基于網(wǎng)頁(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)及其關(guān)鍵技術(shù)

第二章

基于網(wǎng)頁(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)(WebVR)

及其關(guān)鍵技術(shù)主講教師：賈金原助教：楊寒冰

聯(lián)系方式

QQ:605360422email:tongjissevr@同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院圖形圖像研究中心2.1基于網(wǎng)頁(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)（WebVR）簡(jiǎn)介2.2現(xiàn)有WebVR技術(shù)現(xiàn)狀2.3WebVR的關(guān)鍵技術(shù)2.4VRML/X3D技術(shù)簡(jiǎn)介2.5WebVR的輕量化建模技術(shù)2.6WebVR的光影效果增強(qiáng)2.7WebVR的輕量化腳本編程技術(shù)2.8WebVR場(chǎng)景的漸進(jìn)式下載機(jī)制2.9WebVR的前景展望與機(jī)遇提綱2.1WebVR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)－VRML篇VRML是第二代Web語(yǔ)言的基礎(chǔ)以網(wǎng)頁(yè)為中心的模式轉(zhuǎn)換到一個(gè)令人激動(dòng)的三維世界1997年，VRML被ISO和國(guó)際電子工業(yè)協(xié)會(huì)IEC定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱VRML97特點(diǎn)文本格式編碼，文件小，壓縮比高Vrmlscript腳本語(yǔ)言簡(jiǎn)單、易用最直觀的面向?qū)ο缶幊趟枷腴_(kāi)源、良性可持續(xù)發(fā)展、資源豐富開(kāi)發(fā)效率高、周期短、開(kāi)發(fā)成本低2.1WebVR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)－X3D篇X3D(Extensible3DSpecification)基于XML的VRML有機(jī)擴(kuò)展，2003年，ISO又制定了X3D作為新的Web3D國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)基于XML的編碼格式更易于網(wǎng)頁(yè)集成，更易于與下一代WebServices技術(shù)有機(jī)融合基于組件的結(jié)構(gòu)使之具有更好的兼容性與可擴(kuò)展性輕量化的內(nèi)核硬件上，適用于圖形工作站、PC機(jī)、PDA、數(shù)字機(jī)頂盒、手機(jī)等軟件上，美國(guó)著名的海軍研究院（NavyPostgraduateSchool,NPS）擬將X3D技術(shù)應(yīng)用與NPSNET-V中2.2WebVR的若干關(guān)鍵技術(shù)輕量化的虛擬場(chǎng)景建模技術(shù)輕量化的WebVR互動(dòng)程序設(shè)計(jì)技術(shù)輕量化的WebVR引擎大規(guī)模WebVR虛擬場(chǎng)景的快速下載機(jī)制高效的WebVR的體系支撐架構(gòu)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(chǎng)景壓縮比★★★★★★★★★★★★★★★★★★☆★★☆引擎輕量性★★★★★★★★★★★★★★☆★★★★★★★☆可編程性★★★★★★★☆★★★★★★★★☆★★★★☆★★★★2.4WebVR引擎的初步分析對(duì)于小規(guī)模WebVR場(chǎng)景，要求較強(qiáng)的網(wǎng)頁(yè)級(jí)互動(dòng)性，即時(shí)響應(yīng)的瀏覽速度，建議采用免插件安裝的P(aperVision)

3D技術(shù)最合適。對(duì)于中規(guī)模WebVR場(chǎng)景，要求較強(qiáng)的網(wǎng)頁(yè)級(jí)互動(dòng)性，較頻繁的場(chǎng)景更新，較高的文件壓縮比，建議采用VRML/X3D技術(shù)較為合適。對(duì)于大規(guī)模虛擬場(chǎng)景，要求較強(qiáng)的網(wǎng)頁(yè)級(jí)互動(dòng)性，重復(fù)訪問(wèn)頻率低（往往是一次性的訪問(wèn)），對(duì)于文件壓縮比和引擎大小的要求較高，建議采用U3D技術(shù)較為合適。2.4目前VRML應(yīng)用中存在的誤區(qū)過(guò)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(qiáng)人意對(duì)VRML的理解不深入，缺乏面向?qū)ο缶幊趟悸穼?duì)許多的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)缺乏了解與深入認(rèn)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(jī)結(jié)合僅注重單純的瀏覽漫游，缺乏軟件工程體系思想，無(wú)后臺(tái)，無(wú)數(shù)據(jù)庫(kù)，無(wú)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(duì)策以及

