X3D的虛擬植物建模
1 X3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述
虛擬現(xiàn) 實 (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 學研 究和可 視化 、軍事 模擬 、工程 應用、醫(yī)學、商業(yè)、教育及娛樂等領(lǐng)域。X3D虛擬現(xiàn)實技術(shù) 是 目前虛 擬現(xiàn)實技 術(shù) 中最前 沿 的科技，2004年10月正式通過 ISO/IEC審議成為網(wǎng)絡三維國際通用標準 ISO/IEC19775。X3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)整合了 XML、JavaSeript、Java、Java3D和流技術(shù)等世界先進技術(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(xiàn)實語言存在兼容性及可擴展性差、對瀏覽器的依靠過強、編程能力弱等缺點，將其應用于農(nóng)業(yè)信息領(lǐng)域，顯示其巨大的發(fā)展?jié)摿�，前景十分廣闊。
1.1 X3D虛擬現(xiàn)實技術(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 頁面集成 、和下一代 Web融合等諸多優(yōu)勢.并引入了基于組件的結(jié)構(gòu).具有兼容性 、可擴展性 、輕量化 的內(nèi)核等特征。XML編碼為創(chuàng)建和 XML兼容的 VRML代碼 ，提供了一組 XML通 用 實體 和元 素 類 型聲 明 。VRML2OOX規(guī)范草案包含一個完整的 DTD，它定義了X3D的 XML標記 和這些標記 功能實現(xiàn)之 間的聯(lián)系。而 DOM為程序和腳本動態(tài)的訪問和更新 XML文檔的內(nèi)容 、結(jié)構(gòu)樣式提供 了和平臺 、語言無關(guān)的接口。
(2)構(gòu)件思想
X3D體系結(jié)構(gòu)的設計是以構(gòu)件技術(shù)為指導的，這里構(gòu)件是指功能相關(guān) 的一個或多個節(jié)點類型的一個集合 ，一個構(gòu)件擴展 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 小型可擴展的 內(nèi)核 。然后通過特性 集擴 展內(nèi)核 ，實現(xiàn)復雜 的或是應用程序定義的功能。構(gòu)件思想帶來的好處主要有摘要：精巧的內(nèi)核 、擴展能力 、減少 了對資源 的占用。
1.2 X3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢
X3D被定義為可交互操作、可擴 展 、跨平臺的網(wǎng)絡三維內(nèi)容標準。X3D中添加了新的.功能組件 ，推出Java、XML通用平臺下的開放原代碼工具包，在 X3D中需要使用非凡 的功能時 ，可以調(diào)用由 Java等編寫的程序 ，由于Java平 臺無關(guān)性 ，這樣可在不同的硬件和軟件平臺上實現(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擴展新的功能將更快捷。X3D的內(nèi)容是模塊化的和可重 復使用 的 ，根據(jù)可擴展 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。
2 基于X3D的植物建模和可視化
基于 X3D的虛擬植物建模和可視化 。是一種基 于x3d虛 擬現(xiàn)實技術(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 問數(shù)據(jù)，在計算機上三維建模語言編程調(diào)用空間數(shù)據(jù)來實現(xiàn)植物 三維模擬和再現(xiàn) ，模擬植物在 三維空問中的生長發(fā)育過程 。虛擬植物能夠精 確地反 映現(xiàn)實植物 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 虛擬植物建模和可視化開發(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。一個完整的虛擬植物實體對象一般包含葉 、莖 、花 、根等幾個主要結(jié)構(gòu)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(xiàn)有較成熟的三維設計軟件 X3D—Edit。虛擬植物除 了能實現(xiàn)植物的三維可視 化外 ，其 另一個重要的功 能就是 通過 script編程 、API編程或其它技術(shù)能實現(xiàn)虛擬植物專題信息的展示和反饋。甚至實現(xiàn)一定 的分析功能 .協(xié)助農(nóng)業(yè)相關(guān)部門進行植物信息收集和反饋。這對植物的探究是極為有利的，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 摘要：
虛擬植物=三維植物模型+專題信息展示功能+信息反饋功能+分析功能。實現(xiàn)步驟 如圖 2。
2.2 基于X3D植物形態(tài)結(jié)構(gòu)模型的建立和可視化
