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Java3D入门教程2:新的观察模式
2012年3月20日    评论:    分享:

    来源:第三维度

       Java3D API是Sun定义的用于实现3D显示的接口。3D技术是底层的显示技术,Java3D提供了基于Java的上层接口。java3D用其自己定义的场景图和观察模式等技术构造了3D的上层结构,实现了在Java平台使用三维技术。本文在原理上着重介绍Java3D特有的两个重要概念:场景图(Scene Graph)、观察模式(View Model)。在接口使用上的介绍分为两部分:实例说明如何使用Java3D接口;说明如何将Java3D技术与Java原有的Web技术(JSP、Serverlet)相结合,在网页上实现三维显示。

  Java3D引入了一种新的观察模式,这种模式使Java编写的显示效果符合"编写一次,随处运行"的原则。Java3D还把这种功能推广到显示设备或六等级自由度输入外部设备,例如跟踪摄像头。这种新的观察模式的"一次编写,随处观察"的特性意味着用Java3D观察模式编写的应用程序和Applet可以广泛应用于各种各样的显示设备。在不修改场景图的条件下,图像可以在包括标准电脑显示、多放射显示空间和安装摄像头设备的显示设备上被渲染。这也意味着在不需要修改场景图的情况下,同一个应用程序既能够渲染立体景象,还能通过摄像头的输入控制渲染过的观察图。

  Java3D的观察模式通过完全分离虚拟和现实世界来实现这种多功能性。这种模式区分了以下两种情况:

  一个应用程序通过控制观察平台的位置和方向在虚拟宇宙中对一个观察台对象(ViewPlatform)定位、定向和设定比例尺;

  渲染器使用已知位置和方向计算出要使用的观察对象,对终端用户物理环境的描述确定用户在物理环境中的位置和方向。

  1 为什么使用一个新的模式

  在底层的编程接口中可以找到基于照相机的观察模式,开发者通过它可以控制所有渲染图的参数。它可以应付处理常规的应用程序,但是处理有更广阔的适应性的系统的时候就显得力不从心,这些系统包括:把整个世界作为一个单元装入和显示的观察器或浏览器、可供终端用户观察、操纵、显示、甚至与虚拟世界交互的系统。

  基于照相机的观察模式仿效在虚拟世界中放置一个照相机而不是一个人。开发者必须持续重新配置一个照相机来模拟"在虚拟世界中有一个人"。

  Java3D观察模式直接和跟踪摄像头结合。在有摄像头的情况下,用户会有好像他们是真实的存在在那个虚拟世界的错觉,而开发者可以不做任何附加的工作就可以为用户带来这种效果。

  在没有摄像头并且只是用来表现一个单一的标准显示的情况下,Java3D观察模式表现得更像传统的基于照相机的观察模式,只是加上了能够产生立体透视图的功能。

  在一个需要由物理环境规定一些观察参数的系统中,让应用程序来控制所有的观察参数并不合理。

  例子就是:一个带有摄像头的显示设备可以用其光系统直接决定应用程序中的观察领域。不同的设备有不同的光系统,程序开发者硬绑定这样的参数或允许终端用户改变这样的参数都是不合理的。

  另外一个例子是:一个可以由用户当前的头部位置自动计算出观察参数的系统。只有一个对世界的说明和一条预先定义的轨迹可能不会严密的定义一个终端对象的观察。对于有摄像头设备用户,他们可能会期待在沿着一条固定的路线前进的时候能够看到他们左右两旁的物体。就好像在一个游乐场中,游客乘坐观光车按照固定的路线参观游乐场,但是在这过程中,游客可以持续转动他们的头。

  由于依靠终端用户的具体物理环境,观察的各个参数,尤其是观察和投影的基体变化很大。影响观察和投影基体的因素包括显示设备的物理尺寸,显示设备的安装方法(在用户的桌面或用户的头顶上),计算机是否知道用户的头在三维空间的位置,头顶装置真实的观察领域,显示设备上每平方英寸的像素数,还有其他类似的参数。

