Web 3D技术综述

艾 达， 乔明明， 李 敏

(1.西安邮电大学 通信与信息工程学院,陕西 西安 710061;2.西安邮电大学 计算机学院,陕西 西安 710061)

1 Web 3D发展现状

虚拟现实（Virtual Reality）技术是一种可提供沉浸感觉和交互操作的三维技术。20世纪80年代,Jaron Lanier最早提出了“虚拟现实”这一概念。

Web 3D技术是互联网与虚拟现实(Virtual Reality)技术的产物,是指基于Internet、依靠软件技术来实现的桌面级虚拟现实技术，目的是在互联网上建立三维的虚拟世界。

VRML1.0于1994年10月在第二届互联网国际会议上公布[1]，这是可追溯的最早的 Web 3D技术，VRML(Virtual Reality Modeling Language)即虚拟现实建模语言。VRML在1997年12月作为国际标准正式发布，1998年1月正式获得ISO标准，VRML经过编辑修订和功能性调整后,发布了 VRML97[2]。1998年，VRML组织改名为Web 3D组织,同时制订了一个新的标准：Extensible3D(X3D)。2000年，Web 3D组织完成了从VRML到X3D的转换[3]。

1.1 国外发展状况

美国是虚拟现实技术VR(Virtual Reality)研究的发源地，最初的研究应用主要集中在军方对飞行驾驶员与宇航员的模拟训练,目前在该领域的研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件4个方面。英国在分布并行处理、辅助设备设计和应用研究方面是欧洲领先，英国Bristol公司发现，VR应用的交点应集中在整体综合技术上，它们在软件和硬件的某些领域处于领先地位。瑞典的DIVE分布式虚拟交互环境是一个基于Unix的、不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中同样具有举足轻重的地位,尤其在游戏方面做出了很大的成就[1]。

1.2 国内发展现状

我国虚拟现实技术的研究与一些发达国家相比还有很大的差距。随着计算机图形学等高速发展，虚拟现实技术已经引起了政府有关部门和科学家们的重视[3]，九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把虚拟现实列入了研究项目。

国内许多高校也纷纷进行虚拟现实的研究和应用,并取得了一些不错的研究成果。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，它们开发的虚拟北航可以实现用户在计算机生成的虚拟环境中对虚拟校园的实时漫游和交互操作；清华大学国家光盘工程研究中心所作的 “布达拉宫”采用了QuickTime技术，实现了大全景VR制；浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统[3]。国内的公司也纷纷推出了自己的技术。

就总体发展而言，国外的虚拟现实研究起步较早，软硬件条件也比较先进，在各个方面的研究水平较高，应用领域也比较广泛。国内的研究起步晚，软硬件条件有限，研究水平有待提高发展，应用领域也有一定的局限性。

2 主流技术

近几年，网络媒体尤其是电子商务对图形、图像、视频技术等提出了更高的要求，各个3D图形公司纷纷推出了自己的Web 3D制作工具，各具特色，使得Web 3D虚拟现实技术操作更加简单，使用更加便捷。

2.1 国外的主流技术

目前Web 3D的开发技术除了传统的VRML/X3D以外 ， 常 见 的 还 包 括 ：Cult3D、Viewpoint、Java3D、Virtools、ShockWave3D等[4]。

(1)Cult3D

瑞典的Cycore公司开发的Cult3D应用软件是一种跨平台的3D渲染引擎，支持目前主流的各种浏览器和常用的操作系统[5]，可以把 3D产品嵌入到 Office、Adobe的Acrobat和网页以及用于支持ActiveX的软件开发中。

(2)Viewpoint

美国Viewpoint公司提出的Web 3D解决方案[5],利用它基于XML语言的构架可方便地与浏览器和数据库进行通信,同时还可以内嵌到多个软件中使用,所以Viewpoint的应用非常广泛。

(3)Java3D

Java3D是Java语言在三维图形领域的扩展，是面向对象的编程[5]。可实现图像对象的生成、模型的改变等，不需要任何插件只需在PC上安装相应的虚拟机便可，Java3D对运算的要求比较高。

(4)Virtools

Virtools是法国Virtools公司开发的平台[5]技术、资金雄厚且在Web 3D行业发展较早。在国外市场占有的份额较大，在国内市场以出售软件为主，价格昂贵且不能及时地提供技术支持。因此，在国内市场占有率并不高。

(5)ShockWave3D

ShockWave3D是Macromedia公司与Intel公司合作开发的网络多媒体技术[5]，通过Macromeadia Director进行制作，Director为Shockwave3D加入几百条 Lingo控制函数，通过这些函数使得Shockwave3D在交互能力和扩展能力上具有强大的优势，通过Havok，Shockwave3D可以模拟真实物理环境和刚体特性。目前多应用在不太复杂的网络游戏上。几种Web 3D技术的比较如表1所示。

