Web3D技術(shù)教學(xué)土木工程論文
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Web3D技術(shù)與傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫技術(shù)的主要區(qū)別在于:
1)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖悄Ｐ臀募?，其傳輸量遠(yuǎn)小于視頻圖像;
2)由渲染引擎對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染并動(dòng)態(tài)顯示;
3)具有無限的交互性。Web3D的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要分為三部分，即建模技術(shù)、顯示技術(shù)和三維場(chǎng)景中的交互技術(shù)［1］。三維模型的實(shí)時(shí)建模與動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)是Web3D技術(shù)的基礎(chǔ)，該技術(shù)可以分為兩類:
1)基于幾何模型的實(shí)時(shí)建模與動(dòng)態(tài)顯示;
2)基于圖像的實(shí)時(shí)建模與動(dòng)態(tài)顯示。交互技術(shù)是Web3D技術(shù)的關(guān)鍵，Web3D軟件能夠直接實(shí)現(xiàn)常用的交互功能，復(fù)雜的交互功能則可以通過編程實(shí)現(xiàn)。
2常用的Web3D技術(shù)
2．1Cult3D
Cult3D是一種基于Java內(nèi)核的Web3D技術(shù)，由瑞典的Cy-core公司開發(fā)，用戶可以將第三方開發(fā)的Java類嵌入其中，極大地增強(qiáng)了Cult3D的交互性和擴(kuò)展性。為了提高開發(fā)效率，Cult3D的操作簡(jiǎn)單直觀，開發(fā)環(huán)境十分人性化和條理化。Cult3D包括Cult3DExporterPlug-in，Cult3DDesigner和Cult3DViewerPlug-in三個(gè)程序模塊。Cult3DExporterPlug-in用于將3DSMAX，MAYA等三維設(shè)計(jì)軟件制作的三維模型轉(zhuǎn)換為Cult3DDesigner支持的格式。Cult3DDesigner用于為模型加入交互功能，如縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等，導(dǎo)出后嵌入到網(wǎng)頁或其他應(yīng)用程序當(dāng)中。Cult3DViewerPlug-in是顯示插件，安裝該插件后，用戶即可在網(wǎng)上瀏覽采用Cult3D技術(shù)制作的三維模型，并進(jìn)行實(shí)時(shí)交互操作。
2．2ViewpointViewpoint
是一種基于XML構(gòu)架的Web3D技術(shù)，由美國的Viewpoint公司開發(fā)，它能夠十分方便地與數(shù)據(jù)庫和瀏覽器進(jìn)行通信，因此得到了廣泛的應(yīng)用。用戶僅需安裝一個(gè)免費(fèi)的插件，即可在網(wǎng)上瀏覽采用Viewpoint技術(shù)制作的三維模型，并進(jìn)行實(shí)時(shí)交互操作。與Cult3D技術(shù)不同的是，Viewpoint自己制作三維模型，而不是導(dǎo)入其他軟件制作的三維模型。Viewpoint模型的三維多邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有可伸縮性和流傳輸性?？缮炜s性即采用Viewpoint技術(shù)開發(fā)的Web3D模型能夠自動(dòng)地依據(jù)用戶電腦的性能和網(wǎng)絡(luò)速度調(diào)整模型的精度及相關(guān)技術(shù)參數(shù)，以確保用戶獲得最佳的體驗(yàn);得益于這種特性，一個(gè)高精度的Web3D模型就能夠滿足用戶對(duì)不同精度的需求，同時(shí)還可以大大減少設(shè)計(jì)者的開發(fā)工作量。流傳輸性允許用戶在下載模型數(shù)據(jù)的同時(shí)瀏覽Web3D模型，并與之交互?；谶@兩種優(yōu)越的特性，Viewpoint技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。
2．3Java3DJava3D
是Java語言在三維圖形領(lǐng)域的應(yīng)用編程接口(API)，由美國的SUN公司(2010年被Oracle公司收購)推出，利用Ja-va3D提供的API，可以快速開發(fā)基于網(wǎng)頁的三維動(dòng)畫、各種計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件和三維游戲等。采用Java3D開發(fā)Web3D程序時(shí)，開發(fā)者僅需調(diào)用這些API進(jìn)行編程，而客戶端只需要安裝標(biāo)準(zhǔn)的Java虛擬機(jī)即可瀏覽，而無需安裝額外的插件。Java3D把OpenGL和DirectX等底層3D技術(shù)封裝在Java3DAPI中，提供了一個(gè)高層的面向?qū)ο蟮木幊棠Ｐ?，從而?D技術(shù)不再繁瑣，并且可以加入到J2SE，J2EE的整套架構(gòu)中，這些特性使得Java3D技術(shù)具有強(qiáng)大的擴(kuò)展性。Java3D作為Java語言的擴(kuò)展，具有平臺(tái)無關(guān)性，即“一次書寫，隨處運(yùn)行”;采用Java3D開發(fā)的Web3D程序可以訪問所有的Java類，因此能夠很好地與In-ternet集成。Java3D支持運(yùn)行時(shí)裝載器，因而能夠兼容多種文件格式，包括各種廠商的自定義格式。
