互联网上的三维技术：Web3D

1、互联网上的三维技术：Web3DWed3D技术发展前景虽然，Wed3D技术将有好的发展前景，但仍然不可乐观，它面临下述问题：网络带宽仍然是Wed3D主要瓶颈：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图形的质量将有很大的改善，而现在的带宽还不能满足要求。 Flash作为2D动画在互联网上的成功的关键是只有唯一的技术和标准。现在的Wed3D图形是有几十种可供选择的技术和解决方案，多种文件格式和渲染引擎的存在是Wed3D图形在

2、互联网上应用的最大障碍，而这种局面在今后若干年还将存在。从现在的发展态势来看，有几种技术可能在未来有一定的优势：X3D：由Web 3D Consortium制定，得到大学，政府机构及一些Wed3D图形公司的支持，由于它是VRML97下一代新的国际标准，有比较广泛的社会基础。Pulse3D：在游戏娱乐领域内领先，使用它的技术的游戏网站有100多个，它得到Discreet 和Entertaindom公司的资金支持，现在它正在把游戏领域的技术优势应用到e-commerce。它的插件支持QuickTime 5 and RealPlayer。Viewpoint：前身是MetaCreations（3D图形

3、应用软件开发商），它卖掉了所有的其他软件产品，改名为Viewpoint，专们从事Wed3D图形技术。其渲染引擎的模块化结构极易扩充，并且能与QTVR-, iPix-, and XML-等标准集成。它的目标是e-commerce。它的技术的最大特色是与XML集成。Cult3D：开发了e-commerce的全套解决方案，已经有450 e-commerce网站使用了 Cult3D技术，近10000个商业模型，它也在向娱乐领域扩充，提供全面解决方案，提供最稳定可靠的渲染引擎Shockwave3D： 这是Macromedia公司Flash插件，有着极为广大的用户群（据说世界上有1亿3千万人安装），更引人

4、注目的是Intel把它的Wed3D 图形集成到Shockwave。IntelWed3D图形极具特色：动态调节3D内容的分辨率，曲面光滑技术，照片级逼真材质及各种特色效应。在今年的SIGGRAPH 2002世界计算机图形会议上,Intel宣布建立Wed3D/CAD工作组, 其主要目标是：建立一个统一的，开放的文件格式，用于在Web上显示实时的3D图形。与此同时Wed3D Consortium在SIGGRAPH 2002会议上了发布X3D最终工作草案。X3D是一个成熟的标准,是VRML的下一代标准，但是Intel完全没有提到它，如果Intel重新制定另外一个新标准，X3D的将面临尴尬，就Intel

5、公司的实力和威望，X3D很难成为真正的国际标准。Intel公司很可能将左右新标准的制定与推行。预测未来谁是最后的胜利者是困难的，也许很长一段时间内将是多种技术同时共存而又相互竞争。而Intel和微软都具有左右Wed3D发展前景的实力。现在我们应该思考一下，我们国内应该如何发展我们自己的Wed3D图形技术?互联网的出现及飞速发展使IT业的各个领域发生了深刻的变化，它必然引发一些新技术的出现。3D图形技术并不是一个新话题，在图形工作站以至于PC机上早已日臻成熟，并已应用到各个领域。然而互联网的出现，却使3D图形技术发生了和正在发生着微妙而深刻的变化。Wed3D协会（前身是VRML协会）最先使用We

6、d3D术语，这一术语的出现反映了这种变化的全貌，没有人能严格定义Wed3D，在这里我们把Wed3D理解为：互联网上的3D图形技术，互联网代表了未来的新技术，很明显，3D图形和动画将在互联网上占有重要的地位。那么，什么是Wed3D？它是如何发展起来的？它的最新发展怎样？用于哪些应用？还存在哪些问题？下面我们一一道来。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，它基于建模技术，描述交互式的3D对象和场景，不仅应用在互联网上，也可以用在本地客户系统中，应用范围极广。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

7、在互联网上实时渲染的3D场景模型。 形形色色的互联网3D图形软件制作互联网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浏览器插件，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。互联网3D图形的关键技术实时渲染引擎实时渲染引擎的作用是解释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，在网页访问者的客户端逐帧、实时地显示3D图形。互联网3D图形软件厂商目前通常把实时渲染引擎做成一个插件，在观看前需要先下载并安装在IE

8、浏览器上。显然，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接反映其解决方案的优劣。新一代互联网3D图形的标准X3DX3D标准的发布，为互联网3D图形的发展提供了广阔的前景，无论是小型的具有3D功能的web客户端应用，还是高性能的广播级应用，X3D都应该是大家共同遵守的标准，从而结束当前互联网3D图形的这种混乱局面。在统一的X3D基本框架下保证不同软件厂家开发软件具有互操作性。三维建模与Wed3D图形的制作工具手工编写VRML的场景模型文件.wrl文件是非常繁琐而复杂的工作，对于大型场景模型几乎是不可能的。近几年，许多软件厂商都使用

