Web3D技术

一、前言  

建构于Internet之上的远距离网络教育（E-learning）是最近在当前Internet上高速迅速发展的一个重要领域之一。在在线学习或网络化学习，是在教育领域建立互联网平台，学员通过终端上网，借助网络进行学习的一种全新的学习方式。当然，这种学习方式离不开由多媒体网络学习资源、网上学习社区及网络技术平台构成的全新的网络学习环境。   在Internet环境下为学习者建构丰富的多媒体教学资源和有效的学习情境，是我们当前面临的主要问题。由于计算机和网络技术的不断发展，我们可以把基于Internet的三维虚拟技术引入到网络教育当中，为网络教育开发基于虚拟现实的多媒体教学资源和建构个性化教学环境，从而丰富和促进网络教育的发展。本文试图应用当前较为成熟的Web3D技术来解决这一问题。我们研究了Web3D技术的基本概念、Web3D 技术的实现方法、典型的Web3D技术及Web3D技术在教育教学领域的实际应用，并在此基础上开发了“碳元素的结构”、“虚拟电视演播室”等实际案例，对Web3D技术的教学应用进行了试验研究。  

二、Web3D技术的基本概念  

1、虚拟现实   虚拟现实（简称VR，即Virtual Reality）,是指一切能够实现自然模拟，逼真体验的技术和方法，它能创建酷似客观环境又超越客观时空、能沉浸其中又能驾驭其上的和谐人机交互环境。数据头盔或传感手套等一系列传感辅助设施常常被用来实现三维的虚拟现实，人们通过这些设施以自然的方式（如头的转动、手的运动等身体“语言”）向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉等触发设备使人们产生逼真的三维视觉、听觉及触觉，随着人们动作的不同，这些感觉也相应改变。虚拟现实不等同于现实，我们可以充分发挥想象力，也可以对现实中某些因素进行合理的取舍，甚至创造出现实中并不存在而又是我们所需要的虚拟情境。   2、Web3D技术   Web3D技术是虚拟现实技术的其中一种实现形式。它是指基于Internet的、依靠软件技术来实现的桌面级虚拟现实技术。Web3D的出现最早可追溯到VRML（Virtual Reality Modeling Language，即虚拟现实建模语言）。VRML开始于20世纪90年代初期，1994年3月在日内瓦召开的第一届WWW大会上，首次正式提出了VRML这个名字；1998年，VRML组织把自己改名为Web3D组织，同时制订了一个新的标准，即Extensible 3D (X-3D)；2000年的春天，Web3D组织完成了VRML到X-3D的转换。X-3D标准整合了正在迅速发展的XML、 JAVA、流媒体等先进技术，为Web3D提供了更强大、更高效的三维计算能力、渲染质量和传输速度。如今，Web3D技术已越来越多地应用在商品展示、过程模拟、城市规划和娱乐的领域。  

三、Web3D的实现技术  

Web3D的实现技术，主要分三大部分，即建模技术、显示技术、三维场景中的交互技术。   1、建模技术   三维复杂模型的实时建模与动态显示是虚拟现实技术的基础。目前，三维复杂模型的实时建模与动态显示技术可以分为两类。一是基于几何模型的实时建模与动态显示；二是基于图像的实时建模与动态显示。在众多的Web3D开发工具中，Cult3D是采用基于几何模型的实时建模与动态显示的技术，而APPLE的QTVR则是采用基于图像的三维建模与动态显示技术。   （1）基于几何模型的实时建模与动态显示技术   在计算机中建立起三维几何模型，一般均用多边形表示。在给定观察点和观察方向以后，使用计算机的硬件功能，实现消隐、光照及投影这一绘制的全过程，从而产生几何模型的图像。这种基于几何模型的建模与实时动态显示技术的主要优点是观察点和观察方向可以随意改变，不受限制，允许人们能够沉浸到仿真建模的环境中，充分发挥想象力，而不是只能从外部去观察建模结果。因此，它基本上能够满足虚拟现实技术的3I即“沉浸”、“交互”和“想象”的要求。基于几何模型的建模软件很多，最常用的就是3DMAX和Maya。3DMAX是大多数Web3D软件所支持的，可以把它生成的模型导入使用。   （2）基于图像的建模技术   自20世纪90年代,人们就开始考虑如何更方便地获取环境或物体的三维信息。人们希望能够用摄像机对景物拍摄完毕后,自动获得所摄环境或物体的二维增强表象或三维模型,这就是基于现场图像的VR建模。   在建立三维场景时，选定某一观察点设置摄像机。每旋转一定的角度，便摄入一幅图像，并将其存储在计算机中。在此基础上实现图像的拼接，即将物体空间中同一点在相邻图像中对应的象素点对准。对拼接好的图像实行切割及压缩存储，形成全景图。基于现场图像的虚拟现实建模有广泛的应用前景,它尤其适用于那些难于用几何模型的方法建立真实感模型的自然环境,以及需要真实重现环境原有风貌的应用。相对来说，基于图像的建模技术显然只能是对现实世界模型数据的一个采集，并不能够给VR设计者一个充分的、自由想象发挥的空间。   （3）三维扫描成型技术   三维扫描成型技术是用庞大的三维扫描仪来获取实物的三维信息，其优点是准确性高，但这样的扫描设备十分昂贵，对于VR的普通用户来说这似乎又遥不可及了。   2、显示技术   把建立的三维模型描述转换成人们所见到的图像，就是所谓的显示技术。因为在浏览Web3D文件时，一般都需要给用户安装一个支持W eb3D的浏览器插件，这个对于初级用户来说也是一件麻烦的事情。但JAVA 3D技术在这方面有很大优势，它不需要安装插件，在客户端用一个JAVA解释包来解释就行了。不过，最近MICROSOFT公司宣布，基于安全的理由，它不再支持JAVA，其最新的操作系统Window s XP也没有内建JAVA虚拟机，所以如果在Windows XP使用JAVA 3D也必须安装JAVA虚拟机。其它Web3D软件是必须在客户端安装浏览器插件的。   3、交互技术   网络的关键在于交互，Web3D实现的用户和场景之间的交互是相当丰富的，而在交互的场景中，实现用户和用户的交流也将成为可能。   总的来说，建立模型是用户首先要做的事情，也是相对困难的步骤；而显示是由软件通过计算机的运算完成的，用户不需要过问，只要选择显示质量能满足我们要求的技术就行了；交互功能的强弱由Web3D软件本身决定，但用户可以通过适当的编程来改善软件的不足。  