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 摘要：
(1)利用 X3D節(jié)點直接編寫程序 。對于植物都具有根 、莖 、葉三個主要部 分 ，葉子這種 復雜 的造型可以采用擠壓節(jié)點一Extrusion來實現(xiàn)。具體語句結(jié)構(gòu)可參考有關(guān)文獻。但僅僅根據(jù) X3D語法構(gòu)造準確的三維空間模型是很困難的，對于復雜模型的構(gòu)造和修改就 比較不方便。
(2)除了使用節(jié)點直接編程之外，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 三方的造型軟件來建模.然后通過相應的接口導出X3D文件，最后編輯 X3D 源程序 的相關(guān)部分來實現(xiàn)。通常的做法是，利用 AutoCAD建立復雜模型后，假如希望有更好的效果，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 ，插入到虛擬環(huán)境 中。
2.2.2 交互編程方式在建模過程中.X3D 中常用的編程方式主要有以下二種 摘要：
(1)用 X3D中的script節(jié)點編程。script節(jié)點可以幫助 X3D完成復雜的交互過程.它有以下4個功能摘要：可感應環(huán)境的變化及用戶的操作摘要：從其它節(jié)點接收事件并進行一些處理;內(nèi)部 的程序塊可完成一些計算工作;通過發(fā)送事件使外界產(chǎn)生相應的變化。Scrip節(jié)點可以像其它的X3D節(jié)點一樣放置在場景中的任何地方，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 X3D的外部編程接口API進行編程。這種編程方式答應虛擬場景和其它對象溝通，因而可以實現(xiàn)虛擬場景和其它對象的結(jié)合，達到令人滿足的效果。
3 國內(nèi)外 X3D在項目中的應用目前狀況、存在的新問題
3.1 應用目前狀況
X3D技術(shù)在國內(nèi)外已用很多應用成果.如美國海軍探究生院 fNPS1進行曲——基于Web的場景創(chuàng)作及可視化探究 和開發(fā) 的項 目 SAVAGE Project.就是基于X3D技 術(shù)進行研發(fā)的，并取得了階段性的成果.
LATFICE Technology利用X3D的擴展 .Lattice XV1parametric進行醫(yī)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，就可以在用戶端自動下載安裝。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有著神奇的效果、精簡的代碼和靈活的語法結(jié)構(gòu)，探究X3D技術(shù)的人越來越多。
3.2 存在的新問題
對于基于 X3D的虛擬植物的探究可 以說現(xiàn)在仍處于初級階段，存在著許多技術(shù)和實踐中的新問題。
(1)模型的功能不夠強大。多數(shù)模型在 植物體結(jié)構(gòu)和功能的聯(lián)系、植物和環(huán)境的相互關(guān)系、地上部分和地下部分 的整體聯(lián)系以及生理生態(tài)和形態(tài) 結(jié)構(gòu)的耦合等方面欠完善。假如將地上部分和地下部分整體聯(lián)系起來，可能具有更大的探究意義。其次，植物種類繁多，植物生長機理復雜要想真實地虛擬植物的生長過程還較困難。網(wǎng)此除了對植物生長過程進行大量的觀察 和測量外還必須探究虛擬植物模型和具體植物的生態(tài)生理模型有機結(jié)合的新問題 。
(2)缺乏多學科知識的融合。植物生長建模探究應該以綜合各類信息技術(shù)為途徑 ，擴展并強化它在農(nóng)林業(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)、地理信息系統(tǒng) (GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、網(wǎng)絡技術(shù) 、傳感技術(shù)、自動控制 、人工智能、多媒體等 ，但結(jié)合運用不夠 ，沒有為虛擬植物建模探究帶來更 多新的思路和方法。
4 基于 X3D的虛擬植物探究前景展望
基于X3D的虛擬植物探究對人類社會的影響才剛剛 開始 。作為一種 新生事物 ，它的發(fā)展 前景 十分 廣闊，有許多值得進一步探索的探究課題。
由于植物生長機理和生長過程十分復雜.需要探究如何建立能真實 反映植物生長機理的生理生態(tài)模型(如光合功能模型及呼吸功能模型等)以及植物生長環(huán)境模型如光照 、土壤 、水肥等模型);在此基礎上 ，為了能夠真實有效地模擬農(nóng)作物的生長過程。還需進一步探究形態(tài)發(fā)生模型 和生理生態(tài)模 型的有機結(jié)合。
以后 ，根系虛擬探究將 成為重 點。 目前植物根系的模擬是虛擬植物探究中最為薄弱的環(huán)節(jié)。由于根系是植物和外界環(huán)境進行物質(zhì)和能量交換的重要媒介，要真實模擬水分、肥料等環(huán)境因素對植物生長發(fā)育的影響『引，加強根系的探究尤為必要。可以認為 ，根系的探究將成為虛擬植物未來 的重要探究方 向。
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