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1、第第 二二 章章 基于网页的虚拟现实基于网页的虚拟现实(WebVR)及其关键技术及其关键技术助助 教：杨寒冰教：杨寒冰 联系方式：联系方式： 13816142387, 13816142387, QQ: 605360422QQ: 605360422 email email: : 2.1 基于网基于网页的虚的虚拟现实（WebVR）简介介2.2 现有有WebVR技技术现状状2.3 WebVR的关的关键技技术2.4 VRML/X3D技技术简介介2.5 WebVR的的轻量化建模技量化建模技术2.6 WebVR的光影效果增的光影效果增强2.7 WebVR的的轻量化脚本量化脚本编程技程技术2.8 WebVR
2、场景的景的渐进式下式下载机制机制2.9 WebVR的前景展望与机遇的前景展望与机遇提提 纲2.1 2.1 WebVR系统开发系统开发VRMLVRML篇篇VRML是第二代是第二代Web语言的基言的基础以网以网页为中心的模式中心的模式转换到一个令人激到一个令人激动的三的三维世界世界1997年，年，VRML被被ISO和国和国际电子工子工业协会会IEC定定为国国际标准，准，简称称VRML97特点特点文本格式文本格式编码，文件小，文件小，压缩比高比高Vrmlscript脚本脚本语言言简单、易用、易用最直最直观的面向的面向对象象编程思想程思想开源、良性可持开源、良性可持续发展、展、资源丰富源丰富开开发效率
3、高、周期短、开效率高、周期短、开发成本低成本低2.1 WebVR系统开发系统开发X3D篇篇X3D (Extensible 3D Specification)基于基于XML的的VRML有机有机扩展，展，2003年，年，ISO又制定了又制定了X3D作作为新的新的Web3D国国际标准准特点特点基于基于XML的的编码格式格式更易于网更易于网页集成，更易于与下一代集成，更易于与下一代Web Services技技术有机融合有机融合基于基于组件的件的结构构使之具有更好的兼容性与可使之具有更好的兼容性与可扩展性展性轻量化的内核量化的内核硬件上，适用于硬件上，适用于图形工作站、形工作站、PC机、机、PDA、数字
4、机、数字机顶盒、手机等盒、手机等软件上，美国著名的海件上，美国著名的海军研究院（研究院（Navy Postgraduate School, NPS）拟将将X3D技技术应用与用与NPSNET-V中中2.2 WebVR的若干关键技术的若干关键技术轻量化的虚量化的虚拟场景建模技景建模技术轻量化量化的的WebVR互互动程序程序设计技技术轻量化的量化的WebVR引擎引擎大大规模模WebVR虚虚拟场景的快速下景的快速下载机制机制高效的高效的WebVR的体系支撑架构的体系支撑架构面向面向WebVR的的软件工程件工程方法方法2.3 2.3 目前主流目前主流WebVR浏览器浏览器(引擎引擎)的比较：的比较：VR
5、MLVRPPV3DUnity3DQuest3DVirtools效果效果性能性能可交互性可交互性场景压缩比场景压缩比引擎轻量性引擎轻量性可编程性可编程性2.4 WebVR引擎的初步分析引擎的初步分析对于于小小规模模WebVR场景，要求景，要求较强的网的网页级互互动性性，即即时响响应的的浏览速度速度，建，建议采用免插件安装的采用免插件安装的P(aperVision) 3D技技术最合适。最合适。对于于中中规模模WebVR场景，要求景，要求较强的网的网页级互互动性性，较频繁的繁的场景更新景更新，较高的文件高的文件压缩比比，建，建议采用采用VRML/X3D技技术较为合适。合适。对于于大大规模虚模虚拟场景
6、，要求景，要求较强的网的网页级互互动性性，重，重复复访问频率低（往往是率低（往往是一次性的一次性的访问），），对于于文件文件压缩比和引擎大小比和引擎大小的要求的要求较高，建高，建议采用采用U3D技技术较为合合适。适。2.4 2.4 目前目前VRML应用中存在的误应用中存在的误区区过分依分依赖压缩比，不考比，不考虑模型的数据量与制作方法的模型的数据量与制作方法的联系系轻量化模型制作的重要性量化模型制作的重要性光影效果表光影效果表现差差强人意人意对VRML的理解不深入，缺乏面向的理解不深入，缺乏面向对象象编程思路程思路对许多的多的扩展展节点缺乏了解与深入点缺乏了解与深入认研究研究VRML效率低，缺
