Java3D理解初級教程
引 言
Java3DAPI是用來開發三維圖形和開發基于Web的3D應用程序(applet)的編程接口.目前用于開發三維圖形軟件的3DAPI(OpenGL、Direct3D)都是基于攝像機模型的思想,即通過調整攝像機的參數來控制場景中的顯示對象,而Java3D則提出了一種新的基于視平臺的視模型和輸入設備模型的技術實現方案,即通過改變視平臺的位置、方向來瀏覽整個虛擬場景.它不僅提供了建造和操作三維幾何物體的高層構造函數,而且利用這些構造函數還可以建造復雜程度各異的虛擬場景,這些虛擬場景大到宇宙天體,小到微觀粒子.
Java3D是JavaMediaAPIs中的一部分,可廣泛地應用于各種平臺,而且用Java3DAPI開發的應用程序和基于Web的3D小應用程序(applet),還可以訪問整個Java類,且可以與Internet很好地集成,即如果在瀏覽器中安裝了Java3D的瀏覽插件,在網上也可瀏覽Java3D所創建的虛擬場景.Java3DAPI還汲取了已有圖形APIs的優點,即Java3D的底層圖形構造函數不僅綜合了底層APIs(Direcrt3D、OpenGL)最好的繪制思想,而且它的高層圖形繪制還綜合了基于場景圖的思想,同時,它又引入了一些通用的圖形環境所未考慮的新概念(如3D立體聲),這樣將有助于提高用戶在虛擬場景的沉浸感.本文將著重介紹Java3D針對VR應用所提出的基于視模型和輸入設備模型的新思想,在此基礎上又討論了如何利用Java3D來開發VR應用程序及其實現方法,并設計實現了一個應用實例.
1.適于VR應用開發的Java3DAPI眾所周知,開發VR應用程序是一件很繁瑣的工作,其開發人員必須編寫應用程序可能遇到的各種輸入和顯示設備的接口程序,或者依賴專為VR應用開發而設計的應用程序編程接口(API),且典型的VR應用必須跟蹤用戶的頭部位置和方向,以生成與頭部位置方向相一致的虛擬場景圖.
另外,還需要先跟蹤身體的其它部位(手、臂或腿部),然后通過身體各部位在虛擬場景中的虛擬視點與場景中的對象進行交互,而應用程序也必須具有能夠利用跟蹤輸入設備在視點內放置物體,并標明其在生成的三維圖象中的位置和方向的功能.同時,面向VR的應用程序開發接口(API)必須能支持3D圖形生成、處理跟蹤器的輸入,并能將跟蹤信息反饋到圖形繪制中.
Java3DAPI可自動將頭部跟蹤器的輸入集成到圖形生成中,并具有通過訪問其它跟蹤器信息來控制其它特征的功能,但它是通過一種新的視模型(viewmodel)技術來實現的.該視模型是將用戶真實的物質環境與計算機生成的虛擬環境相互獨立,并建立它們之間的通信橋梁.該API也明確定義了用來探測Java3D物體六自由度(6DOF)傳感器的返回值,并將其應用于顯示場景圖中.總之,這種新的視模型和輸入設備模型可以很方便地將交互式的3D圖形應用程序轉化為VR應用程序.
Java3D視模型
2.1 新的視模型概念(viewmodel)基于攝像機的視模型是模仿虛擬環境中的攝像機,而不是虛擬環境中人的“替身”,而且它是通過控制攝像機與視點的相關參數來控制所顯示的場景,但這種方法,在用戶物質環境確定某些視參數的系統中是不合理的,例如在頭盔顯示器(HMD)系統中,HMD的光學性能就直接確定了應用程序所顯示的視域.由于不同的HMD有不同的光學特性,因此如果允許終端用戶隨意改變光學參數顯然是不合理的.這里視參數的值將隨終端用戶物質環境的不同而不同,而影響視參數的主要因素有顯示器大小、顯示器的位置(戴在頭上,還是放在桌子上)、三維空間中用戶的頭部位置、頭盔顯示器的實際顯示視域、每英寸的顯示象素等.由于Java3D的視模型直接提供了頭部跟蹤的功能,因而使用戶產生了真實存在于虛擬環境中的錯覺.
Java3D不僅提出了新的基于視平臺的視模型概念,同時將其推廣到包括顯示設備和6DOF外圍輸入設備(如頭部跟蹤器等)的接口支持中,而且新的視模型繼承了Java的“writeonce,vieweverywhere”本質.這意味著由Java3D視模型開發的應用程序或applet可廣泛地應用于各種顯示環境.這種顯示環境可以是標準的計算機顯示屏、多元顯示空間,也可以是頭盔顯示器.Java3D視模型是通過將虛擬環境和物質環境完全獨立的方式來實現上述功能的,且該視模型可將虛擬環境中視平臺的位置、方向和大小,與Java3D繪制的與視平臺位置、方向相一致的虛擬場景相區分.一般應用程序控制視平臺的位置和方向,而繪制著色系統則依據終端用戶的物質環境以及用戶在物質環境中的位置和方向來確定顯示場景.
