艾 達(dá)， 喬明明， 李 敏

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710061;2.西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西 西安 710061)

1 Web 3D發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)（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(jì)80年代,Jaron Lanier最早提出了“虛擬現(xiàn)實(shí)”這一概念。

Web 3D技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)與虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)的產(chǎn)物,是指基于Internet、依靠軟件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的桌面級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)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(huì)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(shí)建模語言。VRML在1997年12月作為國際標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，1998年1月正式獲得ISO標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)制訂了一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)：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?fàn)顩r

美國是虛擬現(xiàn)實(shí)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(duì)飛行駕駛員與宇航員的模擬訓(xùn)練,目前在該領(lǐng)域的研究主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件4個(gè)方面。英國在分布并行處理、輔助設(shè)備設(shè)計(jì)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(diǎn)應(yīng)集中在整體綜合技術(shù)上，它們?cè)谲浖陀布哪承╊I(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(gè)基于Unix的、不同節(jié)點(diǎn)上的多個(gè)進(jìn)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(shí)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(shí)技術(shù)的研究與一些發(fā)達(dá)國家相比還有很大的差距。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)引起了政府有關(guān)部門和科學(xué)家們的重視[3]，九五規(guī)劃、國家自然科學(xué)基金會(huì)、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等都把虛擬現(xiàn)實(shí)列入了研究項(xiàng)目。

國內(nèi)許多高校也紛紛進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的研究和應(yīng)用,并取得了一些不錯(cuò)的研究成果。北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是國內(nèi)最早進(jìn)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(shí)現(xiàn)用戶在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中對(duì)虛擬校園的實(shí)時(shí)漫游和交互操作；清華大學(xué)國家光盤工程研究中心所作的 “布達(dá)拉宮”采用了QuickTime技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大全景VR制；浙江大學(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)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(shí)研究起步較早，軟硬件條件也比較先進(jìn)，在各個(gè)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(duì)圖形、圖像、視頻技術(shù)等提出了更高的要求，各個(gè)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(shí)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(tái)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(jìn)行通信,同時(shí)還可以內(nèi)嵌到多個(gè)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(kuò)展，是面向?qū)ο蟮木幊蘙5]?？蓪?shí)現(xiàn)圖像對(duì)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(jī)便可，Java3D對(duì)運(yùn)算的要求比較高。

(4)Virtools

Virtools是法國Virtools公司開發(fā)的平臺(tái)[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(jià)格昂貴且不能及時(shí)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(jìn)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(kuò)展能力上具有強(qiáng)大的優(yōu)勢，通過Havok，Shockwave3D可以模擬真實(shí)物理環(huán)境和剛體特性。目前多應(yīng)用在不太復(fù)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(diǎn)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(tái)性且不需要插件,并提供了大量的類可供使用，提高了其擴(kuò)展性和應(yīng)用面。Virtools具有豐富的互動(dòng)模塊，提供創(chuàng)建3D實(shí)時(shí)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(jì)、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(dòng)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(shí)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(gè)完全自主知識(shí)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(shí)時(shí)分布式渲染技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無限大規(guī)模場景的實(shí)時(shí)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(shí)新品。它使用腳本系統(tǒng)來進(jìn)行交互，可以直接嵌入圖片視頻和Flash實(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)技術(shù)，軟件制造商直接面對(duì)用戶。WebMax具有互動(dòng)性強(qiáng)、高壓縮比、高速的運(yùn)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(biāo)準(zhǔn),但就目前情況而言，不論使用哪個(gè)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維模型的瀏覽并可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)效果和實(shí)時(shí)交互，互聯(lián)網(wǎng)的需求是Web 3D發(fā)展的動(dòng)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(gè)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(xì)節(jié)，加上互動(dòng)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(xué)方式不再是單純依靠書本等形式。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的引入，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)所不能達(dá)到的許多方面[6]，但在表現(xiàn)一些空間立體化的知識(shí)(如原子、分子的結(jié)合過程等)時(shí)仍存在一些不足。隨著三維的展現(xiàn)形式的引入，勢必使學(xué)習(xí)過程形象化，學(xué)生更容易接受和掌握[7]。

對(duì)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)而言，引入Web 3D內(nèi)容必將達(dá)到很好的遠(yuǎn)程教育效果[8]。

3.3 娛樂游戲

現(xiàn)今，動(dòng)態(tài)的HTML、流式音視頻使整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)生機(jī)勃勃。多用戶聯(lián)機(jī)3D游戲、創(chuàng)意互動(dòng)游戲等三維的引入，可以使玩家對(duì)游戲的畫面場景進(jìn)行實(shí)時(shí)、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(jí)別的虛擬社區(qū)轉(zhuǎn)變。使用Web 3D實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的虛擬社區(qū)展示，只須構(gòu)建一個(gè)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(dāng)幾個(gè)遠(yuǎn)程訪問者同時(shí)訪問虛擬社區(qū)時(shí)，它們可以用語音或文字通信。

虛擬社區(qū)[9]真正實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)。在互聯(lián)網(wǎng)上仿真虛擬社會(huì)的各種活動(dòng)，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(dòng)。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(gè)利用全新Web 3D形成將展覽館放到互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行展示的平臺(tái)。虛擬博物館就是一個(gè)實(shí)質(zhì)性的例證，它集虛擬現(xiàn)實(shí)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(yùn)行，只需下載一個(gè)客戶端即可，在滿足觀眾足不出戶觀看展覽的需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了觀眾之間、觀眾與藝術(shù)家實(shí)時(shí)交流的互動(dòng)需要，真正實(shí)現(xiàn)了藝術(shù)與科技的結(jié)合。

三維醫(yī)學(xué)是未來醫(yī)療發(fā)展的一個(gè)重要的方向。未來醫(yī)學(xué)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(shí)有效地做出診斷，大大減少目前很多患者因?yàn)椴∏樵\斷失誤而引起的生命危險(xiǎn)[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(jìn)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(yùn)用,并將在自動(dòng)化在線控制系統(tǒng)、Web 3D在線營救指揮系統(tǒng)[8]、Web 3D手機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求很高,以目前的硬件條件，對(duì)于要求較高、實(shí)時(shí)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(gè)瓶頸,再加之資費(fèi)較高，使得對(duì)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(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)

目前Web 3D技術(shù)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)際上”的國際標(biāo)準(zhǔn)而互不聯(lián)系，幾乎每個(gè)廠商開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)目前存在的問題還沒有出臺(tái)正式的解決方案。

解決這個(gè)問題需要各個(gè)行業(yè)的廠商共同攜手，精誠合作，在此基礎(chǔ)上，找到一個(gè)合理、共贏的合作模式并借鑒國外的優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，組成一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)也就形成了。

文中主要從Web 3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、主流技術(shù)及應(yīng)用等幾個(gè)方面來描述Web 3D技術(shù)。今后工作的重點(diǎn)是針對(duì)目前存在的問題尋找一個(gè)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(shí)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)代，且涉及的行業(yè)將會(huì)越來越廣泛。新時(shí)代人們對(duì)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(huì)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(huì)深入到人們的日常生活中。任何事物的發(fā)展都會(huì)面臨很多現(xiàn)實(shí)的困難，Web 3D也不例外，需要投入大量的精力和時(shí)間去研究、去改進(jìn)，克服Web 3D發(fā)展的困難。

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