时间：2023-05-30 09:05:22
关键词:Web3D技术;网页艺术设计;变革
中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:1005-5312(2010)15-0141-01
一、网页艺术设计新的时代背景
进入二十一世纪,网页艺术设计的技术发生了革命性变化。产生于上世纪90年代的Web3D技术将三维虚拟空间与网页相结合,强化交互控制,网页具有更真实的体验,更丰富的交互控制,更逼真的表现效果。从技术方面满足人们对感官美、体验美的综合需求。因此从艺术方面也对网页艺术设计提出了更高的要求。
(一)Web3D技术的产生与发展现状
通信、网络、信息技术的发展使人们对于互联网的需求不断提高,从文字信息、图文信息到如今的图文动画综合信息,其功能从简单的信息传递到信息的实时交流再到综合的信息、娱乐,并逐渐发展到全方位的交互体验(如图1)。在科技与需求相互发展的环境下,Web3D技术使三维技术与互联网结合,经过十多年的发展,该技术已经成熟,众多软件企业已经开发出实用的技术产品,如O3D技术、 Virtools软件和Cult 3D软件等。
目前Web3D技术在游戏、教育、房地产、公共事业等行业发展较为迅速,三维网络游戏、基于互联网的虚拟实训室、网上看房系统、虚拟消防演习等虚拟产品的成功开发,获得了丰硕的经济效益与社会效益。该技术在发达国家应用较早,美国、日本和德国等发达国家已经获得了成功的应用经验,美国注重综合应用开发,日本注重在游戏产业的应用,德国注重工业领域应用。国内外的成功案例与开发经验印证Web3D技术的优势,为该技术的推广提供宝贵的经验。
(二)Web3D技术成为网页艺术设计变革的动力
网页的功能性、技术性和艺术性是网页设计的三个重要因素。Web3D技术增强网页的功能性,功能性的增强引发艺术性变革。在网页设计领域,技术与艺术相互促进,人们对艺术的不断追求促使新技术的产生、发展,新技术带动艺术设计新思路、新方法的产生。以Web3D技术引发的网页设计艺术变革成为设计者探索新设计思路、新表现方法的动力源。
二、网页设计的变革
(一)技术功能性的变革
互是Web3D技术的重要发展方向,其交互具有体验感更强、形式多样、操作简便流畅等特点。用户依靠该技术,与计算机之间通过肢体语言、声音、情感变化等进行交互,获得身临其境的体验感。正如辛向阳所说的,“交互设计的对象是人的活动”。网页艺术设计更应当注重人的活动,应当冲破简单的鼠标、键盘交互动作,设计更丰富多样的肢体、声音、情感等交互动作的网页。这些新的交互网页实现了网页更加丰富的功能性,产品的展示、作品创意的传达、游戏性能的发挥都将得到革命性的飞跃。
三维技术已经在工业设计、环境艺术设计、游戏设计、影视等专业领域发展成熟,成为数字技术重要发展领域。三维技术与网页的结合是网页发展的重要方向,三维技术可以实现更加真实的空间感,视觉冲击效果更强。Web3D技术支持将常用三维软件绘制的模型文件直接添加于网页当中,使网页直接呈现出三维效果,方便的技术衔接使网页设计突破了平面二维空间的限制,向更为广阔的三维空间发展。
(二)网页设计艺术的变革
Web3D技术突破了二维平面的限制,带来了全新的三维空间表现形式,网页和三维软件之间能良好的兼容,不论是模型、材质、光影还是环境都可以在网页当中实现。这些特性赋予了网页艺术设计新的内涵。主要体现在形式美原则、创意构思和构成要素等方面。
Web3D技术冲破了二维平面的限制,使网页设计形式美的内涵发生了改变。三维网页对比强烈,能够形成真实的三维空间,平面版式的面积、大小、形状等转变为体积、外形、位置、角度等。三维技术使网页设计更加富有节奏,球体、立方体、长方体、锥体、柱体等形成的空间使网页更富节奏变化。三维网页更能形成整体的视觉效果,几何体重复排列、相互穿插形成了相互关联的整体,突出网页设计的整体美。
Web3D技术带来了全新的网页创意构思。三维的空间构思更加灵活,更能激发设计者的灵感,易于表现设计者的情感。利用Web3D技术的空间性、交互性等特点,设计者可以实现独特的、多方向的、富有情感的网页作品。Web3D技术给予设计者发挥个性广阔的空间,利用三维网页互动地传达各种各样的信息。
网页设计的构成要素也发生了新的变化,Web3D技术提供了空间几何体构成要素,使文字、图像等能够以三维立体的形态展示于网页当中。字体不但可以传达信息,还能以三维的形态实现空间变化,提高网页的观赏价值。图像不是单纯的平铺于网页当中,而是附着在三维形体表面,通过三维形体的变化实现图与形的完美结合,既表现了形的质感又突出了图的美感。
从更深层次的美学角度分析,三维网页更具感官美、体验美。Web3D技术实现交互艺术与网页设计艺术的结合,以三维的形式表现页面效果,更具视觉表现力。既可以使画面的变化层次丰富,空间形体与真实纹理紧密结合,表现超现实主义风格的画面效果;也可以将三维效果矢量化,表现色彩浓郁的卡通风格。网页的实时交互动态变化更具有感染力,突出体验美的感受,目前的网页大多以单向方式进行信息的传播,浏览者只能被动的接受设计者指定的空间,Web3D的交互技术给予浏览者三维空间的控制权,浏览者可以通过交互动作欣赏三维空间的任意区域,满足人们对体验美的追求。
(三)设计者的变革
Web3D技术引发了网页设计功能、技术和表现效果的巨大变革,设计者的变革也势在必行。首先,设计者应当转变设计观念,设计者在设计网页时应当充分认识到三维网页的特点,然后将功能性结合到网页的技术当中,当然,设计者也有必要考虑网页技术对于功能实现的可行性与效果预期。其次,设计者应当变换设计方法,Web3D技术有其特殊的技术要求,技术的不同将带来表现方法的不同,特别是对三维技术表现方法,设计者既要适应技术要求又要体现艺术表现的美感,因此要使用新的设计方法,遵循三维表现技法和网页设计原则。最后,设计者应当进一步研究网页设计的交互特性与人的交互行为,Web3D技术提供了丰富的交互功能,这些新的功能既可以满足人们的需要,又可以将社会推向新的无障碍交互时代,设计者有责任创作满足大众需要的三维交互网页。
设计者的转变是一个渐进过程,在这个过程当中,各学科人才将加入到Web3D技术的开发与应用当中,正如保罗・内尔福特所讲的“体验设计需要的是一堆设计学科”,在科学技术高度发展的今天,多学科交叉和融合的领域越来越多,Web3D技术就是多学科交叉的领域,其学科交叉复杂程度较高,集三维艺术、计算机语言、人机交互设计等于一身,需要掌握的学科知识复杂,因此,Web3D的实现需要多学科交叉的设计团队,在团队当中各个学科只有相互促进与融合,才能开发出符合技术与艺术要求的网页作品。
三、网页设计展望
互联网发展将带动网页设计的发展,Web3D技术的诸多优势决定其未来在移动通讯、商务、教育、游戏、公共服务、医疗等众多领域获得更广阔的发展空间。Web3D技术开发企业正在开发更多更丰富的三维交互应用, Google、Adobe、Autodesk、Microsoft等企业已经开发出初具雏形的Web3D实用产品,这些信息科技领头企业对于该技术的重视可以印证该技术具有广阔的前景。
Web3D技术向手机通讯技术延伸将是另一个主要方向。手机性能提高,屏幕尺寸不断增大;数据传输能力增强,第三代数字通信技术可以达到不低于144千字节每秒的数据传输能力。数据传输技术成熟为Web3D技术在移动设备上广泛应用创造良好的发展环境,未来支持Web3D技术应用的手机将引发网页设计新一轮的变革。
关键词：Flash；Web3D；预下载
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 09-0000-02
Web3D是Web技术和3D技术相结合的产物，是互联网上实现3D图形技术的总称。Web3D技术源于虚拟现实技术中的VRML分支，1997年，VRML（VRML Consortium）协会正式更名为Web3D（Web 3D Consortium）协会，并制定了VRML97新的国际标准。至此，Web3D的专用缩写被人们所认识。也正是因为这个原因，Web3D经常被放在与虚拟现实（VR）一起讨论和研究。
Web3D技术具有强大的交互性、强烈的真实感及在网络上易于传输等特点，因此，在网络越来越普及、多媒体应用越来越广泛、虚拟现实技术发挥越来越多作用的今天，Web3D技术在网络远程教育、虚拟展会、广告展示、网页游戏等Web和3D紧密结合的应用领域扮演着重要的角色，为虚拟现实技术的网络化、轻量化趋势打下了铺垫。
多媒体领域用户体验的好坏最为直观强烈，Web3D也不例外。加载模型的缓慢或者失败、模型运动的不连贯流畅等不佳用户体验在目前较为常见。因此目前在实际应用中，占用带宽低的多媒体软件工具对Web3D的实现较为普遍，其中又以Flash最为常见。本文就是以利用Flash 进行Web3D 内容展示时，进一步优化模型的预下载，使得在有限的网络资源和本地资源的条件下，获得尽量好的用户体验。
一、Web3D的实现技术
目前常见的Web3D的实现技术有如下几种：
（一）基于编程的实现技术
开发Web3D最直接的方法是编程，常见语言有VRML，Java，Java3D等，并且需要基层软件或者驱动库的支持，如ActiveX，COM和DCOM等。基于编程的Web3D实现技术，普遍存在编程工作量大、较难掌握的缺点。
（二）基于开发工具的实现技术
Web3D可视化开发工具有Cult3D，Viewpoint，Pulse3D，Shout3D，Blaxunn3D等，从而为不熟悉编程的人员开发Web3D对象提供了方便的实现途径。通过开发工具实现Web3D的开发，流程简单、观并易掌握。
（三）基于多媒体工具软件的实现技术
利用Flash、TVR等多媒体工具软件，不通过编程就很方便进行Web3D的开发。
在交互式矢量动画软件Flash中，对导入的序列图像或已拼接的360度的全景图像，通过ActionScript设置交互而形成的3D对象或全景虚拟环境，能实现360度视角可见的图像的控制。由于该技术具有矢量性，所以，具有画面清晰度不因缩放而降低、文件小等优点。另外，由于采用micromedia的Shockwave技术，从服务器端向浏览器端传输只是一些绘图指令，所以能够实现在低带宽上的高质量浏览。
（四）基于Web开发平台的SDK的实现技术
通过Web的SDK实现Web3D的技术近来受到关注，其中WildTangent和EON技术成熟，应用广泛。
WildTangent的应用范围非常广泛，但要用WildTangent创造出交互效果，用户必须具备一定的脚本语言基础。
通过对以上技术的比较，基于多媒体工具软件的实现在实现难度和资源占用上有一定优势，这使得其成为目前应用最为广泛的Web3D实现技术（尤其是Flash）。因此下文将对Flash实现的Web3D进行场景模型预下载策略的研究，从而进一步减少资源消耗、提升用户体验。
