Geum.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации Ростовский Государственный Университет

Вид материалаДокументы

Содержание


СРАВНЕНИЕ ФОРМАТОВ ПУБЛИКАЦИИ ТРЕХМЕРНЫХ ВИРТУАЛЬНЫХ СЦЕН В СЕТИ INTERNET В КОНТЕКСТЕ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ (ОБЗОР) Потий О.А.
Ян Фостер, Джозеф Инсли
Подобный материал:
1   ...   48   49   50   51   52   53   54   55   ...   75


СРАВНЕНИЕ ФОРМАТОВ ПУБЛИКАЦИИ ТРЕХМЕРНЫХ ВИРТУАЛЬНЫХ СЦЕН В СЕТИ INTERNET В КОНТЕКСТЕ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ (ОБЗОР)

Потий О.А.

Ростовский государственный университет, ЮГИНФО


opotiy@mail.ru

Введение

Бурное развитие аппаратных и программных средств визуализации трехмерных объектов и сцен, частично связанное с успехами игровой индустрии, позволяет применить имеющиеся в этой сфере наработки в процессе исследования и обучения. Погружение исследователя в синтетическую трехмерную среду позволяет более эффективно воздействовать на визуально-пространственные рецепторы и, как следствие, более точно представить предмет изучения, по сравнению с двумерными динамическими или статическими слайдами – пользователь сам может выбрать ракурс отображаемого объекта, приблизить или удалить его, поменять параметры освещенности или закраски.

В археологии, архитектуре древности и современности, аэродинамических исследованиях и визуализации полей методы виртуальной реальности с успехом применяются на практике. Рассмотрение виртуальной модели какого-либо объекта или явления в интерактивном режиме позволяют значительно уменьшить затраты на обучение специалистов, так как не требуется наличие самого объекта, что делает не нужным выезд исследователя непосредственно к предмету изучения или моделирование ситуации с использованием дорогостоящего оборудования. Кроме этого, такой распределенный характер визуализации дает возможность удаленно наблюдать за ходом исследования или эксперимента, просматривая виртуальную модель объекта, синтезированную за многие километры от наблюдателя[1].

Существующие технологии создания виртуальной среды, такие как виртуальные телевизионные студии, камеры и площадки трехмерной среды, используются на корпоративном уровне и в большинстве своем не доступны рядовому пользователю. С другой стороны, в образовательном процессе, зачастую не требуется такого бескомпромиссного «погружения». В этих случая достаточно обойтись трёхмерным интерактивным изображением, отображаемым на плоскость монитора или проекционного экрана. При наличии специального оборудования и программного обеспечения можно получать стереоскопическое изображение на этих устройствах[2].

Наличие постоянно развивающегося Internet-сообщества со своей сетевой инфраструктурой, в свою очередь, позволяет разделить в пространстве серверную площадку с трехмерными сценами и пользователя их просматривающего. Таким образом, становится возможным использовать весь накопленный арсенал средств дистанционного обучения в совокупности с дистанционной визуализацией виртуальной модели.