表1 几种Web 3D技术的比较

通过上述的比较可以得出,每一种 Web 3D技术都有其自身的特点和应用领域。Cult3D和Viewpoint具有逼真的渲染引擎,能产生高质量的渲染场景,但Viewpoint比Cult3D的效果更加显著。Java3D拥有跨平台性且不需要插件,并提供了大量的类可供使用，提高了其扩展性和应用面。Virtools具有丰富的互动模块，提供创建3D实时应用程序及相关服务的开发环境，在建筑设计、仿真与产品展示等方面效果显著。ShockWave3D有着极为广大的用户群。值得一提的是,Intel把它的Web 3D图形集成到 Shockwave中，Intel Web 3D的图形极具特色,可动态调节3D内容的分辨率。

2.2 国内主流技术

随着虚拟现实技术在我国的不断发展，国内公司纷纷推出了自己的Web 3D技术。

2007年,国内出现了第一个完全自主知识产权的Web 3D开发软件技术WebMax,随后又出现了VRPIE和Converse等一些国产引擎软件。

(1)WebMax

WebMax是由中国上海创图公司研发的Web 3D开发软件技术，采用DirectX和C++编写、三维实时分布式渲染技术来实现无限大规模场景的实时渲染。WebMax技术在三维网络游戏技术的基础上增加了压缩和网络流式传输。

（2）VRPIE

VRPIE是中视典数字科技有限公司2007年推出的虚拟现实新品。它使用脚本系统来进行交互，可以直接嵌入图片视频和Flash实现多媒体功能。虽然没有WebMax的压缩内核好，画质上也是差不多，但是在软件成熟度上比较好且操作简单。

（3）Converse3d（C3D）

北京中天灏景网络科技有限公司自主研发的Converse3D虚拟现实引擎与WebMax一样，采用DirectX和C++编写。该公司在模拟体育类游戏方面比较成功，后来把很大量的精力都倾注在C3D虚拟现实引擎的研发上，目前正致力于虚拟社区的完善和推广。

国内的Web 3D技术借鉴了国外先进技术，软件制造商直接面对用户。WebMax具有互动性强、高压缩比、高速的运算速度等国外同类技术无法比拟的优势。VRPIE直接面向美工，软件较成熟且操作简单，这无疑增加了用户使用的渴望。C3D借助之前在模拟体育类游戏方面的优势，致力于虚拟社区的完善和推广。

所有的Web 3D软件公司都希望自己的软件成为“真正”的国际标准,但就目前情况而言，不论使用哪个厂商的软件都需要下载大小不一的插件完成网页上Web 3D的浏览,插件的大小将直接影响用户的使用热情。

3 Web 3D技术的应用

Web 3D的目的是在网络上实现实时三维模型的浏览并可以实现动态效果和实时交互，互联网的需求是Web 3D发展的动力和源泉。采用Web 3D图形技术是互联网的内容提供商和商业网站发展的潮流，Web 3D技术将在互联网上广泛应用。从目前的发展趋势来看，Web 3D组织将其应用大致归为商务、教育、娱乐和虚拟社区4类。

3.1 电子商务和企业

3D技术展示商品，能够全方位地展现一个物体，具有二维平面图像不可比拟的优势，更能吸引客户。企业将他们的产品发布成Web 3D的形式，能够展现出产品外形的细节，加上互动操作，演示产品的功能和使用操作，充分利用互联网高速广泛的传播优势来推广公司的产品。

3.2 教育

随着科技的不断发展，如今的教学方式不再是单纯依靠书本等形式。计算机辅助教学的引入，弥补了传统教学所不能达到的许多方面[6]，但在表现一些空间立体化的知识(如原子、分子的结合过程等)时仍存在一些不足。随着三维的展现形式的引入，势必使学习过程形象化，学生更容易接受和掌握[7]。

对计算机远程教育系统而言，引入Web 3D内容必将达到很好的远程教育效果[8]。

3.3 娱乐游戏

现今，动态的HTML、流式音视频使整个互联网生机勃勃。多用户联机3D游戏、创意互动游戏等三维的引入，可以使玩家对游戏的画面场景进行实时、全方位的操纵。

3.4 虚拟社区

Web 3D技术上使二维虚拟社区开始向三维场景级别的虚拟社区转变。使用Web 3D实现网络上的虚拟社区展示，只须构建一个三维场景，访问者以第一视角在其中漫游，使其产生身临其境的感觉。当几个远程访问者同时访问虚拟社区时，它们可以用语音或文字通信。

虚拟社区[9]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、科技和娱乐活动。虚拟社区很可能成为Web 3D图形在互联网上的一种主要应用形式。

3.5 其他

虚拟网上展馆是一个利用全新Web 3D形成将展览馆放到互联网上进行展示的平台。虚拟博物馆就是一个实质性的例证，它集虚拟现实技术、网络通信技术等多种高科技手段为一体并采用嵌入IE页面的方式运行，只需下载一个客户端即可，在满足观众足不出户观看展览的需求的同时实现了观众之间、观众与艺术家实时交流的互动需要，真正实现了艺术与科技的结合。

