基于网页的虚拟现实及其关键技术

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1、第 二 章基于网页的虚拟现实(WebVR) 及其关键技术主讲教师：贾金原 助 教：杨寒冰联系方式： 13816142387, QQ: 605360422email: 同济大学软件学院 图形图像研究中心 2.1 基于网页的虚拟现实（WebVR）简介 2.2 现有WebVR技术现状 2.3 WebVR的关键技术 2.4 VRML/X3D技术简介 2.5 WebVR的轻量化建模技术 2.6 WebVR的光影效果增强 2.7 WebVR的轻量化脚本编程技术 2.8 WebVR场景的渐进式下载机制 2.9 WebVR的前景展望与机遇提 纲2.1 WebVR系统开发VRML篇 VRML是第二代Web语言的

2、基础 以网页为中心的模式转换到一个令人激动的三维世界 1997年，VRML被ISO和国际电子工业协会IEC定为国际标准 ，简称VRML97 特点 文本格式编码，文件小，压缩比高 Vrmlscript脚本语言简单、易用 最直观的面向对象编程思想 开源、良性可持续发展、资源丰富 开发效率高、周期短、开发成本低2.1 WebVR系统开发X3D篇 X3D (Extensible 3D Specification) 基于XML的VRML有机扩展，2003年，ISO又制定了X3D作为 新的Web3D国际标准 特点 基于XML的编码格式 更易于网页集成，更易于与下一代Web Services技术有机融合 基

3、于组件的结构 使之具有更好的兼容性与可扩展性 轻量化的内核 硬件上，适用于图形工作站、PC机、PDA、数字机顶盒、手机等 软件上，美国著名的海军研究院（Navy Postgraduate School, NPS）拟 将X3D技术应用与NPSNET-V中2.2 WebVR的若干关键技术 轻量化的虚拟场景建模技术 轻量化的WebVR互动程序设计技术 轻量化的WebVR引擎 大规模WebVR虚拟场景的快速下载机制 高效的WebVR的体系支撑架构 面向WebVR的软件工程方法2.3 目前主流WebVR浏览器(引擎)的比较 ：VRMLVRPPV3DUnity3DQuest3DVirtools效果性能可交

4、互性场景压缩比引擎轻量性可编程性2.4 WebVR引擎的初步分析 对于小规模WebVR场景，要求较强的网页级互动性， 即时响应的浏览速度，建议采用免插件安装的 P(aperVision) 3D技术最合适。 对于中规模WebVR场景，要求较强的网页级互动性， 较频繁的场景更新，较高的文件压缩比，建议采用 VRML/X3D技术较为合适。 对于大规模虚拟场景，要求较强的网页级互动性，重 复访问频率低（往往是一次性的访问），对于文件压 缩比和引擎大小的要求较高，建议采用U3D技术较为合 适。2.4 目前VRML应用中存在的误区 过分依赖压缩比，不考虑模型的数据量与制作方法的联系 轻量化模型制作的重要性

5、 光影效果表现差强人意 对VRML的理解不深入，缺乏面向对象编程思路 对许多的扩展节点缺乏了解与深入认研究 VRML效率低，缺乏面向VRML的高效图形算法 表现手法单一，缺少与多媒体的有机结合 仅注重单纯的浏览漫游，缺乏软件工程体系思想，无后台 ，无数据库，无通讯 漫游模式单调，几乎完全依赖浏览器所提供的几种漫游模 式我们的对策以及开发WebVR的技术路线 WebVR的轻量化建模 静态虚拟场景的轻量化建模 动态虚拟场景的轻量化建模 WebVR的轻量化虚拟互动程序设计 尽量减小VRML/X3D的程序代码量 提高VRML/X3D代码的运行效率 WebVR的后台体系架构 数据库、J2EE、Ajax、

6、SOA等的集成 面向WebVR的软件工程 参照游戏与GIS的软件工程思想与模式2.5 WebVR的轻量化建模技术 原则 尽可能地减少模型的三角网格面片数量 尽可能地缩小贴图的尺寸大小 尽可能地重复使用纹理材质贴图 单体模型的重用 尽量保证几何精度与光影效果 影响建模精度的几个因素 画面表现度 重用度 交互度2.5 WebVR的轻量化建模实例 静态轻量化建模的实例 虚拟校园 虚拟商城外景 前景与背景的和谐融合 动态轻量化建模的实例 瀑布 河流 树木与森林例1：瀑布轻量化的动态建模 非轻量化建模粒子系统 传输效率较高 运行效率太低 基于位置插播器的建模 传输效率较高 运行效率更高 效果甚佳虚拟树木

7、的轻量化建模方法（一）基于几何的树木建模方法制作方法：3Dmax直接生成 面数：9758显示效果：较好 显示效率：差 未经压缩代码量：1.10M 经压缩后代码量：320KB 贴图容量：9.6KB虚拟树木的轻量化建模方法（二）基于Billboard的树木建模方法制作方法：广告牌Billboard 面数：1显示效果：差 显示效率：高 未经压缩代码量：227字节 经压缩后代码量：176字节 贴图容量：206KB虚拟树木的轻量化建模方法（三）基于模型与Billboard的混合方法制作方法：模型+广告牌相结合 面数：157显示效果：动态效果好 显示效率：高 未经压缩代码量：25.4KB 经压缩后代码量：