Форматы представления трехмерных объектов

Широко распространены несколько Internet-ориентированных технологий создания виртуальных трехмерных сцен на потребительских рабочих станциях. В данном обзоре выделяется три средства – текстовые языковые форматы VRML[4] и 3DML[3], и бинарный формат Cult3D[6]. Принципиальная разница между этими форматами – способ описания трехмерных объектов в сцене. Форматы VRML и 3DML являются языковыми средствами, спецификация этих языков трехмерной разметки доступна для рядового пользователя. Формат Cult3D хранит описание сцены в виде бинарного файла. Структура этого формата пользователю не доступна. Работа с этими форматами предполагает наличие трёх инструментов и происходит в три этапа:
  • Система моделирования виртуальной среды, в которой происходит создание трехмерной сцены в визуальном или невизуальном режиме. Как правило, такими системами являются широко распространенные пакеты трехмерного моделирования и анимации, такие как 3DStudio MAX, MAYA, Lightwave и т.д. Среда моделирования не обязательно является специализированным программным продуктом. Работать с текстовыми форматами VRML и 3DML возможно с помощью обычных текстовых редакторов. Фирмы и консорциумы, предоставляющие средства просмотра этих форматов, как правило, предлагают и текстовые редакторы с подсветкой синтаксиса. Однако следует отметить, что полноценно работать со сложными полигональными моделями порядка нескольких сотен граней без применения специальных средств моделирования невозможно. Для работы с форматом Cult3D кампания CYCORE, являющаяся поставщиком этой технологии, предоставляет программные средства собственной разработки.
  • Модуль экспорта виртуальной сцены из системы моделирования. После работы над трехмерным объектом в какой-либо среде трехмерного моделирования происходит подготовка итогового результата, который будет размещен в сети для просмотра и изучения. В ходе экспорта возможна оптимизация модели с целью уменьшения мелких и незначительных деталей объекта. После этого, как правило, сцену, полученную в результате моделирования, подвергают сжатию алгоритмами семейства gzip, что дает хороший результат при работе с текстовыми форматами. Все эти меры направлены на уменьшение времени загрузки трехмерной сцены пользователем, которое является довольно критическим параметром, если учесть, что объект, состоящий из нескольких тысяч полигонов, может иметь размер сотен килобайт или единиц мегабайт. При существующих технических условиях доступа к сети целесообразно выбирать детализацию объектов таким образом, чтобы размер одного объекта не превышал сотни килобайт. При использовании этих технологий в рамках Intranet-сетей или при наличии высокоскоростных каналов доступа этот параметр может быть существенно пересмотрен.
  • Программа просмотра виртуальной сцены (броузер). Последним звеном в этой технологической цепочке является средство для визуализации сцены, описанной в файле вышеуказанных форматов. Для открытого формата VRML существует несколько модулей реализованных как plugin-компоненты для броузеров. Форматы 3DML и Cult3D являются собственностью кампаний-проихводителей и просмотрщики для них выпускают сами поставщики этих технологий. Наличие множества средств отображения языка VRML, с одной стороны, позволяет выбрать наиболее подходящее решение, что является несомненным достоинством этой технологии. С другой стороны фирмы-производители этих продуктов имеют свой взгляд на стандарт VRML’97 что приводит к их некоторой несовместимости между собой.

При описании любого формата виртуальных сцен, как правило, рассматривают набор геометрических примитивов, средства полигонального конструирования, способы текстурирования объектов и обеспечение их взаимодействия – как между собой, так и с пользователем. Эти компоненты являются характеристическими при классификации форматов и их сравнительный анализ является решающим фактором при выборе наиболее подходящего средства представления трехмерного объекта.

VRML

Аббревиатура VRML обозначает Virtual Reality Modeling Language – язык моделирования виртуальной реальности. Этот язык являлся одним из первых средств публикации трехмерных сцен в сети Internet. Изначально разработанный консорциумом Web 3D для отображения простейших примитивов и не имеющий даже зачатков интерактивности в версии VRML 1.0, этот язык разметки виртуальной реальности получил свое развитие в версии VRML’97[4]. Дальнейшие разработки в этой сфере привели к созданию спецификации X3D[5].

В спецификации VRML’97 присутствуют средства программирования для обеспечения необходимой интерактивности и взаимодействия с пользователем, что позволяет создавать объекты со сложным поведением. Наличие в языке чувствительных к нажатию объектов-сенсоров даёт способ описания таких сценариев как открытие двери при нажатии на ручку и множества других поведенческих стратегий. Такая интерактивность позволяет иметь дело не только с внешностью объекта, но и с его внутренним динамическим содержанием, что является чрезвычайно важным при использовании такой трехмерной модели в образовательных целях.

Для описания трехмерных объектов, будь то стандартный геометрический примитив или сложная топологическая структура, этот язык использует иерархическую концепцию узлов. Для целей базисного геометрического моделирования в языке VRML реализован набор узлов-примитивов – простейших геометрических объектов, таких как куб или параллелепипед (узел Box), сфера (узел Sphere), конус (узел Cone), и т.д. Когда возможности примитивов и встроенных объектов исчерпаны, то обращаются к полигональным моделям. В большинстве случаев эти структуры являются единственным способом реализации замыслов дизайнера. В VRML есть ряд средств, позволяющих строить высокополигональные модели. Этих средств достаточно для создания модели любой топологической сложности. Однако описание полигоноёмких сцен требует большого объема данных, так как размер кода, описывающего вершины, нормали и текстурные координаты объекта, растёт быстрее, чем сложность объекта.

