畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于java3d的網(wǎng)絡(luò)三維技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 動(dòng)態(tài)的 3D 圖像。 Shout Interactive and Blaxxun 為用戶擴(kuò)充自己的 3D圖形功能預(yù)留了極大的空間。兩個(gè)公司并沒有拋棄 VRML，Shout Interactive 公司可以接受 VRML文件，并把它變成自己的文件格式，Blaxxun 公司的軟件可以直接運(yùn)行 VRML。當(dāng)然， Shout3D 的小巧靈活并不是沒有代價(jià)的：它簡化了 VRML 的功能， VRML 的一些功能不能用小小 50K 的 Java 來實(shí)現(xiàn)。可以說這兩個(gè)公司最先在它們的產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)了核心的 X3D 技術(shù)。 使用這種 無插件技術(shù) （ plugin）的 Shout 公司為 Macy39。s and Excite web portal 網(wǎng)站制作了栩栩如生如生的 3D 虛擬時(shí)裝模特展示，觀看者用菜單可以選擇：展示的服裝，模特的膚色，發(fā)型，步型，甚至于燈光都可畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 以用菜單即刻更換。觀看者可以用鼠標(biāo)變換視角，遠(yuǎn)近，從各個(gè)角度觀看動(dòng)態(tài)展示。而所有的展示文件只有 1M2M，不需下載插件。圖像的質(zhì)量較好，人物動(dòng)畫的動(dòng)作流暢自然。 第二章 Java3D 技術(shù)的簡介 Java3D 用其自己定義的場景圖和觀察模式等技術(shù)構(gòu)造了 3D 的上層結(jié)構(gòu) ，實(shí)現(xiàn)了在 Java 平臺(tái)使用三維技術(shù)。 本章將介紹 Java3D 特有的兩個(gè)重要概念：場景圖（ Scene Graph）、觀察模式（ View Model）。在接口使用上的介紹分為兩部分：說明如何使用 Java3D 接口；說明如何將 Java3D 技術(shù)與 Java 原有的 Web 技術(shù)（ JSP、 Serverlet）相結(jié)合，在網(wǎng)頁上實(shí)現(xiàn)三維顯示。 167。 Java3D 概述 Java3D 簡介 Java3D API 是 Sun 定義的用于實(shí)現(xiàn) 3D 顯示的接口。 3D 技術(shù)是底層的顯示技術(shù)， Java3D 提供了基于 Java 的上層接口。 Java3D 把 OpenGL 和DirectX 這些底層技術(shù)包裝在 Java 接口中。這種全新的設(shè)計(jì)使 3D 技術(shù)變得不再繁瑣并且可以加入到 J2SE、 J2EE 的整套架構(gòu)，這些特性保證了 Java3D 技術(shù)強(qiáng)大的擴(kuò)展性 。 JAVA3D 建立在 JAVA2（ )基礎(chǔ)之上， JAVA 語言的簡單性使 JAVA3D 的推廣有了可能。它實(shí)現(xiàn)了以下三維顯示能夠用到的功能： 1. 生成簡單或復(fù)雜的形體（也可以調(diào)用現(xiàn)有的三維形體） 2. 使形體具有顏色、透明效果、貼圖 3. 在三維環(huán)境中生成燈光、移動(dòng)燈光 4. 具有行為的處理判斷能力（鍵盤、鼠標(biāo)、 定時(shí)等） 5. 生成霧、背景、聲音 6. 使形體變形、移動(dòng)、生成三維動(dòng)畫 7. 編寫非常復(fù)雜的應(yīng)用程序，用于各種領(lǐng)域如 VR（虛擬現(xiàn)實(shí)） Java3D 與其他三維技術(shù)的比較 JAVA3D 可應(yīng)用在三維動(dòng)畫、三維游戲、機(jī)械 CAD 等多個(gè)領(lǐng)域。但作為三維顯示實(shí)現(xiàn)技術(shù)，它并不是唯一選擇而且是一個(gè)新面孔。在 Java3D 之前已經(jīng)存在很多三維技術(shù)，這些三維技術(shù)在實(shí)現(xiàn)的技術(shù)、使用的語言畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 以及適用的情況上各有不同，我主要介紹與 Java3D 又密切關(guān)系的三種技術(shù)： OpenGL、 DIRECT3D、 VRML OpenGL OpenGL 是 業(yè)界最為流行也是支持最廣泛的一個(gè)底層 3D 技術(shù)，幾乎所有的顯卡廠商都在底層實(shí)現(xiàn)了對(duì) OpenGL 的支持和優(yōu)化。 