2.2 視模型的組成
Java3D視模型由虛擬環境和物質環境兩部分組成,其中,虛擬環境由ViewPlatform對象來表示,它是虛擬對象存在的空間;而物質環境則由View對象以及和它相關的對象來表示.這里,View對象和它的相關對象就描述了用戶所處的顯示和操縱輸入設備環境.雖然視模型將虛擬環境和物質環境相互獨立,但可通過一一對應關系來建立兩種世界之間相互通信的橋梁,這樣將使得終端用戶的行為會影響虛擬環境中的對象,同時虛擬環境中的對象行為也會影響終端用戶的視點.
Java3D可通過幾個對象來定義視模型參數.這些對象包括View對象及其相關對象、PhysicalBody對象、Canvas3D對象、PhysicalEnvironment對象、Screen3D對象.視模型相關的對象(如圖1所示)其作用如下:ViewPlatform用來標志場景圖中視點位置的節點.其父節點則指明了視平臺在虛擬環境中的位置、方向和大小.View用于指定需要處理場景圖的信息.Canvas3D定義了Java3D繪制圖象的窗口,它提供了Canvas3D在Screen3D對象中的大小、形狀和位置信息.Screen3D用于描述顯示屏幕的物理屬性.PhysicalBody用于封裝那些與物質體相關的參視模型的組成及其相互關系數(如左、右眼的位置等).PhysicalEnvironment用于封裝那些與物質體環境相關的參數(如,用于頭狀物體或頭盔式跟蹤器的校驗信息).
2.3 虛擬環境中的視平臺(ViewPlatform)鑒于視平臺定義了一坐標系統,于是虛擬環境中的原始點和參考點就有了一參考坐標系.這里視平臺代表與視對象相關的一個點,并充當確定繪制圖象的基礎.圖2顯示了包括視平臺節點場景圖的一部分.由圖2可見,視平臺的父節點確定了視平臺在虛擬環境中的位置和方向.若通過修改與TransformGroup節點相關的Transform3D對象,就可以在虛擬場景中隨意移動視平臺.雖然虛擬環境中可以有許多不同的視平臺,但特定的視對象只能與一個視平臺相關聯,于是在Canvas3D對象中所繪制的場景均來自于一個視平臺的視點.這樣應用程序就可通過修改視平臺的TransformGroup節點,在虛擬環境中漫游.圖2 包括視平臺的局部場景圖3 Java3D的輸入設備模型Java3D除了支持通用的鍵盤、鼠標輸入外,還能給各種不間斷的輸入設備,如6DOF跟蹤設備和操縱桿提供支持.由于不同的跟蹤輸入設備其工作原理不同,因而計算機與其交互的方式也不同.為了給不同的6DOF輸入設備提供支持,Java3D還提供了一個輸入設備接口,而且該輸入設備接口還定義了一個抽象的輸入設備,雖然用其可以實現對一特定設備的驅動,但輸入設備接口的實現必須實現接口所定義的所有方法(如設備開、關、讀取操作、狀態設置及查詢等).Java3D的輸入設備列表就用這些方法同特定的設備進行交互.
