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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(xiàn)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(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)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(shì)，進(jìn)一步探討了基于 X3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)植物建模的原理與方法，最后，針對(duì)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了應(yīng)用中出現(xiàn)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(xiàn)實(shí)技術(shù)概述
虛擬現(xiàn) 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(yīng) 用于科 學(xué)研 究與可 視化 、軍事 模擬 、工程 應(yīng)用、、商業(yè)、及娛樂(lè)等領(lǐng)域。X3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 是 目前虛 擬現(xiàn)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(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn) ISO／IEC19775。X3D虛擬現(xiàn)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(qiáng)大、更高效的三維計(jì)算 能力、渲染質(zhì)量 和傳輸速度。它克服 了以往其它虛擬 現(xiàn)實(shí)存在兼容性及可擴(kuò)展性差、對(duì)瀏覽器的依賴(lài)過(guò)強(qiáng)、編程能力弱等缺點(diǎn)，將其應(yīng)用于信息領(lǐng)域，顯示其巨大的發(fā)展?jié)摿Γ熬笆謴V闊。
1．1 X3D虛擬現(xiàn)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(shì)．并引入了基于組件的結(jié)構(gòu)．具有兼容性 、可擴(kuò)展性 、輕量化 的內(nèi)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(guī)范草案包含一個(gè)完整的 DTD，它定義了X3D的 XML標(biāo)記 與這些標(biāo)記 功能實(shí)現(xiàn)之 間的聯(lián)系。而 DOM為程序和腳本動(dòng)態(tài)的訪問(wèn)和更新 XML文檔的內(nèi)容 、結(jié)構(gòu)樣式提供 了與平臺(tái) 、語(yǔ)言無(wú)關(guān)的接口。
(2)構(gòu)件思想
X3D體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是以構(gòu)件技術(shù)為的，這里構(gòu)件是指功能相關(guān) 的一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型的一個(gè)集合 ，一個(gè)構(gòu)件擴(kuò)展 內(nèi)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(kuò)展的 內(nèi)核 。然后通過(guò)特性 集擴(kuò) 展內(nèi)核 ，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜 的或是應(yīng)用程序定義的功能。構(gòu)件思想帶來(lái)的好處主要有：精巧的內(nèi)核 、擴(kuò)展能力 、減少 了對(duì)資源 的占用。
1．2 X3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
X3D被定義為可交互操作、可擴(kuò) 展 、跨平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)三維內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)。X3D中添加了新的功能組件 ，推出Java、XML通用平臺(tái)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(diào)用由 Java等編寫(xiě)的程序 ，由于Java平 臺(tái)無(wú)關(guān)性 ，這樣可在不同的硬件和軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)瀏覽 ，拓寬了信息共享 范圍。在組件優(yōu)化的結(jié)構(gòu)下 ，X3D擴(kuò)展新的功能將更快捷。X3D的內(nèi)容是模塊化的和可重 復(fù)使用 的 ，根據(jù)可擴(kuò)展 和模塊化的結(jié)構(gòu) ，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(chǔ)。
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(xiàn)實(shí)技術(shù) ，植物形態(tài)結(jié)構(gòu)幾何描述的三維植物結(jié)構(gòu) 模擬方 法 。該 方法 利用 儀器采 集植 物空 問(wèn)數(shù)據(jù)，在上三維建模編程調(diào)用空間數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)植物 三維模擬與再現(xiàn) ，模擬植物在 三維空問(wèn)中的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程 。虛擬植物能夠精 確地反 映現(xiàn)實(shí)植物 的形態(tài)結(jié)構(gòu) ，以可視化的方式反映植物 的形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)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(jié)構(gòu)模型。一個(gè)完整的虛擬植物實(shí)體對(duì)象一般包含葉 、莖 、花 、根等幾個(gè)主要結(jié)構(gòu)部分 以及一些相關(guān) 的輔助設(shè)施 ，這些基本模型的制作采用現(xiàn)有較成熟的三維設(shè)計(jì)軟件 X3D—Edit。虛擬植物除 了能實(shí)現(xiàn)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(xiàn)虛擬植物專(zhuān)題信息的展示和反饋。甚至實(shí)現(xiàn)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(duì)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(xiàn)步驟 如圖 2。
