基于网的虚拟现实及其关键技术

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

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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2.3WebVR的关键技术2.4VRML/X3D技术简介2.5WebVR的轻量化建模技术2.6WebVR的光影效果增强2.7WebVR的轻量化脚本编程技术2.8WebVR场景的渐进式下载机制2.9WebVR的前景展望与机遇提纲2.1WebVR系统开发－VRML篇VRML是第二代Web语言的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2.1WebVR系统开发－X3D篇X3D(Extensible3DSpecification)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WebServices技术有机融合基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（NavyPostgraduateSchool,NPS）拟将X3D技术应用与NPSNET-V中2.2WebVR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★★★☆★★★★★★★★★★☆★★★★★★★★可交互性★★★★★★★★★★★★★★★★☆★★★★★★★★☆场景压缩比★★★★★★★★★★★★★★★★★★☆★★☆引擎轻量性★★★★★★★★★★★★★★☆★★★★★★★☆可编程性★★★★★★★☆★★★★★★★★☆★★★★☆★★★★2.4WebVR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、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2.5WebVR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2.5WebVR的轻量化建建模实例静态轻量化化建模的实实例虚拟校园虚拟商城外外景前景与背景景的和谐融融合动态轻量化化建模的实实例瀑布河流树木与森林林例1：瀑布－轻量量化的动态态建模非轻量化建建模－粒子子系统传输效率较较高运行效率太太低基于位置插插播器的建建模传输效率较较高运行效率更更高效果甚佳虚拟树木的的轻量化建建模方法（一）－基于几何何的树木建建模方法制作方法：：3Dmax直接生成面数：9758显示效果：：较好显示效率：：差未经压缩代代码量：1.10M经压缩后代代码量：320KB贴图容量：：9.6KB虚拟树木的的轻量化建建模方法（（二）－基于Billboard的树木建模模方法制作方法：：广告牌Billboard面数：1显示效果：：差显示效率：：高未经压缩代代码量：227字节经压缩后代代码量：176字节贴图容量：：206KB虚拟树木的的轻量化建建模方法（三）－基于模型型与Billboard的混合方法法制作方法：：模型+广告牌相结结合面数：157显示效果：：动态效果果－好显示效率：：高未经压缩代代码量：25.4KB经压缩后代代码量：7.39KB贴图容量：：106KB虚拟树木的的轻量化建建模方法（四）－基于规则则的树木轻轻量化建模模方法制作方法：：基于L-System规则面数：1个圆台面显示效果：：动态生长长过程－极好显示效率：：高未经压缩代代码量：1.6KB经压缩后代代码量：0.69KB贴图容量：：10KB虚拟森林生生成系统快速地生成成虚拟森林林效果比Billboard更加动态逼逼真树木数量庞庞大，但渲渲染速度快快文件小，便便于网络传传输基于VRML的虚拟森林林编辑器WebVR中光影效果果的轻量化化实现－烘焙技术的的应用－采用VRay渲染器对场场景物体进进行光影烘烘焙用多重纹理理贴图表现现光影影视级虚拟拟现实效果果表现避免了光源源计算带来来的显示复复杂度，加加快了实时时浏览速度度2.6WebVR的轻量化互互动脚本程程序设计基于OOP的UI扩展节点库库基于探针的的轻量化碰碰撞检测算算法WebVR的轻量化虚虚拟导航算算法基于Cohen-Sutherland编码的飞行行物的轻量量化交互操操纵算法基于VRML的全景漫游游功能的实实现VRML中的视频在在线播放系系统基于OOP的VRML的UI扩展节点库库的开发PROTO扩展机制带带来良性、、自增长的的软件理念念。自主研发大大量的PROTO扩展节点库库为WebVR系统的开发发提供了工工具集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其它……基于H-Anim的VRML角色互动设设计基于探针的的轻量化VRML碰撞检测算算法（1）前进障碍物物检测基于探针的的轻量化VRML碰撞检测算算法（2）前进地形检检测：基于探针的的轻量化VRML碰撞检测算算法（3）高度障碍物物检测基于探针的的轻量化VRML碰撞检测算算法（4）前进行为条条件成立VRML虚拟世界的的轻量化导导航算法（（一）大规模VRML环境的浏览览问题面积规模广广大，布局局结构复杂杂缺乏有效的的导航信息息用户将会迷迷失方向在虚拟世界界中毫无意意义地徘徊徊无法找到预预期的目标标从而失去继继