一般Java3D環境中,可能包括許多輸入設備,而且這些輸入設備不一定是實際的物理設備,也可能是虛擬設備,例如通過軟件的方法將鼠標的運動參數轉化為6DOF虛擬跟蹤球的參數,來模擬虛擬跟蹤球的輸入.由于所有的輸入設備都由許多傳感器對象組成,因此每一種輸入設備都與一定數量的傳感器對象相關,且每一種傳感器都與其傳感器設備6DOF數據的一個數據源相關.當輸入設備驅動的數據改變時,傳感器對象的數據也會相應改變,而且傳感器對象由讀取傳感器對象組成.由于緩沖區中記錄了各傳感器最近N個讀取傳感器對象的值,因此可以對傳感器數據進行平均,以及對傳感器輸入值的趨勢進行預測等處理,但應用程序的開發并不直接使用輸入設備.Java3D是通過一個傳感器數組將輸入設備抽象化,傳感器對象數組是物質環境對象的一個子類,該數組是由與輸入設備相關的對象指針組成.Java程序可以直接從傳感器數組中獲取傳感器的值,并將其用到場景圖中,或按任意方式對其進行處理。
2.4 用Java3D開發VR應用程序利用Java3D開發的VR應用程序或者applets程序,可建造一個虛擬場景,并能將一個或多個場景圖插入到虛擬場景中,虛擬場景由超結構對象集組成,對象集則包括一個世界對象(Universeobject)、一個或多個場所對象(Localeobjects)和按樹狀結構排列的由節點物體組成的一個或多個場景圖(Scenegraphs).該場景圖又稱為分枝圖(Branchgraph),它包括繪制對象節點、光照節點、行為節點和聲音節點等,其中,包含內容節點的分枝圖稱為內容分枝,包含視平臺對象的分枝圖稱為視分枝,視平臺對象用來確定用戶的位置和方向.圖3表示了具有多分枝圖的Java3D場景.圖3 應用程序場景圖由于這種分枝圖只描述了場景所要繪制的對象,并不確定對象的繪制次序,因此圖中節點的次序和位置與對象的繪制次序無關,而圖中的父節點和子節點的直線路徑就唯一確定了子節點的圖形范圍.由于繪制次序的不確定性,因而使得Java3D能橫越場景圖的任何次序,且它能從左到右,從頂部到底部穿過場景圖;或者從右到左,甚至并行遍歷整個場景圖.Java3D的分支圖為樹狀結構,且圖中的每一個節點只有一個父節點.這樣通過輔助的場景圖機制就可以實現通用場景圖的共享,而且具有連接屬性的葉節點可以連接到共享子圖.分枝圖中的節點分為群節點(groupnode)和葉節點(leafnode)兩類,其中,群節點按照粘貼的原理來組織場景圖單元。
群節點的層次結構圖一般群節點包括:BranchGroup、TransformGroup、Switch、OrderGroup、DecalGroup和ShareGroup節點,其中,BranchGroup是分枝圖的根節點;而TransformGroup用來指明所有子節點的位置和方向;Switch則用于實現一個或多個子圖的轉換;OrderGroup用于使它的子節點按照特定的次序繪制;DecalGroup是OrderGroup的一個子集;ShareGroup跟BranchGroup一樣,是一個場景圖的根節點.雖然共享圖作為Java3D場景圖的一部分從不直接出現,但是連接節點可以引用.另外群節點還可以包含各種子節點以及所包含對象的群節點或葉節點.這些子節點用一個關聯索引屬性來允許對特定的子節點進行操作.如果沒有指明特定的順序群節點,Java3D還可以按照任意指定的順序來繪制群節點的子節點.雖然葉節點是場景圖的抽象類,它沒有子節點,但葉節點包括了Java3D的各種信息.葉節點由Shape3D、ViewPlatform、Sound、Light以及用戶定義的行為節點等組成,Shape3D和ViewPlatform節點在Java3D的視模型和輸入模型中扮演著重要的角色,因為它描述了圖形系統的兩個重要方面,其中,Shape3D描述了場景中對象的幾何形狀,而ViewPlatform則標定了用戶或其視點在虛擬環境中的方向或位置.
另外,應用程序還可像操縱分枝圖中的任意對象一樣,來操縱ViewPlatform,而且應用程序還可平移、旋轉和縮放ViewPlatform,即通過改變ViewPlatform的位置和方向,ViewPlatform將隨同用戶的視點一起移動,來瀏覽整個虛擬環境.雖然ViewPlatform是按照事先規定的路線瀏覽場景,但不會限制用戶視點的移動和向不同方向瀏覽場景.圖5顯示了葉節點的層次結構圖. 應用實例本文利用Java3D建造了包含一立方體的簡單虛擬場景,并利用Java3D提供的輸入設備模型接口,設計了一虛擬輸入設備控制臺,來對虛擬場景中的立方體進行考察和操作.該虛擬控制臺可通過Java3D的傳感器對象,來模擬各種VR輸入跟蹤設備,其中在Java平臺下瀏覽的虛擬場景及虛擬輸入設備控制臺如圖6、圖7所示.圖6 虛擬場景圖7 虛擬輸入設備控制臺6 結語與展望Java3DAPI的出現為Java在VR和Internet的應用和開發注入了新的活力,因為Java3D所提出的全新的基于視平臺的視模型和輸入設備模型技術,不僅可實現對頭盔顯示和多輸入6DOF跟蹤設備的支持,而且可針對不同的應用方便靈活地開發自己的VR應用系統,由于Java3D是基于Internet的軟件開發平臺,同時它能將圖形功能與Internet很好地集成在一起,因此,利用它來開發基于網絡的VR系統將會有巨大的潛力.可以預見,不久的將來,各種面向網絡的VR應用(如電子商場、遠程教學和遠程醫療等)將會把人們帶入復雜逼真的虛擬場景中.