四、典型的Web3D开发工具  

Web3D的开发工具软件有很多，下面仅就一些典型的工具软件作分析、比较。   1、Viewpoint   Viewpoint，Viewpoint Experience Technology （简称VET），它生成的文件格式非常小，三维多边形网格结构具有可伸缩（scal eable）和流质传输（Steaming）等特性，使得它非常适合于在网络上应用。你可以在它的3D数据下载的过程中看到一个由低精度的粗糙模型逐步转化为高精度模型的完整过程。在数据结构上，它分为两个部分，一个是储存三维数据和贴图数据的.mts文件，一个是对场景参数和交互进行描述的基于XML的.mtx文件。它具有一个纯软件的高质量实时渲染引擎，渲染效果接近真实而不需要任何的硬件加速设备。 VET可以和用户发生交互操作，通过鼠标或浏览器事件引发一段动画或是一个状态的改变，从而动态地演示一个交互过程。VET除了展示三维对象外还犹如一个能容纳各种技术的包容器，它可以把全景图像作为场景的背景，把Flash动画作为贴图使用。   2、Cult3d   Cult3D 是一种崭新 3D 网络技术，利用Cult3D技术可以做到档案小、3D真实互动、跨平台运用，只要用鼠标在3D物件上直接拖动，可以移动、旋转、放大縮小，还可以在Cult3D物件中加入音效和操作指引。对于窄带网的应用，Cult3D也是最好的解决方案之一，Cult3D 的文件量非常小(20K-200K)，却有近乎完美的三维质感表现。对于一般的浏览器只需安装一个插件，即可浏览。和Viewpoint相比， Cult3d在表观和交互上和Viewpoint相似，但Cult3D的内核是基于JAVA，它甚至可以嵌入JAVA类，利用JAVA来增强交互和扩展， Cult3D的开发环境比Viewpoint人性化和条理化，开发效率也要高得多。   3、其它几种Web3D工具的比较（如表1）   Web3D 技术                         功  能              说明  FLASH 模拟三维物体展示场景展示  Flash的VR技术是通过Action s cript控制360度的图片在镜头前移动来模拟三维空间。因此理论上有可能实现全空间的360度视角。  JAVA  三维物体展示场景展示  JAVA是一种强大的Web编程语言。利用JAVA技术，可以轻松的创建360度实景物体和场景展示，并能模拟三维空间。并且JAVA技术产品可在浏览器上直接浏览，不需要任何插件，前提是操作系统中有JAVA虚拟机。  MGI  模拟三维物体展示  MGI技术是基于JAVA的系列全景图片和连续图片处理软件，使用简捷高效，并有多种交互效果。  VRML 三维场景展示   VRML语言的起源可以追溯到1994年3月在瑞士日内瓦召开的一次题为Virtual Reality Markup Language and the World Wide Web（虚拟现实标注语言与万维网）的会议。以此为开端，VRML 1.0草案于1994年10月在美国芝加哥召开的第二次世界World Wide Web大会上发布。VRML 2.0已经发布,新的标准也将出台。       其中，JAVA和VRML都需要一定的编程基础，对一般的用户来说，开发效率不高，但它却能实现较多的功能；Cult3D和Viewpoint相对来说开发效率比较高，能实现的功能基本可以满足教学所需；至于Flash和MGI虽然只能模拟三维，但它们是使用图像来建立模型，无疑在必要时为我们多提供了一种选择。  