7、乏面向效率低，缺乏面向VRML的高效的高效图形算法形算法表表现手法手法单一，缺少与多媒体的有机一，缺少与多媒体的有机结合合仅注重注重单纯的的浏览漫游，缺乏漫游，缺乏软件工程体系思想，无后台，件工程体系思想，无后台，无数据无数据库，无通，无通讯漫游模式漫游模式单调，几乎完全依，几乎完全依赖浏览器所提供的几种漫游模器所提供的几种漫游模式式我们的对策以及我们的对策以及 开发开发WebVR的技术的技术路线路线WebVR的的轻量化建模量化建模静静态虚虚拟场景的景的轻量化建模量化建模动态虚虚拟场景的景的轻量化建模量化建模WebVR的的轻量化虚量化虚拟互互动程序程序设计尽量减小尽量减小VRML/X3D的程序
8、代的程序代码量量提高提高VRML/X3D代代码的运行效率的运行效率WebVR的后台体系架构的后台体系架构数据数据库、J2EE、Ajax、SOA等的集成等的集成面向面向WebVR的的软件工程件工程参照游参照游戏与与GIS的的软件工程思想与模式件工程思想与模式2.5 WebVR的轻量化建模技术的轻量化建模技术原原则尽可能地减少模型的三角网格面片数量尽可能地减少模型的三角网格面片数量尽可能地尽可能地缩小小贴图的尺寸的尺寸大小大小尽可能地重复使用尽可能地重复使用纹理理材材质贴图单体模型的重用体模型的重用尽量保尽量保证几何精度与光影效果几何精度与光影效果影响建模精度的几个因素影响建模精度的几个因素画面表
9、画面表现度度重用度重用度交互度交互度2.5 WebVR的轻量化建模实例的轻量化建模实例静静态轻量化建模的量化建模的实例例虚虚拟校园校园虚虚拟商城外景商城外景前景与背景的和前景与背景的和谐融合融合动态轻量化建模的量化建模的实例例瀑布瀑布河流河流树木与森林木与森林例例1 1：瀑布轻量化的动态建模瀑布轻量化的动态建模非非轻量化建模粒子系量化建模粒子系统传输效率效率较高高运行效率太低运行效率太低基于位置插播器的建模基于位置插播器的建模传输效率效率较高高运行效率更高运行效率更高效果甚佳效果甚佳虚拟树木的轻量化建模方法虚拟树木的轻量化建模方法（一）（一） 基于几何的树木建模方法基于几何的树木建模方法制作方
10、法：制作方法：3Dmax直接生成直接生成面数：面数：9758显示效果：示效果：较好好显示效率：差示效率：差未未经压缩代代码量：量：1.10M经压缩后代后代码量：量：320KB贴图容量：容量：9.6KB虚拟树木的轻量化建模方法（二）虚拟树木的轻量化建模方法（二） 基于基于BillboardBillboard的树木建模的树木建模方法方法制作方法：广告牌制作方法：广告牌Billboard面数：面数：1显示效果：差示效果：差显示效率：高示效率：高未未经压缩代代码量：量：227字字节经压缩后代后代码量：量：176字字节贴图容量：容量：206KB虚虚拟树木的木的轻量化建模方法量化建模方法（三）（三） 基于
11、模型与基于模型与Billboard的混合方法的混合方法制作方法：模型制作方法：模型+广告牌相广告牌相结合合面数：面数：157显示效果：示效果：动态效果效果好好显示效率：高示效率：高未未经压缩代代码量：量：25.4KB经压缩后代后代码量：量：7.39KB贴图容量：容量：106KB虚拟树木的轻量化建模方虚拟树木的轻量化建模方法（四）法（四） 基于规则的树木轻量化建模方法基于规则的树木轻量化建模方法制作方法：基于制作方法：基于L-System规则规则面数：面数：1个圆台面个圆台面显示效果：动态生长过程显示效果：动态生长过程极好极好显示效率：高显示效率：高未经压缩代码量：未经压缩代码量：1.6KB经压
12、缩后代码量：经压缩后代码量：0.69KB贴图容量：贴图容量：10KB虚虚拟森林生成系森林生成系统快速地生成虚快速地生成虚拟森林森林效果比效果比Billboard更加更加动态逼真逼真树木数量木数量庞大，但渲染速度快大，但渲染速度快文件小，便于网文件小，便于网络传输基于基于VRML的虚的虚拟森林森林编辑器器WebVR中光影效果的中光影效果的轻量化量化实现 烘焙技烘焙技术的的应用用采用采用VRay渲染器渲染器对场景物体景物体进行光影烘焙行光影烘焙用多重用多重纹理理贴图表表现光影光影影影视级虚虚拟现实效果表效果表现避免了光源避免了光源计算算带来的来的显示复示复杂度，加快了度，加快了实时浏览速度速度2.