2．4X3D
X3D(Extensible3D)是新一代的Web3D國際標(biāo)準(zhǔn)，由Web3D協(xié)會(huì)(Web3DConsortium)于2003年，它在VRML97的基礎(chǔ)上發(fā)展進(jìn)化而來，更加成熟和完善。X3D整合了正在發(fā)展的XML，Java，流技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，包括更強(qiáng)大、更高效的3D計(jì)算能力、模型渲染質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。X3D采用XML(ExtensibleMarkupLanguage)———可擴(kuò)展標(biāo)記語言描述三維實(shí)體及其行為，XML是平臺(tái)無關(guān)的并且得到了廣泛的支持和應(yīng)用，XML具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì):擁有自定義的標(biāo)記語言來描述結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、易于編程者和計(jì)算機(jī)理解;具有有效的數(shù)據(jù)約束等。X3D的組件化體系結(jié)構(gòu)使其具有良好的可擴(kuò)展性和可定制性，它可以根據(jù)市場(chǎng)應(yīng)用和服務(wù)的需求添加組件以擴(kuò)展其功能，并且可以定制一系列標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展組件以滿足特定應(yīng)用的要求。X3D支持開發(fā)廣播/嵌入式應(yīng)用，可以用于從手機(jī)到超級(jí)計(jì)算機(jī)的各種設(shè)備。
3Web3D技術(shù)在土木工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用
土木工程專業(yè)的主干課程包括混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)抗震等，這些課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，且構(gòu)造要求很多，從而導(dǎo)致學(xué)生難學(xué)、教師難教。因此，如何幫助學(xué)生加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，提高學(xué)習(xí)效率，提升教學(xué)質(zhì)量，長(zhǎng)期以來一直都是土木工程專業(yè)教學(xué)改革的熱點(diǎn)。將這些課程中涉及的各種結(jié)構(gòu)組成，尤其是一些節(jié)點(diǎn)構(gòu)造制作成Web3D模型，用戶可以任意縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)模型，實(shí)現(xiàn)360°全景瀏覽，還能夠?qū)δＰ椭懈鞣N構(gòu)件的顯示或隱藏進(jìn)行控制。如此讓學(xué)生直觀且互動(dòng)地學(xué)習(xí)，有助于解決教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)問題，從而提高教學(xué)效果。下面以采用Cult3D制作鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造模型為例說明Web3D模型的制作方法及流程。
1)三維模型的建立和輸出。在AutoCAD中建立三維模型，導(dǎo)入3DSMAX中進(jìn)行渲染，最后由3DSMAX輸出為Cult3DDesig-ner可以接受的．c3d文件格式。
2)為三維模型加入交互功能。在Cult3DDesigner中加入各種觸發(fā)事件和動(dòng)作控制，以實(shí)現(xiàn)三維模型的交互功能。3)三維模型的導(dǎo)出和。將完成的三維模型輸出為．co文件格式，嵌入到網(wǎng)頁當(dāng)中。
4結(jié)語
隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，Web3D技術(shù)更加成熟和實(shí)用，應(yīng)用Web3D技術(shù)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)三維模型，有助于解決教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)問題，從而提高教學(xué)效果。土木工程專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)，教學(xué)難度大，Web3D技術(shù)在土木工程專業(yè)教學(xué)中表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛力，擁有廣闊的應(yīng)用前景。
作者：蔣汶宏 汪健人 張馳 單位：南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院