基于WebGL的三維可視化

何龍　杜鵬

摘 要：伴隨著網(wǎng)絡(luò)三維地理信息系統(tǒng)的快速發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的各種三維可視化技術(shù)也是層出不窮。因此，該文介紹了一種不需要組件加載的網(wǎng)絡(luò)三維可視化技術(shù)——WebGL，對突破目前在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下傳輸、加載大規(guī)模數(shù)據(jù)，大范圍場景渲染技術(shù)的瓶頸具有重要意義。通過簡單介紹一種基于WebGL的虛擬三維地圖引擎，顯現(xiàn)出WebGL是一種可以通過硬件渲染實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三維可視化的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：WebGL 網(wǎng)絡(luò)三維 可視化

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（c）-0023-02

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，基于Web的三維可視化技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，并有著廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的用于實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的Web3D[1]技術(shù)包括，VRML、X3D、Java3D等技術(shù)，都需要安裝插件或者加載組件，而且具有操作性復(fù)雜、兼容性差等缺點。因此實現(xiàn)Web3D免插件環(huán)境將是網(wǎng)絡(luò)三維發(fā)展的一個方向。WebGL規(guī)范[2]的出現(xiàn)為web瀏覽器帶來無插件三維圖形加速，其兼容性強、渲染效果好，取得了眾多瀏覽器生產(chǎn)廠商支持。該技術(shù)的出現(xiàn)使得三維數(shù)據(jù)無需插件直接在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中的可視化成為現(xiàn)實。該文在簡要介紹三維可視化以及WebGL技術(shù)的相關(guān)知識基礎(chǔ)之上，分析怎樣在Web端實現(xiàn)三維的可視化。

1 三維可視化

三維可視化技術(shù)隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，已經(jīng)融入到各個學(xué)科中去，在醫(yī)學(xué)、地理學(xué)、測繪學(xué)、建筑學(xué)等學(xué)科中都有不俗的表現(xiàn)[3]，并且在一定程度上，對這些學(xué)科的發(fā)展起到了不可估量的作用。例如在建筑領(lǐng)域，良好的三維效果能夠極大地提高效率，給予決策者更直觀的表現(xiàn)以幫助對其質(zhì)量和成果的評估，減少不必要的浪費；在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，三維可視化可以提供更加真實、更具視覺沖擊效果的場景，更可以完美的再現(xiàn)一些古代的場景，使觀者暢游其中仿若身臨其境一般；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對病人進(jìn)行三維的可視化能極大地幫助醫(yī)生對病人實施更加精確的手術(shù)，提高手術(shù)的成功率，有效的促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的發(fā)展。因此，三維可視化的研究與發(fā)展將會帶給人們更大的驚喜。

2 WebGL技術(shù)

在地理學(xué)領(lǐng)域，三維可視化技術(shù)能提供更為直觀的可視化效果，但是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（WebGIS）是針對二維的柵格和矢量數(shù)據(jù)開發(fā)的，因此如何將三維可視化技術(shù)融入WebGIS是很有必要的。但對于三維的WebGIS來說，由于受到Web3D技術(shù)發(fā)展的限制，往往都需要加載組件或者預(yù)先安裝插件，而且具有可移植性差，顯示效果不好的缺點。WebGL作為新一代Web3D圖形標(biāo)準(zhǔn)在這樣的背景下孕育而生。

WebGL具有兩大優(yōu)點：（1）WebGL完美地解決了現(xiàn)有的Web3D的兩個問題：它通過HTML腳本本身實現(xiàn)Web3D的制作，無需任何瀏覽器插件支持；（1）它對圖形渲染是利用本機的硬件，通過統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、跨平臺的OpenGL接口實現(xiàn)的，所以WebGL可以運行于許多不同的硬件設(shè)備之上，例如桌面電腦、智能手機、平板電腦. 因為是被設(shè)計成直接工作在底層顯卡端的，所以WebGL比目前其他的典型的web技術(shù)都要更加復(fù)雜。這也正是它為什么能夠如此迅速的完成大量的計算，并實現(xiàn)復(fù)雜的實時3D渲染的原因。