Одним из недостатков этого языка является то, что синтаксис VRML громоздок по своей структуре. Синтаксические конструкции для описания группировки, масштабирования и позиционирования обладают большой описательной возможностью и гибкостью в использовании, однако при их применении размер кода, представляющего объект, растёт. Из-за этого иногда бывает трудно осмыслить сцену в целом при анализе файла, так как описание сравнительно несложного объекта заключено в большом объёме вспомогательных узлов. Зачастую, VRML-код полученный на выходе системы трехмерного моделирования, нуждается в оптимизации. Это может представлять серьезную трудность для дизайнера, что потребует от него некоторой квалификации при работе с объектами на стадии моделирования и экспорта. Указанное обстоятельство делает создание качественных трехмерных Internet-приложений более трудоёмким, чем наполнение сайта двумерным содержимым.

Среди средств визуализации этого формата ведущую позицию занимает VRML-броузер Cortona[7] российской кампании Parallel Graphics. Это решение обладает хорошо развитым интерфейсом программирования, что позволяет создавать полноценные трехмерные приложения с использованием компонентной модели VRML. Средства программирования поведения объектов при взаимодействии их с пользователем предоставляют множества возможностей для создания online-курсов и учебников, инструкций по эксплуатации.

3DML

3DML (3D Modeling/Markup Language) представляет собой HTML-подобный язык разметки виртуальной среды, разработанный фирмой Flatland[3]. В 3DML моделирование сцены производится с использованием библиотек геометрических объектов реального мира, из которых составляется виртуальная среда. Идея подобной организации представления трехмерной сцены вполне естественна, поскольку некоторые объекты реального мира (предметы человеческого быта, архитектурные блоки и пр.) имеют часто повторяющийся характер и могут быть с легкостью описаны в некотором ограниченном множестве объектов с целью последующего использования.

Описание виртуальной сцены в этом формате осуществляется аналогично определению уровней лабиринтов в первых игровых программах – вся среда разделяется на слои по оси ОZ и каждая такая плоскость описывается в виде символов обозначающих какой-либо блок.

Технология 3DML полезна в тех случаях, когда требуется быстро создать объекты похожие на дома и детали скудного интерьера – для этого есть наборы блоков BASIC, содержащий в себе блоки для построения простейших строений, и INTERIOR, позволяющий создавать элементы интерьера комнат. Такой способ представления объектов позволяет создавать очень лаконично описанные сцены.

Однако если пользователь захочет создать геометрический объект выходящий за рамки стандартных наборов блоков это потребует создания пользовательского набора. Этот набор, содержащий произвольную геометрию, один раз скачивается с сервера, кэшируется на машине и может потом использоваться заново. Такое решение имеет как свои достоинства, так и недостатки. Использование произвольного набора блоков значительно расширяет возможности дизайнера, однако необходимо учесть, что каждому блоку на сцене отводится позиция с фиксированными размерами, что затрудняет построение сложных топологических структур. Кроме этого создание пользовательского набора блоков подразумевает некоторые ограничения связанные с жестко заданным наложением текстур и структурой самого формата блоков. Таким образом, дизайнер должен знать как язык 3DML, так и формат библиотек блоков, т.е. работать в неоднородной (в отличие от, например, языка VRML) среде.

Кампания Flatland пока не представила на рынок средство визуальной разработки 3DML-сцен, но структура формата довольно проста и позволяет вести разработку виртуальной сцены в обычном тестовом редакторе. Недавно разработчики этого формата добавили возможность написания сценариев для поддержки интерактивности при взаимодействии объектов с пользователем, что существенно расширяет сферу применения этого языка трехмерной разметки. С помощью этого решения возможно создание виртуальных галерей, библиотек и реконструкций архитектурных объектов.

К сожалению, потенциал 3DML реализован не полностью. Отсутствие броузеров для формата сторонних разработчиков негативно сказывается на качестве просмотрщика самой кампании Flatland – Rover. Трудность интеграции произвольной геометрии и предустановленных наборов блоков уменьшает гибкость использования этой технологии. Возможно, положение улучшится в связи с переносом исходного кода Rover на открытую трехмерную платформу Ogre3D.

