浅谈三维模型在网络传输中的特点和应用

(呼伦贝尔学院，内蒙古 呼伦贝尔 021008)
摘 要：文章主要介绍了两种三维建模软件，并着重就三维模型的不易压缩、占空间大等特点与网络 传输造成的矛盾作了分析与研究，供广大三维模型爱好者参考。
关键词：三维模型；网络传输；VRML；代码优化
中图分类号：TP393  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)08—0092—02

从20世纪中叶开始发展的计算机技术，成为了人类发展历 程上的一次革命。而从20世纪90年代开始迅速发展的国际互联网技术，则将这次革命推向了 高潮。互联网与其他技术相比，它的特点就在于发展速度非常快，短短的10年里就席卷全世 界，很多人的工作、生活方式都被彻底改变了。在网络上学习、观赏并且分享三维模型已经 成为很多人的主要学习和工作方式。三维建模软件是很多业内人士和广大网友经常使用的软 件。下面为大家简单介绍两种三维建模软件的特点以及关于代码优化的一些问题。
1 VRML语言

VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言，是一种用于建立真实 世界的场景模型或虚构的三维世界的场景建模语言，具有平台无关性，是目前Internet上基 于 WWW的三维互动网站制作的主流语言。它能把对Web的感受从以页面为中心的模式转变为 交互、三维、动态、逼真的世界。它能在平面的计算机屏幕上，使用景深、投影、阴影及其 他技术显示三维图像，结果是在平面上显示了空间信息，允许用户在虚拟景象中移动，用户 可以在建筑物周围飞行，单击景物中的物体，可转到其他Internet网点的超链接或激活物体 的运动。

VRML是一种模型语言，用来描述一个目标对象是如何呈现在Web页面上的。同HTML语言一样 ，VRML语言也是可以由浏览器来解释执行的描述性语言，只不过VRML不是描述成一个页面的 格式，而是描述成3D环境和目标的布局。VRML被广泛地用于Internet上创建虚拟的三维空间 ，创建虚拟的建筑物、城市、山脉、飞船、星球等等。同时，还可以在虚拟世界中添加声音 和动画，甚至还可以是具有比浏览者的交互性更接近于现实世界的虚拟空间。

VRML的工作原理是用文本信息描述三维场景，在Internet网上传输，在本地机上由VRML的浏 览器解释生成三维场景，解释生成的标准规范即是VRML规范，而把复杂的处理任务交给本地 机从而减轻了网络的负荷。

VRML建模语言具有以下主要技术特征：①基于C/S模式的访问方式；②基于ASCII码的低 带宽可行性；③实时3D着色引擎；④可扩充性。2 三维造型〖HTK〗2.1 VRML 造型
VRML文件中的长方体（Box）、圆柱体（Cylinder）、圆锥体（Cone）、球体（Sphere）4种 最基本的空间造型是由相应的专门节点直接创建，而其他复杂的空间则由其他高级的造型方 法来创建。
2.1.1 简单造型。简单的三维造型可以容易的由VRML的shape节点的基本语法得到。这些节点定义的造型如同 图像压缩技术中的矢量图形的概念一样，它只是记载图形的一些参数，显示时由客户机自行 运算并渲染得到形体。
2.1.2 复杂造型。很多时候三维模型制作者可能要面对复杂形体的构造，每个部分造型均 是由多个开关拼接而成，为了使它看上去更真实，在可能的情况下，对每个造型取了尽可能 多的点用以描述所要表示的形状。
2.1.3 NURBS造型。计算机图形学发展到今天，NURBS作为一种专门为计算机3D建模而建立的曲面物体造型方法 ，已经成为曲面设计与造型的工业标准。NURBS的意思是非均匀有理B样条，是一种在3D的模 型空间中，用曲线和曲面表示轮廓和开关的方法，曲线和曲面用数学方法进行构造。NURBS 在VRML中的广泛应用将使三维模型文件变得很小，使得VRML在互联网上得以应用！
2.2 3D Studio MAX造型

在决定对象以什么形式显现之后，可以开始建模过程。在3D MAX中可以使用许多种不同的方 法和途径来建立模型。选择的方法不仅仅是依赖于制作者的建模喜好，最终是依赖于建模的 对象。在3D MAX中，可以使用的内部建模方式主要有网格建模、样条建模、面片建模、实体 建模、NURBS建模等。

