第二章

基于網(wǎng)頁的虛擬現(xiàn)實(WebVR)

及其關鍵技術主講教師：賈金原助教：楊寒冰

聯(lián)系方式：

QQ:605360422email同濟大學軟件學院圖形圖像研究中心2.1基于網(wǎng)頁的虛擬現(xiàn)實（WebVR）簡介2.2現(xiàn)有WebVR技術現(xiàn)狀2.3WebVR的關鍵技術2.4VRML/X3D技術簡介2.5WebVR的輕量化建模技術2.6WebVR的光影效果增強2.7WebVR的輕量化腳本編程技術2.8WebVR場景的漸進式下載機制2.9WebVR的前景展望與機遇提綱2.1WebVR系統(tǒng)開發(fā)－VRML篇VRML是第二代Web語言的基礎以網(wǎng)頁為中心的模式轉(zhuǎn)換到一個令人激動的三維世界1997年，VRML被ISO和國際電子工業(yè)協(xié)會IEC定為國際標準，簡稱VRML97特點文本格式編碼，文件小，壓縮比高Vrmlscript腳本語言簡單、易用最直觀的面向?qū)ο缶幊趟枷腴_源、良性可持續(xù)發(fā)展、資源豐富開發(fā)效率高、周期短、開發(fā)成本低2.1WebVR系統(tǒng)開發(fā)－X3D篇X3D(Extensible3DSpecification)基于XML的VRML有機擴展，2003年，ISO又制定了X3D作為新的Web3D國際標準特點基于XML的編碼格式更易于網(wǎng)頁集成，更易于與下一代WebServices技術有機融合基于組件的結構使之具有更好的兼容性與可擴展性輕量化的內(nèi)核硬件上，適用于圖形工作站、PC機、PDA、數(shù)字機頂盒、手機等軟件上，美國著名的海軍研究院（NavyPostgraduateSchool,NPS）擬將X3D技術應用與NPSNET-V中2.2WebVR的若干關鍵技術輕量化的虛擬場景建模技術輕量化的WebVR互動程序設計技術輕量化的WebVR引擎大規(guī)模WebVR虛擬場景的快速下載機制高效的WebVR的體系支撐架構面向WebVR的軟件工程方法2.3目前主流WebVR瀏覽器(引擎)的比較：VRMLVRPPV3DUnity3DQuest3DVirtools效果★★★★★★☆★★★★★★★★★★☆★★★★★性能★★★☆★★★★★★★★★★☆★★★★★★★★可交互性★★★★★★★★★★★★★★★★☆★★★★★★★★☆場景壓縮比★★★★★★★★★★★★★★★★★★☆★★☆引擎輕量性★★★★★★★★★★★★★★☆★★★★★★★☆可編程性★★★★★★★☆★★★★★★★★☆★★★★☆★★★★2.4WebVR引擎的初步分析對于小規(guī)模WebVR場景，要求較強的網(wǎng)頁級互動性，即時響應的瀏覽速度，建議采用免插件安裝的P(aperVision)

3D技術最合適。對于中規(guī)模WebVR場景，要求較強的網(wǎng)頁級互動性，較頻繁的場景更新，較高的文件壓縮比，建議采用VRML/X3D技術較為合適。對于大規(guī)模虛擬場景，要求較強的網(wǎng)頁級互動性，重復訪問頻率低（往往是一次性的訪問），對于文件壓縮比和引擎大小的要求較高，建議采用U3D技術較為合適。2.4目前VRML應用中存在的誤區(qū)過分依賴壓縮比，不考慮模型的數(shù)據(jù)量與制作方法的聯(lián)系——輕量化模型制作的重要性光影效果表現(xiàn)差強人意對VRML的理解不深入，缺乏面向?qū)ο缶幊趟悸穼υS多的擴展節(jié)點缺乏了解與深入認研究VRML效率低，缺乏面向VRML的高效圖形算法表現(xiàn)手法單一，缺少與多媒體的有機結合僅注重單純的瀏覽漫游，缺乏軟件工程體系思想，無后臺，無數(shù)據(jù)庫，無通訊漫游模式單調(diào)，幾乎完全依賴瀏覽器所提供的幾種漫游模式我們的對策以及