续浏览、、观看的信信心和兴趣趣VRML虚拟世界的的轻量化导导航算法（（二）高效的大规规模VRML世界的虚拟拟导航算法法优化的道路路导航算法法可回溯的盲盲人爬山算算法近似最优，，精度达到到了95％以上其准确度也也能达到虚虚拟漫游的的需要随着节点数数的增加，，精度也随随之增加，，并最终收收敛至100％用VRMLscript实现直接与VRML耦合在一起起高效并易于于实现没有采用JavaEAIVRML中的在线视视频播放技技术虚拟家居装装修与科普普影院在虚拟空间间中在线观观看科普视视频基于RSTP流媒体协议议传输2.7WebVR的体系支撑撑架构过去的VRML系统无后台无数据库而今基于J2EE的后台管理理系统数据库基于AJAX的高效通讯讯模式大规模WebVR场景的渐进进下载模式式WebVR的体系支撑撑架构－Web通讯模式的的新应用（（1）传统Web应用的通讯讯模式请求－等待待－响应－－再请求的的循环用户体验是是割裂的BrowserUserinterfaceWebServerJSP/ASP/…DB/FileSystemResponseRequestClientServerTimeUseractivityServerprocessingDataDataDataDataWebVR的体系支撑撑架构－Web通讯模式的的新应用（（2）Ajax异步通讯模模式无需忙等待待采用局部刷刷新连贯的用户户体验BrowserUserinterfaceServerWeb/XML…DB/FileSystemResponseRequestClientServerTimeUseractivityServerprocessingAjaxengineJavaScriptcallDOM/CSSAjaxProcessDataDataDataDataDataInputInputInputDisplayDisplayDisplayVRML与Ajax的结合（1）结合的方式式以XML为载体通过Ajax技术实现VRML虚拟场景数数据的按需需动态请求求与下载结合的意义义减轻服务器器传输大规规模场景数数据的负载载与带宽消消耗避免客户端端一次性渲渲染大规模模场景而导导致漫游速速度缓慢通过把复杂杂算法嫁接接到服务器器端，实现现灵活的人人机交互应应用VRML与Ajax的结合（2）VRML与Ajax交互模式示示意图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交互模式示示意图J2EE服务器组件客服端浏览器Ajax引擎ConnectionPoolJavaBeansJSP/Servlet发送请求返回结果2.8大规模WebVR的网上渐进进式下载机机制基于AOI（AreaofInterests）的思想渐进式AOI的VRML下载策略与多线程下下载策略相相结合正在进行中中的研发工工作(1)光影效果方方面程序化（Shader）着色器在在VRML上的应用体系支撑架架构方面采用DWR（DirectWebRemoting，WEB远程调用））框架客户端无需需再处理XMLHttpRequest对象以及服服务器的响响应后台无需编编写Servlet把请求转化化为对JavaBeans的调用更为灵活的的多人在线线交互模式式更为高效的的多路组播播通讯技术术正在进行中中的研发工工作(2)WebVR场景的轻量量化方面虚拟场景的的参数化存存储与生成成基于函数的的VRML/X3D的扩展节点点库面向WebVR的软件工程程WebVR的项目开发发模式有很很多独特性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中的研究课课题（1）WebVR的轻量化建建模研究目标高效、通用用、低成本本的轻量化化建模基于图像的的轻量化3D模型重建除了传统的的网格面片片精简技术术之外如何提取最最小尺寸的的可重用纹纹理贴图基于多张图图像的树木木植物L-System重建与Autodesk中国研究院院合作基于多张图图片的树木木植物的参参数化建模模中科院自动动化所与法法国INRIA合作基于AMAP的树木植物物的轻量化化建模正在进行中中的研究课课题（2）扫描性3D模型的精简简基于数字几几何特征的的模型精简简轻量化的WebVR模型数据库库构建本地3D模型库基于文本、、草图与图图像的综合合智能搜索索网上3D模型资源的的智能挖掘掘基于视频的的轻量化的的WebVR行为数据库库虚拟行为仿仿真计算虚拟情感分分析与计算算正在进行中中的研究课课题（3）开发轻量化化的WebVR引擎（超）大规规模的虚拟拟场景的网网上实时漫漫游高效的WebVR物理引擎大规模虚拟拟群体的行行为仿真（（含实时碰碰撞算法））更高端的WebVR的体系支撑撑架构SOA，OracleSpatial等对这些海量量的空间数数据进行更更为有效的的调度与管管理（超）大规规模WebVR场景的网上上流式渐进进下载机制制基于EAOI(ExtendedAOI)P2P网格计算/普适计算在在WebVR上的应用用实验室所承承担的WebVR课题中国数字科科技馆－体体验馆二级级子课题网上虚拟车车展系统国际合作项项目法国农业研研究中心，，INRIA数字植物实实验室崇明岛生态态环境虚拟拟仿真系统统上海市重点点科技攻关关基金项目目网上大规模模虚拟展示示的若干关关键技术的的研究两个虚拟旅旅游项目湛江虚拟旅旅游与珠海海虚拟旅游游系统…………………………………………….2.9WebVR的辉煌前景景与潜在机机遇！WebVR掀起了一场场互联网行行业的革命命