13、6 2.6 WebVR的轻量化互动脚本程序设计的轻量化互动脚本程序设计基于基于OOP的的UI扩展展节点点库基于探基于探针的的轻量化碰撞量化碰撞检测算法算法WebVR的的轻量化虚量化虚拟导航算法航算法基于基于Cohen-Sutherland编码的的飞行物的行物的轻量化交互操量化交互操纵算法算法基于基于VRML的全景漫游功能的的全景漫游功能的实现VRML中的中的视频在在线播放系播放系统基于基于OOP的的VRML的的UI扩展展节点点库的开的开发PROTO扩展机制展机制带来良性、自增来良性、自增长的的软件理念。件理念。自主研自主研发大量的大量的PROTO扩展展节点点库为WebVR系系统的开的开发提供了
14、工具集提供了工具集PROTOTYPE 作用作用UIMenu快速生成随界面尺寸变化的菜单栏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快速设置生成完整功能的对话框button按钮按钮map2D快速生成二维导航地图快速生成二维导航地图其它其它基于基于H-Anim的的VRML角色互角色互动设计基于探基于探针的的轻量化量化 VRML碰撞碰撞检测算法算法（1）前前进障碍物障碍物检测基于探基于探针的的轻量化量化 VRML碰撞碰撞检测算法算法（2）前前进地形地形检测：基于探基于探针的的轻量化量化 VRML碰撞碰撞检测算法算法（3）高度障碍物高度障碍物检测基于探基于探针的的轻量化
15、量化 VRML碰撞碰撞检测算法算法（4）前前进行行为条件成立条件成立VRML虚虚拟世界的世界的轻量化量化导航算法（一）航算法（一）大大规模模VRML环境的境的浏览问题面面积规模广大，布局模广大，布局结构复构复杂缺乏有效的缺乏有效的导航信息航信息用用户将会迷失方向将会迷失方向在虚在虚拟世界中毫无意世界中毫无意义地徘徊地徘徊无法找到无法找到预期的目期的目标从而失去从而失去继续浏览、观看的信心和看的信心和兴趣趣VRML虚虚拟世界的世界的轻量化量化导航算法（二）航算法（二）高效的大高效的大规模模VRML世界的虚世界的虚拟导航算法航算法优化的道路化的道路导航算法航算法可回溯的盲人爬山算法可回溯的盲人爬山
16、算法近似最近似最优，精度达到了，精度达到了95以上以上其准确度也能达到虚其准确度也能达到虚拟漫游的需要漫游的需要随着随着节点数的增加，精度也随之增加，并最点数的增加，精度也随之增加，并最终收收敛至至100用用VRMLscript实现直接与直接与VRML耦合在一起耦合在一起高效并易于高效并易于实现没有采用没有采用Java EAIVRML中的在中的在线视频播放技播放技术虚虚拟家居装修与科普影院家居装修与科普影院在虚在虚拟空空间中在中在线观看科普看科普视频基于基于RSTP流媒体流媒体协议传输2.7 2.7 WebVR的体系支撑架构的体系支撑架构过去的去的VRML系系统无后台无后台无数据无数据库而今而
17、今基于基于J2EE的后台管理系的后台管理系统数据数据库基于基于AJAX的高效通的高效通讯模式模式大大规模模WebVR场景的景的渐进下下载模式模式WebVR的体系支撑架构的体系支撑架构 Web通通讯模式的新模式的新应用（用（1）传统Web应用的通用的通讯模式模式请求等待响求等待响应再再请求的循求的循环用用户体体验是割裂的是割裂的BrowserUser interfaceWeb ServerJSP / ASP / DB/File SystemResponseRequestClientServerTimeUser activityServer processingDataDataDataDataWe