二、预下载策略
（一）预下载策略常见问题
当浏览者空闲时，根据浏览者的可见范围，预下载可见范围的场景数据。当浏览模型时，先识别浏览模型，跟据相关特征信息先在本地缓存中查找，如果找到，直接从缓存中加载模型，如果未找到，访问服务器，从服务器获取模型文件，加入缓存并加载渲染。
下图是一种预下载方式结构图：
图 1 图2
这种策略在C/ S模式下是比较容易实现的，但是要在网页上实现，还有一些问题需要探讨研究。
1.缓存位置的选择问题，是本地磁盘还是内存；
2.Flash安全机制问题；
3.缓存中模型的查找识别问题；
4.缓存中模型的替换策略。
第一个问题其实与第二项是密切相关的，基于Flash的3D必须遵循flash的安全机制，也就间接决定了缓存位置的选择。
（二）Flash player安全机制
安全机制与SWF（shock wave flash）文件紧密相关，而SWF文件的运行环境有两种：本机浏览和网页浏览，这两种情况下的安全机制不尽相同。一般情况下，网页的SWF文件危险性更高。因为用户对这些SWF文件一无所知，在界面的后面可能隐藏了破坏性的脚本，用户无法得知这一情况。
未防止恶意的SWF文件破坏用户的系统，安全机制从源头着手，他确保Flash内容在未经用户知晓的情况下，无法访问本地计算机上的信息。当Flash Player运行时，它会在播放内容前进行两项主要的检查。一是确定SWF文件的来源，二是检查存储在计算机上的受信任内容列表，确认本地系统是否信任该内容。如果内容未通过这些检查，则停止该内容，并且不能再执行任何操作。
要想加载外部内容，解除访问限制，只有在数据源上进行许可设置，给予特定域的访问权限，而这个设置只能由管理员（用户）来手动设置。经过管理员审核的域才能进入受信任的列表。但是这种方式必须通过人工方式进行，在Web上部署Flash时，大多数用户是不会进行设置的，原因有二：
1.用户担心安全及隐私，把本地域开放给不了解Flash访问，大多心有余悸，可能出于安全考虑而放弃浏览。
2.设置比较繁琐，大多人嫌麻烦。
首先考虑将缓存放置于本地磁盘空间，这种方式的优点是空间相对较大，能够长时间保存，下载后的模型数据不会因为掉电而丢失，能够重复多次利用，在C/S模式下是十分合适的，但是在B/S模式下，从上述的Flash的安全机制可以看出，要利用Flash Player 访问本地空间是比较困难的，但是Flash提供了一个可以存储访问的本地Cache的缓存空间，可以利用此空间存放预下载的场景模型数据。
再来考虑将缓存放置于内存中，这种方式的优点在于访问速度快，不受安全机制的限制，缺点也是很明显的，内存空间有限，缓存容量受限制，而且只要退出浏览器相关页面缓存中的内容就丢失，当下一次重新打开页面浏览三维模型时又需要重新从服务器下载。这种方式的预下载缓存还必须与实际应用相结合，因缓存容量有限，如果预下载的内容不是用户紧急需要的资源，那么会占据大量缓存空间，频繁造成缓存中模型的替换，降低缓存的使用效率，给浏览提速的效果也就不太明显。这就需要提供一个理想的预下载策略来配合。
根据以上分析，可以利用两种方式的优点，结合内存以及cache组建一个大的缓存空间，根据模型的访问频度来调整预下载的模型位置。
（三）缓存中模型的查找识别
放在缓存中的模型怎样才能被正确识别并被正确加载这是一个需要解决的问题，一种解决的方案是建立一张缓存中存在的模型表，建立按名存储的机制，当需要加载模型文件时，先查找模型表，在表中找到模型记录即从缓存中加载相应模型文件，若未查找到，从服务器下载模型显示并加入缓存，将模型文件名等信息加入模型表，如图2所示。
对应的模型表可以建立起一种映射关系：
文件名称 访问频率 存在位置
（四）模型替换策略
模型的替换策略可以根据访问频率选择最近最少使用方式进行替换，当然也可以根据其他一些因素来选择替换策略，这里仅供参考。模型表中记录数可以根据下列方式获取：
表中记录数=（缓存空间大小/单个模型平均大小）-1
访问频率可以按升序排列，每被加载一次频率+1，在构建表时就开始进行升序排序，每次频率变动的同时调整排序，替换时直接找到表末尾项即可。
参考文献：
[1]刘运增.互联网上的三维技术：Web3D[J].计算机与网络,2003(10)
[2]邓文新.Web3D技术的教学应用研究[J].现代教育技术,2002(4)
[3]高永惠.3种Web三维交互技术的分析和比较[J].广东医学院学报,2004(6)
实验是物理教学的灵魂，是学生翱翔于物理知识中的羽翼；没有实验，就没有物理学习实质性的收获。因此搞好物理实验教学，物理教师的责任重大。在物理实验教学中，教师既要保证实验的安全性又要遵循新课程标准的要求，不断提高学生的知识、情感态度价值观能力，搞好物理实验教学。
一、运用Web3D物理仿真实验系统，保证实验的安全性
在物理实验中，隐患重重，经常有这方面的事故报道，前两年，北京的一位十五岁的初中学生在朝阳区红领巾桥附近的双兴小区的家中做实验，突发爆炸。很多邻居闻到异味，感到不适，严重者被送到医院就医。如果所做试验量大，后果堪忧。那么，怎样才能避免类似做实验悲剧的发生呢？那就是运用Web3D物理仿真实验系统进行物理实验。
运用Web3D物理仿真实验系统辅助中学物理实验教学是物理实验教学的革命，它不仅有效提高了实验学习效果，降低了抽象实验的复杂度，而且增进了学生对实验的理解，实现了师生的在线交流与资源共享。经过一段时间的教学测试，学生的创新潜力无不被充分激发出来，原本不太喜欢做实验的同学对实验也兴趣备增，教学多年，深感只有不断在教学中总结教学经验，掌握教学要领，利用高科技教学手段、进行艺术教学，方能传道功成，解惑果就。
下面谈一谈Web3D物理仿真实验的教学设计过程模式。
教学设计（Instructional Design，简称ID），亦称教学系统设计，它面向教学系统、运用心理学，教学媒体论相关技术与理论，探究教学需要、分析其中问题，创造解决方法，计划试行手段，评价试行结果，最后改进设计。仿真实验教学设计过程的宗旨是为学而教，不是因教而教，也不是为教而教。
在探究实验、演示实验、开放实验、验证实验等中学物理实验过程中，根据教学设计原则和物理实验特点来看，物理仿真实验教学是一个系统化的过程，设计时分以下几个部分：实验目的要求、实验设备、实验原理、实验程序、仿真实验记录、实验数据处理、书面实验总结报告与巩固练习。所采用的技术方法也因实验内容不同而有异，分静态网页和动态网页两种方式。静态网页通常是纯粹的HTML格式，包括实验目的要求、实验设备、实验原理等文字方面的内容；动态网页包括实验程序、实验数据处理与巩固练习等内容，涉及实验数据结果处理、后台数据库调用以及实验交互的实现。Web3D采用鼠标和键盘的交互方式，在操作中运用Cult3D和JavaScript技术设计交互，把JavaScript技术运用到Cult3D三维仿真实验的交互制作中，使仿真实验的交互愈发便捷灵活。在学习过程中，不仅学生的实验印象得到了加深，实验信息也得到了深刻的理解。
二、遵循课程标准，搞好物理实验教学
课程标准是教学的依据，它不仅给我们提出了知识技能、情感态度与价值观、过程与方法的具体要求，而且还对如何完成这些要求提出了方法上的建议。教科书有多种版本，但课程标准只有一个，课程标准对所有的教科书有共同的要求，因此教学活动的安排应该按照课标准的要求来进行，教师备课时首先要读懂、读透课程标准、课本及参考书，根据课程标准、课本、参考书及学生的实际情况确定教学的三维目标，不仅要明确本节教学的三维目标，而且还要明确目标达到的程度。这样我们的教学才能有的放矢，才能围绕目标合理地组织并开展实验教学活动。
如上所述，做物理实验，首先要重视安全，Web3D实验教学手段在我们的教学实践中将越来越显示其独特的优势。当好一名教师，就应该巧用Web3D实验，遵循课程标准，为学生的创造性学习提供保证，让学生在课堂上充分展示自己的个性和特长，发表自己与众不同的见解，真正让学生体会到学习的乐趣，让他们在安全的基础上轻松地学习，创造性地求知，学好物理，用好物理，真正成为学习的主人。
【责编 田彩霞】
（西安石油大学计算机学院，陕西 西安 710065）
【摘要】随着我国计算机网络技术的飞速发展，虚拟现实技术也随之而出，虚拟校园就是虚拟技术的一个分支。本论文以西安石油大学新校区为例，基于Unity3d平台开发的系统运行效率高、维护简单的特点，运用3dmax建模软件进行对场景建模，通过JavaScript和C#语言实现人机交互，最后结合html进行融合导出，从而完成虚拟校园的开发。针对虚拟漫游网络占用大量网络带宽，影像虚拟漫游系统运行的流畅性，提出了在建模优化及程序中的优化实施措施，经过软件测试，表明该优化方法能够有效地降低网络带宽，能够一定程度上提高虚拟漫游系统运行效率，为构建虚拟数字化校园及相关方向研究提供实用参考价值。
关键词 虚拟现实；虚拟校园；校园漫游；Unity3d
Design and Realization of Virtual Campus Roaming Based on Unity3D
WANG Cai-ling LIU Rui-xiang SONG Zhao
(Xi’an Shiyou University, School of Computer science, Xi’an Shaanxi 710065, China)
【Abstract】The virtual reality technology comes with the rapid development of computer network technology, and the virtual campus is a branch of it. In this paper, the new campus of xi’an Shiyou university is taken as an example, the system based on Unity3d platform which has high efficiency and good maintenance, it used 3dmax to model the scene and realize human-computer interaction through JavaScript and c#, finally combining HTML to export and fuse, thus completing the development of the virtual campus, and providing practical reference value for building a virtual digital campus and the relevant research.