3 基于WebGL三維可視化的實現(xiàn)

在三維的世界里，所有的東西都有橫，豎，深度。將這些東西重現(xiàn)，就是一個實時3D渲染。筆者是在一個二維的顯示器上來再現(xiàn)這個三維世界的，電腦和手機的屏幕，都是一個二維的顯示器。利用WebGL可以模擬三維空間，但是最終必須輸出顯示在一個二維的顯示器上。由深度決定的前后關(guān)系，根據(jù)遠(yuǎn)近進(jìn)行放大和縮小，這些都必須提前進(jìn)行運算得出結(jié)果。

網(wǎng)絡(luò)三維可視化是基于B/S架構(gòu)的模式構(gòu)建的，當(dāng)有大批量的3D模型數(shù)據(jù)或lidar數(shù)據(jù)瀏覽時，就會因網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的影響而出現(xiàn)較長時間的等待，這是大家所不愿意看到的事情，但是對于地理學(xué)來講，海量的三維數(shù)據(jù)是研究地理學(xué)所不可缺少的部分。因此如何在Web端對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與調(diào)度是很重要的一個事情。該文以Cesium為例實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三維可視化，Cesium是一個基于WebGL的虛擬三維地圖引擎。Cesium對三維可視化引入了一個新的概念3DTiles，旨在提高在Web端的對海量三維數(shù)據(jù)可視化的效率。

3DTiles是為海量的異構(gòu)三維地理空間數(shù)據(jù)集所設(shè)計的一個開放的規(guī)范，該規(guī)范適用于各種常見的地理數(shù)據(jù)，例如：三維模型數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)以及二維的矢量數(shù)據(jù)。3DTiles已成功的在Cesium平臺實現(xiàn)，該規(guī)范可以應(yīng)用于其他的三維引擎和轉(zhuǎn)換工具。3DTiles的主要目的是針對大規(guī)模的異構(gòu)數(shù)據(jù)源提高其加載速度和渲染性能，它只對瀏覽器用戶所給定的可見的三維視圖窗口進(jìn)行不同級別的切片顯示，由于它是基于WebGL設(shè)計開發(fā)出來的，因此可以更快的加載與處理三維數(shù)據(jù)，并且為了減少客戶端的處理，3DTiles可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和批動態(tài)處理。目前Cesium支持gltf格式，gltf是khronos組織用于互聯(lián)網(wǎng)或移動設(shè)備上展現(xiàn)3d內(nèi)容，充分支持WebGL圖形加速標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

隨著當(dāng)前各種軟件、硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，該文針對了網(wǎng)絡(luò)三維可視化過程中需要安裝插件的問題，提出了一種無需插件的渲染方法。采用WebGL技術(shù)三維模型可以實時的在瀏覽器端被繪制，這將解決人們在處理復(fù)雜圖像或者處理三維圖像需要下載插件或者客戶端的繁瑣步驟。同時該文對一個基于WebGL的虛擬三維地圖引擎Cesium進(jìn)行了分析、測試，其結(jié)果都表現(xiàn)出良好的渲染效果。由此說明使用WebGL可以實現(xiàn)瀏覽器端三維場景的無插件快速的繪制，WebGL作為一個新的網(wǎng)絡(luò)三維可視化前端展示的實現(xiàn)手段是完全可以勝任的。

參考文獻(xiàn)

[1] 王維敏.Web3D 技術(shù)探索及幾種Web3D 技術(shù)的比較選擇[D].武漢：武漢大學(xué)，2004.

[2] Khronos Group.WebGL specification[EB/OL].[2014-10-2].https：//www.khronos.org/registry/webgl/specs/1.0/.

[3] 梁鵬帥，馮冬敬.三維可視化的研究現(xiàn)狀和前景[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2009（7）：134-135，147.