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基于X3D的虛擬植物建模與可視化研究
論文關(guān)鍵詞：X3D(Extensible 3D) 虛擬現實(shí) 虛擬植物 植物建模 可視化
論文摘要：本文在闡述 X3D虛擬現實(shí)技術(shù)的基礎上，介紹并分析了基于X3D虛擬植物建模的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)勢，進(jìn)一步探討了基于 X3D虛擬現實(shí)技術(shù)植物建模的原理與方法，最后，針對國內外應用現狀，提出了應用中出現的問(wèn)題，并為未來(lái)的研 究方向進(jìn)行了展望。
1 X3D虛擬現實(shí)技術(shù)概述
虛擬現 實(shí) (Virtual Reality)是20世 界 80年代初由VPL Research公司創(chuàng )始人 Jaron Lanier提出的。已廣泛應 用于科 學(xué)研 究與可 視化 、軍事 模擬 、工程 應用、、商業(yè)、及娛樂(lè )等領(lǐng)域。X3D虛擬現實(shí)技術(shù) 是 目前虛 擬現實(shí)技 術(shù) 中最前 沿 的科技，2004年10月正式通過(guò) ISO／IEC審議成為網(wǎng)絡(luò )三維國際通用標準 ISO／IEC19775。X3D虛擬現實(shí)技術(shù)整合了 XML、JavaSeript、Java、Java3D和流技術(shù)等世界先進(jìn)技術(shù)．具有更強大、更高效的三維計算 能力、渲染質(zhì)量 和傳輸速度。它克服 了以往其它虛擬 現實(shí)存在兼容性及可擴展性差、對瀏覽器的依賴(lài)過(guò)強、編程能力弱等缺點(diǎn)，將其應用于信息領(lǐng)域，顯示其巨大的發(fā)展潛力，前景十分廣闊。
1．1 X3D虛擬現實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)
(1)XML編碼
X3D采用 XML編碼 ，使其具 有通用性 、易于 頁(yè)面集成 、與下一代 Web融合等諸多優(yōu)勢．并引入了基于組件的結構．具有兼容性 、可擴展性 、輕量化 的內核等特點(diǎn)。XML編碼為創(chuàng )建與 XML兼容的 VRML代碼 ，提供了一組 XML通 用 實(shí)體 和元 素 類(lèi) 型聲 明 。VRML2OOX規范草案包含一個(gè)完整的 DTD，它定義了X3D的 XML標記 與這些標記 功能實(shí)現之 間的聯(lián)系。而 DOM為程序和腳本動(dòng)態(tài)的訪(fǎng)問(wèn)和更新 XML文檔的內容 、結構樣式提供 了與平臺 、語(yǔ)言無(wú)關(guān)的接口。
(2)構件思想
X3D體系結構的設計是以構件技術(shù)為的，這里構件是指功能相關(guān) 的一個(gè)或多個(gè)節點(diǎn)類(lèi)型的一個(gè)集合 ，一個(gè)構件擴展 內核在某一 特定領(lǐng)域的功能 。X3D首 先將 VRML的關(guān)鍵特性封裝為一個(gè) 小型可擴展的 內核 。然后通過(guò)特性 集擴 展內核 ，實(shí)現復雜 的或是應用程序定義的功能。構件思想帶來(lái)的好處主要有：精巧的內核 、擴展能力 、減少 了對資源 的占用。
1．2 X3D虛擬現實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢
X3D被定義為可交互操作、可擴 展 、跨平臺的網(wǎng)絡(luò )三維內容標準。X3D中添加了新的功能組件 ，推出Java、XML通用平臺下的開(kāi)放原代碼工具包，在 X3D中需要使用特殊 的功能時(shí) ，可以調用由 Java等編寫(xiě)的程序 ，由于Java平 臺無(wú)關(guān)性 ，這樣可在不同的硬件和軟件平臺上實(shí)現瀏覽 ，拓寬了信息共享 范圍。在組件優(yōu)化的結構下 ，X3D擴展新的功能將更快捷。X3D的內容是模塊化的和可重 復使用 的 ，根據可擴展 和模塊化的結構 ，瀏覽器可以只需支持需要 的概貌 。X3D支持也提供了一種MPEG一4支持的方式。 X3D 是MPEG一43D渲染的基礎。