【Key words】Virtual reality; Virtual campus; Campus roaming; Unity3D
0 引言
在网络快速发展的时代，虚拟现实技术成为了高等教育机构和国内外商业抢占市场和提高竞争力的一个强有力手段。他们通过虚拟现实技术，让用户足不出户就可以了解到他们所需要的东西，而且具有身临其境地感觉。使用者利用网络手段真实感触到产品、环境及体验，对虚拟现实技术的要求更高更迫切。基于双方的需求，更加促进了web3d技术的完善和成熟。
所谓虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。虚拟现实技术已经广泛应用在医疗[1]、教育[2-3]、电子商务[4-5]等众多领域。其中，Web3D技术是当前虚拟现实 的主流技术。Web3D又称网络三维，是一种在虚拟现实技术的基础上，将现实世界中有形的物品通过互联网进行虚拟的三维立体展示并可互动浏览操作的一种虚拟现实技术。相比起目前网上主流的以图片、flash、动画的展示方式来说，Web3D技术让用户有了浏览的自主感，可以以自己的角度去观察，还有许多虚拟特效和互动操作。Unity3d是由Unity Technologies开发的一个可以轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。Unity3D最大的优势是性价比高, 并且可以发布成网页浏览的方式, 用户不用下载客户端, 就可以直接体验. Unity3D支持各种脚本语言包括Javascript、C# 兼容各种操作系统, 真正的实现了跨平台。
本论文从创建数字校园需求分析入手，通过前期测量，三维建模完成各个数字模块，最终完成一个数字化校园。首先应该通过CAD平面图[6-7]和实地拍摄图片[8-10]构造模型主题，经过测量和分析得到虚拟场景内各个模型的尺寸，利用3dmax建模软件对各个建筑体进行建模，然后进行场景合并。运用3dmax插件导出为FBX格式，将导出文件导入Unity3D中，在 Unity3D中添加灯光设置、图纸设置、及第一人称角色来完成人机交互。利用Unity3d的跨平台设置生成html格式，将html格式文档发布在互联网中，可实现网络环境下虚拟校园的漫游。
1 三维虚拟校园漫游的总体设计
1.1 虚拟校园漫游开发流程
基于西安石油大学新校区的虚拟校园漫游开发流程如图1所示。
首先，获取校园地理相关信息数据。在这里首先获取校园AutoCAD平面图和相关建筑物设计图纸。对建筑物分别从四个正面及八个方向拍照，获取外部轮廓及细节图；对草地、水域及道路等采用实景拍照获取相关信息。
其次，将所采集到的数据及图片信息利用3Dmax建模软件，制作三维数字模型，对粗糙模型进行加工渲染，得到效果逼真的三维模型。
再次，将三维模型利用3Dmax插件导出，由于Unity3D软件要求输入模型为FBX类型，因此，按照Unity3D软件平台要求输出指定模型，进行后续的开发。
最后，利用Unity3D软件，使用Javascript和C#语言，添加灯光照射和人物角色，对人物添加碰撞检测，实现基于第一人称的无失真漫游。
1.2 开发过程中的关键技术
1.2.1 漫游功能的实现
漫游功能是实现数字化校园的关键, 交互是实现漫游的方式. 基本的人机交互方式，例如人物行走，需要采用鼠标点击前进、后退、左转、右转、跳跃等功能，在Unity3D中可以以WSAD实现，代码在FPScontral.js脚本文件中，其关键代码如下：
var Speed=5;
var RotateSpeed=20;
function Update () {
if(Input.GetKey(KeyCode.W)){transform.Translate( Vector3.forward* Time.deltaTime * Speed);
if(Input.GetKey(KeyCode.S)){transform.Translate( Vector3.forward* Time.deltaTime * -Speed);
if(Input.GetKey(KeyCode.A)){transform.Translate( Vector3.up* Time.deltaTime * RotateSpeed);
if(Input.GetKey(KeyCode.D)){transform.Translate( Vector3.up* Time.deltaTime * - RotateSpeed);}
}
另一种重要的交互功能是GUI界面设计，在虚拟校园中，需要场景的跳转，如图2所示，根据选择进入场景，实现相应的漫游模式。核心代码如下：
function OnGUI(){
GUI.Label(Rect(280,150,400,200),str);
if(GUI.Button(Rect(250,320,100,25),"进入校园"))
{
Application.LoadLevel("xishiyou02");
}
if(GUI.Button(Rect(600,320,100,25),"退出系统")){
Application.Quit();
}
}
1.2.2 碰撞检测设计
碰撞检测[11-12]是模拟现实环境中的人物及物体在遇到障碍物时发生的本能反应,例如，当角色遇到墙壁,如果没有设计碰撞检测，则角色会出现穿墙而过的失真现象，在现实中，应该是当发现墙壁与角色存在一定距离时，则需要停止前进。在这种情况下，设计人员需要添加碰撞检测函数。碰撞检测实现及性能是整个数字校园漫游的性能指标之一。Unity3d开发平台默认给每个对象(GameObject)添加一个碰撞组件(ColliderComponent)，一些背景对象则可以取消该组件。在unity3d中，能检测碰撞发生的方式有两种，一种是利用碰撞器，另一种则是利用触发器。这两种方法应用都非常广泛。
在Unity3d中，主要有以下接口函数来处理这两种碰撞检测：
触发信息检测：
1）MonoBehaviour.OnTriggerEnter( Collider other )当进入触发器
2）MonoBehaviour.OnTriggerExit( Collider other )当退出触发器
3）MonoBehaviour.OnTriggerStay( Collider other )当逗留触发器
碰撞信息检测：
1）MonoBehaviour.OnCollisionEnter( Collision collisionInfo ) 当进入碰撞器
2）MonoBehaviour.OnCollisionExit( Collision collisionInfo ) 当退出碰撞器
3）MonoBehaviour.OnCollisionStay( Collision collisionInfo ) 当逗留碰撞器
2 虚拟校园的实现
2.1 虚拟校园漫游系统设计要求
虚拟校园提供三维浏览功能有利于用户通过网络直观地获取信息，可以自主控制前进方向。构建这样的虚拟校园系统，在开发过程中需要解决的问题如下：
1）可以实现网络浏览, 文件不能过大, 要保证适合大多数计算机可以访问;
2）以一定的比例真实缩小实体校园, 所有重要的场景要尽量真实还原;
3）提供比较人性化的GUI界面, 比如“帮助导航”用来给用户提示信息;
4）设置与学校官网链接的页面导航;
5）配备背景音乐, 并可以由用户自行设置关闭或打开;
6）设置导航图方便用户了解校园的整体;
7）通过服务器多用户交互。
2.2 构建过程
2.2.1 数据收集
通过实地考察量，测量，拍照等方式进行数据信息的收集。
2.2.2 模型构建
学校模型通常为学校大门，教学楼，路灯，花池，树木，草地等元素构成。根据收集的数据通过3dmax 对基础模型进行平面建模，在模型构建过程中添加贴图，材质，灯光，效果等构建出逼真的模型。在模型的构建中需要注意的是多边形模型的优化. 一个虚拟校园系统还是比较大的, 对模型充分的优化可以减小最后网络文件的大小, 利于用户浏览。
2.2.3 人机交互
人机交互技术是通过计算机输入、输出设备, 以有效的方式实现人与计算机对话的技术. 在本系统中主要的人机交互包括GUI界面设计和漫游设计.。用户通过网页浏览器打开该系统，在系统的介绍下进行校园漫游，用户以第一人称视角进行浏览，增强体验感，通过控制键盘wasd控制视角的移动同时鼠标控制视角的旋转。音乐可以给用户带来试听上的快感，结合视角，使其有种身临其境的感觉，同时用户可以自己开关音乐。系统添加碰撞检测系统使得用户不会出现穿墙现象，完善虚拟环境的真实性。
3 效果展示
4 软件测试与优化
任何系统都需要进行黑盒子测试以发现系统存在的问题和漏洞。本系统也进行了相应的测试。在测试中发现，基于网络环境下，系统存在占用网络流量大，运行缓慢的现象。分析原因是因为测试电脑配置较低及网络带宽限制。这就要求我们从用户角度出发，在保证真实度的情况下尽量减少模型的数量，大部分建筑需要通过平面建模来优化模型的复杂度，在建模过程中尽量减少模型顶点和分段数，在unity3d处理过程中，尽量使用静态灯光，动态实时灯光相比静态灯光，非常耗费资源。所以除了能动的角色和物体静态的地形和建筑。尽量减少视角范围和距离，减少不必要的运行消耗。
具体实施方案有：
1）模型设计方向：
a）使用层距离来控制模型的显示距离；
b）阴影其实包含两方面阴暗和影子，建议使用实时影子时把阴暗效果烘焙出来，不要使用灯光来调节光线阴暗；
c）少用像素灯和使用像素灯的Shader；
d）如果硬阴影可以解决问题就不要用软阴影，并且使用不影响效果的低分辨率阴影；
e）实时阴影很耗性能，尽量减小产生阴影的距离；
f）允许的话在大场景中使用线性雾，这样可以使远距离对象或阴影不易察觉，因此可以通过减小相机和阴影距离来提高性能。
2）程序优化方向：
a）删除脚本中为空或不需要的默认方法；
b）只在一个脚本中使用OnGUI方法；
c）避免在OnGUI中对变量、方法进行更新、赋值，输出变量建议在Update函数中调用；
d）同一脚本中频繁使用的变量建议声明其为全局变量，脚本之间频繁调用的变量或方法声明为全局静态变量或方法；
e）不去频繁获取组件，将其声明为全局变量；
f）需要隐藏/显示或实例化来回切换的对象，不使用SetActive Recursively或active，使用将对象远远移出相机范围和移回原位的做法；
g）尽量少用模运算和除法运算，比如a/5f，需改写成a*0.2f。
5 结束语
本文以西安石油大学新校区为例，基于Unity3d平台开发的系统运行效率高、维护简单，运用3dmax建模软件进行对场景建模，通过Javascript和C#语言实现人机交互，最后结合html进行融合导出，从而完成虚拟校园的开发。在论文中重点介绍了系统设计过程中的关键技术以及对系统从模型设计及程序设计两方面的优化。该系统经过测试，基本实现学生用户的使用需求。
参考文献
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关键词：虚拟现实 基于图像绘制 三维导航 虚拟现实建模言 插值 原型
中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0000-00
Abstract： The reconstruction of Virtual Reality Scene based on image has become the hot topic in last ten years. By analysising the process of 3D navigation and the interpolation method of Virtual Reality Model Language， a novel method about the implement of 3D Navigation based on series image set is presented in this paper. Firstly， the definition of key frame point is presented through the analysis of 3D navigation route， and the images are obtained by digital camera in accordance with the key frames. Secondly， all kinds of roaming prototype are defined by the interpolation node of VRML program. Lastly， the navigation animation by the interpolation of the series image is generated， which efficiently implement the 3D navigation of indoor and outdoor. The experiment show that technique is cheaper and simpler， also has good performance.