開(kāi)發(fā)WebVR的技術(shù)路線WebVR的輕量化建模靜態(tài)虛擬場(chǎng)景的輕量化建模動(dòng)態(tài)虛擬場(chǎng)景的輕量化建模WebVR的輕量化虛擬互動(dòng)程序設(shè)計(jì)盡量減小VRML/X3D的程序代碼量提高VRML/X3D代碼的運(yùn)行效率WebVR的后臺(tái)體系架構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)、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(shù)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(fù)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(gè)因素畫(huà)面表現(xiàn)度重用度交互度2.5WebVR的輕量化建模實(shí)例靜態(tài)輕量化建模的實(shí)例虛擬校園虛擬商城外景前景與背景的和諧融合動(dòng)態(tài)輕量化建模的實(shí)例瀑布河流樹(shù)木與森林例1：瀑布－輕量化的動(dòng)態(tài)建模非輕量化建模－粒子系統(tǒng)傳輸效率較高運(yùn)行效率太低基于位置插播器的建模傳輸效率較高運(yùn)行效率更高效果甚佳虛擬樹(shù)木的輕量化建模方法（一）

－基于幾何的樹(shù)木建模方法制作方法：3Dmax直接生成面數(shù)：9758顯示效果：較好顯示效率：差未經(jīng)壓縮代碼量：1.10M經(jīng)壓縮后代碼量：320KB貼圖容量：9.6KB虛擬樹(shù)木的輕量化建模方法（二）

－基于Billboard的樹(shù)木建模方法制作方法：廣告牌Billboard面數(shù)：1顯示效果：差顯示效率：高未經(jīng)壓縮代碼量：227字節(jié)經(jīng)壓縮后代碼量：176字節(jié)貼圖容量：206KB虛擬樹(shù)木的輕量化建模方法（三）

－基于模型與Billboard的混合方法制作方法：模型+廣告牌相結(jié)合面數(shù)：157顯示效果：動(dòng)態(tài)效果－好顯示效率：高未經(jīng)壓縮代碼量：25.4KB經(jīng)壓縮后代碼量：7.39KB貼圖容量：106KB虛擬樹(shù)木的輕量化建模方法（四）

－基于規(guī)則的樹(shù)木輕量化建模方法制作方法：基于L-System規(guī)則面數(shù)：1個(gè)圓臺(tái)面顯示效果：動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程－極好顯示效率：高未經(jīng)壓縮代碼量：1.6KB經(jīng)壓縮后代碼量：0.69KB貼圖容量：10KB虛擬森林生成系統(tǒng)快速地生成虛擬森林效果比Billboard更加動(dòng)態(tài)逼真樹(shù)木數(shù)量龐大，但渲染速度快文件小，便于網(wǎng)絡(luò)傳輸基于VRML的虛擬森林編輯器WebVR中光影效果的輕量化實(shí)現(xiàn)