三维医学是未来医疗发展的一个重要的方向。未来医学图像的处理将使用Web 3D图形技术，使医生能更加清晰明了、多视角诊断患者的病情，及时有效地做出诊断，大大减少目前很多患者因为病情诊断失误而引起的生命危险[10]。

地理信息系统的数据可视化是将GIS、GPS与Web 3D结合起来，可以在互联网上建立许多应用系统。

4 WEB 3D展望

4.1 发展前景

随着互联网技术和Web 3D研发技术的不断提高，其未来的发展前景与潜力巨大。Web 3D技术将进一步深入电子商务和企业、网上展馆、网上旅游和虚拟社区等领域的运用,并将在自动化在线控制系统、Web 3D在线营救指挥系统[8]、Web 3D手机嵌入式软件等领域有所突破。

4.2 面临的挑战及解决思路

虽然Web 3D已经发展多年且该技术的优势是二维网页无法超越的，但是它的发展却是障碍重重。网络带宽、技术标准等是Web 3D技术目前发展所面临的最大挑战。

4.2.1 网络带宽的限制

Web 3D技术对网络带宽的要求很高,以目前的硬件条件，对于要求较高、实时渲染的Web 3D技术来说，网络带宽是制约其发展的一个瓶颈,再加之资费较高，使得对其兴趣本来就不大的人们望而却步。

随着网络技术和多媒体技术的发展，网络设计人员正在节约大量资金的前提下不断地努力研发和设计更宽的带宽和更快的速度，未来的网络带宽和网速将有一定的改善，从而为Web 3D的应用发展开阔一条崭新的道路。

4.2.2 技术标准

目前Web 3D技术缺乏统一标准。各种技术的持有者和软件厂商都想让自己的技术成为“实际上”的国际标准而互不联系，几乎每个厂商开发的标准都需要自己插件的支持,这将直接影响着用户使用Web 3D的热情，极大地限制了Web 3D技术在网络中的应用。

Web 3D组织对目前存在的问题还没有出台正式的解决方案。

解决这个问题需要各个行业的厂商共同携手，精诚合作，在此基础上，找到一个合理、共赢的合作模式并借鉴国外的优秀经验，组成一个国内的Web 3D服务组织。在内部形成统一的研发标准，在外部表现出一致的浏览、操作等接口。只有这样，国内Web 3D行业才能让公众充分接受，一旦形成这种模式，Web 3D的国内行业标准也就形成了。

文中主要从Web 3D虚拟现实技术的发展现状、主流技术及应用等几个方面来描述Web 3D技术。今后工作的重点是针对目前存在的问题寻找一个合理可行的解决方案。

在互联网高速发展的今天，在各种技术支持下的Web 3D虚拟现实技术已经进入了一个飞速发展的时代，且涉及的行业将会越来越广泛。新时代人们对电子信息和物质的需求质量越来越多，加之互联网成为人们生活中必不可少的一部分，将会有越来越多的研发人员去探究Web 3D技术。相信，在不久的将来，Web 3D将会深入到人们的日常生活中。任何事物的发展都会面临很多现实的困难，Web 3D也不例外，需要投入大量的精力和时间去研究、去改进，克服Web 3D发展的困难。

[1]王维敏.WEB 3D技术探索及几种WEB 3D技术的比较选择[D].武汉：武汉大学,2004.

[2]王雪峰.一种基于三维虚拟世界的交互式远程教学课件设计[J].科技资讯,2006(12):239-240.

[3]南楠.基于Web-3D的VR虚拟社区的交互研究与设计[D].成都：西南交通大学,2011.

[4]JUN C.Design and development of virtual experiment based on WEB3D[C].Electrical and Control Engineering(ICECE),2011 International Conference on，IEEE,2011:6490-6493.

[5]XU X.An analysis of several typical Web 3D development techonologies[C].Computer Science and Information Processing(CSIP),Xi′an,Shaanxi， 2012 International Conference on，IEEE,2012:1151-1153.

[6]周端锋.Web3D技术环境下的远程教学研究[D].长沙：湖南师范大学,2009.

[7]JUN C.Design and development of virtual experiment based on WEB3D[C].Electrical and Control Engineering(ICECE),2011 International Conference on,IEEE,2011:6490-6493.

[8]刘运增.互联网上的三维技术:WEB3D[J].计算机与网络,2003(10):32-32.

[9]黄铁军,高文.虚拟社区及其交互式媒体实现技术[J].中国图象图形学报,2000,05A(2):170-173.

[10]SETTAPAT S,ACHALAKUL T,OHKURA M.Webbased 3D visualization and interaction of medical data using Web3D[C].Proceeding of SICE Annual Conference,2010:2986-2991.