Key words：Virtual Reality； Image Based Rendering；3D Navigation；Virtual Reality Model Language；Interpolation；Prototype
1 概述
随着计算机软件与硬件技术的高速发展，虚拟现实（Virtual Reality， VR）技术的应用越来越广泛，基于图像的绘制技术（Image Based Rendering，IBR）是近年来VR技术研究的热点，它以简单的图像合成代替基于三维几何的建模和渲染，加快了画面的显示速度，是建立特定三维场景的一种高效率方法。IBR将计算机图形学、计算机视觉与图像处理结合在一起，直接由参考图像生成新视点的图像，具有绘制速度与场景复杂度无关、对计算机硬件的要求不高、生成图像的真实感强、既可用于合成场景又可用于真实场景等优点。基于以上优点，IBR技术自从上世纪90年代被提出以来，已经在虚拟现实、航空航天、建筑、娱乐、网上旅游等领域中得到了应用，尤其由于真实感强，在三维导航方面具有广泛的应用。[1]
VR技术具有I3 （沉浸、交互、想象）特征，其中虚拟现实建模语言 （Virtual Reality Modeling Language，VRML）是基于网络的三维语言，是Web3D的代表，它是用于建构多人的交互式虚拟实境语言。虚拟漫游是虚拟现实系统中必不可少的功能，尤其是三维室内外导航系统是三维虚拟漫游系统的重要组成部分，国内外许多高校都进行了研究，成为一个热点研究领域[2-10]。
本文先仔细剖析基于图像系列的绘制技术，结合VRML语言，在Web3D平台上提出了基于图像系列的三维导航漫游系统的快速实现算法，并实现了相应的自助导航功能，让用户身临其境地感受真实三维场景。
2 导航路径的关键节点
虚拟漫游的实质是首先在漫游路线的关键点（帧）位置设置了一系列的视点viewPoint（或称相机），同时计算好路线上每一段所需的时间，目的是为了行走的匀速；然后通过时间传感器，设置好时间间隔，结合相应的插值器，生成每两个关键帧相机之间的运动位置，从而生成一系列的动画，实现用户的漫游过程，因而虚拟漫游的关键是如何生成两个关键帧之间的动画。[11，12]
如图1是一个典型的小区漫游路线，这条多义线分别由多条直线和弧线组合而成，包含16个端点（P1，P2，……，P16），共15段线段，每一段线（弧线）的端点都是关键帧的位置即Pi。假设用户行走时（或相机在沿路线移动时），方向始终指向下一关键帧，或者说方向与路线重合。
3 关键动画的生成
结合前面的分析，实际虚拟漫游的关键是如何生成从Pi到Pi+1的动画。
首先让用户手持相机，在关键点Pi、Pi+1的位置上沿着行走的方向拍摄照片Imagei和Imagei+1，详见图3（a）和（b）；显然Imagei+1可以在Imagei中找到相似的内容，可以进行对准，结果见图3（c）。假设图像的分辨率为width*height，则图Imagei+1在Imagei中的位置坐标为[左下角（leftX，downY），右上角（rightX，topY）]，显然如果在Pi、Pi+1点保持相同的拍摄角度，则Imagei+1在Imagei的正中央，详见图3（d）。
截取后进行归一化，统一生成同样大小的图片，即进行图像的缩放操作Imresize（Ij， width，height）。
最后把这n张图片可以形成一段动画，在实际应用中，Pi至Pi+1一般可能有20m，按人的行走速度4.8km/h，则需要12秒，取帧速率为10fps，则将有120张图片，不管从生成的角度还是从内存开销的角度，都需要不少的代价。
为了快速实现上述动画的再生过程，我们结合VRML语言的面集节点纹理映射坐标系统和坐标插值器，通过Web3D的渲染引擎，以最低的代价和最快的速度，完美地实现了上述的动画过程。
4 基于VRML的动画生成
VRML语言的面集IndexdetFaceSet节点是几何体geometry的主要组成部分。面集节点用于在三维空间中创建各种平面组合而成的不规则的立体几何造型，主要由三维坐标点集（coord）、面的多边形点集（coordIndex）、平面纹理贴图（texCoord和texCoordIndex）等部分组成。结合前面的工程分析，首先我们通过coord、coordIndex建立一个4：3的四边形，模拟前边描述的照片，并在正前方创建一个相机，后通过texCoord、texCoordIndex给指定图片建立纹理映射。
如图6所示，建立一个四个顶点的四边形面，坐标点分别为（1，-0.75，0）、（1，0.75，0）、（-1，0.75，0）、（-1，-0.75，0），生成一个2*1.5（4：3）的四边形面。同时通过纹理映射，把图片的一部分映射至四边形面上，如图6中左图的四个UV映射坐标（u2，v1）、（u2，v2）、（u1，v2）、（u1，v1）分别分别对应到四边形的四个顶点。
另一方面，VRML具有六种插补器节点和八种传感器节点，通过路由在各个造型节点和场景节点之间传递事件，为浏览者创建一个身临其境、动态、逼真、可以交互沟通的虚拟环境。其中坐标插补器（CoordinateInterpolater）节点用于产生基于坐标点的复杂造型（线集IndexedLineSet、面集IndexedFaceSet）的变形动画。它包含key域、keyValue域、set_fraction入事件、value_changed出事件，其中key域用于设置一组时间关键点的列表，keyValue域用于设定一组关键坐标点的列表，set_fraction入事件用于接收来自时间传感器点发出的时刻比例数值，value_changed出事件用于输出计算后新的坐标子列表。
由于没有二维坐标点的坐标插补器，只有三维坐标点的坐标插补器，因而不能直接产生UV贴图坐标的（u1，v1，u2，v2）的系列坐标插补值。因此，我们可以反过来针对四边形面的四点三维坐标进行插补，当然在视图像机中只能观察到由（1，-0.75，0）、（1，0.75，0）、（-1，0.75，0）、（-1，-0.75，0）构成的4：3四边形部分，从而达到对UV进行插补的目的，具体见图7。
5 基于VRML原型的程序实现
在VRML编程语言结构中，PROTO原型语句实现了用户自定义对象，在原型中包括普通域、暴露域、出事件和入事件四部分参数，并可以包含相应的路由器，具备了面向对象方法的封闭性特征，对数据具有不同的访问权限。根据前面的讨论和VRML语言的特点，结合工程的需要我们给用户往前走的原型定义为goAhead：
其中startTime、endTime表示本次动画的开始时间和结束时间，startTime作为入事件来激发动画，endTime作为出事件结束本次动画，同时通过路由传给后续动画的入事件startTime去激发后续动画，从而形成完整的一个事件链。
三维坐标点stPoint、endPoint表示实际环境中的出发、结束位置的三维坐标，因而可以求出它们的距离，并结合指定的行走速度speed，从而求出行走的时间walkTime，并作为时间插值器time TimeSensor的时间周期cycleInterval。
字符串word将作为动画的字幕显示在动画的底部中央；
声音文件voice则作为动画播放期间的配音，可以是背景音乐，也可以相关场景的解说词。
很显然，直走包括了漫游路径第一类：直线往前走，和第二类：往前左拐弯、往前右拐弯等情况。而第三类情况属于弧形拐弯，可以看作是一个原地转弯的类型，相当于相机在原地转弯拍摄，可以直接生成一段全景图，见图8（a），当前几乎所有的数码相机都支持这种全景拍摄功能。显然动画地生成相当于模拟画面的旋转，如图8（b）表示在生成动画系列时，从全景图中从右往左依次分割等大小的图像系列，从VRML实现角度就是四边形面的四个顶点依次从图8（a）中的右边框逐步向图8（a）中的左边框进行插值，从而产生相应的一系列三维坐标系列，并生成相应的插值动画。同理可以如同直走goAhead原型一样定义原地转弯originalWheel原型。
结合HTML语言，可以建立基于web页面的相关界面，从而形成一个完整的基于图像系列的虚拟漫游系统，再结合线性的三维路径图，可以把相关的路径数据和图像系列通过AJAX存储在服务器，从而可以进行快速地辅助导航。
6 结语
本文通过VRML原型的定义，结合面集节点纹理映射坐标系统和坐标插值器， 选用少量的实景图片系列，由Web3D的渲染引擎完美地实现漫游中的动画视频，从而快速地实现了室内外虚拟漫游导航。显然本技术避免了传统虚拟现实中繁琐的三维建模，节省了大量的时间，虽然在视频生成的转换过程中有一定的跳跃，但在很多要求不是特别高的工程应用中具有很强的实践价值。如何更进一步实现基于图片系列的全景漫游是继续研究的方向。
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关键词： 异步加载； WebGL； 大地形； 离散型LOD
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）08?0080?04
Research on real?time rendering technology of 3D large terrain based on Web service
LIU Yao， HUA Wen?yuan ， WANG Yu?mei
（Department of Command and Control System， North China Institute of Computer Technology， Beijing 100086， China）
Abstract： In this paper， the asynchronous loading technology in HTML5 is used for loading and scheduling the terrain elevation data， and the three.js engine in WebGL is adopted for terrain drawing. The real?time 3D large terrain rendering based on discrete LOD was achieved in the browser. Asynchronous loading is alternated with real?time rendering in the entire process. The experiment result shows that this method can eliminate the "pause" phenomenon generated by loading data. It offers for a smoother Web3D experiencefor.
Keywords： asynchronous loading； WebGL； large terrain； discrete LOD
近年来，3D技术和Web技术的发展十分迅速，如何在浏览器上实现大规模的、可实时绘制的3D场景成为研究的热点话题。传统的Web3D主要有Java Applet、Adobe公司的Flash Player浏览器插件和微软Silverlight技术。但是，Java Applet不仅需要下载一个巨大的支持环境，而且画面非常粗糙，主要原因是其在图形渲染时，并没有直接利用图形硬件本身的加速功能，因此，显卡性能的提升对其三维渲染不起任何作用。Flash Player浏览器插件和微软Silverlight技术解决了这一问题，利用图形硬件的加速功能，实现了高性能的图形渲染，但这两种方案也存在一些问题，比如它们是通过浏览器插件形式实现的，这就对不同的操作系统和浏览器版本的插件有不同的要求。
