàn)的桌面級虛擬現(xiàn)實技術(shù)，目的是在互聯(lián)網(wǎng)上建立三維的虛擬世界。

VRML1.0于1994年10月在第二屆互聯(lián)網(wǎng)國際會議上公布[1]，這是可追溯的最早的 Web 3D技術(shù)，VRML(Virtual Reality Modeling Language)即虛擬現(xiàn)實建模語言。VRML在1997年12月作為國際標準正式發(fā)布，1998年1月正式獲得ISO標準，VRML經(jīng)過編輯修訂和功能性調(diào)整后,發(fā)布了 VRML97[2]。1998年，VRML組織改名為Web 3D組織,同時制訂了一個新的標準：Extensible3D(X3D)。2000年，Web 3D組織完成了從VRML到X3D的轉(zhuǎn)換[3]。

1.1 國外發(fā)展狀況

美國是虛擬現(xiàn)實技術(shù)VR(Virtual Reality)研究的發(fā)源地，最初的研究應(yīng)用主要集中在軍方對飛行駕駛員與宇航員的模擬訓練,目前在該領(lǐng)域的研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件4個方面。英國在分布并行處理、輔助設(shè)備設(shè)計和應(yīng)用研究方面是歐洲領(lǐng)先，英國Bristol公司發(fā)現(xiàn)，VR應(yīng)用的交點應(yīng)集中在整體綜合技術(shù)上，它們在軟件和硬件的某些領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。瑞典的DIVE分布式虛擬交互環(huán)境是一個基于Unix的、不同節(jié)點上的多個進程可以在同一世界中工作的異質(zhì)分布式系統(tǒng)。日本的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展在世界相關(guān)領(lǐng)域的研究中同樣具有舉足輕重的地位,尤其在游戲方面做出了很大的成就[1]。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與一些發(fā)達國家相比還有很大的差距。隨著計算機圖形學等高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)引起了政府有關(guān)部門和科學家們的重視[3]，九五規(guī)劃、國家自然科學基金會、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃等都把虛擬現(xiàn)實列入了研究項目。

國內(nèi)許多高校也紛紛進行虛擬現(xiàn)實的研究和應(yīng)用,并取得了一些不錯的研究成果。北京航空航天大學計算機系是國內(nèi)最早進行VR研究、最有權(quán)威的單位之一，它們開發(fā)的虛擬北航可以實現(xiàn)用戶在計算機生成的虛擬環(huán)境中對虛擬校園的實時漫游和交互操作；清華大學國家光盤工程研究中心所作的 “布達拉宮”采用了QuickTime技術(shù)，實現(xiàn)了大全景VR制；浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)[3]。國內(nèi)的公司也紛紛推出了自己的技術(shù)。

就總體發(fā)展而言，國外的虛擬現(xiàn)實研究起步較早，軟硬件條件也比較先進，在各個方面的研究水平較高，應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣泛。國內(nèi)的研究起步晚，軟硬件條件有限，研究水平有待提高發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也有一定的局限性。

2 主流技術(shù)

近幾年，網(wǎng)絡(luò)媒體尤其是電子商務(wù)對圖形、圖像、視頻技術(shù)等提出了更高的要求，各個3D圖形公司紛紛推出了自己的Web 3D制作工具，各具特色，使得Web 3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)操作更加簡單，使用更加便捷。

2.1 國外的主流技術(shù)

目前Web 3D的開發(fā)技術(shù)除了傳統(tǒng)的VRML/X3D以外 ， 常 見 的 還 包 括 ：Cult3D、Viewpoint、Java3D、Virtools、ShockWave3D等[4]。

(1)Cult3D

瑞典的Cycore公司開發(fā)的Cult3D應(yīng)用軟件是一種跨平臺的3D渲染引擎，支持目前主流的各種瀏覽器和常用的操作系統(tǒng)[5]，可以把 3D產(chǎn)品嵌入到 Office、Adobe的Acrobat和網(wǎng)頁以及用于支持ActiveX的軟件開發(fā)中。

