試析基于X3D的虛擬植物建模和可視

試析基于X3D的虛擬植物建模和可視

　　X3D虛擬現實技術的基礎上，介紹并分析了基于X3D虛擬植物建模的關鍵技術和優勢，進一步探索了基于X3D虛擬現實技術植物建模的原理和方法，最后，針對國內外應用目前狀況，提出了應用中出現的新問題，并為未來的研究方向進行了展望。

　　1、X3D虛擬現實技術概述

　　虛擬現實(VirtualReality)是20世界80年代初由VPLResearch公司創始人JaronLanier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、醫學、商業、教育及娛樂等領域。X3D虛擬現實技術是目前虛擬現實技術中最前沿的科技，2004年10月正式通過ISO/IEC審議成為網絡三維國際通用標準ISO/IEC19775。X3D虛擬現實技術整合了XML、JavaSeript、Java、Java3D和流技術等世界先進技術.具有更強大、更高效的三維計算能力、渲染質量和傳輸速度。它克服了以往其它虛擬現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，將其應用于農業信息領域，顯示其巨大的發展潛力，前景十分廣闊。

　　1.1X3D虛擬現實技術的關鍵技術

　　(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、輕量化的內核等特征。XML編碼為創建和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之間的聯系。而DOM為程序和腳本動態的訪問和更新XML文檔的內容、結構樣式提供了和平臺、語言無關的接口。

　　(2)構件思想

　　X3D體系結構的設計是以構件技術為指導的，這里構件是指功能相關的一個或多個節點類型的一個集合，一個構件擴展內核在某一特定領域的功能。X3D首先將VRML的關鍵特性封裝為一個小型可擴展的內核。然后通過特性集擴展內核，實現復雜的或是應用程序定義的功能。構件思想帶來的好處主要有摘要：精巧的內核、擴展能力、減少了對資源的占用。

　　1.2X3D虛擬現實技術的優勢

　　X3D被定義為可交互操作、可擴展、跨平臺的網絡三維內容標準。X3D中添加了新的功能組件，推出Java、XML通用平臺下的開放原代碼工具包，在X3D中需要使用非凡的功能時，可以調用由Java等編寫的程序，由于Java平臺無關性，這樣可在不同的硬件和軟件平臺上實現瀏覽，拓寬了信息共享范圍。在組件優化的結構下，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虛擬現實技術，植物形態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數據，在計算機上三維建模語言編程調用空間數據來實現植物三維模擬和再現，模擬植物在三維空問中的生長發育過程。虛擬植物能夠精確地反映現實植物的形態結構，以可視化的方式反映植物的形態結構規律。

　　2.1虛擬植物建模和可視化開發的基本原理

　　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、根等幾個主要結構部分以及一些相關的輔助設施，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。虛擬植物除了能實現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編程或其它技術能實現虛擬植物專題信息的展示和反饋。甚至實現一定的分析功能.協助農業相關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。實現步驟如圖2。

　　2.2基于X3D植物形態結構模型的建立和可視化

　　2.2.1三維結構建模方法利用X3D創建虛擬植物，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點一Extrusion來實現。具體語句結構可參考有關文獻。但僅僅根據X3D語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)除了使用節點直接編程之外，還要考慮使用其它輔助建模軟件創建模型。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源程序的相關部分來實現。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、色彩建立光照效果、合成，最后轉成X3D文件，插入到虛擬環境中。

　　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節點編程。script節點可以幫助X3D完成復雜的交互過程.它有以下4個功能摘要：可感應環境的變化及用戶的操作摘要：從其它節點接收事件并進行一些處理;內部的程序塊可完成一些計算工作;通過發送事件使外界產生相應的變化。Scrip節點可以像其它的X3D節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。基于X3D的虛擬植物建模和可視，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BSContactPlayer。

　　(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，因而可以實現虛擬場景和其它對象的結合，達到令人滿足的效果。

　　3、國內外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技術在國內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的場景創作及可視化探究和開發的項目SAVAGEProject.就是基于X3D技術進行研發的，并取得了階段性的成果.

　　LATFICETechnology利用X3D的擴展.LatticeXV1parametric進行醫療方面的應用取得了令人欣喜的成果，還有一些已經投入應用的X3D技術，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技術方面的發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構，探究X3D技術的人越來越多。

　　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在仍處于初級階段，存在著許多技術和實踐中的新問題。

　　(1)模型的功能不夠強大。多數模型在植物體結構和功能的聯系、植物和環境的相互關系、地上部分和地下部分的整體聯系以及生理生態和形態結構的耦合等方面欠完善。假如將地上部分和地下部分整體聯系起來，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生理模型有機結合的新問題。

　　(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為途徑，擴展并強化它在農林業中的廣泛應用。目前，雖然已經包括了綜合應用遙感(RS)技術、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)、網絡技術、傳感技術、自動控制、人工智能、多媒體等，但結合運用不夠，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模型(如光合功能模型及呼吸功能模型等)以及植物生長環境模型如光照、土壤、水肥等模型);在此基礎上，為了能夠真實有效地模擬農作物的生長過程。還需進一步探究形態發生模型和生理生態模型的有機結合。

　　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節。由于根系是植物和外界環境進行物質和能量交換的重要媒介，要真實模擬水分、肥料等環境因素對植物生長發育的影響『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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