WebGL的出现完美的解决了上述两个问题：首先，它通过JavaScript脚本本身实现Web交互式三维图形程序的制作，而无需任何浏览器插件支持；其次，它利用底层的图形硬件加速功能进行的图形渲染，是通过统一的、标准的、跨平台的OpenGL ES2.0接口实现的[1]。但是，WebGL技术只解决了对地形的快速渲染，不能动态地对大规模数据进行加载。在传统的绘制中，一般是将外部数据通过JSON或者文本形式同步地一次性传到CPU，将所有数据加载完成后再将顶点、纹理等数据传到GPU进行绘制，当数据量过大时，在绘制之前会有很长时间的数据加载时间，在场景中会出现较长时间的“卡顿”现象。为解决传统方法绘制前下载数据时间过长，并实现一种一边加载数据一边绘制场景的效果，本文采用规则网格进行地形数据的存储，运用HTML5的异步加载技术对数据进行动态的加载和调度，用WebGL的Three.js引擎绘制，实现了大规模地形数据的动态加载和离散型LOD场景的实时绘制。
1 相关技术
1.1 WebGL
WebGL是一组用于在Web页面绘制3D图形的绘图标准接口，继承自OpenGL ES2.0规范，因而具有强大的图形功能。WebGL技术标准可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，用于创建复杂3D结构的网站页面，这免去了安装网页专用渲染插件的麻烦，因而具有良好的跨平台移植能力。WebGL已得到了Google Chrome，Safari，Firefox，Opera等浏览器的支持[2]。
1.2 Three.js库
Three.js是由Ricardo开发，它面向对象，以简单、直观的方式封装了3D图形编程中常用的对象，在开发中使用了很多图形引擎的高级技巧，极大地提高了性能。它将WebGL原生API细节抽象化，将3D场景拆解为网格、材质和光源等。开发者可以使用上层的JavaScript对象和调用JavaScript函数，并可以使用流行的3D建模软件导出文本格式的文件，然后使用Three.js加载；也可以使用Three.js自己的JSON格式或者二进制格式。
要想使用Three.js把图形渲染到页面中，一个应用至少需要执行如下步骤：
（1） 创建一个画布元素；
（2） 获取画布的上下文；
（3） 创建Three.js场景类； （4） 创建相机、光照等；
（5） 创建自定义物体，并添加到场景；
（6） 运行渲染循环[3]。
1.3 HTML5异步加载技术
异步加载技术是相对于同步加载技术而言的。同步模式，又称阻塞模式，在数据完成加载之前会阻止浏览器的后续处理和解析。
异步加载又叫非阻塞加载，浏览器在加载js的同时，还会进行后续页面的处理[4]。本文中，使用异步加载技术进行高程数据的加载和解析，同时使用解析完成的高程数据动态的构建场景树，这样，可以在加载多张高度图的同时非阻塞地将已加载完成并解析好的高程数据动态地构建场景树，以减少因大量数据加载而产生的场景“卡顿”现象。
2 实验步骤
2.1 Web服务器端的数据组织
2.1.1 高程数据存储格式
在GIS中，DEM一般有3种类型的格网数据：规则格网RSG和不规则格网TIN以及两者的混合结构。其中，规则网格数据结构由于其顶点呈规则分布，只需要记录数据的基本信息和每个网格的高程值，结构简单、操作方便、便于简化，非常适合于大规模地形数据的组织和管理。
本文处理的原始地形数据以均匀采样的地形网格数据形式存储，制作一个JPG格式的高度图。高度图是存储地形高度信息的二维贴图，它们通常是8位的灰度图，图像上的每个点存储地形对应位置的高度。它的高度值变化范围是在0～255之间，其中0（黑色）表示最低高度而255表示最大高度。在实际中，可以乘以一个缩放值乘以默认高度值，增加其范围，但会使两个高度之间的误差增大，也可以使用多个字节来表示一个高度。
JPG格式高度图的 每一个像素都由R，G，B值和透明度α值4个值组成，像素的顺序从左到右，从上到下，按行存储。本文实验中的高度图用两个字节表示一个高程值，每个高程值的范围为0～65 535，则一个像素可以表示两个高程值，易知：
[H1=256×R+GH2=256×B+α]
2.1.2 地形数据的四叉树表示
建立三维地形网格模型过程中，四叉树结构是一种常用的数据结构，由一个根节点、若干个树枝节点及叶节点组成，且每个节点上最多只有4棵子树。四叉树中的根节点，包含对应地形区域的4个顶点的坐标和4个指向其孩子节点的指针；树枝节点不仅包含以上信息。还包含一个指向其双亲节点的指针；若这个节点是叶子节点，包含4个顶点的坐标和一个指向其双亲节点的指针。
采用四叉结构建立地形多分辨率模型的基本过程为将原始地形看作一个正方形区域，对应四叉树结构的根节点，未经过任何细分，其细节精度为0，用level = 0表示，如图1所示；对节点进行迭代细分，当节点满足某个条件时，将此节点划分成4个相等的正方形，即4个节点；然后对4个子节点继续判断，如果满足上述节点，则继续细分，如果不满足上述条件，则停止细分，如此迭代，知道最后的节点数等于全部DEM数据点个数或所有节点已不满足上述条件。
2.2 LOD地形数据的异步加载和动态调度
由以上内容可知，在四叉树的数据结构下，假设level = 0时的网格有128×128个顶点，即需要128×128的高度图来存储顶点高度，那么level = 1时就需要4张128×128的高度图来存储高度数据，level= 2时需要16张，以此类推。当精度层级增长时，需要加载的高度图数据呈指数倍增长。如果等待所有层级的高度数据完全加载完毕之后再绘制，会使用户等待时间过长，当数据量过大时，还可能使浏览器崩溃。
当分析这一问题时发现，在浏览器中要构建大数据量的场景，就要动态调度高程数据以逐步构建场景树。最佳流程应该是在下载完成一张高度图并读取这张高度图之后就立刻将这张高度图所对应的网格绘制完毕并加载到场景中，然后等待，直到下一精度层级的高度图加载并绘制完成。这种在加载数据的同时依然可以进行场景绘制的方式就是异步加载。
在HTML5中提供了异步加载文件的函数onload（），异步加载一张高度图数据至少需要执行以下步骤：
（1） 创建一个canvas画布对象；
（2） 获取canvas对象及其上下文；
（3） 创建一个Image对象；
（4） 指定需要加载Image对象的位置；
（5） 执行Image对象的onload（），异步加载高度图；
（6） 加载完毕后，从canvas上下文中读取数据。
通过异步加载实现动态构建场景树的程序流程图如图2所示。
由图2可知，在场景初始化阶段，只需要将根节点高度图异步加载到内存中，读取高度数据后，创建根节点，并将根节点加入场景，然后开始动态地构建场景树。
构建场景树时要首先判断4个子节点是否已经加载，判断的必要性在于考虑到在未来的程序开发中有可能遇到以下情况：当地形数据加载过多，而某些地形在距离当前视点过远或者用户已经长时间没有访问该地形时，这些数据的存在会给浏览器带来过大的负担，需要对这些数据进行剔除，所以有可能会出现某些子节点曾经加载过而现阶段已经被剔除掉的情况。
当判断完成，找到应该加载的节点后，异步加载所需加载节点的高度图，在这里就体现了异步加载的必要性。假如没有异步加载机制，就必须等待到当前正在加载的高度图加载完毕之后才能绘制，这样，由于同步加载的阻塞机制，会出现一直在执行加载程序而绘制程序一直被阻塞的情况，无法完成加载完成一张高度图就绘制一个LOD节点，并且很可能在数据量过大时浏览器在绘制第一帧之前浏览器就已经因不堪重负而崩溃，从而无法在浏览器上看到任何场景。异步加载的作用就在于：首先，GPU绘制当前帧的场景时，CPU可以同时加载场景暂时还不需要但之后可能需要的高度图数据；其次，在每一帧中，可以无阻塞地根据高度图的加载进度选择应该构建的场景节点；另外，在每一帧中，并不是所有数据都要绘制，在绘制循环中可以方便地根据视点的位置等信息进行数据的动态剔除，以减少浏览器的压力。
2.3 场景绘制循环
由图2可知，在每一帧中，都要执行一个加载函数和一个绘制函数，这样做的目的是实现CPU和GPU的协同工作以达到较好的用户体验效果。加载函数的作用是异步的加载高度图和纹理图，并在每一对高度图和纹理图加载完成之后分别用一个标志数以记录当前的加载进度。
在绘制函数中，通过一个数组来记录当前已经加载进场景的物体类，一个标志数来记录已加载入场景中的物体个数。每一帧的绘制过程为：
（1） 判断当前视点位置；
（2） 遍历记录当前已经加载进场景的物体类数组，根据当前视点位置，判断应该显示的物体编号，并将应该显示的物体的显示标志设为true，不应该显示的物体显示标志设置为false；
（3） 调用绘制网格的命令，绘制当前应该显示在场景中的物体类；
（4） 更新记录数组和场景数据。
3 实验及结果分析
实验所用的每一张高度图都是32×64的JPG格式的服务器端文件，可表示64×64个高程值。
本文实验程序是在Google Chrome 33.0.1750.154版本的浏览器上开发完成，硬件条件 Intel（R） Core（TM）2 Quad CPU，3 GB内存，显卡NVIDIA Quadro NVS 290。
试验程序分别做了一个3层LOD模型，总共需要下载1+4+16=21张高度图，一个2层LOD模型，需要加载1+4=5张高度图，将本文所述的异步加载方法和将传统的同步加载方法进行对比，通过单步跟踪，得到数据如表1所示。
表1 实测对比数据
对实测数据及场景变化的描述如下：
（1） 传统方法在初始化阶段有明显的“卡顿”现象，且没有场景节点被绘制出来。
（2） 传统方法加载完成之后只需要约1～2 f即可全部绘制完成，这一阶段的绘制帧率为58～60 f/s。
（3） 异步加载方法在初始化阶段只需加载一张图，约1.5 f，在第2 f末已绘制完成第一层LOD模型，几乎没有“卡顿”现象。
（4） 异步方法3层模型从初始化完成到整个场景绘制完成的过程中需要29 f， 帧率有一定的起伏，但总体呈现逐渐加快的趋势，明显的可以看到场景中逐步显现出LOD各个子节点。
（5） 异步方法2层LOD模型从初始化完成到场景绘制完成需要7 f，帧率为平稳的46 f/s。
（6） 场景绘制完成后，对场景中的物体进行拖拽、旋转操作时，两层LOD帧率几乎不变，而3层LOD则由于三角形数目的增多因此在重绘时帧率会有明显下降。
由以上数据可以看出，异步加载方法虽然不能减少从加载到绘制的总时间，但是可以明显地减少“卡顿”时间，并且可以实现一边加载高度图一边将加载好的数据实时的绘制出来，给用户比较流畅自然的Web3D体验。
4 结 语 本文由wWW. DyLw.NeT提供，第一 论 文 网专业写作教育教学论文和毕业论文以及发表论文服务，欢迎光临DyLW.neT
本文使用Three.js框架，通过HTML5的异步加载技术动态地构建WebGL大地形场景树，目标在于实现CPU加载和GPU绘制的相互协作，给Web用户更好的3D体验。本文的实验程序所构建出的场景距离比较完美还有以下不足：首先，对场景中长期没有用到的节点还没有做到动态剔除，因此，还没有实现对最大数据量的平衡控制；其次，在LOD场景控制时没有消除因LOD层级过渡而产生的裂缝，以后，程序可以从这两方面加以改进。
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在学校教学中，大量的实验经常因为学校基础设施匮乏以及安全因素而没有开展[1]。然而，实验教学在概念的理解及实践技能的掌握方面至关重要[2]。因此，需要一种替代的教学方式克服上述问题。虚拟现实技术已经在教学中得到广泛的应用，尤其是在实验教学中。最近，有大量的提供虚拟实验环境相关的虚拟现实及Web3D技术研究，如CSU Chemlab[3]、VRLUP[4]及Lab 3D[5]等。
最近几年，有关3D内容交付的软硬件技术不断改善。首先，强大的并行GPU减轻了CPU的处理负荷，其次是新一代的Web浏览器中采用的TraceMonkey、V8及SquirrelFish编译器显著改善了JavaScript的执行性能。尤其是由Khronos新近提出的WebGL[6]标准，将Web浏览器和GPU紧密地关联在一起了。这一切使得在Web上呈现复杂3D图形环境成为了可能，也使得基于Web的虚拟3D实验教学平台的设计有了新的选择。
基于WebGL的网络虚拟现实技术利用它在技术上的优势，能够充分展示知识内容，激发学生的创造性，开展虚拟实验和进行廉价的技能训练，使得采用网络虚拟现实技术的网络教学可以取得很好的教学效果。
