1 引 言
虛擬現實(VirtualReality,簡稱VR)技術是一種逼真地模擬人在自然環境中的視覺、聽覺、運動等行爲的人機界面技術。由於虛擬現實具有實時的三維空間表現能力、提供了人機交互式的操作環境以及給人帶來了身臨其境的感受,它正成爲繼多媒體之後的又一個研究和應用的熱點,開闢了人類交流方式的新領域。
近年來,與虛擬現實相關的各種研究取得了令人矚目的成就。特別是隨着互連網的高速發展,湧現了大量以互聯網爲基礎的虛擬現實技術。這些技術大體上可以分爲兩個範疇,一個是以圖像爲基礎的Panorama技術,也就是我們平常所說的全景圖;另一個則是以3D圖形技術爲基礎的網絡三維技術。
Web3D可以簡單地把它看成是Web技術和3D技術相結合的產物,實際上也就是本機的3D圖形技術向互聯網的擴展,其本質特徵即網絡性、三維性和互動性。它與本機的3D圖形技術的主要差別在於:
(1)實時渲染。
它是由渲染引擎進行實時渲染從而實時顯示的。
(2)具有無限的交互性。
因爲是實時渲染,這就爲交互性提供了基礎。
(3)優化和壓縮。
由於網絡帶寬的限制,文件必須經過優化和壓縮以保證用戶端快速下載。
通過應用Web3D技術,用戶可在網上瀏覽以三維形式表現出來的物體,並對其進行交互性操作,以體驗身臨其境的奇妙感受。Web3D技術可廣泛應用於企業和電子商務、娛樂遊戲業、教育業和虛擬現實展示與虛擬社區等領域。本文就4種有實力且目前已經取得一定市場的Web3D格式進行介紹和比較。
2 幾種Web3D技術
2.1 Cult3D
Cult3D是瑞典的Cycore公司推出的一種全新的Web3D技術,其基礎思想是利用現有的網絡技術和強大的3D引擎在網頁上建立互動的3D對象。Cult3D的內核是基於Java的,它也可以嵌入客戶自己開發的Java類,因此具有很強的交互和擴展性能。
Cult3D由3個不同的程序功能——Cult3DExporterplug2in、Cult3DDesigner和Cult3DViewerplug2in組成。Web開發設計人員可以使用在3D設計領域廣泛使用的3DSMAX或MAYA來設計3D模型,使用Cult3DExporterplug2in來轉換設計模型,在Cult3D Designer中爲模型加入交互、音效等其他效果,再無縫地嵌入到HTML頁面和其他應用程序中。用戶只需安裝Cult3DViewerplug2in即可在網上實時觀看利用Cult3D技術生成的3D模型,通過鼠標還可互動地旋轉、放大或縮小它。從這樣的開發流程我們可以看出,開發人員無須去適應新的技術,同時Cult3D還爲用戶提供了人性化和條理化的開發界面,操作簡單直觀,大大提高了開發的效率,降低了最終用戶的成本。
Cult3D是一個跨平臺的3D渲染引擎,通過它可以向所有Internet用戶傳輸具有空前質量和速度的實時交互性物體。它的關鍵技術有以下幾點:
(1)具有超羣的圖像質量和交互性能且文件量小。
Cult3D結合高效的壓縮技術並支持多重陰影效果、貼圖和雙線性濾鏡,使得用戶不需要長時間的下載和焦急的等待就可以看到高質量的三維模型,並能對其進行交互操作。一般情況下,Cult3D的文件量非常小(20k～200k),對於普通撥號上網的用戶也是可以接受的。此外,Cult3D可以實現複雜的動畫,這就爲物體添加交互性創造了更多的契機。
(2)跨平臺應用,支持多瀏覽器,而不需要硬件支持。
Cult3D具有很好的跨平臺效能,它支持目前主流的各種瀏覽器,從PC到蘋果的各種機型和包括UNIX、LINUX、WINDOWS在內的各種常用的操作系統。
由於Cult3D完全是由軟件控制而不需要任何硬件支持,因此即使在沒有硬件加速的情況下,普通個人電腦和筆記本的用戶也可以看到以往只有在高端工作站上才能看到的精細的實時渲染的效果。
(3)可應用於微軟Office和Adobe Acrobat文檔。
Cult3D除了可以嵌入到HTML頁面中讓Internet用戶在網絡上瀏覽3D物體以外,還可以作爲元素插入到微軟Office文檔(如Word、PowerPoint或Excel)和AdobeAcrobat文檔中使用。