五、Web3D技术在教学中的应用  

Web3D有着独特的技术特色，它以较低的成本获得一定程度的虚拟现实体验，它在立体空间的展示，立体物体的展示，展品的介绍，虚拟空间的营造与构建，虚拟场景的构造等方面有着作独特的优势。教育过程中很重要的一个过程就是呈献知识信息，而Web3D在呈献知识信息方面有着独特的优势，它可以在广泛的网络教学领域提供难得的VR学习资源、学习情境体验，从而巩固和加速学生在Internet上学习知识和技能的过程，因此它在网络教育、教学领域有着十分广泛的应用前景。而且由于不需要特殊的硬件和附属设备，也使其在网络教育、教学领域中的应用成为可能。   1、化学和物理实验教学   化学、物理学科昂贵实验仪器的介绍与展示、参观那些不可能进入的实验空间，如核反应堆、粒子对撞空间等等，对于Web3D来说并不是一件难事。当然对于中小学教学来说，Web3D的主要应用还是展示微观的物体，如分子模型。我们使用Cult3D做了一个CH4和C60的分子模型加以说明。其实，建立的过程并不复杂，首先用3DMax建立模型，这里需要一些数据，如分子相对的大小、相对位置等，有了这些才可以建立比较符合实际情况的模型。然后在Cult3D中导入三维模型，只需要三个图标，即可以实现分子模型的移动、旋转、放大缩小。制作过程可以说是很简单，但需要一定的技巧，如C60的分子模型，如果把原子模型一个一个放置好，可能需要半天时间，但用魔格法只需要几分钟就完成了。   我们对创建过程不过多地加以描述，但使用的效果却十分令人满意。在兴趣态度方面，100%的学生表示对此软件很有兴趣，并愿意使用它来进行学习；95%的学生认为它能够较好地解决化学教学中的难点，对于理解所学知识内容有很大的帮助；100%的学生认为它是一种很好的多媒体教学资源。   2、在地理学、考古学的应用   参观世界上你不可能到达的博物馆，研究从未对公众开放过的私人收藏的绘画或雕塑。例如三峡工程完成后，我们怎样带学生去看那已被水淹没的长江三峡呢？现在通过图片建立模型，再应用Web3D技术进一步做成虚拟的三峡全景图像。以后我们就能在网络上随时重温那早已被江水淹没的三峡地貌和古代文明了。   3、在建筑工程学中的应用   现在有些房地产发展商已开始使用Web3D技术进行网上房展，同样，我们也可以使用Web3D技术，带领学生去参观各种建筑，进而学习建筑原理或找寻装饰的构思，甚至可以到全世界各地的经典建筑中寻找建筑设计的灵感。   4、在医学教育中的应用   运用Web3D技术可以让我们观看血细胞通过心脏的全过程，甚至可以让我们进入人的身体内旅游。现在已有很多医科大学进行这方面的研究了，例如利用内窥镜拍摄出内消化道的全景录像，再利用图像采集卡采集成数字图像，并利用处理软件将这些图像处理成一个个场景，供学生进行虚拟探索。  

 六、总结与结论  

无论是与传统影视媒体、多媒体软件，还是与传统虚拟现实技术作比较，Web3D技术都表现出了在网络教育中的独特优势和潜力。   Web3D与传统影视媒体的比较，传统影视媒体只能按照录制的顺序播放,参与者不可改变其播放顺序，缺乏交互性; 而Web3D技术使参与者可以自己控制体验的进程和顺序,可以挑选自己感兴趣的环节而略过其他部分。与多媒体教学软件比较，Web3D技术则拥有比多媒体技术更强的真实感。与传统虚拟现实技术的比较，Web3D不需要特殊的硬件和附属设备,在普通的PC机或Macintosh机上即可实现图象虚拟现实的效果，且更宜于网络传输。   随着科学技术的不断发展，Web3D技术必定变得更精彩、强大和实用。而将Web3D技术有机地融入到网络教育的多媒体教学资源和教学情境的设计、开发之中，就可以为我们的网络学习创建更多、更好、更真实的学习环境，Web3D技术在教育、教学领域里也将具有更大的应用潜力。看来，虚拟的学习化社会离我们并不遥远了。