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1、2019年X3D的虚拟植物建模 1X3D虚拟现实技术概述 虚拟现实(VirtualReality)是20世界80年代初由VPLResearch公司创始人JaronLanier提出的。已广泛应用于科学研究和可视化、军事模拟、工程应用、医学、商业、教育及娱乐等领域。X3D虚拟现实技术是目前虚拟现实技术中最前沿的科技，20XX年10月正式通过ISO/IEC审议成为网络三维国际通用标准ISO/IEC19775。X3D虚拟现实技术整合了XML、JavaSeript、Java、Java3D和流技术等世界先进技术.具有更强大、更高效的三维计算能力、渲染质量和传输速度。它克服了以往其它虚拟现实语言存在兼容性及
2、可扩展性差、对浏览器的依靠过强、编程能力弱等缺点，将其应用于农业信息领域，显示其巨大的发展潜力，前景十分广阔。 1.1X3D虚拟现实技术的关键技术 (1)XML编码 X3D采用XML编码，使其具有通用性、易于页面集成、和下一代Web融合等诸多优势.并引入了基于组件的结构.具有兼容性、可扩展性、轻量化的内核等特征。XML编码为创建和XML兼容的VRML代码，提供了一组XML通用实体和元素类型声明。VRML2OOX规范草案包含一个完整的DTD，它定义了X3D的XML标记和这些标记功能实现之间的联系。而DOM为程序和脚本动态的访问和更新XML文档的内容、结构样式提供了和平台、语言无关的接口。 (2)
3、构件思想 X3D体系结构的设计是以构件技术为指导的，这里构件是指功能相关的一个或多个节点类型的一个集合，一个构件扩展内核在某一特定领域的功能。X3D首先将VRML的关键特性封装为一个小型可扩展的内核。然后通过特性集扩展内核，实现复杂的或是应用程序定义的功能。构件思想带来的好处主要有摘要：精巧的内核、扩展能力、减少了对资源的占用。 1.2X3D虚拟现实技术的优势 X3D被定义为可交互操作、可扩展、跨平台的网络三维内容标准。X3D中添加了新的功能组件，推出Java、XML通用平台下的开放原代码工具包，在X3D中需要使用非凡的功能时，可以调用由Java等编写的程序，由于Java平台无关性，这样可在不
4、同的硬件和软件平台上实现浏览，拓宽了信息共享范围。在组件优化的结构下，X3D扩展新的功能将更快捷。X3D的内容是模块化的和可重复使用的，根据可扩展和模块化的结构，浏览器可以只需支持需要的概貌。X3D支持也提供了一种MPEG一4支持的方式。X3D是MPEG一43D渲染的基础。 2基于X3D的植物建模和可视化 基于X3D的虚拟植物建模和可视化。是一种基于x3d虚拟现实技术，植物形态结构几何描述的三维植物结构模拟方法。该方法利用仪器采集植物空问数据，在计算机上三维建模语言编程调用空间数据来实现植物三维模拟和再现，模拟植物在三维空问中的生长发育过程。虚拟植物能够精确地反映现实植物的形态结构，以可视化的
5、方式反映植物的形态结构规律。 2.1虚拟植物建模和可视化开发的基本原理 要建立虚拟植物，首先要建立基本的三维植物结构模型。一个完整的虚拟植物实体对象一般包含叶、茎、花、根等几个主要结构部分以及一些相关的辅助设施，这些基本模型的制作采用现有较成熟的三维设计软件X3DEdit。虚拟植物除了能实现植物的三维可视化外，其另一个重要的功能就是通过script编程、API编程或其它技术能实现虚拟植物专题信息的展示和反馈。甚至实现一定的分析功能.协助农业相关部门进行植物信息收集和反馈。这对植物的探究是极为有利的，为他们提供了极大的方便。因而可以将虚拟植物定义为以下形式摘要： 虚拟植物=三维植物模型+专题信息
6、展示功能+信息反馈功能+分析功能。实现步骤如图2。 2.2基于X3D植物形态结构模型的建立和可视化 2.2.1三维结构建模方法利用X3D创建虚拟植物，生成三维模型的方法大致如下摘要： (1)利用X3D节点直接编写程序。对于植物都具有根、茎、叶三个主要部分，叶子这种复杂的造型可以采用挤压节点一Extrusion来实现。具体语句结构可参考有关文献。但仅仅根据X3D语法构造准确的三维空间模型是很困难的，对于复杂模型的构造和修改就比较不方便。 (2)除了使用节点直接编程之外，还要考虑使用其它辅助建模软件创建模型。由于一些结构和外形的复杂性，直接用X3D建模比较困难，可以利用第三方的造型软件来建模.然后