18、bVR的体系支撑架构的体系支撑架构 Web通通讯模式的新模式的新应用（用（2）Ajax异步通异步通讯模式模式无需忙等待无需忙等待采用局部刷新采用局部刷新连贯的用的用户体体验BrowserUser interfaceServerWeb / XML DB/File SystemResponseRequestClientServerTimeUser activityServer processingAjax engineJavaScript callDOM / CSSAjax ProcessDataDataDataDataDataInputInputInputDisplayDisplayDispla
19、yVRML与与Ajax的的结合（合（1）结合的方式合的方式以以XML为载体体通通过Ajax技技术实现VRML虚虚拟场景数据的按需景数据的按需动态请求与求与下下载结合的意合的意义减减轻服服务器器传输大大规模模场景数据的景数据的负载与与带宽消耗消耗避免客避免客户端一次性渲染大端一次性渲染大规模模场景而景而导致漫游速度致漫游速度缓慢慢通通过把复把复杂算法嫁接到服算法嫁接到服务器端，器端，实现灵活的人机交互灵活的人机交互应用用VRML与与Ajax的结合（的结合（2 2）VRML 与与Ajax交互模式示意交互模式示意图VRML场景景Script节点点Ajax引擎引擎事件触事件触发事件响事件响应后台后台请
20、求数据求数据返回数据返回数据J2EEJ2EE与与AjaxAjax的结合（的结合（2 2）J2EE与与Ajax交互模式示意交互模式示意图J2EEJ2EE服服务器器组件件客服端客服端浏览器器Ajax引擎引擎Connection PoolJavaBeansJSP / Servlet发送送请求求返回返回结果果2.8 2.8 大规模大规模WebVRWebVR的网上渐进式下载机制的网上渐进式下载机制基于基于AOI（Area of Interests）的思想的思想渐进式式AOI的的VRML下下载策略策略与多与多线程下程下载策略相策略相结合合正在进行中的研发工作正在进行中的研发工作 (1)(1)光影效果方面光
21、影效果方面程序化（程序化（Shader）着色器在）着色器在VRML上的上的应用用体系支撑架构方面体系支撑架构方面采用采用DWR（Direct Web Remoting，WEB远程程调用）框架用）框架客客户端无需再端无需再处理理XMLHttpRequest对象以及服象以及服务器的响器的响应后台无需后台无需编写写Servlet把把请求求转化化为对JavaBeans的的调用用更更为灵活的多人在灵活的多人在线交互模式交互模式更更为高效的多路高效的多路组播通播通讯技技术正在进行中的研发工作正在进行中的研发工作 (2)(2)WebVR场景的景的轻量化方面量化方面虚虚拟场景的参数化存景的参数化存储与生成与生
22、成基于函数的基于函数的VRML/X3D的的扩展展节点点库面向面向WebVR的的软件工程件工程WebVR的的项目开目开发模式有很多独特性模式有很多独特性需求分析需求分析成本估算成本估算项目管理目管理团队组建建文档管理文档管理正在进行中的研究课题（正在进行中的研究课题（1 1）WebVR的的轻量化建模量化建模研究目研究目标高效、通用、低成本的高效、通用、低成本的轻量化建模量化建模基于基于图像的像的轻量化量化3D模型重建模型重建除了除了传统的网格面片精的网格面片精简技技术之外之外如何提取最小尺寸的可重用如何提取最小尺寸的可重用纹理理贴图基于多基于多张图像的像的树木植物木植物L-System重建重建与
23、与Autodesk中国研究院合作中国研究院合作基于多基于多张图片的片的树木植物的参数化建模木植物的参数化建模中科院自中科院自动化所与法国化所与法国INRIA合作合作基于基于AMAP的的树木植物的木植物的轻量化建模量化建模正在进行中的研究课题（正在进行中的研究课题（2 2）扫描性描性3D模型的精模型的精简基于数字几何特征的模型精基于数字几何特征的模型精简轻量化的量化的WebVR模型数据模型数据库构建本地构建本地3D模型模型库基于文本、草基于文本、草图与与图像的像的综合智能搜索合智能搜索网上网上3D模型模型资源的智能挖掘源的智能挖掘基于基于视频的的轻量化的量化的WebVR行行为数据数据库虚虚拟行行