9、3DS max建立场景模型，安装相应的输出插件，再直接建立场景模型文件。现在最有名的Wed3D图形软件公司，如cult3D 和viwepoint都可以在3DS max中直接输出它们的专用文件格式的场景模型文件。JAVA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。因此，只要支持JVM，就能运行JAVA小程序。两种最有名的浏览器Netscape 和 IE 3都支持JVM（Java 1.0.2）。因此用Java制作的3D图形几乎都可以在互联网的浏览器上显示。互联网3D图形技术的应用当前，互联网上的图形仍

10、以2D图像为主流，但是，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，形成自己独立的框架。最具魅力的Wed3D图形将在互联网上有广泛应用，如电子商务、联机娱乐休闲与游戏、科技与工程的可视化、教育、医学、地理信息、虚拟社区。Wed3D技术发展前景虽然，Wed3D技术将有好的发展前景，但仍然不可盲目乐观，它还面临着很多问题，如带宽、处理器速度等。现在的Wed3D图形是有几十种可供选择的技术和解决方案，多种文件格式和渲染引擎的存在是Wed3D图形在互联网上应用的最大障碍，而这种局面还将长时间存在。VRML-互联网3D图形的开放

11、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，也可以用在本地客户系统中。其应用范围极广：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年发布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

12、进展缓慢，远远没有达到期望值。究其原因主要有以下几点：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 网络带宽仍然是制约网上的3D图形主要瓶颈。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 网站的访问者必须先花费10-15分钟的时间下载插件，然后再像安装软件那样安装这个插件，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，主要任务是制定互联

13、网上的3D图形标准与规范。VRML97发布后， 互联网上的3D图形几乎都使用VRML 。VRML协会没有及时推出VRML97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、视频技术的发展显然有了新的需求，特别是电子商务。互联网上的竞争十分激烈，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浏览器插件，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。它们显然都瞄准了电子商务，

14、为网上的电子商品或电子商场提供3D展示。这里我们举出一些软件的英文简称：Cult3D，Viewpoint，GL4Java，Flatland，Fluid3D，Janet3D，Java3D，Pulse3D，Shout3D，Sumea，Superscape，Vecta3D，blaxunn3D ，OpenWorlds。所有的公司都希望自己的解决方案能成为"事实上的国际标准"。 图2 Wed3D的商品展示(商品可用鼠标作3D旋转和细部观看)现在的问题是：要在互联网上观看它们的3D图形，先要下载1MB-7MB的插件，然后安装在网页浏览器上（如IE）。这是一件十分烦人的事，插件的种类之多

15、，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就是实时渲染引擎,其作用是:解释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，在网页访问者的客户端逐帧、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浏览器上，这是互联网3D图形软件厂商目前的通常做法。显然，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接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1.2M、blaxxun公司的Co

16、ntact是4.2M、而最小的基于JAVA技术的只有58k。当然，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,仍然是不现实的。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viewpoint ( 它们的文件尺寸分别是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CortonaVRML(1.33M)。渲染速度:支持openGL 或微软的Direct3D 是提高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

17、形没有区别。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图形的观看者控制和操纵虚拟场景及其中3D对象的能力，比如：你可以随时改变在虚拟场景中漫游的方向和速度，你可以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，于是就产生了五花八门的3D图形文件格式与相应的浏览器插件。然而VRML毕竟是交互式3D图形开放式国际标准,仍然有很多软件提供对VRML的兼容性。结束这种混乱局面的最好办法是微软在它的IE浏览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分钟的时间

18、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X3DVRML（VRML Consortium）协会在1997年将它的名字改为Wed3D（Web 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出现。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协会发布新一代国际标准- X3D (X3D的含义是可扩展的 3D)。X3D是Wed3D协会（Wed3D Consortium）

19、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。X3D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的主要任务是把VRML的功能封装到一个轻型的，可扩展的核心之中。由于X3D是可扩展的

20、，任何开发者可以根据自己需求，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，ParallelGraphics（Wed3D技术的领先软件公司）将联合几个公司开发X3D 新技术。X3D标准的发布，为互联网3D图形的发展提供了广阔的前景，无论是小型的具有3D功能的web客户端应用，还是高性能的广播级应用，X3D都应该是大家共同遵守的标准，从而结束当前互联网3D图形的这种混乱局面。在统一的X3D基本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发布X3D最终工作草案。Wed3D Consortiu