開發(fā)WebVR的技術路線WebVR的輕量化建模靜態(tài)虛擬場景的輕量化建模動態(tài)虛擬場景的輕量化建模WebVR的輕量化虛擬互動程序設計盡量減小VRML/X3D的程序代碼量提高VRML/X3D代碼的運行效率WebVR的后臺體系架構數(shù)據(jù)庫、J2EE、Ajax、SOA等的集成面向WebVR的軟件工程參照游戲與GIS的軟件工程思想與模式2.5WebVR的輕量化建模技術原則盡可能地減少模型的三角網(wǎng)格面片數(shù)量盡可能地縮小貼圖的尺寸\大小盡可能地重復使用紋理\材質(zhì)\貼圖單體模型的重用盡量保證幾何精度與光影效果影響建模精度的幾個因素畫面表現(xiàn)度重用度交互度2.5WebVR的輕量化建建模實例靜態(tài)輕量化化建模的實實例虛擬校園虛擬商城外外景前景與背景景的和諧融融合動態(tài)輕量化化建模的實實例瀑布河流樹木與森林林例1：瀑布－輕量量化的動態(tài)態(tài)建模非輕量化建建模－粒子子系統(tǒng)傳輸效率較較高運行效率太太低基于位置插插播器的建建模傳輸效率較較高運行效率更更高效果甚佳虛擬樹木的的輕量化建建模方法（一）－基于幾何何的樹木建建模方法制作方法：：3Dmax直接生成面數(shù)：9758顯示效果：：較好顯示效率：：差未經(jīng)壓縮代代碼量：1.10M經(jīng)壓縮后代代碼量：320KB貼圖容量：：9.6KB虛擬樹木的的輕量化建建模方法（（二）－基于Billboard的樹木建模模方法制作方法：：廣告牌Billboard面數(shù)：1顯示效果：：差顯示效率：：高未經(jīng)壓縮代代碼量：227字節(jié)經(jīng)壓縮后代代碼量：176字節(jié)貼圖容量：：206KB虛擬樹木的的輕量化建建模方法（三）－基于模型型與Billboard的混合方法法制作方法：：模型+廣告牌相結結合面數(shù)：157顯示效果：：動態(tài)效果果－好顯示效率：：高未經(jīng)壓縮代代碼量：25.4KB經(jīng)壓縮后代代碼量：7.39KB貼圖容量：：106KB虛擬樹木的的輕量化建建模方法（四）－基于規(guī)則則的樹木輕輕量化建模模方法制作方法：：基于L-System規(guī)則面數(shù)：1個圓臺面顯示效果：：動態(tài)生長長過程－極好顯示效率：：高未經(jīng)壓縮代代碼量：1.6KB經(jīng)壓縮后代代碼量：0.69KB貼圖容量：：10KB虛擬森林生生成系統(tǒng)快速地生成成虛擬森林林效果比Billboard更加動態(tài)逼逼真樹木數(shù)量龐龐大，但渲渲染速度快快文件小，便便于網(wǎng)絡傳傳輸基于VRML的虛擬森林林編輯器WebVR中光影效果果的輕量化化實現(xiàn)－烘焙技術的的應用－采用VRay渲染器對場場景物體進進行光影烘烘焙用多重紋理理貼圖表現(xiàn)現(xiàn)光影影視級虛擬擬現(xiàn)實效果果表現(xiàn)避免了光源源計算帶來來的顯示復復雜度，加加快了實時時瀏覽速度度2.6WebVR的輕量化互互動腳本程程序設計基于OOP的UI擴展節(jié)點庫庫基于探針的的輕量化碰碰撞檢測算算法WebVR的輕量化虛虛擬導航算算法基于Cohen-Sutherland編碼的飛行行物的輕量量化交互操操縱算法基于VRML的全景漫游游功能的實實現(xiàn)VRML中的視頻在在線播放系系統(tǒng)基于OOP的VRML的UI擴展節(jié)點庫庫的開發(fā)PROTO擴展機制帶帶來良性、、自增長的的軟件理念念。