(2)Viewpoint

美國Viewpoint公司提出的Web 3D解決方案[5],利用它基于XML語言的構(gòu)架可方便地與瀏覽器和數(shù)據(jù)庫進行通信,同時還可以內(nèi)嵌到多個軟件中使用,所以Viewpoint的應(yīng)用非常廣泛。

(3)Java3D

Java3D是Java語言在三維圖形領(lǐng)域的擴展，是面向?qū)ο蟮木幊蘙5]?？蓪崿F(xiàn)圖像對象的生成、模型的改變等，不需要任何插件只需在PC上安裝相應(yīng)的虛擬機便可，Java3D對運算的要求比較高。

(4)Virtools

Virtools是法國Virtools公司開發(fā)的平臺[5]技術(shù)、資金雄厚且在Web 3D行業(yè)發(fā)展較早。在國外市場占有的份額較大，在國內(nèi)市場以出售軟件為主，價格昂貴且不能及時地提供技術(shù)支持。因此，在國內(nèi)市場占有率并不高。

(5)ShockWave3D

ShockWave3D是Macromedia公司與Intel公司合作開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)[5]，通過Macromeadia Director進行制作，Director為Shockwave3D加入幾百條 Lingo控制函數(shù)，通過這些函數(shù)使得Shockwave3D在交互能力和擴展能力上具有強大的優(yōu)勢，通過Havok，Shockwave3D可以模擬真實物理環(huán)境和剛體特性。目前多應(yīng)用在不太復雜的網(wǎng)絡(luò)游戲上。幾種Web 3D技術(shù)的比較如表1所示。

表1 幾種Web 3D技術(shù)的比較

通過上述的比較可以得出,每一種 Web 3D技術(shù)都有其自身的特點和應(yīng)用領(lǐng)域。Cult3D和Viewpoint具有逼真的渲染引擎,能產(chǎn)生高質(zhì)量的渲染場景,但Viewpoint比Cult3D的效果更加顯著。Java3D擁有跨平臺性且不需要插件,并提供了大量的類可供使用，提高了其擴展性和應(yīng)用面。Virtools具有豐富的互動模塊，提供創(chuàng)建3D實時應(yīng)用程序及相關(guān)服務(wù)的開發(fā)環(huán)境，在建筑設(shè)計、仿真與產(chǎn)品展示等方面效果顯著。ShockWave3D有著極為廣大的用戶群。值得一提的是,Intel把它的Web 3D圖形集成到 Shockwave中，Intel Web 3D的圖形極具特色,可動態(tài)調(diào)節(jié)3D內(nèi)容的分辨率。

2.2 國內(nèi)主流技術(shù)

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)在我國的不斷發(fā)展，國內(nèi)公司紛紛推出了自己的Web 3D技術(shù)。

2007年,國內(nèi)出現(xiàn)了第一個完全自主知識產(chǎn)權(quán)的Web 3D開發(fā)軟件技術(shù)WebMax,隨后又出現(xiàn)了VRPIE和Converse等一些國產(chǎn)引擎軟件。

(1)WebMax

WebMax是由中國上海創(chuàng)圖公司研發(fā)的Web 3D開發(fā)軟件技術(shù)，采用DirectX和C++編寫、三維實時分布式渲染技術(shù)來實現(xiàn)無限大規(guī)模場景的實時渲染。WebMax技術(shù)在三維網(wǎng)絡(luò)游戲技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了壓縮和網(wǎng)絡(luò)流式傳輸。

（2）VRPIE

VRPIE是中視典數(shù)字科技有限公司2007年推出的虛擬現(xiàn)實新品。它使用腳本系統(tǒng)來進行交互，可以直接嵌入圖片視頻和Flash實現(xiàn)多媒體功能。雖然沒有WebMax的壓縮內(nèi)核好，畫質(zhì)上也是差不多，但是在軟件成熟度上比較好且操作簡單。

（3）Converse3d（C3D）

北京中天灝景網(wǎng)絡(luò)科技有限公司自主研發(fā)的Converse3D虛擬現(xiàn)實引擎與WebMax一樣，采用DirectX和C++編寫。該公司在模擬體育類游戲方面比較成功，后來把很大量的精力都傾注在C3D虛擬現(xiàn)實引擎的研發(fā)上，目前正致力于虛擬社區(qū)的完善和推廣。

