Web3D技術(shù)及其在土木工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用★

蔣汶宏 汪健人 張 馳

(南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇泰州 225300)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和IT技術(shù)的不斷發(fā)展，三維模型和三維動(dòng)畫被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代教育中，三維動(dòng)畫能夠直觀具體地展示教學(xué)內(nèi)容，易于學(xué)習(xí)者理解和接受。然而，對(duì)于傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫，學(xué)習(xí)者只能被動(dòng)地瀏覽，而不能對(duì)其進(jìn)行交互操作，無(wú)法按照自己的意愿和特點(diǎn)進(jìn)行主動(dòng)的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者只能被動(dòng)地接受知識(shí)，因而大大降低了教學(xué)效果。

Web3D技術(shù)是一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，采用Web3D技術(shù)建立的三維模型能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)用戶的操作，進(jìn)行縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等，360°全方位地展示三維模型，不僅如此，還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的人機(jī)交互。Web3D技術(shù)與傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫技術(shù)相比，具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，因此，將Web3D技術(shù)應(yīng)用于土木工程專業(yè)的教學(xué)中，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)三維模型，有助于解決教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，從而提高教學(xué)效果和學(xué)生的自學(xué)能力。

1 Web3D技術(shù)概述

Web3D技術(shù)又稱為網(wǎng)絡(luò)三維技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)，用戶可以在網(wǎng)上瀏覽三維模型，并對(duì)其進(jìn)行交互操作。Web3D技術(shù)最早可以追溯到VRML，VRML(Virtual Reality Modeling Language)即虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言，出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代初期;1998年，VRML組織更名為Web3D組織。

Web3D技術(shù)與傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫技術(shù)的主要區(qū)別在于:1)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖悄Ｐ臀募?，其傳輸量遠(yuǎn)小于視頻圖像;2)由渲染引擎對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染并動(dòng)態(tài)顯示;3)具有無(wú)限的交互性。Web3D的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要分為三部分，即建模技術(shù)、顯示技術(shù)和三維場(chǎng)景中的交互技術(shù)［1］。三維模型的實(shí)時(shí)建模與動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)是Web3D技術(shù)的基礎(chǔ)，該技術(shù)可以分為兩類:1)基于幾何模型的實(shí)時(shí)建模與動(dòng)態(tài)顯示;2)基于圖像的實(shí)時(shí)建模與動(dòng)態(tài)顯示。交互技術(shù)是Web3D技術(shù)的關(guān)鍵，Web3D軟件能夠直接實(shí)現(xiàn)常用的交互功能，復(fù)雜的交互功能則可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。

2 常用的Web3D技術(shù)

2.1 Cult3D

Cult3D是一種基于Java內(nèi)核的Web3D技術(shù)，由瑞典的Cycore公司開發(fā)，用戶可以將第三方開發(fā)的Java類嵌入其中，極大地增強(qiáng)了Cult3D的交互性和擴(kuò)展性。為了提高開發(fā)效率，Cult3D的操作簡(jiǎn)單直觀，開發(fā)環(huán)境十分人性化和條理化。

Cult3D包括 Cult3D Exporter Plug-in，Cult3D Designer和Cult3D Viewer Plug-in三個(gè)程序模塊。Cult3D Exporter Plug-in用于將3DS MAX，MAYA等三維設(shè)計(jì)軟件制作的三維模型轉(zhuǎn)換為Cult3D Designer支持的格式。Cult3D Designer用于為模型加入交互功能，如縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等，導(dǎo)出后嵌入到網(wǎng)頁(yè)或其他應(yīng)用程序當(dāng)中。Cult3D Viewer Plug-in是顯示插件，安裝該插件后，用戶即可在網(wǎng)上瀏覽采用Cult3D技術(shù)制作的三維模型，并進(jìn)行實(shí)時(shí)交互操作。

2.2 Viewpoint

Viewpoint是一種基于XML構(gòu)架的Web3D技術(shù)，由美國(guó)的Viewpoint公司開發(fā)，它能夠十分方便地與數(shù)據(jù)庫(kù)和瀏覽器進(jìn)行通信，因此得到了廣泛的應(yīng)用。用戶僅需安裝一個(gè)免費(fèi)的插件，即可在網(wǎng)上瀏覽采用Viewpoint技術(shù)制作的三維模型，并進(jìn)行實(shí)時(shí)交互操作。與Cult3D技術(shù)不同的是，Viewpoint自己制作三維模型，而不是導(dǎo)入其他軟件制作的三維模型。

Viewpoint模型的三維多邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有可伸縮性和流傳輸性?？缮炜s性即采用Viewpoint技術(shù)開發(fā)的Web3D模型能夠自動(dòng)地依據(jù)用戶電腦的性能和網(wǎng)絡(luò)速度調(diào)整模型的精度及相關(guān)技術(shù)參數(shù)，以確保用戶獲得最佳的體驗(yàn);得益于這種特性，一個(gè)高精度的Web3D模型就能夠滿足用戶對(duì)不同精度的需求，同時(shí)還可以大大減少設(shè)計(jì)者的開發(fā)工作量。流傳輸性允許用戶在下載模型數(shù)據(jù)的同時(shí)瀏覽Web3D模型，并與之交互。基于這兩種優(yōu)越的特性，Viewpoint技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

