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基于X3D的虛擬植物建模與可視化研究
論文關鍵詞：X3D(Extensible 3D) 虛擬現實 虛擬植物 植物建模 可視化
論文摘要：本文在闡述 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，進一步探討了基于 X3D虛擬現實技術植物建模的原理與方法，最后，針對國內外應用現狀，提出了應用中出現的問題，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 (Virtual Reality)是20世 界 80年代初由VPL Research公司創始人 Jaron Lanier提出的。已廣泛應 用于科 學研 究與可 視化 、軍事 模擬 、工程 應用、、商業、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 現實存在兼容性及可擴展性差、對瀏覽器的依賴過強、編程能力弱等缺點，將其應用于信息領域，顯示其巨大的發展潛力，前景十分廣闊。
1．1 X3D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 、與下一代 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 的內核等特點。XML編碼為創建與 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 與這些標記 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 了與平臺 、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：精巧的內核 、擴展能力 、減少 了對資源 的占用。
1．2 X3D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中需要使用特殊 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的植物建模與可視化
基于 X3D的虛擬植物建模與可視化 。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，在上三維建模編程調用空間數據來實現植物 三維模擬與再現 ，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 虛擬植物建模與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 ．協助相關部門進行植物信息收集與反饋。這對植物的研究是極為有利的，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 ：
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與可視化
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 ：
(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，如果希望有更好的效果，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 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 ：
(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個作用：可感應環境的變化及用戶的操作：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。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。這種編程方式允許虛擬場景與其它對象溝通，因而可以實現虛擬場景與其它對象的結合，達到令人滿意的效果。
3 國內外 X3D在項目中的應用現狀、存在的問題
3．1 應用現狀
X3D技術在國內外已用很多應用成果．如美國海軍研究生院 fNPS1進行曲——基于Web的場景創作及可視化研究 與開發 的項 目 SAVAGE Project．就是基于X3D技 術進行研發的，并取得了階段性的成果．
LATFICE Technology利用X3D的擴展 ．Lattice XV1parametric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，研究X3D技術的人越來越多。
3．2 存在的問題
對于基于 X3D的虛擬植物的研究可 以說現在仍處于初級階段，存在著許多技術和實踐中的問題。
(1)模型的功能不夠強大。多數模型在 植物體結構與功能的聯系、植物與的相互關系、地上部分與地下部分 的整體聯系以及生理生態與形態 結構的耦合等方面欠完善。如果將地上部分與地下部分整體聯系起來，可能具有更大的研究意義。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 和測量外還必須研究虛擬植物模型與具體植物的生態生理模型有機結合的問題 。
(2)缺乏多學科知識的融合。植物生長建模研究應該以綜合各類信息技術為途徑 ，擴展并強化它在業中的廣泛應用。目前，雖然已經包括了綜合應用遙感 (RS)技術、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研究帶來更 多新的思路和方法。
4 基于 X3D的虛擬植物研究前景展望
基于X3D的虛擬植物研究對人類的影響才剛剛 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討的研究課題。
由于植物生長機理與生長過程十分復雜．需要研究如何建立能真實 反映植物生長機理的生理生態模型(如光合作用模型及呼吸作用模型等)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。還需進一步研究形態發生模型 與生理生態模 型的有機結合。
以后 ，根系虛擬研究將 成為重 點。 目前植物根系的模擬是虛擬植物研究中最為薄弱的環節。由于根系是植物與外界環境進行物質與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，加強根系的研究尤為必要。可以認為 ，根系的研究將成為虛擬植物未來 的重要研究方 向。
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