8、7.39KB 贴图容量：106KB虚拟树木的轻量化建模方法（四）基于规则的树木轻量化建模方法制作方法：基于L-System规则 面数：1个圆台面显示效果：动态生长过程极好 显示效率：高 未经压缩代码量：1.6KB 经压缩后代码量：0.69KB 贴图容量：10KB虚拟森林生成系统 快速地生成虚拟森林 效果比Billboard更加动态逼真 树木数量庞大，但渲染速度快 文件小，便于网络传输 基于VRML的虚拟森林编辑器WebVR中光影效果的轻量化实现烘焙技术的应用 采用VRay渲染器对场景物体进行光影烘焙 用多重纹理贴图表现光影 影视级虚拟现实效果表现 避免了光源计算带来的显示复杂度，加快了实时浏览

9、 速度2.6 WebVR的轻量化互动脚本程序设计 基于OOP的UI扩展节点库 基于探针的轻量化碰撞检测算法 WebVR的轻量化虚拟导航算法 基于Cohen-Sutherland编码的飞行物的轻 量化交互操纵算法 基于VRML的全景漫游功能的实现 VRML中的视频在线播放系统基于OOP的VRML的UI扩展节点库的开发 PROTO扩展机制带来良性、自增长的软件理念。 自主研发大量的PROTO扩展节点库 为WebVR系统的开发提供了工具集PROTOTYPE 作用 UIMenu快速生成随界面尺寸变化的菜单栏 UIDialog快速设置生成完整功能的对话框 button按钮 map2D快速生成二维导航地图

10、 其它基于H-Anim的VRML角色互动设计基于探针的轻量化VRML碰撞 检测算法（1） 前进障碍物检测基于探针的轻量化VRML碰 撞检测算法（2） 前进地形检测：基于探针的轻量化VRML碰 撞检测算法（3） 高度障碍物检测基于探针的轻量化VRML碰 撞检测算法（4） 前进行为条件成立VRML虚拟世界的轻量化导航算法（一 ） 大规模VRML环境的浏览问题 面积规模广大，布局结构复杂 缺乏有效的导航信息 用户将会迷失方向 在虚拟世界中毫无意义地徘徊 无法找到预期的目标 从而失去继续浏览、观看的信心和兴趣VRML虚拟世界的轻量化导航算法（二） 高效的大规模VRML世界的虚拟导航算法 优化的道路导航

11、算法 可回溯的盲人爬山算法 近似最优，精度达到了95以上 其准确度也能达到虚拟漫游的需要 随着节点数的增加，精度也随之增加，并最终收敛至100 用VRMLscript实现 直接与VRML耦合在一起 高效并易于实现 没有采用Java EAIVRML中的在线视频播放技术 虚拟家居装修与科普影院 在虚拟空间中在线观看科普视频 基于RSTP流媒体协议传输2.7 WebVR的体系支撑架构 过去的VRML系统 无后台 无数据库 而今 基于J2EE的后台管理系统 数据库 基于AJAX的高效通讯模式 大规模WebVR场景的渐进下载模式WebVR的体系支撑架构Web通讯模式的新应用（1）传统Web应用的通讯模式

12、请求等待响应再请求的循环 用户体验是割裂的BrowserUser interfaceWeb ServerJSP / ASP / DB/File SystemResponseRequestClientServerTimeUser activityServer processingDataDataDataDataWebVR的体系支撑架构 Web通讯模式的新应用（2）Ajax异步通讯模式无需忙等待 采用局部刷新 连贯的用户体验Browser User interfaceServerWeb / XML DB/File SystemResponseRequestClientServerTimeUser

13、activityServer processingAjax engineJavaScript callDOM / CSSAjax ProcessDataDataDataDataDataInputInputInputDisplayDisplayDisplayVRML与Ajax的结合（1）结合的方式 以XML为载体 通过Ajax技术实现VRML虚拟场景数据的按需动态请求与 下载 结合的意义 减轻服务器传输大规模场景数据的负载与带宽消耗 避免客户端一次性渲染大规模场景而导致漫游速度缓慢 通过把复杂算法嫁接到服务器端，实现灵活的人机交互应 用VRML与Ajax的结合（2） VRML 与Ajax交互模式

14、示意图VRML场景Script节点Ajax引擎事件触发事件响应后台请求数据返回数据J2EE与Ajax的结合（2） J2EE与Ajax交互模式示意图J2EE服务器组件客服端浏览器Ajax引擎Connection PoolJavaBeansJSP / Servlet发送请求返回结果2.8 大规模WebVR的网上渐进式下载机制 基于AOI（Area of Interests）的思想 渐进式AOI的VRML下载策略 与多线程下载策略相结合正在进行中的研发工作 (1) 光影效果方面 程序化（Shader）着色器在VRML上的应用 体系支撑架构方面 采用DWR（Direct Web Remoting，WEB远程调用）框架 客户端无需再处理XMLHttpRequest对象以及服务器的响应 后台无需编写Servlet把请求转化为对JavaBeans的调用 更为灵活的多人在线交互模式 更为高效的多路组播通讯技术正在进行中的研发工作 (2) WebVR场景的轻量化方面 虚拟场景的参数化存储与生成 基于函数的VRML/X3D的扩展节点库 面向WebVR的软件工程 WebVR的项目开发模式有很多独特性 需求分析 成本估算 项目管理 团队组建 文档管理正在进行中的研究课题（1） WebVR的轻量化建模 研究目标 高效、通用、低成本的轻量化建模 基于图像的轻量化3D模型重建 除了传统的网格面片精简技术之外