OpenGL 同時(shí)也定義了一系列接口用于編程實(shí)現(xiàn)三維應(yīng)用程序，但是這些接口使用 C（ C++）語言實(shí)現(xiàn)并且很復(fù)雜。掌握針對(duì) OpenGL 的編程技術(shù)需要花費(fèi)大量時(shí)間精力。 DIRECT3D DIRECT3D 是 Microsoft 公司推出的三維圖形編程 API，它主要應(yīng)用于三維游戲的編程。眾多優(yōu)秀的三維游戲都是由這個(gè)接口實(shí)現(xiàn)。與 OpenGL 一樣， Direct3D 的實(shí)現(xiàn)主要使用 C++語言 。 (VRML97) 自 1997年 12 月正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)之后，在網(wǎng)絡(luò)上得到了廣泛的應(yīng)用，這是一種比 BASIC、 JAVASCRIPT 等還要簡單的語言。腳本化的語句可以編寫三維動(dòng)畫片、三維游戲、計(jì)算機(jī)三維輔助教學(xué)。它最大的優(yōu)勢(shì)在于可以嵌在網(wǎng)頁中顯示，但這種簡單的語言功能較弱（如目前沒有形體之間的碰撞檢查功能），與 JAVA 語言等其它高級(jí)語言的連接較難掌握，因而逐漸被淹沒在競爭激烈的網(wǎng)絡(luò)三維技術(shù)中。 表 1 是 Java3D 與其它三維技術(shù)的比較圖，可以從中直觀的看出他們相互間的區(qū)別： 技術(shù) 實(shí)現(xiàn)層次 開發(fā)技術(shù)（難 度） 擴(kuò)展性 最適合應(yīng) 用領(lǐng)域 Java3D 中層（ JVM） Java（較易） J2SE 標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展（好） 網(wǎng)上三維顯示實(shí)現(xiàn) … OpenGL 底層（顯卡） C\C++（難） 各大廠商支持（較好） 三維設(shè)計(jì)軟件 … Direct3D 底層（操作系統(tǒng)） C++（較難） Windows 平臺(tái)（差） 三維游戲 … VRML 上層（網(wǎng)頁） 標(biāo)記語言（容易） 安裝插件支持（一般） 網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí) … 表 1： 3D 技術(shù)對(duì)招表 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 167。 Java3D 的場景圖結(jié)構(gòu) Java3D 實(shí)際上是 Java 語言在三維圖形領(lǐng)域的擴(kuò)展，與 Java 一樣， Java3D 有純粹的 面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)。 Java3D 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用的是 Scene Graphs Structure（場景圖），就是一些具有方向性的不對(duì)稱圖形組成的樹狀結(jié)構(gòu)（圖 1）。 實(shí)際由 Java3D 定義的一系列的對(duì)象，這些對(duì)象不是雜亂無序，對(duì)象之間也不是毫無關(guān)系。如果想讓三維圖像正常顯示，必須在這兩點(diǎn)上遵循Java3D 場景圖的規(guī)定。觀察圖 1， Java3D 場景圖的樹結(jié)構(gòu)由各種各樣的對(duì)象組成： 在圖中出現(xiàn)的這些對(duì)象都實(shí)現(xiàn)了 Java3D 中有重要的意義的類，從邏輯上我將它們分為三類： ? 根節(jié)點(diǎn)（ Root）： Virtual Universe Object ? 節(jié)點(diǎn)（ Node）： Local Object、 Branch Group Nodes、 Behavior Node、 Shape3D Node… ? 葉子節(jié)點(diǎn)（ Leaf）： Appearance、 Geometry.. 圖 1：在應(yīng)用中的 Java3D 場景圖 場景圖中線和線的交匯點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)（ Node），這 些節(jié)點(diǎn)都是 Java3D類的實(shí)例（ Instance of Class），節(jié)點(diǎn)之間的線表示各個(gè)實(shí)例之間的關(guān)系。 ? Virtual Universe 是根節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)場景圖的 Virtual Universe 是唯一的。 ? 在 Virtual Universe 下面是 Locale 節(jié)點(diǎn)，每個(gè)程序可以有一個(gè)或多個(gè) Locale，但同時(shí)只能有一個(gè) Locale 處于顯示狀態(tài)，就 好像 一個(gè)三維世界非常大，有很多個(gè)景點(diǎn)，但我同時(shí)只能在一個(gè)景點(diǎn)進(jìn)行觀察。 Java3D 允許從一個(gè) Locale 跳到另一個(gè) Locale，不過絕大多數(shù)程序只有一個(gè) Locale。 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 ? 每一個(gè) Locale 可以擁有多個(gè) Branch Group 節(jié)點(diǎn)。所有三維形體的其位置信息（ Transform Group Nodes）都建立在 Branch Group 節(jié)點(diǎn)之上。 ? Transform Group Node 用來設(shè)定 Shape3D 在 Virtual Universe 中的位置。 ? Spape3D Node 是三維圖形節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)體放映在最后的顯示畫面中，就是三維世界中的每個(gè)形體。包括正方體、球體以及任何形狀和外觀的三維形體。 ? 位于場景圖最下層的是兩個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)：三維體的外觀（ Appearance）和幾何信息（ Geometry），這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)定義了一個(gè)三維體的顯示效果。 ? View Platform 位于圖 1 的另一個(gè)分枝上，與前面所有描述三維體的性質(zhì)的概念不同， View Platform 和 View 都是用來定義觀察者的信息。 對(duì)于建立一個(gè)簡單的 Java3D 程序，我至少需要了解三個(gè)概念：虛擬宇宙（ Virtual Universe）、場景（ Locale）、坐標(biāo)系統(tǒng)。 虛擬宇宙（ Virtual Universe） 在 Java3D 中，虛擬宇宙被定義為結(jié)合一系列對(duì)象的三維空間。虛擬宇宙被用作最大 的聚集體表現(xiàn)單位，同時(shí)也可被看作一個(gè)數(shù)據(jù)庫。不管是在物理空間還是邏輯內(nèi)容，虛擬宇宙都可以很大。實(shí)際上在大多數(shù)情況下，一個(gè)虛擬宇宙就可以滿足一個(gè)應(yīng)用程序所有的需求。 虛擬宇宙是各自獨(dú)立的個(gè)體，原因是在任何時(shí)候一個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)象都不能在超過一個(gè)的虛擬宇宙中存在。同樣的，在一個(gè)虛擬宇宙中的結(jié)點(diǎn)對(duì)象也不能在其他的虛擬宇宙中可見或者與其他的對(duì)象結(jié)合。 對(duì)于一個(gè) Java3D應(yīng)用程序，必須定義一個(gè)虛擬宇宙才可以在這個(gè) 宇宙 中顯示三維圖像。 Java3D 的坐標(biāo)系統(tǒng) 默認(rèn)情況下， Java3D 的坐標(biāo)系統(tǒng)是右旋的，用 方位語義學(xué)來解釋就是：正 y 方向是本地重力的上，正 x 方向是水平的右，正 z 是這對(duì)著觀察者的方向。默認(rèn)的單位是米。 雙精度浮點(diǎn)、單精度浮點(diǎn)甚至是定點(diǎn)來表示的三維坐標(biāo)都足夠來表示和顯示豐富的 3D 場景。不幸的是，場景不是真實(shí)世界，更不必說整個(gè)宇宙了。如果使用單精度坐標(biāo)，有可能出現(xiàn)下列情景： 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1. 離原點(diǎn)僅有一百公里的距離，被描繪得相當(dāng)量子化，所能達(dá)到的最好效果就是三分之一英寸，在實(shí)際應(yīng)用中這樣的精度比要求的粗糙的多。 2. 如果要縮小到一個(gè)很小的尺寸（例如表現(xiàn)集成電路的大小），甚至在離原點(diǎn)很近的地方就會(huì)出現(xiàn)同坐標(biāo)問題。 為 了支持一個(gè)大型的鄰接虛擬宇宙， Java3D 選擇了有 256 位的高分辨率坐標(biāo)： Java3D 高分辨率坐標(biāo)由三個(gè) 256 位的定點(diǎn)數(shù)組成，分別表示 x、 y、 z。定點(diǎn)被固定在第 128 位，并且值 被定義為真實(shí)的 1 米。