  Java3D建立的观察模式完全可以满足上述所有的需求。

  2 分离物理和虚拟

  Java3D分离了虚拟环境和物理环境:应用程序在虚拟环境中按照一定关系放置对象,而用户存在在物理环境之中,看计算机显示器并操纵输入设备。

  Java3D也定义了用户所在的物理世界和图像程序所在的虚拟世界之间最基本的通信。这种"物理到虚拟世界"的通信定义了一个单一的公共空间,在这个空间中用户的动作影响虚拟世界中的对象,而在虚拟世界中的任何活动都会影响最终用户的观察。

  虚拟世界是虚拟对象存在的通用空间。虚拟世界的坐标系统相对于每个Locale对象的高分辨率坐标存在,它定义了所有附加于这个Locale的虚拟世界坐标原点。包含当前活动的观察平台对象的Local定义了用来绘图的虚拟世界坐标。Java3D最后把所有图像单元的坐标转换到通用的虚拟世界空间中。

  物理世界就是指真实的世界。这是真实的用户存在和移动他(她)的头和手的空间。这也是使用任何物理追踪仪可以定义他们的局部坐标和几个标准的坐标系统被描述的空间。

  物理世界是一个空间,而不是Java3D不同的程序执行实例之间的通用坐标系统。所以当两个不同的计算机在世界上两个不同的地方同时运行同一个程序的时候,Java3D中没有直接来描述它们在物理世界坐标系统中相对位置的机制。因为标准问题,当地的跟踪系统仅仅定义了特定的Java3D应用程序实例的物理坐标系统。

  3 Java3D中用来定义观察的对象

  Java3D通过几个对象来发布它的观察模式。特别是View对象和与它相关的组件对象:PhysicalBody对象、PhysicalEnvironment对象、Canvas3D对象、Screen3D对象。图3描述了View对象的中心角色和组件对象的辅助角色。

  观察有关的对象都在图3中,它们起的作用如下:

  ViewPlatform(观察平台):一个view用一个叶子结点来在场景图为自己定位。观察平台的起始结点指定了它的位置、方向和在虚拟世界中的比例尺。

  View(观察):主要的观察对象包含了很多观察的状态。

  Canvas3D:抽象窗口工具箱中画布对象的3D版本。它描绘了一个可以让Java3D在上面画图像的窗口。它包括了一个对Screen3D对象的引用和描述一个Canvas3D要用到的尺寸、形状和位置信息。

  Screen3D:一个包含描述显示荧屏物理属性信息的对象。Java3D把显示荧屏信息分别放在单独的对象中,这样做可以防止在每一个Canvas3D对象中不同的显示屏幕信息共享一个屏幕。

  PhysicalBody:一个包含刻度信息的对象,它描述了用户的物理身体。

  PhysicalEnvironment:一个包含刻度信息的对象,它描述了物理世界。主要的信息描述了环境的六自由度硬件。

Java3D入门教程2:观察模式
图1:View和它的组件对象以及它们的相互联系

  这些对象一起描述观察的几何体胜于明白的提供观察或投影基体。Java3D的表现工具用这个信息来构造适合的观察和投影基体。这些观察对象的几何中心为产生一个观察提供了更大的弹性,这种弹性需要支持可以选择的显示配置。

    4 ViewPlatform: 在虚拟世界中的位置

  一个Viewplatform结点定义了一个坐标系统。这样,在虚拟世界中就有了一个有原点或参考点的参考系。观察平台是一个附加在观察对象的点并且作为决定描绘工具观察的基础。

  图2表示了一个场景图的一部分,它包括一个观察平台结点。直接在观察平台之上的结点决定了它在虚拟世界中的位置和方向。应用程序和或行为通过修改直接在观察平台之上任何与TransformGroup结点结合的Tramsform3D对象可以在虚拟世界中任意移动VierPlatform。一个简单的应用程序可能直接在一个观察平台上定义一个TransformGroup结点。

  一个虚拟宇宙可能有很多不同的观察平台,但是一个特定的View对象只能附加于一个单一的观察平台之上。这样,每个画在Canvas3D上的图画都是从一个单一的观察平台开始。

Java3D入门教程2:观察模式
图2:包含观察平台的一部分场景图

  5 如何在虚拟世界中移动

  应用程序通过修改观察平台的上级TransformGroup在虚拟世界中航行。修改一个观察平台的位置和方向的应用程序的例子包括:浏览器、提供航行控制的阅读器、做建筑预设计的程序、甚至是搜寻和毁坏游戏。