2 基于X3D的植物建模與可視化
基于 X3D的虛擬植物建模與可視化 。是一種基 于x3d虛 擬現實(shí)技術(shù) ，植物形態(tài)結構幾何描述的三維植物結構 模擬方 法 。該 方法 利用 儀器采 集植 物空 問(wèn)數據，在上三維建模編程調用空間數據來(lái)實(shí)現植物 三維模擬與再現 ，模擬植物在 三維空問(wèn)中的生長(cháng)發(fā)育過(guò)程 。虛擬植物能夠精 確地反 映現實(shí)植物 的形態(tài)結構 ，以可視化的方式反映植物 的形態(tài)結構規律。
2．1 虛擬植物建模與可視化開(kāi)發(fā)的基本原理
要建立虛擬植物，首先要建立基本 的三維植物結構模型。一個(gè)完整的虛擬植物實(shí)體對象一般包含葉 、莖 、花 、根等幾個(gè)主要結構部分 以及一些相關(guān) 的輔助設施 ，這些基本模型的制作采用現有較成熟的三維設計軟件 X3D—Edit。虛擬植物除 了能實(shí)現植物的三維可視 化外 ，其 另一個(gè)重要的功 能就是 通過(guò) Script編程 、API編程或其它技術(shù)能實(shí)現虛擬植物專(zhuān)題信息的展示和反饋。甚至實(shí)現一定 的分析功能 ．協(xié)助相關(guān)部門(mén)進(jìn)行植物信息收集與反饋。這對植物的研究是極為有利的，為他們提供了極大的方便。因而可以將虛擬植物定義為以下形式 ：
虛擬植物=三維植物模型+專(zhuān)題信息展示功能+信息反饋功能+分析功能。實(shí)現步驟 如圖 2。
2．2 基于X3D植物形態(tài)結構模型的建立與可視化
2.2．1 三維結構建模方法 利用 X3D創(chuàng )建虛擬植物，生成三維模型的方法大致如下 ：
(1)利用 X3D節點(diǎn)直接編寫(xiě)程序 。對于植物都具有根 、莖 、葉三個(gè)主要部 分 ，葉子這種 復雜 的造型可以采用擠壓節點(diǎn)一Extrusion來(lái)實(shí)現。具體語(yǔ)句結構可參考有關(guān)文獻。但僅僅根據 X3D語(yǔ)法構造準確的三維空間模型是很困難的，對于復雜模型的構造和修改就 比較不方便。
(2)除了使用節點(diǎn)直接編程之外，還要考慮使用其它輔助建模軟件創(chuàng )建模型。由于一些結構和外形的復雜性，直接用 X3D建模比較困難，可以利用第 三方的造型軟件來(lái)建模．然后通過(guò)相應的接口導出X3D文件，最后編輯 X3D 源程序 的相關(guān)部分來(lái)實(shí)現。通常的做法是，利用 AutoCAD建立復雜模型后，如果希望有更好的效果，可以輸入到 3DMAX 中賦予材質(zhì)、色彩建立光照效果、合成，最后轉成 X3D文件 ，插入到虛擬 中。
2．2．2 交互編程方式在建模過(guò)程中．X3D 中常用的編程方式主要有以下二種 ：
(1)用 X3D中的Script節點(diǎn)編程。Script節點(diǎn)可以幫助 X3D完成復雜的交互過(guò)程．它有以下4個(gè)作用：可感應環(huán)境的變化及用戶(hù)的操作：從其它節點(diǎn)接收事件并進(jìn)行一些處理；內部 的程序塊可完成一些計算工作；通過(guò)發(fā)送事件使外界產(chǎn)生相應的變化。Scrip節點(diǎn)可以像其它的X3D節點(diǎn)一樣放置在場(chǎng)景中的任何地方，可以重命名，可以從它那里移走事件，也可以把事件傳給它。這是最常用的編程方法，目前用的較多的描述性語(yǔ)言是 JavaScript和 VRMI_Script。目前大多X3D瀏覽器都支持JavaScript編程．而支持VRMLSeript編程的瀏覽器主要是 BS Contact Player。
(2)通過(guò) X3D的外部編程接口A(yíng)PI進(jìn)行編程。這種編程方式允許虛擬場(chǎng)景與其它對象溝通，因而可以實(shí)現虛擬場(chǎng)景與其它對象的結合，達到令人滿(mǎn)意的效果。