Cult3D中使用Real2time 3Dparticle和Environment Mapping技術來產生髮射效果,從而提供了完美的場景渲染效果。正是由於這一優點,Cult3D非常適合博物館站點或者宣傳產品的電子商務網站(圖1即是由Cult3D所表現出的室內場景)。由於它基於Java提供了更多樣化的擴展性,也就同樣適用於遊戲或者動畫製作的開發。現在Cult3D已經擁有了廣泛的用戶羣和衆多的成功案例,Palm、NEC、CNN和豐田汽車等300多家全球聞名的公司都在他們的站點上使用了Cult3D技術。
圖1 場景
2.2 Viewpoint
Viewpoint是由美國Viewpoint公司提出的Web3D解決方案。利用它基於XML語言的構架可方便地和瀏覽器與數據庫進行通信,同時還可以內嵌到多個軟件中使用,這就使得Viewpoint的應用非常廣泛。用戶端只需安裝一個簡單的免費插件就可以在網上瀏覽到以流方式傳輸的3D模型,同時用戶端還可以對該物體進行旋轉、縮放等控制。
該技術的着眼點涵蓋了Web3D的各個環節,與其他解決方案不同的是,Viewpoint是自己製作、處理並傳輸3D圖形對象,而不是從其他渠道導入3D圖像。
Viewpoint在結構上可分爲兩個部分,一個是儲存三維數據和貼圖數據的mts文件,另一個是對場景參數和交互進行描述的基於XML的mtx文件。Viewpoint生成的文件格式非常小,加上它的三維多邊形網格結構具有可伸縮性和流傳輸性,這使得它非常適合在網絡上傳輸。可伸縮性意味着Viewpoint格式的物體可以根據用戶機器的處理速度以及Modem的速度來自動地調節精度及其它相關參數以獲得最佳的表現。這樣的話,設計師只需開發一次高解析度的模型就可以滿足用戶不同層次精度的需要,從而減少了開發時間。流傳輸性則使得用戶不用下載完所有的三維數據即可看到模型內容,甚至在下載過程中也可交互操作3D物體。
在目前窄帶應用環境下,Viewpoint所提供的技術也是最好的解決方案之一。它使用獨有的壓縮技術,把複雜的3D信息壓縮成很小的數字格式,同時也保證我們的瀏覽器插件可以很快的將這些壓縮的信息重新解釋出來。它的壓縮比比任何一種現有的網上3D壓縮技術都要高,其極小的文件量使用戶能更爲快捷地在網上瀏覽Viewpoint格式的物體。在3D貼圖方面,它使用JPEG的壓縮格式,保證文件的貼圖不會使3D文件加大。它還具有一個純軟件的高質量實時渲染引擎,在不需要任何硬件加速設備的情況下,其渲染效果接近真實世界。
Viewpoint的主要運用市場是作爲物品展示的產品宣傳和電子商務領域。目前View2point公司已經爲Nike、Sony、和SharperImage等著名公司提供了在電子商務以及在線廣告方面的解決方案。
2.3 Atmosphere
Atmosphere是在圖像處理和出版領域具有權威地位的Adobe公司推出的一個可通過互聯網連接多用戶的三維虛擬環境式在線聊天工具。它集虛擬3D世界的創作、觀看和互動於一體,是創建網絡虛擬三維環境的專業開發解決方案。雖然目前該軟件還處於調試開發階段,但由於它採用了獨特的光能追蹤算法,在室內空間的展示方面有很大優勢,值得我們關注。
AdobeAtmosphere包含3個組件:Atmo2 sphereBuilder,提供出色的3D建模技術來建立三維虛擬世界;AtmosphereBrowser,Adobe公司提供的免費瀏覽器插件(也能作爲獨立的應用程序運行),使用戶能瀏覽AdobeAtmosphere創造的3D世界,瀏覽器運行界面如圖3;AtmosphereCommunityServer,使用戶能在AdobeAtmo2sphere創造的3D世界中用一個基於文本的界面與其他用戶進行交流的聊天服務器。
圖3 界面