本文提出了一种基于WebGL标准的虚拟实验教学平台的设计与实现方案。这在国内还是一个新的尝试。该方案避免了以往Web3D应用中插件/专有客户端软件安装所带来的安全及用户体验差的问题，可直接通过浏览器访问，具有较强沉浸体验的实验场景，进行相关实验操作的体验和学习。
1 WebGL
WebGL是Khronos组织提出的，如名称所暗示的，定义JavaScript类似针对C++的OpenGLAPI。WebGL紧紧结合OpenGL/ES2.0，并且使用GLSL作为着色器语言，意味着现有的应用的着色器核心可以在JavaScript/WebGL中重用。由于WebGL是一个规范，它由Web浏览器开发者实现它。目前，在最新的常用浏览器（Firefox、Chrome、Safari）都实现了现有WebGL版本。而且已有大量的JavaScript库正在开发以提供高级功能以创建3D图形应用。如WebGLU，它是WebGL与GLU的结合，提供封装，在场景中放置Camera或者提供简单的几何图形元素，其他的库如GLGE或SceneJS使用WebGL实现场景图形基于渲染及动画引擎。
2 系统设计
本文选用的基于WebGL的虚拟实验学习环境是化学实验。虚拟化学实验平台采用B/S架构设计，由具有WebGL解析能力的浏览器、Web服务器组成。系统采用Ajax架构设计，服务器端遵循MVC设计模式。
图1 虚拟化学实验平台体系架构示意图
客户端使用具有WebGL解析能力的浏览器客户端软件构成，包括UI接口模块及Ajax框架引擎模块。
Web服务器由模型层、表示层及控制层及XML服务器及后端数据库构成。其中模型层由XML标记语言组成，定义了信息及信息的可视化，又分为模型XML和材质XML。模型XML定义了使用WebGL基元（如线、点、多边形等）构成的球体、立方体、圆锥体等对象。材质XML定义了对象的纹理属性。
为了创建一个显示，需要大量的JavaScipt解析器来组合和渲染实验模型（数据文件）。在显示层定义的XML文件是光照、文本、及视觉效果XML文件。光照XML定义了光照类型、位置及方向。文本文件定义了对象匹配的文本，包括文本内容、大小和位置。视觉效果XML包括对象的颜色、着色以及一些基本的动画（如平移、旋转和缩放）。
控制层为了实现与站点的交互，负责处理事件及转换表示。在控制层定义的XML文件是site.xml。该文件可以导入模型层和展示层内容，将所有的XML文件聚合到site.xml文件，因此，它可以控制整个实验场景的创建。开发者只需控制site.xml，通过创建相关的XML文件，如模型、摄像机、光照等，随后渲染site.xml文件，就可在网页中输出三维场景。
3 系统实现
3.1 架构设计的实现
3.1.1 模型层
在模型层，需要创建两个XML文件。一个是Shape.xml，另一个是material.xml。
Shape.xml创建对象的基本形状。在WebGL中用drawElement（*）或drawArray（*）函数来绘制对象。为了绘制一个形状，开发者需要包括不同的关联：定点、标准坐标、纹理坐标及索引。XML文件如下：
vertices coordinate
vertices normals
texture coordinates
index of the vertices
Material.xml存储纹理数据及表面颜色。包括纹理的源路径及纹理坐标。文件结构如下：
3.1.2 表示层
表示层包括光照、文本、视觉效果、摄像机及动画XML文件，动画XML定义实验场景中的对象的运动方式。
光照XML定义场景中的光照，包括位置、颜色及方向。文件示例如下：
1.0,1.0,1.0
#FFFFFF
1.0,1.0,1.0
文本XML存储了文本的属性及键值。在文本XML中，包括有文本的字型、大小、位置、颜色、旋转及内容等。示例如下：
1,0,0
#FFFFFF
1.0,1.0,1.0
input the text content
视觉效果、摄像机及动画等XML文件的设计的方式如此类推。
3.1.3 控制层
在控制层，将模型层及表示层的所有的XML文件组合在一起形成一个单一的site.xml文件。除此之外，一个场景结构包括场景属性（如背景颜色、摄像机及雾化等）。对于一个对象，可能包括来自模型层的形状和材质数据，同时也包括来自表示层的动画及视觉效果数据。形成的场景的结构示例如下：
3.2 XML解析
由上文可知，我们创建了一个实验场景的模型层、表示层及控制层的整个场景对象的数据结构。只需要解析site.xml文件就可以得到整个场景的数据结构。XML文件的解析示例过程如下：
xhr = new XMLHttpRequest （）;
xhr.open （“GET”, url, false）;
xhr.send （“”）;
var xmlDoc = xhr.responseXML;
var root = xmlDoc.documentElement.childNodes;
XMLHttpRequest（）函数发送XML http请求，然后通过open（“GET”，url，false）函数打开xml文件。Send（“”）函数将终止请求。这样我们就可以通过xhr.responseXML得到XML文档的内容。从而通过xmlDoc.documentElement.childNodes获得文档的根，应用解析函数就可以从根解析整个xml文档树。
3.3 渲染处理
3.3.1 WebGL渲染流水线
WebGL支持OpenGL ES2.0，因此WebGL的渲染管道与OpenGL渲染流水线类似。在WebGL中，HTML5的canvas成员及内存管理使用JavaScript语言来实现，图2示例了WebGL的渲染管道过程。
图2 渲染流水线示意图
3.3.2 渲染处理
在Html5中，新增了一个canvas成员。WebGL利用才成员进行3D图形的渲染。首先，WebGL通过canvas.getContext（“experimental-webgl”）函数获取OpenGL ES2.0上下文。根据上下文，可以灵活使用OpenGL图形API进行场景渲染。整个3D场景都在canvas中渲染。渲染过程如下：
var canvas = document.getElementById（“canvas id”）;
initGL （canvas）;
initShaders （）;
initBuffers （）;
gl.clearColor （0.0, 0.0, 0.0, 1.0）;
gl.clearDepth （1.0）;
gl.enable （gl.DEPTH_TEST）;
gl.depthFunc （gl.LEQUAL）;
drawScene （）;
3.4 交互处理
为了实现与用户的交互，可以使用web页面中内置的DOM Events的基本功能。DOM Events通过注册一个event监听器来实现，一般在页面加载的时候触发该监听器，可以实现对鼠标、键盘等用户操作事件的交互处理。
4 系统实现实例
应用本文建议的虚拟实验平台设计与实现方案，开发了一个虚拟化学实验平台示例。图3是虚拟3D化学实验室场景及容量分析实验场景示意图，学生通过该入口进入虚拟实验室，选择进行容量分析化学实验操作的学习，学生通过鼠标或键盘交互控制仪表操作按钮及量杯，混合注入不同液体，观察注入量与PH值的关系。
图3 虚拟化学实验平台实例示意图
我的印象中，Google有些创新存在浅尝辄止的现象，包括最新的Google Sky。尽管这个创意很妙，但我认为在Sky的对面，不仅有球面贴图的Earth，更应该有MirrorCity这样深入挖掘的创新产品。
Google宣称“仅用了三个月便写出了Google Sky”。其实在我看来，Google Sky的开发是一件很容易的事情。本质上，它没有摆脱二维Google Earth的影子，其核心开发仅仅是用来自NASA或者天好者拍摄的照片贴满一个球面（不是球体）。只不过Earth是贴在一个外球面，Sky贴在一个内球面而已。
我必须承认Sky是一个很妙的创意，因为我也是一个天好者，虽然Sky只是Earth的逆向思维。不过很遗憾，从Sky上感受不到我渴望的天体物理体验（星系演化、星际漫游或者时空穿梭），Sky仅仅是一个像北京天文馆那样球幕投影的科普模拟。浩瀚的宇宙不仅不是一个二维构成，甚至连三维、四维都远远不够去描述它；著名的超弦理论已经提出，宇宙的构成是11维的。
也许恰恰是企业年轻的原因，Google让人感觉有些不沉稳。层出不穷的创意从Google员工的脑海里迸发出来，每一个创意Google都愿意去尝试；即使是不成熟的创意产品，Google往往也迫不及待地出来。我的印象中，除了搜索引擎，Google有些创新存在浅尝辄止的现象。
在Sky的对面，不仅有球面贴图的Earth，更应该有MirrorCity这样深入挖掘的创新产品――它是一个三维镜像的真实城市，从已经的“体验成都”这座历史文化名城来看，我们已经可以深入地体验百年春熙的明艳时尚和琴台故径的古朴沧桑。如果整合商场、店铺、楼盘、特色风情街区等Web3D的更多商业应用，MirrorCity就可以成为一个创新的三维电子商务的互联网平台，它的嵌入式广告发展潜力和平台经济的长尾效应将不可限量。
虽然因为资本力量悬殊，MirrorCity的规模尚无法与Earth相提并论，但是作为创新的理念化产品，至少让人看到一个彻底脱离二维桎梏的互联网漫游发展方向；或者它应该跟SecondLife归到一类：三维互联网。而且MirrorCity采用了网页化的传播体验方式；网页化也是Google的新技术发展倾向，即不再以桌面版去引导用户，而是倡导网页化的体验方式和平台。
从整个趋势来看，中国的MirrorCity将有可能站在Google Sky的对面，Google Earth的旁边，走在Google Metaverse的前面。
人们利用计算机与外界沟通的能力，是网宅生活的基础，其背后的技术则是计算机通信技术。
定义：计算机通信技术是互联网的关键技术之一，是指利用通信线路和通信设备，把地理上分散的、并具有独立功能的多个计算机及其外部设备互联起来，形成计算机网络，并按照网络通信协议进行通信的技术。
分类：可分为直接式和间接式两种。直接式是指将两部计算机直接相联进行通信，可以是点对点，也可以是多点通播。间接式是指通信双方必须通过交换网络进行传输。
发展历程：从主机-终端式网络架构，发展出LAN（局域网）技术，然后又演进为具有分布式信息处理特点的客户机/服务器模式的架构和与WAN（广域网）连接的Intranet（企业内部网）的形式。
宽带接入技术
大部分互联网用户都通过宽带接入互联网，可以说没有宽带就没有网宅生活。
定义：宽带是相对传统拨号上网而言，网络的数据传输速率至少应达到256Kbps才能称之为宽带，其最大优势是带宽远远超过56Kbps拨号上网方式。
分类：DSL（Digital Subscriber Line数字用户环路）技术、Cable Modem技术、FTTX+LAN接入技术、ISDN技术和SDH点对点技术。
操作系统技术
0S（操作系统）技术是整个软件技术的基础。
定义：操作系统是控制其他程序运行，管理系统资源并为用户提供操作界面的系统软件集合。
分类：根据应用领域来划分，可分为桌面操作系统、服务器操作系统、主机操作系统、嵌入式操作系统。根据源码开放程度，又可分为开源操作系统和不开源操作系统；常见的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows、Netware等。
功能：资源管理、程序控制、人机交互等。
搜索引擎技术
百度、谷歌等搜索网站已经成为互联网的入口，是网宅生活不可或缺的工具。
定义：是指根据一定的策略、运用特定的计算机程序从互联网上搜集信息，并进行组织和处理后，将用户检索相关的信息展示给用户的系统。
原理：搜索引擎的工作步骤可分为抓取网页、处理网页、提供检索服务三步。
分类：图片搜索引擎、全文索引、目录索引、元搜索引擎、垂直搜索引擎等。
WEB2.0技术
采用Web2.0技术创立的社区、论坛等已经成为人们网宅生活的重要组成部分。