3 國內外 X3D在項目中的應用現狀、存在的問(wèn)題
3．1 應用現狀
X3D技術(shù)在國內外已用很多應用成果．如美國海軍研究生院 fNPS1進(jìn)行曲——基于Web的場(chǎng)景創(chuàng )作及可視化研究 與開(kāi)發(fā) 的項 目 SAVAGE Project．就是基于X3D技 術(shù)進(jìn)行研發(fā)的，并取得了階段性的成果．
LATFICE Technology利用X3D的擴展 ．Lattice XV1parametric進(jìn)行醫療方面的應用取得了令人欣喜的成果，還有一些已經(jīng)投入應用的X3D 技術(shù)，如Blaxxun3D[61和 Shout3Dl。他們并不是采用 plugins的 方式．而只需要 Web瀏覽器支持 Java，就可以在用戶(hù)端自動(dòng)下載安裝。中國在X3D技術(shù)方面的發(fā)展要落后于西方國家。但是由于X3D有著(zhù)神奇的效果、精簡(jiǎn)的代碼和靈活的語(yǔ)法結構，研究X3D技術(shù)的人越來(lái)越多。
3．2 存在的問(wèn)題
對于基于 X3D的虛擬植物的研究可 以說(shuō)現在仍處于初級階段，存在著(zhù)許多技術(shù)和實(shí)踐中的問(wèn)題。
(1)模型的功能不夠強大。多數模型在 植物體結構與功能的聯(lián)系、植物與的相互關(guān)系、地上部分與地下部分 的整體聯(lián)系以及生理生態(tài)與形態(tài) 結構的耦合等方面欠完善。如果將地上部分與地下部分整體聯(lián)系起來(lái)，可能具有更大的研究意義。其次，植物種類(lèi)繁多，植物生長(cháng)機理復雜要想真實(shí)地虛擬植物的生長(cháng)過(guò)程還較困難。網(wǎng)此除了對植物生長(cháng)過(guò)程進(jìn)行大量的觀(guān)察 和測量外還必須研究虛擬植物模型與具體植物的生態(tài)生理模型有機結合的問(wèn)題 。
(2)缺乏多學(xué)科知識的融合。植物生長(cháng)建模研究應該以綜合各類(lèi)信息技術(shù)為途徑 ，擴展并強化它在業(yè)中的廣泛應用。目前，雖然已經(jīng)包括了綜合應用遙感 (RS)技術(shù)、信息系統 (GIS)、全球定位系統(GPS)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù) 、傳感技術(shù)、自動(dòng)控制 、人工智能、多媒體等 ，但結合運用不夠 ，沒(méi)有為虛擬植物建模研究帶來(lái)更 多新的思路和方法。
4 基于 X3D的虛擬植物研究前景展望
基于X3D的虛擬植物研究對人類(lèi)的影響才剛剛 開(kāi)始 。作為一種 新生事物 ，它的發(fā)展 前景 十分 廣闊，有許多值得進(jìn)一步探討的研究課題。
由于植物生長(cháng)機理與生長(cháng)過(guò)程十分復雜．需要研究如何建立能真實(shí) 反映植物生長(cháng)機理的生理生態(tài)模型(如光合作用模型及呼吸作用模型等)以及植物生長(cháng)環(huán)境模型如光照 、土壤 、水肥等模型)；在此基礎上 ，為了能夠真實(shí)有效地模擬農作物的生長(cháng)過(guò)程。還需進(jìn)一步研究形態(tài)發(fā)生模型 與生理生態(tài)模 型的有機結合。
以后 ，根系虛擬研究將 成為重 點(diǎn)。 目前植物根系的模擬是虛擬植物研究中最為薄弱的環(huán)節。由于根系是植物與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的重要媒介，要真實(shí)模擬水分、肥料等環(huán)境因素對植物生長(cháng)發(fā)育的影響『引，加強根系的研究尤為必要�？梢哉J為 ，根系的研究將成為虛擬植物未來(lái) 的重要研究方 向。
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