24、为仿真仿真计算算虚虚拟情感分析与情感分析与计算算正在进行中的研究课题（正在进行中的研究课题（3 3）开开发轻量化的量化的WebVR引擎引擎（超）大（超）大规模的虚模的虚拟场景的网上景的网上实时漫游漫游高效的高效的WebVR物理引擎物理引擎大大规模虚模虚拟群体的行群体的行为仿真（含仿真（含实时碰撞算法）碰撞算法）更高端的更高端的WebVR的体系支撑架构的体系支撑架构SOA，Oracle Spatial等等对这些海量的空些海量的空间数据数据进行更行更为有效的有效的调度与管理度与管理 （超）大（超）大规模模WebVR场景的网上流式景的网上流式渐进下下载机制机制基于基于EAOI (Extended A
25、OI)P2P网格网格计算算/普适普适计算在算在WebVR上的上的 应用用实验室所承担的实验室所承担的WebVRWebVR课题课题中国数字科技中国数字科技馆体体验馆二二级子子课题网上虚网上虚拟车展系展系统国国际合作合作项目目法国法国农业研究中心，研究中心，INRIA数字植物数字植物实验室室崇明崇明岛生生态环境虚境虚拟仿真系仿真系统上海市重点科技攻关基金上海市重点科技攻关基金项目目网上大网上大规模虚模虚拟展示的若干关展示的若干关键技技术的研究的研究两个虚两个虚拟旅游旅游项目目湛江虚湛江虚拟旅游与珠海虚旅游与珠海虚拟旅游系旅游系统.2.9 WebVR2.9 WebVR的辉煌前景与潜在机的辉煌前景与潜
26、在机遇！遇！WebVR掀起了一掀起了一场互互联网行网行业的革命浪潮的革命浪潮由由2D到到3D由静由静态到到动态有数字到虚有数字到虚拟已已经悄然成悄然成为一个一个产业！虚虚拟城市城市规划演示划演示 虚虚拟家居漫游系家居漫游系统虚虚拟文物文物遗产（文化（文化遗产的数字化保的数字化保护）虚虚拟城市城市虚虚拟实验教学教学虚虚拟博物博物馆/虚虚拟科技科技馆 WebVR平台架构和开发流程平台架构和开发流程素材l场景图场景图l资源包资源包l脚本脚本游戏游戏集成化编辑器集成化编辑器混合式引擎核心混合式引擎核心 素材素材素材WebWeb游戏游戏3D3D模型素模型素材库材库轻量化模型轻量化模型纹理纹理Lightm
27、apLightmap材质材质命令脚本命令脚本音频音频视频视频动画动画ShaderShader脚本脚本.游戏开发流程游戏开发流程游戏程序运行时，按游戏程序运行时，按AOIAOI划分渐进式地从划分渐进式地从周围的服务器周围的服务器（P2PP2P）上进行流式）上进行流式下载下载图片图片图片图片以图片作为输以图片作为输入在素材库中入在素材库中搜索合适模型搜索合适模型轻量化建模轻量化建模基于图像的模型搜索基于图像的模型搜索基于基于重用重用机制机制的轻的轻量化量化建模建模基于规则的建模基于规则的建模轻轻量量化化3D3D模模型型基于图像的基于图像的3D3D模型重建模型重建注册注册挖掘挖掘搜索搜索 分类分类增加增加删除删除修改修改.基于草图的建模基于草图的建模一些粗浅的科研人生的思考一些粗浅的科研人生的思考 互动与探互动与探讨讨研究方向的研究方向的选择与确立与确立执着着强烈的烈的创新意新意识超越大胆的开拓意超越大胆的开拓意识研究研究态度度认真求真求实，脚踏，脚踏实地，切忌急功近利。地，切忌急功近利。以解决以解决问题为目的，而不是以目的，而不是以发表表论文文为目的。目的。要要谦卑，要和卑，要和谐，不迷信，不迷信权威威研究精神研究精神低低调做事做事厚厚积薄薄发锲而不舍，感而不舍，感谢失失败，充，充满信心，充信心，充满盼望！盼望！
