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試析基于X3D的虛擬植物建模和可視
X3D虛擬現實(shí)技術(shù)的基礎上，介紹并分析了基于X3D虛擬植物建模的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)勢，進(jìn)一步探索了基于X3D虛擬現實(shí)技術(shù)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(wèn)題，并為未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。
1、X3D虛擬現實(shí)技術(shù)概述
虛擬現實(shí)(VirtualReality)是20世界80年代初由VPLResearch公司創(chuàng )始人JaronLanier提出的。已廣泛應用于科學(xué)研究和可視化、軍事模擬、工程應用、醫學(xué)、商業(yè)、教育及娛樂(lè )等領(lǐng)域。X3D虛擬現實(shí)技術(shù)是目前虛擬現實(shí)技術(shù)中最前沿的科技，2004年10月正式通過(guò)ISO/IEC審議成為網(wǎng)絡(luò )三維國際通用標準ISO/IEC19775。X3D虛擬現實(shí)技術(shù)整合了XML、JavaSeript、Java、Java3D和流技術(shù)等世界先進(jìn)技術(shù).具有更強大、更高效的三維計算能力、渲染質(zhì)量和傳輸速度。它克服了以往其它虛擬現實(shí)語(yǔ)言存在兼容性及可擴展性差、對瀏覽器的依靠過(guò)強、編程能力弱等缺點(diǎn)，將其應用于農業(yè)信息領(lǐng)域，顯示其巨大的發(fā)展潛力，前景十分廣闊。
1.1X3D虛擬現實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)
(1)XML編碼
X3D采用XML編碼，使其具有通用性、易于頁(yè)面集成、和下一代Web融合等諸多優(yōu)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(chuàng )建和XML兼容的VRML代碼，提供了一組XML通用實(shí)體和元素類(lèi)型聲明。VRML2OOX規范草案包含一個(gè)完整的DTD，它定義了X3D的XML標記和這些標記功能實(shí)現之間的聯(lián)系。而DOM為程序和腳本動(dòng)態(tài)的訪(fǎng)問(wèn)和更新XML文檔的內容、結構樣式提供了和平臺、語(yǔ)言無(wú)關(guān)的接口。
(2)構件思想
X3D體系結構的設計是以構件技術(shù)為指導的，這里構件是指功能相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)節點(diǎn)類(lèi)型的一個(gè)集合，一個(gè)構件擴展內核在某一特定領(lǐng)域的功能。X3D首先將VRML的關(guān)鍵特性封裝為一個(gè)小型可擴展的內核。然后通過(guò)特性集擴展內核，實(shí)現復雜的或是應用程序定義的功能。構件思想帶來(lái)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(shí)技術(shù)的優(yōu)勢
X3D被定義為可交互操作、可擴展、跨平臺的網(wǎng)絡(luò )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(kāi)放原代碼工具包，在X3D中需要使用非凡的功能時(shí)，可以調用由Java等編寫(xiě)的程序，由于Java平臺無(wú)關(guān)性，這樣可在不同的硬件和軟件平臺上實(shí)現瀏覽，拓寬了信息共享范圍。在組件優(yōu)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(shí)技術(shù)，植物形態(tài)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(wèn)數據，在計算機上三維建模語(yǔ)言編程調用空間數據來(lái)實(shí)現植物三維模擬和再現，模擬植物在三維空問(wèn)中的生長(cháng)發(fā)育過(guò)程。虛擬植物能夠精確地反映現實(shí)植物的形態(tài)結構，以可視化的方式反映植物的形態(tài)結構規律。
2.1虛擬植物建模和可視化開(kāi)發(fā)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(gè)完整的虛擬植物實(shí)體對象一般包含葉、莖、花、根等幾個(gè)主要結構部分以及一些相關(guān)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(shí)現植物的三維可視化外，其另一個(gè)重要的功能就是通過(guò)script編程、API編程或其它技術(shù)能實(shí)現虛擬植物專(zhuān)題信息的展示和反饋。甚至實(shí)現一定的分析功能.協(xié)助農業(yè)相關(guān)部門(mén)進(jìn)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(zhuān)題信息展示功能+信息反饋功能+分析功能。實(shí)現步驟如圖2。