這個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)足夠用來描述一個(gè)超過幾百萬光年距離的宇宙，也可以定義小于一質(zhì)子大小（小于一普朗克長度）的對(duì)象。 在 Java3D 中，高分辨率坐標(biāo)僅僅用于將更加傳統(tǒng)的浮點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)嵌入更高分辨率的底層系統(tǒng)。用這種方法，可以創(chuàng)造出一個(gè)具有任意大小和規(guī)模的在視覺上無縫的虛擬宇宙，而且可以不必?fù)?dān)心數(shù)字上的精度。（參看表 2） 一個(gè) 256 位的定點(diǎn)數(shù)還具有能夠直接表示幾乎任何的合理適當(dāng)?shù)膯尉雀↑c(diǎn)值。 Java3D 用有符號(hào)的、兩位補(bǔ)碼的 256 位定點(diǎn)數(shù)字來表示高分標(biāo)率坐標(biāo)。盡管 Java3D 保持內(nèi)部高分辨率坐標(biāo)表示的不透明，但用戶用有八個(gè)整型變量的數(shù)組來表示 256 位的坐標(biāo)。 Java3D 把數(shù)組中從索引號(hào)由 0 到 7分別看作高分辨率坐標(biāo)的從高到底位上的數(shù)。第 128 位上是二進(jìn)制的小數(shù)點(diǎn)，也可以說在索引號(hào)為 3 和 4 的整數(shù)之間。高分辨率坐標(biāo)的 就是 1米。 如果是 小 的虛擬宇宙（類似于相對(duì)比例的幾百米），在虛擬宇宙對(duì)象下（ ,）點(diǎn)建立一個(gè)帶有高分辨率坐標(biāo)的 Locale 作為根節(jié)點(diǎn)就足夠使用了；裝入程序在裝入過程中能自動(dòng)構(gòu)建結(jié)點(diǎn)，而在高分辨率坐標(biāo)下的點(diǎn)不需要任何外部文件的直接描述。 大一些的虛擬宇宙期待被構(gòu)建為有如同計(jì)算機(jī)文件那樣的層次，這意味著一個(gè)根宇宙要包含由外部文件引用的嵌入虛擬宇宙。就這樣，文件引用的對(duì)象（用戶指定的 Java3D組或高分辨率結(jié)點(diǎn)）定義了被讀入現(xiàn)存虛擬宇宙的數(shù)據(jù)的位置。 Java 3D 高分辨率坐標(biāo) 2n Meters Units Universe (20 billion light years) Galaxy (100000 light years) 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 Light year Solar system diameter Earth diameter Mile Kilometer Meter 3 Micron 2 Angstrom 115.57 Planck length 表 2： Java 3D 高分辨率坐標(biāo) 場景（ Locale） 為了支持大型虛擬宇宙， Java3D 提出了 Locale的概念。 Locale 把高分辨率坐標(biāo)作為起源。把高分辨率坐標(biāo)看作精確的定位，它在高分辨率坐標(biāo)的影響范圍之內(nèi)使用精度較低的浮點(diǎn)坐標(biāo)指定對(duì)象的位置。 一個(gè) Locale 和與它結(jié)合的高分辨率坐標(biāo)一起組成了在虛擬宇宙之下的一個(gè)表現(xiàn)層。所有虛擬宇宙包含一個(gè)或多個(gè)高分辨率 Locale。而所有其他的對(duì)象都是附加在一個(gè) Locale 上的。在整個(gè)體系中，高分辨率坐標(biāo)扮演的是上層的僅供翻譯的轉(zhuǎn)換結(jié)點(diǎn)。例如，附加到一個(gè)特定 Locale 的所有對(duì)象的坐標(biāo)都會(huì)與這個(gè) Locale 位置的高分辨率坐標(biāo)有關(guān)。（圖 2） 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 圖 2：高分辨率坐標(biāo)指定場景 如果一個(gè)虛擬宇宙與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖像的概念相近，給定的虛擬宇宙可能會(huì)變得太大。所以在通常情況下最好把一個(gè)場景圖看作是一個(gè)高分辨率坐標(biāo)場景的子結(jié)點(diǎn)。構(gòu)造一個(gè)三維場景，程序員必須運(yùn)行一個(gè) Java3D程序。這個(gè) Java3D 應(yīng)用程序必須首先創(chuàng)建一個(gè)虛擬宇宙對(duì)象并且至少把一個(gè) Locale 對(duì)象附 加之上。然后，構(gòu)建出需要的場景圖像，