由上述建模方法创建的参数化对象实际上可分为三个基本几何体类，即三角形网格、Bezier 面片和NURBS对象。这些几何体类之间可以相互转化，而且在3D MAX中，有可渲染表面的每 一个对象必须能够转换成三角形网格。

根据建模对象的特征，选择合适的建模方法，可以更准确、迅捷地创建几何模型。
3 代码优化
3.1 代码优化的必要性

三维模型最重要的特性是浏览者可以在随意变化的交互控制下感受到场景的动态特性。有两 种重要指标衡量用户所沉浸虚拟环境的效果和程度，其一是动态特性；其二是交互延迟特性。自然的动态特性要求每秒生成和显示30帧图形画面，至少不能＜10帧，否则将产生不连续和跳动感。交互 延迟，如飞行模拟时飞行位置、方向的控制，系统的图形生成必须能立即做出反应并产生相 应的环境和场景，期间的实践延迟不能大于0.1s，最多不能＞0.25s，否则在长期的工作中 浏览者会产生疲劳烦躁甚至恶心的感觉，严重地影响显示的效果。以上两种指标均依赖于系 统生成图形的速度，对于动态图形效果而言，每帧图形的生成时间局限于30～50ms，而对于 交互输入及其处理时间外，图形生成速度亦是重要因素。显而易见，图形生成速度是虚拟现 实的重要瓶颈，图形生成的速度主要取决于图形处理的软硬件体系结构，特别是硬件加速器 的图形处理能力以及图形生成所采用的各种加速技术。除此之外，还依赖于应用的因素、虚 拟场景的复杂程度和图形生成所需的真实感程度。

网络传输过程中虚拟现实环境的生成、浏览、控制，除了受客户机本身的软硬件图形处理能 力外，还受到网络带宽、交换机设备等的限制，所以三维实体造型结束后，需要考虑VRML文件的优化处理。因为如果文件下载时间过长，则 会使浏览者失去耐心，从而转向其他网址。所以必须保证总共下载长度小，或者在下载之前 压缩场景文件，以便用户可以在本地硬盘上运行文件。由于VR技术还不是很完善，目前还没 有开发出来这种可以智能化的优化软件，所以这一部分工作需要人工完成。
3.2 代码优化的方法

对于VRML文件的优化一般考虑以下几种方法：①简单形体用原型（primitives）方法直接编制VRML代码，可以减少代码长度，但是primi tives的多边形（polygons）较多，增加了客户机渲染的工作量，应当有所取舍。②IndexFaceSets的方式产生的polygons可以人工控制，可以相应减少其数量。③用DEF节点定义相似形体外形、颜色。这样，相似的实体就可以用USE节点引用缩短VRML代 码。④删去浏览器插件不能表现的材质和贴图代码。⑤用GROUP节点将形状复杂形体的不同部分组合在一起，减少客户端CPU占用率。⑥复杂形体可以采用计算程序和NURBS方式造型，大量减少程序段。⑦增加适当的程序说明，便于调试和维护。

如图1所示的机械零件造型，几何结构非常复杂，为了很好的表示其内部结构，采用3D MAX 的布尔运算来编制其造型是最简单的方法。但是用这种方法转换得到的VRML文件大概要1500 KB以上，非常不利于现行网络带宽条件下的传输。所以将变量壳分成很多部分单独造型，每 个部分都采用前面介绍的方法来优化文件，最后得到的VRML文件只有300KB左右。网络的基 本性质决定了服务器与客户终端机在连接过程中无论是上传还是下载都需要较长的时间，以 1MB带宽的ADSL线路为例，上传与下载速度最大约为128KB/S左右。所以如果想在网络中使用 三维建模，那么代码优化是很必要的。

相信随着计算机技术的发展与软件的不断更新，三维建模的制作效果与三维建模软件也会更 加完善，人工进行代码优化的这一过程在不久的将来一定会被软件自动代码优化代替的。
［参考文献］
［1］ 阳化冰，刘忠丽.虚拟现实构造语言VRML［M］.北京：北京航空航天大学出版 社，2000.
［2］ 汪兴谦.VRML虚拟造型实战演练［M］.北京：中国水利水电出版社，2002.
［3］ 陈邦本.3D Studio MAX速成教程［M］.北京：北京希望电子出版社，2001.
［4］ 中国IT培训工程编委会.3DS MAX动画制作培训班［M］．广州：珠海出版社，2 002.
［5］ 李志兰，陈岗.基于Internet的交互式远程教学课件的实现［J］.南京师大学 报(自然科学版),1999，（1）：19～22.