定义：Web 2.0是相对于Web 1.0而言的，从模式上是单纯的“读”向“写”、“共同建设”发展；由被动地接收互联网信息向主动创造互联网信息发展。
内容：CSS和语义相关的XHTML标记、AJAX 技术、Syndication of data in RSS/ATOM、Aggregation of RSS/ATOM data、简洁而有意义的URLs、支持为weblog、RESTian (preferred) 或者XML Webservice APIs、一些社会性网络元素。
应用：常见的Web 2.0应用包括Blog、Tag、SNS 、RSS、Wiki、P2P、IM等。
3D互联网技术
3D技术在互联网中的应用越来越广泛，使人们的网宅生活更加丰富多彩。
定义：3D互联网是2D互联网的升级，是具有连续独立统一编址的3D空间，并且3D空间和2D网页实现完全互链的模式。
实现方式：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。
应用领域：目前3D技术已经应用在网络游戏和电子商务等领域，出现了3D网游和3D虚拟社区等，未来3D技术还可以
使用在参观展览、商务会议、网络教育、虚拟旅游等多个领域。
IPTV技术
用电脑看电视是三网融合的重要成果之一，网宅生活少不了IPTV。
定义：IPTV即交互式网络电视，是一种利用宽带有线电视网,集互联网、多媒体、通讯等多种技术于一体;向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的崭新技术。
内容：IPTV的系统结构主要包括流媒体服务、节目采编、存储及认证计费等子系统。
优势：通过IPTV，用户可以得到高质量(接近DVD水平的)数字媒体服务；可以自由选择宽带IP网上各网站提供的视频节目；实现了媒体提供者和媒体消费者的实质性互动。
P2P技术
目前P2P技术已经广泛应用在下载、即时通讯、网络电视等领域，可以说没有P2P技术，人们的网宅生活将大为逊色。
定义：P2P即peer-to-peer（点对点）技术，它使人们通过互联网直接交互，而不是通过服务器来中转。
分类：根据集中化的程度，可分为纯P2P、杂P2P、混合P2P等。
优势：下载速度快、资源丰富
劣势：占有网络资源多、安全性不高、损伤硬盘、助长盗版。
云计算技术
云计算技术的发展将对网宅生活产生深远的影响。
定义：狭义云计算指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源；广义云计算指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需服务。
分类：一般可分为基础设施即服务（IaaS），平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）三类。
主要厂商：亚马逊、谷歌、微软、IBM、中国电信、苹果等。
物联网技术
物联网是互联网的延伸，将来所有的物体都将接入互联网，人们网宅生活的边界将大大扩展。
定义：物联网就是物物相连的互联网。
关键词关键词：WebGL；虚拟博物馆；碰撞检测；AABB
DOIDOI：10.11907/rjdk.171092
中图分类号：TP319
文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2017）05012405
0引言
虚拟现实技术的成熟和网络技术的普及使得3D虚拟博物馆的实现成为可能。3D虚拟博物馆依据现实中的博物馆，利用计算机构建一个虚拟的三维世界，通过网络处理技术将现实博物馆逼真地展现给用户。3D虚拟博物馆的实现不仅打破了传统展馆在时间和空间上的局限性，还为使用者提供了关于听觉和视觉的模拟，让用户能自由地观察三维空间中的展品，给用户一种沉浸式的体验[1]。
对于虚拟博物馆，人们关注的是其实时性和真实感，而其真实性和实时感主要体现于第一人称视角在虚拟场景中的使用。要使用户以第一人称漫游场景时能如同在现实世界中浏览场景时一样，碰撞检测成为三维虚拟博物馆系统实现中的重要一环。
对于碰撞检测的研究，至今为止已经形成了一个相对完整的体系，网页版虚拟技术实现的“Flash3D”、“Java3D”、“Unity3D”等技术都有自身的一些碰撞检测机制，然而这些技术在网页端的实现都需要安装一些特定的插件，因此存在很大的局限性。而场景模型的针对性、应用领域的专业性和场景要求的特殊性，对碰撞检测的效果提出了不同要求：对于虚拟维修[2]，主要追求碰撞检测效率，因而王崴等[3]采用动态分裂平面法加速OBB包盒构建的过程来进行碰撞检测；对于游戏场景，由于场景模型多且复杂，为了游戏场景的真实性和实时性，刘翼等[3]提出了结合使用空间剖分法和层次包围盒法对其进行检测。WebGL[4]是2010年公开的Web端3D绘图标准，它无需安装插件且具有跨平台性[56]，因此受到人们的关注，然而对WebGL碰撞检测方面的研究并不是很多，因此亟需寻找一种方法对WebGL进行碰撞检测。本文提出了一种基于AABB包围盒的碰撞检测算法实现在WebGL环境下适用于虚拟现实博物馆进行的碰撞检测。
1相关工作
Sang Z，Wang T Y，Zou X X[7]提出了一种适用于数控机床的在线碰撞检测算法。基于数控机床的特点，综合分析了八叉树算法和网格分割的碰撞检测算法优缺点，提出了一种长方体碰撞检测结合分离轴碰撞检测的算法来优化传统机床的碰撞检测算法。该算法准确性好且精度较高，但是效率较低。
Hung W H，Kang S C J[8]针对虚拟环境中的仿真施工现场，在2014年提出了一种快速的碰撞检测算法，称为传播聚类方法。该方法采用K均值进行聚类迭代，将对象分为多个组，定义一个质量指标进行结果评估，符合质量要求时，该组对象采用AABB包围盒进行替换，还建立了一个分散对象场景、一个施工现场场景、一个散乱的普通遗址场景进行测试。该算法对虚拟建筑场景快速有效，但是碰撞检测紧密型较差。
2015年，王磊[9]提出了一个基于混合型包围盒的碰撞检测方法，称为HBBCD算法。算法首先将待检测物体转化成二叉树，在根节点处构建包围球，上层结构构建AABB包围盒，下层结构构建OBB包围盒。然后在相交测试阶段，使用队列标记已检测的物体，优先遍历深层次节点。王磊[9]将该算法集成到Unity3D中完成了一个基于Web3D的武警总队警史馆系统，该算法很好地满足了碰撞检测的准确性和实时性，但是复杂度高，计算比较麻烦。
2016年，郑华和刘家[10]提出了基于WebGL的面向Web的建筑模型碰撞检测算法，先对导入的模型进行拆解，然后将拆解后的子模型进行碰撞检测。该方法运算简单，但运算步骤较多，对规则的类长方体模型有较好的碰撞检测结果，但考虑的情况比较单一。
2碰撞检测
碰撞检测是为了提高虚拟场景的真实感而提出的关键技术，其主要目的在于避免模型在运动过程中出现与其它模型发生交叉或者直接穿越的现象，避免用户在使用虚拟场景时产生违和感[1112]。碰撞检测主要分为3个阶段：确认碰撞模型阶段、模型相交测试阶段和碰撞响应阶段。确认碰撞模型阶段就是检测运动物体与静态物体是否发生碰撞，如果发生碰撞则确定碰撞模型；模型相交测试即确定运动模型与静止模型是否发生穿越或冲突；碰撞响应阶段即当运动物体与静态物体发生碰撞时，运动物体作出相应改变的过程。
2.1碰撞
碰撞[13]是指两个作相对运动的模型接触并改变其运动状态的现象。
从能量角度出发可将碰撞分为：理想弹性碰撞、非弹性碰撞、完全非弹性碰撞和超弹性碰撞。理想弹性碰撞是指在不考虑任何不同能量间的转化或者能量损耗的前提下，动能和动能之间的改变；非弹性碰撞是指在部分动能转换成其它形式的能，物体发生一定的改变；完全非弹性碰撞是指物体在发生碰撞后动能为零，完全不反弹；超弹性碰撞是指碰撞后的动能超过碰撞前的动能。
针对本文需要检测的虚拟博物馆系统，主要考虑的是动态物体和绝对静态物体之间的碰撞。由上述不同碰撞类型可知，当运动物体和静态物体发生理性弹性碰撞时，静态物体不发生任何改变，运动物体将做反方向的等动能运动；当运动物体和静态物体发生非弹性碰撞时，运动物体或静态物体发生形变或发热，运动物体做削弱动能的运动；当运动物体和静态物体发生完全非弹性碰撞时，运动物体和静态物体保持静止；当运动物体和静态物体发生超弹性碰撞时，运动物体做反方向更快速的运动。运动的物体就是第一人称视角模型，绝对静止的物体就是博物馆场景模型。由此可知，场景模型中的模型属性都是刚体，且动能较小，因此需要考虑的是完全非弹性碰撞。
2.2相交
相交是指两个物体相互交叉在一起。二维平面中，图形与图形之间拥有两个及两个以上交点，则两个图形相交（直线与直线相交只有一个交点）；三维平面中，当一个三维模型的部分或全部存在于另一个三维模型的内部（两个模型的体积发生重叠）时这两个三维模型相交。
本文讨论的相交是指当用户使用第一人称进行漫游时，由于第一人称视角模型和场馆静态模型的碰撞检测不及时，或者包围盒选择不合适所引起的视角的穿透。发生相交时，用户使用第一人称视角可以看到模型内部，使场景出现违和感。若没有包围盒或者碰撞检测缓慢，则有可能发生穿越现象。用户可以用平滑的速度穿过前面场景中的障碍物。
3基于包围盒的碰撞检测算法分析
3.1包围球
包围球算法[14]是将模型碰撞描述为一个能将该模型包围住的最小球体。即确定球心和球半径（每个坐标轴投影绝对值最大的点间距离），就可以描述为一个包围球。该方法构造比较简单，计算相对方便。
3.2AABB包围盒
AABB包围盒[15]是指轴向包围盒，即将模型碰撞描述为将该模型包围住的最小长方体，该长方体的长、宽、高分别平行于轴向上的X轴、Y轴和Z轴，确定模型每个轴向上投影的最大值和最小值即可构造相应的AABB包围盒模型。该方法构造简单但紧密型差。
3.3OBB包围盒
OBB包围盒[16]即将模型碰撞描述为将碰撞模型包围住的最小长方体，该长方体与轴向无关。该方法紧密性好，灵活但构造复杂。
3.4Kdops包围盒
Kdops包围盒[17]将模型碰撞描述为能将模型围住的最小凸多面体，该凸多面体所有面的法向量都来自于一个固定方向，有固定的轴集。该方法紧密性最佳，但是构造麻烦。
4 基于WebGL的3D虚拟博物馆碰撞检测
3D虚拟博物馆的碰撞检测主要研究的是三维空间中运动物体（虚拟人物）与静态物体（博物馆场景）之间发生的碰撞检测。
由于博物馆的场景较大，且对用户体验有一定的要求，因此，为了检测出移动物体在运动过程的冲突，需要找到一个高效的基于场景的连续冲突检测算法。
4.1空间筛选
在构建场景时，采用XML参数化语言进行实现[18]。考虑到整个系统渲染效率、碰撞检测和后续场景交互的方便性，采用如图1所示的树状结构组织场景。
碰撞空间主要通过树形结构来确定，如果确定用户停留在博物馆外观场景的虚拟空间时，只需要进行博物馆外观场景中的碰撞检测，若确定用户进入主题馆（如青铜器馆）场景中，则进行与之相应的主题馆场景中的碰撞检测。
主题馆场景主要分为两种模型，即展台模型（博物馆建造时已经确立的固定不动部分）和展品模型（可根据现实情况变更的可变动部分），而展品模型一般都存放在对应的展柜之中。因此，为了提高碰撞检测的效率，可以直接进行展柜模型的碰撞检测。
4.2碰撞模型确认
经过上述的空间筛选后，可以初步确定模型碰撞的范围。由于博物馆建筑模型的特殊性，一般展厅的展柜多为规则长方体透明玻璃，而展品一般都放在展柜之中，当使用第一人称视角模拟用户漫游场景时，只需要考虑外部展厅对于第一人称视角的碰撞反应，而无需考虑放置在内部的展品对于第一人称产生的碰撞。因此选用AABB碰撞检测包围盒作为基本的碰撞模型，然后对此模型作一定的改进，最后利用改进的碰撞模型完成对主题馆内的碰撞检测。
针对WebGL的碰撞检测，主要分为两种情况：一种是由键盘控制第一人称漫游引起的运动模型和静态模型之间的碰撞；另一种是鼠标控制的运动模型和静态模型之间的碰撞。
对于场景中的静态展柜模型需要先设置对应的AABB包围盒，分别记录静态模型包围盒S（S是一个变量，是静态模型名称）在3个轴向上的投影点，X轴上投影的最小值和最大值分别记为：S-Xmin，S-Xmax；Y轴上投影的最小值和最大值分别记为：S-Ymin，S-Ymax；Z轴上投影的最小值和最大值分别记为：S-Zmin，S-Zmax。