21、m希望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准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可以编辑VRML的场景模型文件（其扩展名是.wrl）。手工书写.wrl文件是非常繁琐而复杂的工作，对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，即可以直接建立场景模型文件。现在最有名的Wed3D图形软件公司，如cult3

22、D 和viwepoint都可以在3Dmax中直接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图形的制作工具及实用程序五花八门难以详述，但是它们的功能一般都包括：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。为解决这个问题，近几年国外出现一种新

23、的建模技术：照片建模技术。对建模对象实地拍摄两张以上的照片，根据透视学和摄影测量学原理，标志和定位对象上的关键控制点，建立三维网格模型。近年已有商品化软件推出，如Canoma，Photo3D，PhotoModeler，ImageModeler等。此类软件的技术要点如下：1 寻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 拍摄1-4张以上的照片：相机的位置不限，但关键点要拍摄清晰。3 把拍摄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VRMLMetaCreation

24、s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，可以制作复杂曲面物体。与大型3D扫描仪比较，这类软件有很大的优势：使用简单，节省人力，降低成本。ImageModeler已经被Cult3D用于建模工具。最近，3D studio max软件的制作厂家Discreet推出了一款直接面向Wed3D的制作软件-Plasma，Discreet看到了Wed3D市场的巨大商机，凭借3D studio max的市场优势,相信: Plasma市场前景看好。JAVA在互联网上的3D图形的成功Java在互联网上几乎随处可见，

25、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，处理与平台相关的功能。因此，只要支持JVM，就能运行JAVA小程序。两种最有名的浏览器Netscape 和 IE 3都支持JVM（Java 1.0.2）。因此用Java制作的3D图形几乎都可以在互联网的浏览器上显示。令人遗憾的是:微软在它的未来极具发展前景的Window XP中不再预装JVM，由此引起的麻烦是巨大的:要运行基于JAVA的应用，就必须安装JVM，这显然

26、比安装一个插件更麻烦。由于全世界有90%的人上网使用微软不要钱的浏览器IE，而Wed3D的渲染引擎插件又必须安装在IE上。面对Wed3D技术未来的发展潜力，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），这个小小的JAVA小程序，不仅在网上自动下载，而且可以在客户端实时渲染3D场景，逐帧显示动态的3D图像。Shout Interactive 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公司可以接受VRM

27、L文件，并把它变成自己的文件格式，Blaxxun公司的软件可以直接运行VRML。当然，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。可以说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虚拟时装模特展示，观看者用菜单可以选择：展示的服装，模特的肤色，发型，步型，甚至于灯光都可以用菜单即刻更换。观看者可以用鼠标变换视角，远近，从各个角度观看动态展示。而

28、所有的展示文件只有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服装展示互联网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。但是，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。互联网的需求是它发展的动力。互联网的内容提供商和商业网站不断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。Wed3D图形将在互联网上有广泛应用，从目前的趋势来看主要有：1 电子商务：用3D图形展示商品，更能吸引客

29、户。虚拟商场是人们热中的话题。客户可以在虚拟商场中漫游，挑选商品。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，其图形技术主要是用于商品的3D展示，您甚至于可以在网上操作或使用要购买的商品。然而，Wed3D图形的商业利益究竟有多大，网上的商品销售商只有在能增加销售额的情况下，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，现在您已经可以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。当然，如果您想运行大的联机游戏仍然需要CD-ROM的支持。娱乐休闲网站对Wed3D图形有更多的需求，如：城市景观或风景点的虚拟旅

30、游，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，城市建设，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，可以在互联网上建立许多应用系统，如地图，导游，城市建设，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，每个虚拟场景的访问者都可以指定一个"替身"， "替身"在场景中可以漫游。当几个远程访问者同时访问虚拟社区时，

31、它们可以用语音或文字通讯。虚拟社区可以是一个会场，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可以借助互联网开展各种文化科技，娱乐活动。而此时虚拟场景就是他们的三维环境。虚拟社区很可能是Wed3D图形在互联网上的一种主要应用形式。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Blaxxun, 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：服务器管理，

32、通讯管理，用户管理等功能。Blaxxun公司Virtual Worlds Platform 5.1服务器已经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，几百万人在这个虚拟社会中居住，安家。它有完整的社会管理体系，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。您可以在这个虚拟城市中购置房地产，寻找工作，娱乐，学习。您可以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技术发展前景虽然，Wed3D技术将有好的发展前景，但仍然不可乐观，它面临下述问题：网络带宽仍然是Wed3D主要瓶颈：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图形的质量将有很大的改善，而现在的带宽还不能满足要求。 Flash作为2D动画在互联网上的成功的关键是只有唯一的技术和标准。现在的Wed3D图