  控制观察平台对象能产生很有趣和有用的结果。我们可以定义一个简单的场景图,这个程序的目的是在窗口的正中画了一个对象并且绕自己的中心转动。

  我们不管在中心的对象,而让ViewPlatform在虚拟世界中绕圈。如果形体结点包括一个地球模型,这个程序可能产生一个类似于绕地球的远航员观察对象。

  如果在这个世界中加入更多的对象,这个场景图允许经由行为结点来浏览整个虚拟世界。

Java3D入门教程2:新的观察模式
图3:一个由观察控制的简单场景图

  应用程序和动作通过TransformGroup的可访问方法操纵它。这些方法允许应用程序得到和设置组结点的Transform3D对象。Transform3D结点有setTransform和getTransform两个方法。

  6 加载于喜欢的地方

  一个场景图可能包括多个观察平台对象。如果用户把一个观察对象从一个观察平台分离,然后把这个观察对象附加到另外一个不同的观察平台上。显示屏上的图像现在就要从新的观察平台上的观察点画图了。

  在Java3D的绘图机制中,真实的观察由当前附加观察平台的观察附加策略决定。观察平台定义了设置和得到观察附加策略的方法:

    public void setViewAttachPolicy(int policy)
    public int getViewAttachPolicy()

  这些方法设置和得到在虚拟世界策略中的共存中心。默认的附加策略是View.NOMINAL_HEAD。观察平台的附加观察策略决定了Java3D怎样在观察平台中放置出射点。这个策略可以是以下的几个值之一:

  View.NOMINAL_HEAD:保证终端用户在物理世界名义上的眼睛位置对应于在虚拟世界中虚拟眼睛的位置。本质上,这个策略告诉Java3D要用同一种方法把虚拟出射点和观察平台原点及物理出射点和物理世界的原点相对放置。物理世界中出射点的方向和位置与原点的背离会产生相应的虚拟出射点的方向和位置在虚拟世界中的背离。

  View.NOMINAL_FEET:保证终端用户的虚拟世界中的脚一直接触虚拟地面,这个策略告诉Java3D要以这种约束计算物理-虚拟世界的通信。为达到之一目的,Java3D通过移动终端用户的眼睛位置和物理高度。Java3D用在PhysicalBody对象中的nominalEyeHeightFromGround参数来执行这个计算。

  View.NOMINAL_SCREEN:允许应用程序总是拥有一个和"感兴趣的点"保持"可观察"距离的出射点。这个策略也决定了Java3D计算"物理到虚拟世界"通信的方法。这个方法保证程序根据PhysicalBody对象定义nominalEyeOffsetFromNominalScreen参数来设置虚拟出射点与要表现的点之间的距离。

  7 在三维世界中建立、移动观察点

  形体移动的实现向来都是三维实现的难点和复杂之处,传统三维技术的实现多是注重模拟三维物体的真实移动。而Java3D除了提供传统的方案,还可以在一个存在的三维世界中移动一个观察点,借助观察点的移动模拟物体的移动。如同物理所学的切割磁力线发电,转子和静子本来就是一对可以互逆的对象,结果都是把动能转化为电能。例2的代码显示了在Virtual Universe中建立Viewer、ViewPlatForm、和如何通过绑定OrbitBehavior实现移动ViewPlatform。

    setLayout(new BorderLayout());
    Canvas3D c = new Canvas3D(null);
    add("Center", c);
    Viewer viewer = new Viewer(c);
    Vector3d viewpoint = new Vector3d(0.0,0.0,2.41);
    //初始观察点位置
    Transform3D t = new Transform3D();
    t.set(viewpoint);
    ViewingPlatform v = new ViewingPlatform( );
    v.getViewPlatformTransform().setTransform(t);
    u = new SimpleUniverse(v,viewer);
    u.getViewingPlatform();
    ViewingPlatform viewingPlatform = u.getViewingPlatform();
    OrbitBehavior orbit = new OrbitBehavior(c, OrbitBehavior.REVERSE_ALL);
    BoundingSphere bounds =
    new BoundiBoundingSpherengSphere(new Point3d(0.0, 0.0, 0.0), 100.0);
    orbit.setSchedulingBounds(bounds);
    viewingPlatform.setViewPlatformBehavior(orbit);
    …. 

  例2 建立、移动观察点代码

标签:Java3D
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