4.2.1键盘控制的运动模型和静态模型之间的碰撞检测
对于运动模型M，计算运动后的包围盒，并记录3个轴向上的投影点，分别为：M-Xmin，M-Xmax，M-Ymin，M-Ymax，M-Zmin，M-Zmax。依次判断3个轴向上的碰撞，以X轴为例，先判断最小值，若M-Xmin≤S-Xmax，则将S和M碰撞检测标志置为True（S和M碰撞检测标志默认为false），如果M-Xmin>S-Xmax，不作处理；再判断最大值，如果M-Xmax≤S-Xmin，S和M碰撞检测标志置为False，如果M-Xmax>S-Xmin，不作处理。若处理完3个轴向上的碰撞，最终M碰撞检测标志为True，则存在碰撞，碰撞模型为S。
由于运动模型和静态模型的碰撞对于实时性要求较高，因而需要将碰撞检测的机制放置在渲染循环机制中。本文采用three.js来绘制虚拟场景，three.js是基于WebGL的3D图形绘制库，它主要由3部分组成：相机、场景和渲染器。
然后将碰撞检测包围盒算法添加到场景中，并给相机添加碰撞检测盒，利用渲染循环机制不断更新运动物体运动后的位置和运动后包围盒状况，实时监控碰撞的发生并绘制更新的虚拟场景。循环方式如下代码所示，animate函数是一个动画，在系统运行时不断执行，使render函数内的场景和相机不断更新，并渲染它们。
4.2.2鼠标控制的运动模型和静态模型之间的碰撞检测
由于鼠标控制运动模型的运动方式是直线运动，可以计算运动模型运动中包围盒在3个轴向上的投影。在直线运动状态下，可以认为在Z轴上投影坐标保持不动，因此只要考虑在Y轴和X轴存在的关系，运动前包围盒X轴为：M-Xmin，M-Xmax，Y轴投影点为：M-Ymin，M-Ymax；运动后包围盒X轴投影点为M-Xmin′，M-Xmax′，Y轴投影点为：M-Ymin′，M-Ymax′。根线性方程y=ax+b可知：
然后将运动路线中可能存在的碰撞进行检测，判断方式和键盘控制运动的碰撞判断方式类似。
4.3模型相交测试
运用分割轴算法进行模型相交测试，若两个模型不相交，则存在一个平面使得两个模型分别位于平面的两侧。
运动模型M和静止模型S，其中心连线在每个轴向上的投影长度为C=|（S-M）*Axis|（Axis指每个轴向），参考长度为T=L/2+[（S-Max）-（S-Min）/2]，其中L是运动包围盒边长。当某个轴向上的C≥T时，模型不相交；如果各个轴向上中心连线投影长度C都小于它的参考长度T，则模型相交。
4.4动作选择
由于运动方式分为键盘控制的运动和鼠标控制的运动，因而动作选择需要做一定的区分。
4.4.1键盘控制运动碰撞时的动作选择
未检测到碰撞时，运动操作继续，并作相应的动作。当检测到l生碰撞时，首先确定发生碰撞的轴向，由于博物馆场景模型为平地，检测碰撞时只需要检测4个轴向上的碰撞。将运动模型碰撞检测盒朝着4个轴向：X轴正轴，X轴负轴，Y轴正轴和Y轴负轴分别收缩，然后进行检测，若在某一轴向收缩的情况下检测到碰撞消除，则该轴向预判为碰撞轴向，运动模型在该轴向上的运动被锁定，只允许其它轴向上的运动，碰撞模型检测盒恢复；若未检测到碰撞消除，则再次缩小各轴向的边长，继续检测。
4.4.2鼠标控制运动碰撞时的动作选择
未检测到碰撞时，平移运动被执行，模型平缓运动到目标位置。当检测到碰撞时，根据对碰撞反应精度的要求，将模型的运动量减小1/r倍，并按上述碰撞检测方法再次进行检测，即计算运动目标位置为（M-Xmin′+M-Xmin）（r-1）/r，（M-Xmax′+M-Xmax）（r-1）/r，（M-Ymin′+M-Ymin）（r-1）/r，（M-Ymax′+M-Ymax）（r-1）/r的情况。若仍然存在碰撞检测则继续将运动量减小1/r倍并检测，否则，按照减小的运动量运动。
由于虚拟博物馆对碰撞反应的速率要求相对较高，对精度要求相对较低，因而当检测到碰撞时，选择将模型的运动量减半并按上述碰撞检测方法再次进行检测，即计算运动目标位置为（M-Xmin′+M-Xmin）/2，（M-Xmax′+M-Xmax）/2，（M-Ymin′+M-Ymin）/2，（M-Ymax′+M-Ymax）/2的情况。若仍然存在碰撞检测则继续将运动量减半并检测，否则按照减半的运动量运动。
5检测结果
本文基于WebGL对虚拟博物馆中的碰撞检测展开了研究，设计并实现了三维虚拟博物馆系统，从而验证该碰撞检测的可行性和碰撞检测效果。
当使用键盘进行第一人称漫游时，用户通过键盘控制第一人称的移动，W向前、S向后、A向左、D向右。若不发生碰撞，则用户做如图2所示的流畅的匀速运动。
若发生碰撞，输出对应的提示信息，并给出碰撞轴，如图3所示。判断当前状态为hit给出碰撞轴为X正方向，此时用户不能再向X正轴方向前进，但用户可以向Y轴正方向、Y轴负方向或X轴负方向前进。
当鼠标控制第一人称移动时，通过鼠标点击屏幕来获取运动模型的终点信息。若运动过程中不发生碰撞，则第一人称视角以直线匀速运动方式移动到终点位置，如图4所示。进入场景默认起始位置（0，0，0）点击屏幕之后获取终点位置（115.33，73.021，0），若该运动路径上未发生碰撞，则移动到（115.33，73.021，0）位置。
若发生碰撞时，第一人称视角运动量减半，并重新检测。
重新检测时未发生碰撞，移动到减半后的位置，如图5所示。进入场景默认起始位置（0，0，0）点击屏幕之后获取终点位置（117.28，56.33，0），判断该运动路径上是否发生碰撞，给出提示信息hit，并更新起始位置（0，0，0）和终点位置（58.64，28.165，0），终点位置是之前的一半，再次判断后未产生碰撞，则移动到位置（58.64，28.165，0）。
若发生如6图所示的连续碰撞，在起点位置（200，0，0）和终点位置（207.1，100.531，0）之间检测到碰撞，输出碰撞信息hit并将模型运动量减半，更新起点位置（200，0，0）和终点位置（203.55，50.2655，0）再次进行判断，仍然存在碰撞继续输出碰撞信息hit并减半运动量，起点为（200，0，0），终点为（201.775，25.1328，0），再次检测未发生碰撞，物体移动到位置（201.775，25.1328，0）。
6结语
随着虚拟现实技术的发展，WebGL凭借跨平台性和可操作性的优势实现了很好的展示，然而目前国内对于WebGL和HTML5的探索和研究还不是很多。本文基于WebGL实现了虚拟博物馆场馆模型中的碰撞检测，虽然不够完美，紧密型存在差距，但方法是可行的，能快速检测到场景中发生的连续碰撞和未发生失真的交互穿越现象。本文的碰撞检测仅针对虚拟博物馆的特性展开研究，相信随着WebGL及3D引擎的不断完善，浏览器端的3D仿真在教育、商业、生活等方面都会有更加广阔的应用前景。
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［关键词］信息技术；农机技术推广；应用
在我国，农村经济发展和农业有较大的关系，农业一直在我国占有非常重要的经济地位。随着现代化农业技术的发展，将农业科技直接转化为农业效益是促进现代化农业发展的重要途径。而如何将这些现代化信息技术直接运用到农业生产中，一直是农业推广工作的重点。
1农机技术发展现状
农业推广体系的构建是为了开展相应的农业技术推广活动，以便为农村种植和畜牧业提升相应的科技含量，加强农民培训，提高农民素质，调整产业结构等。不可否认的是在我国现代农业中，我国农业技术相对而言较为落后，农业结构有待进一步改善。近年来，我国为了平衡城市和农村之间的经济矛盾，政府开展了公益性为主体的农业技术推广工作，我国的农业经济增长也面临着较大的挑战。其主要表现为，我国基层农业推广的力度较差，基层推广机构的设置较为分散，难以发挥出其中的整体效益；另外，我国农村基层的科技投资制度不够完善，缺乏相关的高素质人才。因此，基层教育和科技推广面临着前所未有的困难。
2信息技术在农机技术推广中的应用
2.1在农机器械中安装全球卫星定位系统
GPS全球定位系统，指的是利用GPS全球定位来实现位置定位。采用GPS定位的目的是向全球提供低成本和高精度的定位服务，从而精确三维定位位置。将全球定位系统放在施肥机或者播种机上，通过GPS能够找到精确的位置，从而掌握好播种和施肥的情况，并且根据农作物的生长情况以及土壤的有机肥料情况，有针对性地进行施肥和播种，使得农业机械和信息化最大程度的相互结合。
2.2信息技术应用于农机物联网技术中遥感技术
在农机中有较为广泛的运用，采用遥感技术指的是通过目标物体的反射光、红外线及电磁波对目标物体进行及时的探测和精准的发掘。农机联网技术是遥感技术和互联网紧密结合的一项技术，在农产品生产区域中安装相应的遥感技术设备，如采集温度、湿度等传感器，并将传感器所记录的信息通过无线的方式传至互联网，工作人员在日常生产中可以了解生产过程中的参数，从而最大程度地减少看护农作物的时间，从而解放劳动力。
2.3加强农民信息化利用率
首先是及时采集农民的需求信息，按照农民的需要及市场需求、产业要求，建立市场和农业机构之间的沟通渠道，从而能够掌握市场动态，这样才能够实施“菜单式”服务。其次是有效拓宽技术服务领域，原有服务领域是重视产前、产中服务向产后服务延伸，从生产到加工等流通环节重视管理；在原有的基础上，由原有的偏重农业产量的推广到重视生态型的生产，从而改善农村的生态状况。最后是丰富服务技术手段。不仅需要做好技术资料的准备工作，定期举办技术培训班，做好相应的田间技术讲解。而且要善于做好创新服务模式，最大程度地推行农投企业的订单服务模式，以农资和经销商为主体的服务模式，进一步规范科技园区为主体的示范推广。
2.4加强渗透农机信息技术相关知识
信息技术如果在农业生产中加以落实，将会使我国农业发生翻天覆地的变化，从而走向一个新的高度。信息化的推广，让农业生产人员能够认识到信息技术的重要性，才能够最终实行推广。而加强农业技术人员的政治理论学习和业务技能培训，是当前工作的重点之一。例如，可以邀请专家进行培训，将年轻优秀的农业技术推广人员派出去交流学习。通过专家的培训和讲座，能够让技术人员开阔视野和更新相应的知识结构，填补相应的技术空白，对于及时了解和掌握农业科技的成果具有非常重要的意义。只有上下一起努力，才能够帮助农机技术朝着信息化方向发展。
2.5加强领导，科学筹划
相对而言，农民的科学文化水平较低，因此在接受新知识和新技术方面能力较弱，导致了目前基层农业推广工作的能力较差，这也是导致我国基层农机推广进程较为缓慢的原因之一。因此，要加强领导，科学规划信息化与农机化之间的融合发展，制定科学合理的领导体系。对发展规划的建设标准的制定要坚持实事求是、因地制宜的原则，拉近农机管理部门同农机用户之间的距离，从而有利于推广农机技术。同时，要合理利用信息技术，及时了解最新的农机科技信息技术和农机科技发展动态，合理配置信息资源，确保信息技术在农机推广中作用的发挥。信息技术的发展有力地促进了我国农业技术的迅速发展与进步，为农业工作的开展创造了诸多便利，同时也减少了农机推广人员的工作量。在农业技术推广应用过程中，提高农机的智能化和自动化，对于满足农户的生产种植需求，确保生产种植高效完成具有重大的现实意义。
2.6提高认识，提高农机信息化推广
加强建设农机信息化，有助于整合和优化农机工作流程，从而有效提高工作效率及质量。广泛推广农机信息化，应该统一认识，全力支持信息化建设，大力推广新的信息技术。基于产业信息化、管理现代化、决策科学化等原则，大力促进农机信息化发展，同时在这一过程中政府应切实履行加强管理、统筹规划、组织协调的职能，想方设法提高农机技术的产业化。在农机信息化应用推广过程中，应善于利用网络、视频、现场讲解和音频等推广方式，定期对相关人员进行系统专业培训，使得他们掌握先进的农机生产理念和农机新技术，从而进一步提高农机推广服务水平。
3结语
随着我国信息技术的快速发展，农业生产已成为了我国未来发展的重点。未来只有实现农业信息化，才能够促进现代化农业的发展；只有重视农机信息化的推广，才能够保证信息化时代的到来，从而走向农业现代化。
参考文献
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