7、通过相应的接口导出X3D文件，最后编辑X3D源程序的相关部分来实现。通常的做法是，利用AutoCAD建立复杂模型后，假如希望有更好的效果，可以输入到3DMAX中赋予材质、色彩建立光照效果、合成，最后转成X3D文件，插入到虚拟环境中。 2.2.2交互编程方式在建模过程中.X3D中常用的编程方式主要有以下二种摘要： (1)用X3D中的script节点编程。script节点可以帮助X3D完成复杂的交互过程.它有以下4个功能摘要：可感应环境的变化及用户的操作摘要：从其它节点接收事件并进行一些处理;内部的程序块可完成一些计算工作;通过发送事件使外界产生相应的变化。Scrip节点可以像其它的X3D节点一样
8、放置在场景中的任何地方，可以重命名，可以从它那里移走事件，也可以把事件传给它。这是最常用的编程方法，目前用的较多的描述性语言是Javascript和VRMI_script。目前大多X3D浏览器都支持Javascript编程.而支持VRMLSeript编程的浏览器主要是BSContactPlayer。 (2)通过X3D的外部编程接口API进行编程。这种编程方式答应虚拟场景和其它对象沟通，因而可以实现虚拟场景和其它对象的结合，达到令人满足的效果。 3国内外X3D在项目中的应用目前状况、存在的新问题 3.1应用目前状况 X3D技术在国内外已用很多应用成果.如美国海军探究生院fNPS1进行曲基于Web
9、的场景创作及可视化探究和开发的项目SAVAGEProject.就是基于X3D技术进行研发的，并取得了阶段性的成果. LATFICETechnology利用X3D的扩展.LatticeXV1parametric进行医疗方面的应用取得了令人欣喜的成果，还有一些已经投入应用的X3D技术，如Blaxxun3D61和Shout3Dl。他们并不是采用plugins的方式.而只需要Web浏览器支持Java，就可以在用户端自动下载安装。中国在X3D技术方面的发展要落后于西方国家。但是由于X3D有着神奇的效果、精简的代码和灵活的语法结构，探究X3D技术的人越来越多。 3.2存在的新问题 对于基于X3D的虚拟植物
10、的探究可以说现在仍处于初级阶段，存在着许多技术和实践中的新问题。 (1)模型的功能不够强大。多数模型在植物体结构和功能的联系、植物和环境的相互关系、地上部分和地下部分的整体联系以及生理生态和形态结构的耦合等方面欠完善。假如将地上部分和地下部分整体联系起来，可能具有更大的探究意义。其次，植物种类繁多，植物生长机理复杂要想真实地虚拟植物的生长过程还较困难。网此除了对植物生长过程进行大量的观察和测量外还必须探究虚拟植物模型和具体植物的生态生理模型有机结合的新问题。 (2)缺乏多学科知识的融合。植物生长建模探究应该以综合各类信息技术为途径，扩展并强化它在农林业中的广泛应用。目前，虽然已经包括了综合应用
11、遥感(RS)技术、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、网络技术、传感技术、自动控制、人工智能、多媒体等，但结合运用不够，没有为虚拟植物建模探究带来更多新的思路和方法。 4基于X3D的虚拟植物探究前景展望 基于X3D的虚拟植物探究对人类社会的影响才刚刚开始。作为一种新生事物，它的发展前景十分广阔，有许多值得进一步探索的探究课题。 由于植物生长机理和生长过程十分复杂.需要探究如何建立能真实反映植物生长机理的生理生态模型(如光合功能模型及呼吸功能模型等)以及植物生长环境模型如光照、土壤、水肥等模型);在此基础上，为了能够真实有效地模拟农作物的生长过程。还需进一步探究形态发生模型和生理生态
12、模型的有机结合。 以后，根系虚拟探究将成为重点。目前植物根系的模拟是虚拟植物探究中最为薄弱的环节。由于根系是植物和外界环境进行物质和能量交换的重要媒介，要真实模拟水分、肥料等环境因素对植物生长发育的影响引，加强根系的探究尤为必要。可以认为，根系的探究将成为虚拟植物未来的重要探究方向。 参考文献 【1Liuyz37译.X3D规范已经被国际标准化组织ISO审批通过lEB/OE1.http摘要：/.86vr./news/LIST.ASP/id=2961，20XX-lO-13. 【2W3CRe(摘要：ommendation，ExtensibleMarkupLanguage(XML)1.0fSecond
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