2．2 基于X3D植物形態(tài)結(jié)構(gòu)模型的建立與可視化
2.2．1 三維結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)直接編寫(xiě)程序 。對(duì)于植物都具有根 、莖 、葉三個(gè)主要部 分 ，葉子這種 復(fù)雜 的造型可以采用擠壓節(jié)點(diǎn)一Extrusion來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體語(yǔ)句結(jié)構(gòu)可參考有關(guān)文獻(xiàn)。但僅僅根據(jù) X3D語(yǔ)法構(gòu)造準(zhǔn)確的三維空間模型是很困難的，對(duì)于復(fù)雜模型的構(gòu)造和修改就 比較不方便。
(2)除了使用節(jié)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(jié)構(gòu)和外形的復(fù)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(yīng)的接口導(dǎo)出X3D文件，最后編輯 X3D 源程序 的相關(guān)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常的做法是，利用 AutoCAD建立復(fù)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(zhuǎn)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(jié)點(diǎn)編程。Script節(jié)點(diǎn)可以幫助 X3D完成復(fù)雜的交互過(guò)程．它有以下4個(gè)作用：可感應(yīng)環(huán)境的變化及用戶的操作：從其它節(jié)點(diǎn)接收事件并進(jìn)行一些處理；內(nèi)部 的程序塊可完成一些計(jì)算工作；通過(guò)發(fā)送事件使外界產(chǎn)生相應(yīng)的變化。Scrip節(jié)點(diǎn)可以像其它的X3D節(jié)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API進(jìn)行編程。這種編程方式允許虛擬場(chǎng)景與其它對(duì)象溝通，因而可以實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景與其它對(duì)象的結(jié)合，達(dá)到令人滿意的效果。
3 國(guó)內(nèi)外 X3D在項(xiàng)目中的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題
3．1 應(yīng)用現(xiàn)狀
X3D技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已用很多應(yīng)用成果．如美國(guó)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(xiàng) 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(kuò)展 ．Lattice XV1parametric進(jìn)行醫(yī)療方面的應(yīng)用取得了令人欣喜的成果，還有一些已經(jīng)投入應(yīng)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，就可以在用戶端自動(dòng)下載安裝。中國(guó)在X3D技術(shù)方面的發(fā)展要落后于西方國(guó)家。但是由于X3D有著神奇的效果、精簡(jiǎn)的代碼和靈活的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，研究X3D技術(shù)的人越來(lái)越多。
3．2 存在的問(wèn)題
對(duì)于基于 X3D的虛擬植物的研究可 以說(shuō)現(xiàn)在仍處于初級(jí)階段，存在著許多技術(shù)和實(shí)踐中的問(wèn)題。
(1)模型的功能不夠強(qiáng)大。多數(shù)模型在 植物體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhǎng)機(jī)理復(fù)雜要想真實(shí)地虛擬植物的生長(zhǎng)過(guò)程還較困難。網(wǎng)此除了對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行大量的觀察 和測(cè)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(jī)結(jié)合的問(wèn)題 。
(2)缺乏多學(xué)科知識(shí)的融合。植物生長(zhǎng)建模研究應(yīng)該以綜合各類(lèi)信息技術(shù)為途徑 ，擴(kuò)展并強(qiáng)化它在業(yè)中的廣泛應(yīng)用。目前，雖然已經(jīng)包括了綜合應(yīng)用遙感 (RS)技術(shù)、信息系統(tǒng) (GIS)、全球定位系統(tǒng)(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(jié)合運(yùn)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(duì)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(zhǎng)機(jī)理與生長(zhǎng)過(guò)程十分復(fù)雜．需要研究如何建立能真實(shí) 反映植物生長(zhǎng)機(jī)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(zhǎng)環(huán)境模型如光照 、土壤 、水肥等模型)；在此基礎(chǔ)上 ，為了能夠真實(shí)有效地模擬農(nóng)作物的生長(zhǎng)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(jī)結(jié)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(jié)。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(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響『引，加強(qiáng)根系的研究尤為必要�？梢哉J(rèn)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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