需要注意的是,Atmosphere使用了view2point的技術以得到對三維幾何體高質量的壓縮和實時渲染效果,所以在安裝Atmosphere的瀏覽器插件的同時也安裝了Viewpoint插件。Atmo2sphere除了提供自己的建模工具AtmosphereBuilder來建立三維虛擬世界以外,也可將由3DSMAX或Lightwave等三維創作工具建立的3D模型輸出爲Viewpoint格式的文件(3。mts和3。mtx文件),然後將它們導入到Atmosphere Builder中。同時,Atmosphere也能很好地兼容工業標準的網絡內容設計工具,如AdobePhoto2shop和AdobeIllustrator,它還可以將標準網絡圖像格式引入到Atmosphere中,如JPEG、GIF和PNG。
AdobeAtmosphere爲我們提供了一個出色的虛擬社區解決方案,但由於它處於調試開發階段,還存在着一些不足之處:從建模技術上看,生成的場景質量還比較粗糙;從渲染技術上看,AtmosphereBrowser瀏覽器(5MB)的體積太大,對於撥號上網的用戶來說下載費時;從短信息聊天功能上看,只支持一對多的方式;從擴展性上看,Atmosphere目前只能在瀏覽器和它自己的播放器內運行,還不支持嵌入其它的環境中;從服務器端支持看,Adobe還未提供用來處理多用戶交互信息傳送的服務器端程序,目前建立的Atmosphere場景只能連接到Adobe的服務器上使用;從操作平臺上看,現在的Beta版只能在Windows操作平臺上安裝,只有正式版才能既用於Windows又用於Macintosh平臺。
2.4 Shout3D
Shout3D是ShoutInteractive公司推出的在Internet上傳輸交互三維圖形和動畫的解決方案。設計師可利用3DSMAX或其他建模工具來創建基本模型(包括建模、貼圖、材質、燈光和攝像機等),通過Shout3D爲3DSMAX提供的插件把模型直接輸出爲Shout3d的。s3d文件格式(其他建模工具輸出爲wrl文件格式即可),然後可利用已有的applet,或根據自己的需要用Java或JavaScript來開發任何可以想象的交互能力,最後使用Shout3DWizard把交互的3D動畫發佈到網上即可。雖然Shout3D生成的場景質量不高,但利用它提供的高交互性可方便地開發網上的三維遊戲,圖4即是此類遊戲的一個例子。
圖4 遊戲
Shout3D是基於Javaapplet的3D圖形渲染引擎,同時它也是Web3D圖形的製作工具。由於它是使用Java技術來在網絡上傳遞交互的三維圖形的,當訪問者瀏覽有Shout3D的頁面時,它的內容和播放器將被同時下載。而這種播放器是嵌入在網頁中的Javaapplet程序中的,我們知道所有版本的MicrosoftIE和Netscape4。0以上的版本都能運行Java虛擬機,所以用戶不用擔心操作平臺的限制也不用下載特定的瀏覽器插件就可觀看到完整的3D圖形。
3 幾種Web3D技術的比較
前面介紹了4種有代表性且應用範圍較廣的Web3D技術,它們在瀏覽要求、操作平臺及各自特點這3方面的具體比較見表1。
表1 比較
隨着網絡技術的高速發展,每天都有不同的Web3D新技術出現,面對衆多的Web3D技術,如何選擇?選擇哪種Web3D技術最佳,就目前而言很難定論。因爲這需要針對不同的應用方向來做具體選擇。Cult3D和Viewpoint具有逼真的渲染引擎,能產生高質量的場景渲染效果,對於網絡上的產品展示它們都具有不可比擬的優勢(其中後者比前者的效果更爲流暢);Shout3D以其平臺無關性、無需插件和可擴展的交互能力等優點,成爲開發三維在線遊戲和互動Web3D場景的首選;Atmosphere則爲建立虛擬社區提供了很好的解決方案。
4 結束語
儘管出現瞭如此之多的解決方案,Web3D技術的發展仍存在着困難和障礙,這主要表現在兩個方面:
(1) 沒有統一的標準。
上述的每種Web3D技術都是由不同的公司自行開發的解決方案,它們使用的都是不同的格式和方法。沒有統一的標準,3D在Web上的實現還需假以時日。
(2) 插件問題。
從上面的介紹可以看出,幾乎每個公司開發的Web3D技術標準都需要自己插件的支持,這些插件從幾百k到幾兆不等,這在帶寬不理想的條件下必然會限制一部分人的使用熱情。
儘管在各種技術上仍有許許多多的難題,但伴隨着國際互聯網的普及、網絡技術和硬件設施的飛速發展以及網絡帶寬的增加,網絡三維化必將成爲今後網絡多媒體發展方向的主流,Web3D將不再遙遠。