－烘焙技術(shù)的應(yīng)用－采用VRay渲染器對(duì)場(chǎng)景物體進(jìn)行光影烘焙用多重紋理貼圖表現(xiàn)光影影視級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)效果表現(xiàn)避免了光源計(jì)算帶來(lái)的顯示復(fù)雜度，加快了實(shí)時(shí)瀏覽速度2.6WebVR的輕量化互動(dòng)腳本程序設(shè)計(jì)基于OOP的UI擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)庫(kù)基于探針的輕量化碰撞檢測(cè)算法WebVR的輕量化虛擬導(dǎo)航算法基于Cohen-Sutherland編碼的飛行物的輕量化交互操縱算法基于VRML的全景漫游功能的實(shí)現(xiàn)VRML中的視頻在線播放系統(tǒng)基于OOP的VRML的UI擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)庫(kù)的開(kāi)發(fā)PROTO擴(kuò)展機(jī)制帶來(lái)良性、自增長(zhǎng)的軟件理念。自主研發(fā)大量的PROTO擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)庫(kù)為WebVR系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了工具集PROTOTYPE作用UIMenu快速生成隨界面尺寸變化的菜單欄UIDialog快速設(shè)置生成完整功能的對(duì)話框button按鈕map2D快速生成二維導(dǎo)航地圖其它……基于H-Anim的VRML角色互動(dòng)設(shè)計(jì)基于探針的輕量化

VRML碰撞檢測(cè)算法（1）前進(jìn)障礙物檢測(cè)基于探針的輕量化

VRML碰撞檢測(cè)算法（2）前進(jìn)地形檢測(cè)：基于探針的輕量化

VRML碰撞檢測(cè)算法（3）高度障礙物檢測(cè)基于探針的輕量化

VRML碰撞檢測(cè)算法（4）前進(jìn)行為條件成立VRML虛擬世界的輕量化導(dǎo)航算法（一）大規(guī)模VRML環(huán)境的瀏覽問(wèn)題面積規(guī)模廣大，布局結(jié)構(gòu)復(fù)雜缺乏有效的導(dǎo)航信息用戶將會(huì)迷失方向在虛擬世界中毫無(wú)意義地徘徊無(wú)法找到預(yù)期的目標(biāo)從而失去繼續(xù)瀏覽、觀看的信心和興趣VRML虛擬世界的輕量化導(dǎo)航算法（二）高效的大規(guī)模VRML世界的虛擬導(dǎo)航算法優(yōu)化的道路導(dǎo)航算法可回溯的盲人爬山算法近似最優(yōu)，精度達(dá)到了95％以上其準(zhǔn)確度也能達(dá)到虛擬漫游的需要隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，精度也隨之增加，并最終收斂至100％用VRMLscript實(shí)現(xiàn)直接與VRML耦合在一起高效并易于實(shí)現(xiàn)沒(méi)有采用JavaEAIVRML中的在線視頻播放技術(shù)虛擬家居裝修與科普影院在虛擬空間中在線觀看科普視頻基于RSTP流媒體協(xié)議傳輸2.7WebVR的體系支撐架構(gòu)過(guò)去的VRML系統(tǒng)無(wú)后臺(tái)無(wú)數(shù)據(jù)庫(kù)而今基于J2EE的后臺(tái)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)基于AJAX的高效通訊模式大規(guī)模WebVR場(chǎng)景的漸進(jìn)下載模式WebVR的體系支撐架構(gòu)

－Web通訊模式的新應(yīng)用（1）傳統(tǒng)Web應(yīng)用的通訊模式請(qǐng)求－等待－響應(yīng)－再請(qǐng)求的循環(huán)用戶體驗(yàn)是割裂的BrowserUserinterfaceWebServerJSP/ASP/…DB/FileSystemResponseRequestClientServerTimeUseractivityServerprocessingDataDataDataDataWebVR的體系支撐架構(gòu)

－Web通訊模式的新應(yīng)用（2）Ajax異步通訊模式無(wú)需忙等待采用局部刷新連貫的用戶體驗(yàn)BrowserUserinterfaceServerWeb/XML…DB/FileSystemResponseRequestClientServerTimeUseractivityServerprocessingAjaxengineJavaScriptcallDOM/CSSAjaxProcessDataDataDataDataDataInputInputInputDisplayDisplayDisplayVRML與Ajax的結(jié)合（1）結(jié)合的方式以XML為載體通過(guò)Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)VRML虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)的按需動(dòng)態(tài)請(qǐng)求與下載結(jié)合的意義減輕服務(wù)器傳輸大規(guī)模場(chǎng)景數(shù)據(jù)的負(fù)載與帶寬消耗避免客戶端一次性渲