X3D的虛擬植物建模

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 用於科 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審議成為網路三維國際通用標準 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 現實語言存在相容性及可擴充套件性差、對瀏覽器的依靠過強、程式設計能力弱等缺點，將其應用於農業資訊領域，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採用 XML編碼 ，使其具 有通用性 、易於 頁面整合 、和下一代 Web融合等諸多優勢.並引入了基於元件的結構.具有相容性 、可擴充套件性 、輕量化 的核心等特徵。XML編碼為建立和 XML相容的 VRML程式碼 ，提供了一組 XML通 用 實體 和元 素 類 型聲 明 。VRML2OOX規範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 間的聯絡。而 DOM為程式和指令碼動態的訪問和更新 XML文件的內容 、結構樣式提供 了和平臺 、語言無關的介面。

(2)構件思想

X3D體系結構的設計是以構件技術為指導的，這裡構件是指功能相關 的一個或多個節點型別的一個集合 ，一個構件擴充套件 核心在某一 特定領域的功能 。X3D首 先將 VRML的關鍵特性封裝為一個 小型可擴充套件的 核心 。然後通過特性 集擴 展核心 ，實現複雜 的或是應用程式定義的功能。構件思想帶來的好處主要有摘要：精巧的核心 、擴充套件能力 、減少 了對資源 的佔用。

1.2 X3D虛擬現實技術的優勢

X3D被定義為可互動操作、可擴 展 、跨平臺的網路三維內容標準。X3D中添加了新的.功能元件 ，推出Java、XML通用平臺下的開放原始碼工具包，在 X3D中需要使用非凡 的功能時 ，可以呼叫由 Java等編寫的程式 ，由於Java平 臺無關性 ，這樣可在不同的硬體和軟體平臺上實現瀏覽 ，拓寬了資訊共享 範圍。在元件優化的結構下 ，X3D擴充套件新的功能將更快捷。X3D的內容是模組化的和可重 復使用 的 ，根據可擴充套件 和模組化的結構 ，瀏覽器可以只需支援需要 的概貌 。X3D支援也提供了一種MPEG一4支援的方式。 X3D 是MPEG一43D渲染的基礎。

2 基於X3D的植物建模和視覺化

基於 X3D的虛擬植物建模和視覺化 。是一種基 於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 儀器採 集植 物空 問資料，在計算機上三維建模語言程式設計呼叫空間資料來實現植物 三維模擬和再現 ，模擬植物在 三維空問中的生長髮育過程 。虛擬植物能夠精 確地反 映現實植物 的形態結構 ，以視覺化的方式反映植物 的形態結構規律。

2.1 虛擬植物建模和視覺化開發的基本原理

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物件一般包含葉 、莖 、花 、根等幾個主要結構部分 以及一些相關 的輔助設施 ，這些基本模型的製作採用現有較成熟的三維設計軟體 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程式設計 、API程式設計或其它技術能實現虛擬植物專題資訊的展示和反饋。甚至實現一定 的分析功能 .協助農業相關部門進行植物資訊收集和反饋。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+專題資訊展示功能+資訊反饋功能+分析功能。實現步驟 如圖 2。

2.2 基於X3D植物形態結構模型的建立和視覺化

2.2.1 三維結構建模方法 利用 X3D建立虛擬植物，生成三維模型的方法大致如下 摘要：

(1)利用 X3D節點直接編寫程式 。對於植物都具有根 、莖 、葉三個主要部 分 ，葉子這種 複雜 的造型可以採用擠壓節點一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，對於複雜模型的構造和修改就 比較不方便。

(2)除了使用節點直接程式設計之外，還要考慮使用其它輔助建模軟體建立模型。由於一些結構和外形的複雜性，直接用 X3D建模比較困難，可以利用第 三方的造型軟體來建模.然後通過相應的介面匯出X3D檔案，最後編輯 X3D 源程式 的相關部分來實現。通常的做法是，利用 AutoCAD建立複雜模型後，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，最後轉成 X3D檔案 ，插入到虛擬環境 中。

2.2.2 互動程式設計方式在建模過程中.X3D 中常用的程式設計方式主要有以下二種 摘要：

(1)用 X3D中的script節點程式設計。script節點可以幫助 X3D完成複雜的互動過程.它有以下4個功能摘要：可感應環境的變化及使用者的操作摘要：從其它節點接收事件並進行一些處理;內部 的程式塊可完成一些計算工作;通過傳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，可以重新命名，可以從它那裡移走事件，也可以把事件傳給它。這是最常用的程式設計方法，目前用的較多的描述性語言是 Javascript和 VRMI_script。目前大多X3D瀏覽器都支援Javascript程式設計.而支援VRMLSeript程式設計的瀏覽器主要是 BS Contact Player。

(2)通過 X3D的外部程式設計介面API進行程式設計。這種程式設計方式答應虛擬場景和其它物件溝通，因而可以實現虛擬場景和其它物件的結合，達到令人滿足的效果。

3 國內外 X3D在專案中的應用目前狀況、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——基於Web的場景創作及視覺化探究 和開發 的項 目 SAVAGE Project.就是基於X3D技 術進行研發的，並取得了階段性的成果.

LATFICE Technology利用X3D的擴充套件 ice 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。他們並不是採用 plugins的 方式.而只需要 Web瀏覽器支援 Java，就可以在使用者端自動下載安裝。中國在X3D技術方面的發展要落後於西方國家。但是由於X3D有著神奇的效果、精簡的程式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

對於基於 X3D的虛擬植物的探究可 以說現在仍處於初級階段，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絡、植物和環境的相互關係、地上部分和地下部分 的整體聯絡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絡起來，可能具有更大的探究意義。其次，植物種類繁多，植物生長機理複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資訊科技為途徑 ，擴充套件並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、地理資訊系統 (GIS)、全球定位系統(GPS)、網路技術 、感測技術、自動控制 、人工智慧、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 基於 X3D的虛擬植物探究前景展望

基於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。

由於植物生長機理和生長過程十分複雜.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。

以後 ，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。由於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髮育的影響『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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