Cult 3D

Данная технология создания виртуальных сцен в сети Internet пожалуй, является одной из самых востребованных на рынке. Среди клиентов небольшой кампании CYCORE, которая является поставщиком этого решения, есть такие кампании и учреждения как CNN, Sony, NASA и пр. Визуализацию с помощью технологии Сult3D[6] можно назвать одной из лучших по проработанности качества трехмерного изображения и удобства просмотра. Виртуальные рекламные презентации и демонстрационные образовательные буклеты выполненные в этой среде обладают достаточной интерактивностью и подробной детализацией.

Этот формат хранения геометрических объектов является бинарным зашифрованным файлом, доступным только на чтение броузером трехмерных объектов Cult3D.

В отличие от предыдущих форматов работа над созданием трехмерных виртуальных сцен в этой системе содержит в себе еще один дополнительный этап – обработку полученного путем экспорта из системы моделирования промежуточного формата. Файл этого промежуточного формата обрабатывается в специальном пакете Cult 3D Designer где происходит наделение интерактивным поведением созданных объектов. Используя это приложение можно добавить чувствительные области к трехмерной сцене, при нажатии на которые будет запущена, например, анимационная последовательность. Работа с приложением построена на основе событийной модели, интуитивно понятной рядовому разработчику. Так же в систему можно добавить Java-код, который будет исполняться во время просмотра виртуальной сцены. На этом этапе в созданную виртуальную сцену можно добавить звуковые ролики.

После создания и тестирования полученной интерактивной сцены в этом приложении происходит преобразование промежуточного формата в файл, предназначенный для публикации в Internet. При этом преобразовании происходит компиляция геометрических и текстурных данных, Java-кода и звуковых фрагментов в один файл. Затем происходит его шифрование. Дальнейшее модифицирование этого окончательного результата невозможно.

Браузер для просмотра этого формата имеет открытый интерфейс, позволяющий управлять отображаемой моделью. С помощью этого интерфейса поострен ряд трехмерных презентационных буклетов в рамках рекламных кампаний нескольких крупных корпораций [6].

Применение этого формата в целях дистанционного обучения даёт хорошие результаты. Процесс изготовления виртуальной среды с помощью инструментов компании CYCORE лишен необходимости ручной оптимизации кода, полученного на этапе экспорта из системы моделирования. Среда подготовки трехмерной модели к опубликованию может сама произвести необходимое упрощение топологии объекта. Разработка интерактивных сценариев для взаимодействия с пользователем производится в визуальном режиме, что выгодно отличает технологию Cult3D от первых двух форматов. Однако необходимо отметить, что авторы этой технологии нацеливались, прежде всего, на корпоративный сегмент, что во многом объясняет коммерческий характер этого решения.

Заключение

Рассмотренные решения для создания трехмерных сцен для Internet позволяют говорить о возможности применения виртуальных объектов в образовательных целях. Подводя итог сравнительного анализа трех технологий можно сказать, что 3DML подходит, прежде всего, для описания архитектурных объектов и интерьеров виртуальных сетевых галерей; сферой применения Cult3D является визуализация отдельно взятых объектов; VRML является универсальным языком и, при правильном использовании может решить как задачу визуализации всего пространства, так и отдельных объектов.

Список литературы
  1. Ян Фостер, Джозеф Инсли, Удаленная визуализация, "Открытые системы", 11-12, 1999
  2. Aleshin A., Afanasiev V., Baygozin D., Baturin Y., Bugaev A., Burlakov S., Goebel M., Dolgovesov B., Zhirnov A., Klimenko S., Mikhayluk M., Nikitin I., Nikitina L., Reiser M., Slobodyuk E., SR1: Virtual environment visualization system for the tasks of space exploration: Current status, In proceedings of Graphicon’2004, MSU, 2004
  3. 3DML (3D Modeling Language) specification. Flatland, ссылка скрыта, 2003
  4. VRML97 Functional specification and VRML97 External Authoring Interface (EAI) International Standard ISO/IEC 14772-1:1997 and ISO/IEC 14772-2:2002 ISO/IEC 14772-1:1997 and ISO/IEC 14772-2:2002, ссылка скрыта, 2000
  5. X3D framework & SAI — ISO/IEC FDIS (Final Draft International Standard) 19775:200x, ссылка скрыта, 2003
  6. Technical white paper, Cult3d. Cycore, ссылка скрыта, 2004
  7. Parallel Graphics, ссылка скрыта, 2004