自主研發(fā)大大量的PROTO擴展節(jié)點庫庫為WebVR系統(tǒng)的開發(fā)發(fā)提供了工工具集PROTOTYPE作用UIMenu快速生成隨界面尺寸變化的菜單欄UIDialog快速設置生成完整功能的對話框button按鈕map2D快速生成二維導航地圖其它……基于H-Anim的VRML角色互動設設計基于探針的的輕量化VRML碰撞檢測算算法（1）前進障礙物物檢測基于探針的的輕量化VRML碰撞檢測算算法（2）前進地形檢檢測：基于探針的的輕量化VRML碰撞檢測算算法（3）高度障礙物物檢測基于探針的的輕量化VRML碰撞檢測算算法（4）前進行為條條件成立VRML虛擬世界的的輕量化導導航算法（（一）大規(guī)模VRML環(huán)境的瀏覽覽問題面積規(guī)模廣廣大，布局局結構復雜雜缺乏有效的的導航信息息用戶將會迷迷失方向在虛擬世界界中毫無意意義地徘徊徊無法找到預預期的目標標從而失去繼繼續(xù)瀏覽、、觀看的信信心和興趣趣VRML虛擬世界的的輕量化導導航算法（（二）高效的大規(guī)規(guī)模VRML世界的虛擬擬導航算法法優(yōu)化的道路路導航算法法可回溯的盲盲人爬山算算法近似最優(yōu)，，精度達到到了95％以上其準確度也也能達到虛虛擬漫游的的需要隨著節(jié)點數(shù)數(shù)的增加，，精度也隨隨之增加，，并最終收收斂至100％用VRMLscript實現(xiàn)直接與VRML耦合在一起起高效并易于于實現(xiàn)沒有采用JavaEAIVRML中的在線視視頻播放技技術虛擬家居裝裝修與科普普影院在虛擬空間間中在線觀觀看科普視視頻基于RSTP流媒體協(xié)議議傳輸2.7WebVR的體系支撐撐架構過去的VRML系統(tǒng)無后臺無數(shù)據(jù)庫而今基于J2EE的后臺管理理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫基于AJAX的高效通訊訊模式大規(guī)模WebVR場景的漸進進下載模式式WebVR的體系支撐撐架構－Web通訊模式的的新應用（（1）傳統(tǒng)Web應用的通訊訊模式請求－等待待－響應－－再請求的的循環(huán)用戶體驗是是割裂的BrowserUserinterfaceWebServerJSP/ASP/…DB/FileSystemResponseRequestClientServerTimeUseractivityServerprocessingDataDataDataDataWebVR的體系支撐撐架構－Web通訊模式的的新應用（（2）Ajax異步通訊模模式無需忙等待待采用局部刷刷新連貫的用戶戶體驗BrowserUserinterfaceServerWeb/XML…DB/FileSystemResponseRequestClientServerTimeUseractivityServerprocessingAjaxengineJavaScriptcallDOM/CSSAjaxProcessDataDataDataDataDataInputInputInputDisplayDisplayDisplayVRML與Ajax的結合（1）結合的方式式以XML為載體通過Ajax技術實現(xiàn)VRML虛擬場景數(shù)數(shù)據(jù)的按需需動態(tài)請求求與下載結合的意義義減輕服務器器傳輸大規(guī)規(guī)模場景數(shù)數(shù)據(jù)的負載載與帶寬消消耗避免客戶端端一次性渲渲染大規(guī)模模場景而導導致漫游速速度緩慢通過把復雜雜算法嫁接接到服務器器端，實現(xiàn)現(xiàn)靈活的人人機交互應應用VRML與Ajax的結合（2）VRML與Ajax交互模式示示意圖VRML場景Script節(jié)點Ajax引擎事件觸發(fā)事件響應后臺請求數(shù)據(jù)返回數(shù)據(jù)J2EE與Ajax的結合（2）J2EE與Ajax交互模式示示意圖J2EE服務器組件客服端瀏覽器Ajax引擎ConnectionPoolJavaBeansJSP/Servlet發(fā)送請求返回結果2.8大規(guī)模WebVR的網(wǎng)上漸進進式下載機機制基于AOI（AreaofInterests）的思想漸進式AOI的VRML下載策略與多線程下下載策略相相結合正在進行中中的研發(fā)工工作(1)光影效果方方面程序化（Shader）著色器在在VRML上的應用體系支撐架架構方面采用DWR（DirectWebRemoting，WEB遠程調(diào)用））框架客戶端無需需再處理XMLHttpRequest對象以及服服務器的響響應后臺無需編編寫Servlet把請求轉(zhuǎn)化化為對JavaBeans的調(diào)用更為靈活的的多人在線線交互模式式更為高效的的多路組播播通訊技術術正在進行中中的研發(fā)工工作(2)WebVR場景的輕量量化方面虛擬場景的的參數(shù)化存存儲與生成成基于函數(shù)的的VRML/X3D的擴展節(jié)點點庫面向WebVR的軟件工程程WebVR的項目開發(fā)發(fā)模式有很很多獨特性性需求分析成本估算項目管理團隊組建文檔管理正在進行中中的研究課課題（1）WebVR的輕量化建建模研究目標高效、通用用、低成本本的輕量化化建?；趫D像的的輕量化3D模型重建除了傳統(tǒng)的的網(wǎng)格面片片精簡技術術之外如何提取最最小尺寸的的可重用紋紋理貼圖基于多張圖圖像的樹木木植物L-System重建與Autodesk中國研究院院合作基于多張圖圖片的樹木木植物的參參數(shù)化建模模中科院自動動化所與法法國INRIA合作基于AMAP的樹木植物物的輕量化化建模正在進行中中的研究課課題（2）掃描性3D模型的精簡簡基于數(shù)字幾幾何特征的的模型精簡簡輕量化的WebVR模型數(shù)據(jù)庫庫構建本地3D模型庫基于文本、、草圖與圖圖像的綜合合智能搜索索網(wǎng)上3D模型資源的的智能挖掘掘基于視頻的的輕量化的的WebVR行為數(shù)據(jù)庫庫虛擬行為仿仿真計算虛擬情感分分析與計算算正在進行中中的研究課課題（3）開發(fā)輕量化化的WebVR引擎（超）大規(guī)規(guī)模的虛擬擬場景的網(wǎng)網(wǎng)上實時漫漫游高效的WebVR物理引擎大規(guī)模虛擬擬群體的行行為仿真（（含實時碰碰撞算法））更高端的WebVR的體系支撐撐架構SOA，OracleSpatial等對這些海量量的空間數(shù)數(shù)據(jù)進行更更為有效的的調(diào)度與管管理（超）大規(guī)規(guī)模WebVR場景的網(wǎng)上上流式漸進進下載機制制基于EAOI(ExtendedAOI)P2P網(wǎng)格計算/普適計算在在WebVR上的應用用實驗室所承承擔的WebVR課題中國數(shù)字科科技館－體體驗館二級級子課題網(wǎng)上虛擬車車展系統(tǒng)國際合作項項目法國農(nóng)業(yè)研研究中心，，INRIA數(shù)字植物實實驗室崇明島生態(tài)態(tài)環(huán)境虛擬擬仿真系統(tǒng)統(tǒng)上海市重點點科技攻關關基金項目目網(wǎng)上大規(guī)模模虛擬展示示的若干關關鍵技術的的研究兩個虛擬旅旅游項目湛江虛擬旅旅游與珠海海虛擬旅游游系統(tǒng)…………………………………………….2.9WebVR的輝煌前景景與潛在機機遇！WebVR掀起了一場場互聯(lián)網(wǎng)行行業(yè)的革命命