2.3 Java3D

Java3D是Java語(yǔ)言在三維圖形領(lǐng)域的應(yīng)用編程接口(API)，由美國(guó)的SUN公司(2010年被Oracle公司收購(gòu))推出，利用Java3D提供的API，可以快速開發(fā)基于網(wǎng)頁(yè)的三維動(dòng)畫、各種計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件和三維游戲等。采用Java3D開發(fā)Web3D程序時(shí)，開發(fā)者僅需調(diào)用這些API進(jìn)行編程，而客戶端只需要安裝標(biāo)準(zhǔn)的Java虛擬機(jī)即可瀏覽，而無(wú)需安裝額外的插件。

Java3D把OpenGL和DirectX等底層3D技術(shù)封裝在Java3D API中，提供了一個(gè)高層的面向?qū)ο蟮木幊棠Ｐ?，從而?D技術(shù)不再繁瑣，并且可以加入到J2SE，J2EE的整套架構(gòu)中，這些特性使得Java3D技術(shù)具有強(qiáng)大的擴(kuò)展性。Java3D作為Java語(yǔ)言的擴(kuò)展，具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性，即“一次書寫，隨處運(yùn)行”［2］;采用Java3D開發(fā)的Web3D程序可以訪問(wèn)所有的Java類，因此能夠很好地與Internet集成。Java3D支持運(yùn)行時(shí)裝載器，因而能夠兼容多種文件格式，包括各種廠商的自定義格式［3］。

2.4 X3D

X3D(Extensible 3D)是新一代的Web3D國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，由Web3D協(xié)會(huì)(Web3D Consortium)于2003年發(fā)布，它在VRML97的基礎(chǔ)上發(fā)展進(jìn)化而來(lái)，更加成熟和完善。X3D整合了正在發(fā)展的XML，Java，流技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，包括更強(qiáng)大、更高效的3D計(jì)算能力、模型渲染質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。

X3D采用XML(Extensible Markup Language)——可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言描述三維實(shí)體及其行為［4］，XML是平臺(tái)無(wú)關(guān)的并且得到了廣泛的支持和應(yīng)用，XML具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì):擁有自定義的標(biāo)記語(yǔ)言來(lái)描述結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、易于編程者和計(jì)算機(jī)理解;具有有效的數(shù)據(jù)約束等。X3D的組件化體系結(jié)構(gòu)使其具有良好的可擴(kuò)展性和可定制性，它可以根據(jù)市場(chǎng)應(yīng)用和服務(wù)的需求添加組件以擴(kuò)展其功能，并且可以定制一系列標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展組件以滿足特定應(yīng)用的要求。X3D支持開發(fā)廣播/嵌入式應(yīng)用，可以用于從手機(jī)到超級(jí)計(jì)算機(jī)的各種設(shè)備。

3 Web3D技術(shù)在土木工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

土木工程專業(yè)的主干課程包括混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)抗震等，這些課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，且構(gòu)造要求很多，從而導(dǎo)致學(xué)生難學(xué)、教師難教［5］。因此，如何幫助學(xué)生加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，提高學(xué)習(xí)效率，提升教學(xué)質(zhì)量，長(zhǎng)期以來(lái)一直都是土木工程專業(yè)教學(xué)改革的熱點(diǎn)。將這些課程中涉及的各種結(jié)構(gòu)組成，尤其是一些節(jié)點(diǎn)構(gòu)造制作成Web3D模型，用戶可以任意縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)模型，實(shí)現(xiàn)360°全景瀏覽，還能夠?qū)δＰ椭懈鞣N構(gòu)件的顯示或隱藏進(jìn)行控制。如此讓學(xué)生直觀且互動(dòng)地學(xué)習(xí)，有助于解決教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，從而提高教學(xué)效果。

下面以采用Cult3D制作鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造模型為例說(shuō)明Web3D模型的制作方法及流程［6］(見(jiàn)圖1)。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造模型

1)三維模型的建立和輸出。在AutoCAD中建立三維模型，導(dǎo)入3DS MAX中進(jìn)行渲染，最后由3DS MAX輸出為Cult3D Designer可以接受的.c3d文件格式。

2)為三維模型加入交互功能。在Cult3D Designer中加入各種觸發(fā)事件和動(dòng)作控制，以實(shí)現(xiàn)三維模型的交互功能。

3)三維模型的導(dǎo)出和發(fā)布。將完成的三維模型輸出為.co文件格式，嵌入到網(wǎng)頁(yè)當(dāng)中。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，Web3D技術(shù)更加成熟和實(shí)用，應(yīng)用Web3D技術(shù)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)三維模型，有助于解決教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，從而提高教學(xué)效果。土木工程專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)，教學(xué)難度大，Web3D技術(shù)在土木工程專業(yè)教學(xué)中表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛力，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］鄧文新.Web3D技術(shù)的教學(xué)研究［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2002(4):68-69.

［2］宋志堅(jiān)，李文生，左煥琛.Web模式的醫(yī)學(xué)斷層圖像三維重建［J］.軟件學(xué)報(bào)，2001，12(11):1727-1731.

［3］張 蒙，陳澤琳，溫 武.基于VRML和Java的虛擬現(xiàn)實(shí)協(xié)同研究與設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2001，37(13):156-157，169.

［4］肖 虓，黃曉萍.Web3D技術(shù)及新一代標(biāo)準(zhǔn) X3D［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2003(10):39-42.

［5］張玉峰.“混凝土結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)改革的探討［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)(哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版)，2002，4(sup):86-87，103.

［6］王春雨，張廣文.Cult3D技術(shù)及其在陶瓷產(chǎn)品展示中的應(yīng)用［J］.中國(guó)陶瓷，2007，43(1):49-51.