國內(nèi)的Web 3D技術(shù)借鑒了國外先進技術(shù)，軟件制造商直接面對用戶。WebMax具有互動性強、高壓縮比、高速的運算速度等國外同類技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。VRPIE直接面向美工，軟件較成熟且操作簡單，這無疑增加了用戶使用的渴望。C3D借助之前在模擬體育類游戲方面的優(yōu)勢，致力于虛擬社區(qū)的完善和推廣。

所有的Web 3D軟件公司都希望自己的軟件成為“真正”的國際標準,但就目前情況而言，不論使用哪個廠商的軟件都需要下載大小不一的插件完成網(wǎng)頁上Web 3D的瀏覽,插件的大小將直接影響用戶的使用熱情。

3 Web 3D技術(shù)的應(yīng)用

Web 3D的目的是在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)實時三維模型的瀏覽并可以實現(xiàn)動態(tài)效果和實時交互，互聯(lián)網(wǎng)的需求是Web 3D發(fā)展的動力和源泉。采用Web 3D圖形技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容提供商和商業(yè)網(wǎng)站發(fā)展的潮流，Web 3D技術(shù)將在互聯(lián)網(wǎng)上廣泛應(yīng)用。從目前的發(fā)展趨勢來看，Web 3D組織將其應(yīng)用大致歸為商務(wù)、教育、娛樂和虛擬社區(qū)4類。

3.1 電子商務(wù)和企業(yè)

3D技術(shù)展示商品，能夠全方位地展現(xiàn)一個物體，具有二維平面圖像不可比擬的優(yōu)勢，更能吸引客戶。企業(yè)將他們的產(chǎn)品發(fā)布成Web 3D的形式，能夠展現(xiàn)出產(chǎn)品外形的細節(jié)，加上互動操作，演示產(chǎn)品的功能和使用操作，充分利用互聯(lián)網(wǎng)高速廣泛的傳播優(yōu)勢來推廣公司的產(chǎn)品。

3.2 教育

隨著科技的不斷發(fā)展，如今的教學方式不再是單純依靠書本等形式。計算機輔助教學的引入，彌補了傳統(tǒng)教學所不能達到的許多方面[6]，但在表現(xiàn)一些空間立體化的知識(如原子、分子的結(jié)合過程等)時仍存在一些不足。隨著三維的展現(xiàn)形式的引入，勢必使學習過程形象化，學生更容易接受和掌握[7]。

對計算機遠程教育系統(tǒng)而言，引入Web 3D內(nèi)容必將達到很好的遠程教育效果[8]。

3.3 娛樂游戲

現(xiàn)今，動態(tài)的HTML、流式音視頻使整個互聯(lián)網(wǎng)生機勃勃。多用戶聯(lián)機3D游戲、創(chuàng)意互動游戲等三維的引入，可以使玩家對游戲的畫面場景進行實時、全方位的操縱。

3.4 虛擬社區(qū)

Web 3D技術(shù)上使二維虛擬社區(qū)開始向三維場景級別的虛擬社區(qū)轉(zhuǎn)變。使用Web 3D實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的虛擬社區(qū)展示，只須構(gòu)建一個三維場景，訪問者以第一視角在其中漫游，使其產(chǎn)生身臨其境的感覺。當幾個遠程訪問者同時訪問虛擬社區(qū)時，它們可以用語音或文字通信。

虛擬社區(qū)[9]真正實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實。在互聯(lián)網(wǎng)上仿真虛擬社會的各種活動，分布在世界各地的人可以借助互聯(lián)網(wǎng)開展各種文化、科技和娛樂活動。虛擬社區(qū)很可能成為Web 3D圖形在互聯(lián)網(wǎng)上的一種主要應(yīng)用形式。

3.5 其他

虛擬網(wǎng)上展館是一個利用全新Web 3D形成將展覽館放到互聯(lián)網(wǎng)上進行展示的平臺。虛擬博物館就是一個實質(zhì)性的例證，它集虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等多種高科技手段為一體并采用嵌入IE頁面的方式運行，只需下載一個客戶端即可，在滿足觀眾足不出戶觀看展覽的需求的同時實現(xiàn)了觀眾之間、觀眾與藝術(shù)家實時交流的互動需要，真正實現(xiàn)了藝術(shù)與科技的結(jié)合。