2.2基于X3D植物形態(tài)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(chuàng )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(diǎn)直接編寫(xiě)程序。對于植物都具有根、莖、葉三個(gè)主要部分，葉子這種復雜的造型可以采用擠壓節點(diǎn)一Extrusion來(lái)實(shí)現。具體語(yǔ)句結構可參考有關(guān)文獻。但僅僅根據X3D語(yǔ)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(diǎn)直接編程之外，還要考慮使用其它輔助建模軟件創(chuàng )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(lái)建模.然后通過(guò)相應的接口導出X3D文件，最后編輯X3D源程序的相關(guān)部分來(lái)實(shí)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(zhì)、色彩建立光照效果、合成，最后轉成X3D文件，插入到虛擬環(huán)境中。
2.2.2交互編程方式在建模過(guò)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(diǎn)編程。script節點(diǎn)可以幫助X3D完成復雜的交互過(guò)程.它有以下4個(gè)功能摘要：可感應環(huán)境的變化及用戶(hù)的操作摘要：從其它節點(diǎn)接收事件并進(jìn)行一些處理;內部的程序塊可完成一些計算工作;通過(guò)發(fā)送事件使外界產(chǎn)生相應的變化。Scrip節點(diǎn)可以像其它的X3D節點(diǎn)一樣放置在場(chǎng)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(yǔ)言是Javascript和VRMI_script�；赬3D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(guò)X3D的外部編程接口A(yíng)PI進(jìn)行編程。這種編程方式答應虛擬場(chǎng)景和其它對象溝通，因而可以實(shí)現虛擬場(chǎng)景和其它對象的結合，達到令人滿(mǎn)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(wèn)題
3.1應用目前狀況
X3D技術(shù)在國內外已用很多應用成果.如美國海軍探究生院fNPS1進(jìn)行曲——基于Web的場(chǎng)景創(chuàng )作及可視化探究和開(kāi)發(fā)的項目SAVAGEProject.就是基于X3D技術(shù)進(jìn)行研發(fā)的，并取得了階段性的成果.
LATFICETechnology利用X3D的擴展.LatticeXV1parametric進(jìn)行醫療方面的應用取得了令人欣喜的成果，還有一些已經(jīng)投入應用的X3D技術(shù)，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(hù)端自動(dòng)下載安裝。中國在X3D技術(shù)方面的發(fā)展要落后于西方國家。但是由于X3D有著(zhù)神奇的效果、精簡(jiǎn)的代碼和靈活的語(yǔ)法結構，探究X3D技術(shù)的人越來(lái)越多。
3.2存在的新問(wèn)題
對于基于X3D的虛擬植物的探究可以說(shuō)現在仍處于初級階段，存在著(zhù)許多技術(shù)和實(shí)踐中的新問(wèn)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(lián)系、植物和環(huán)境的相互關(guān)系、地上部分和地下部分的整體聯(lián)系以及生理生態(tài)和形態(tài)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(lián)系起來(lái)，可能具有更大的探究意義。其次，植物種類(lèi)繁多，植物生長(cháng)機理復雜要想真實(shí)地虛擬植物的生長(cháng)過(guò)程還較困難。網(wǎng)此除了對植物生長(cháng)過(guò)程進(jìn)行大量的觀(guān)察和測量外還必須探究虛擬植物模型和具體植物的生態(tài)生理模型有機結合的新問(wèn)題。
(2)缺乏多學(xué)科知識的融合。植物生長(cháng)建模探究應該以綜合各類(lèi)信息技術(shù)為途徑，擴展并強化它在農林業(yè)中的廣泛應用。目前，雖然已經(jīng)包括了綜合應用遙感(RS)技術(shù)、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)控制、人工智能、多媒體等，但結合運用不夠，沒(méi)有為虛擬植物建模探究帶來(lái)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(lèi)社會(huì )的影響才剛剛開(kāi)始。作為一種新生事物，它的發(fā)展前景十分廣闊，有許多值得進(jìn)一步探索的探究課題。
由于植物生長(cháng)機理和生長(cháng)過(guò)程十分復雜.需要探究如何建立能真實(shí)反映植物生長(cháng)機理的生理生態(tài)模型(如光合功能模型及呼吸功能模型等)以及植物生長(cháng)環(huán)境模型如光照、土壤、水肥等模型);在此基礎上，為了能夠真實(shí)有效地模擬農作物的生長(cháng)過(guò)程。還需進(jìn)一步探究形態(tài)發(fā)生模型和生理生態(tài)模型的有機結合。
以后，根系虛擬探究將成為重點(diǎn)。目前植物根系的模擬是虛擬植物探究中最為薄弱的環(huán)節。由于根系是植物和外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的重要媒介，要真實(shí)模擬水分、肥料等環(huán)境因素對植物生長(cháng)發(fā)育的影響『引，加強根系的探究尤為必要�？梢哉J為，根系的探究將成為虛擬植物未來(lái)的重要探究方向。
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