三維醫(yī)學是未來醫(yī)療發(fā)展的一個重要的方向。未來醫(yī)學圖像的處理將使用Web 3D圖形技術(shù)，使醫(yī)生能更加清晰明了、多視角診斷患者的病情，及時有效地做出診斷，大大減少目前很多患者因為病情診斷失誤而引起的生命危險[10]。

地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化是將GIS、GPS與Web 3D結(jié)合起來，可以在互聯(lián)網(wǎng)上建立許多應(yīng)用系統(tǒng)。

4 WEB 3D展望

4.1 發(fā)展前景

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和Web 3D研發(fā)技術(shù)的不斷提高，其未來的發(fā)展前景與潛力巨大。Web 3D技術(shù)將進一步深入電子商務(wù)和企業(yè)、網(wǎng)上展館、網(wǎng)上旅游和虛擬社區(qū)等領(lǐng)域的運用,并將在自動化在線控制系統(tǒng)、Web 3D在線營救指揮系統(tǒng)[8]、Web 3D手機嵌入式軟件等領(lǐng)域有所突破。

4.2 面臨的挑戰(zhàn)及解決思路

雖然Web 3D已經(jīng)發(fā)展多年且該技術(shù)的優(yōu)勢是二維網(wǎng)頁無法超越的，但是它的發(fā)展卻是障礙重重。網(wǎng)絡(luò)帶寬、技術(shù)標準等是Web 3D技術(shù)目前發(fā)展所面臨的最大挑戰(zhàn)。

4.2.1 網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制

Web 3D技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求很高,以目前的硬件條件，對于要求較高、實時渲染的Web 3D技術(shù)來說，網(wǎng)絡(luò)帶寬是制約其發(fā)展的一個瓶頸,再加之資費較高，使得對其興趣本來就不大的人們望而卻步。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員正在節(jié)約大量資金的前提下不斷地努力研發(fā)和設(shè)計更寬的帶寬和更快的速度，未來的網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)速將有一定的改善，從而為Web 3D的應(yīng)用發(fā)展開闊一條嶄新的道路。

4.2.2 技術(shù)標準

目前Web 3D技術(shù)缺乏統(tǒng)一標準。各種技術(shù)的持有者和軟件廠商都想讓自己的技術(shù)成為“實際上”的國際標準而互不聯(lián)系，幾乎每個廠商開發(fā)的標準都需要自己插件的支持,這將直接影響著用戶使用Web 3D的熱情，極大地限制了Web 3D技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

Web 3D組織對目前存在的問題還沒有出臺正式的解決方案。

解決這個問題需要各個行業(yè)的廠商共同攜手，精誠合作，在此基礎(chǔ)上，找到一個合理、共贏的合作模式并借鑒國外的優(yōu)秀經(jīng)驗，組成一個國內(nèi)的Web 3D服務(wù)組織。在內(nèi)部形成統(tǒng)一的研發(fā)標準，在外部表現(xiàn)出一致的瀏覽、操作等接口。只有這樣，國內(nèi)Web 3D行業(yè)才能讓公眾充分接受，一旦形成這種模式，Web 3D的國內(nèi)行業(yè)標準也就形成了。

文中主要從Web 3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、主流技術(shù)及應(yīng)用等幾個方面來描述Web 3D技術(shù)。今后工作的重點是針對目前存在的問題尋找一個合理可行的解決方案。

在互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的今天，在各種技術(shù)支持下的Web 3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)進入了一個飛速發(fā)展的時代，且涉及的行業(yè)將會越來越廣泛。新時代人們對電子信息和物質(zhì)的需求質(zhì)量越來越多，加之互聯(lián)網(wǎng)成為人們生活中必不可少的一部分，將會有越來越多的研發(fā)人員去探究Web 3D技術(shù)。相信，在不久的將來，Web 3D將會深入到人們的日常生活中。任何事物的發(fā)展都會面臨很多現(xiàn)實的困難，Web 3D也不例外，需要投入大量的精力和時間去研究、去改進，克服Web 3D發(fā)展的困難。

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