《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Java中的3D圖形技術(shù)及應(yīng)用案例研究

2009-02-25
作者:扈文峰,韓濤

1 引言
??? 一直以來(lái),由于性能等原因,Java并不是3D圖形應(yīng)用的主流平臺(tái),,但隨著各種新技術(shù)的出現(xiàn),這種情況有了很大改變,。從開(kāi)始的JIT、Static compilers,,到現(xiàn)代的HotSpot技術(shù)[1][2],,使Java程序的運(yùn)行效率越來(lái)越高,目前已經(jīng)接近于C++程序,。此外,,通過(guò)JNI技術(shù),Java程序可以調(diào)用任意第三方庫(kù),,包括OpenGL和DirectX等圖形庫(kù),。基于JNI技術(shù),,Java平臺(tái)上出現(xiàn)了很多3D圖形API,包括Sun公司在2003年推出了可選的3D圖形包―Java 3D和其它第三方的圖形API,。
??? 在本文第2部分,對(duì)Java平臺(tái)中具有代表性的若干3D圖形API做了介紹和分析,,并在第3部分中,,介紹了在“可視化”領(lǐng)域中應(yīng)用Java圖形的一個(gè)工程案例,。
2 Java平臺(tái)的3D圖形API
???? Java平臺(tái)下可以選擇的3D圖形API有很多,根據(jù)封裝層次可以將其分為以下兩種:
?? .Java bindings to OpenGL
?? .Scene graph APIs
其中屬于Java bindings to OpenGL的有:GL4Java,,LWJGL,,JOGL等。屬于Sence Graph APIs的有:JMonkey Engine(JME),、Java3D等,。
2.1 Java bindings to OpenGL
??? Java bindings to OpenGL的API是對(duì)OpenGL做了一層Java包裝,使得人們可以在Java環(huán)境中調(diào)用OpenGL命令,。這與OpenGL一樣可以稱(chēng)為“Render層次”的圖形API,。這一層次的API處理的是點(diǎn)和象素級(jí)的操作,是Scene graph API的基礎(chǔ),。
?? .GL4Java(http://gl4java.sourceforge.net/docs/overview/benefits.html)
??? GL4Java在JOGL出來(lái)之前是最受歡迎的Java 3D API,,它一直被認(rèn)為是"OpenGL for Java Technology"。它可以在A(yíng)WT和SWING中使用,,這對(duì)打算在桌面應(yīng)用程序中使用3D技術(shù)的人來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)合適的選擇,。
?? .Lightweight Java Game Library(LWJGL)(http://www.lwjgl.org/)
??? LWJGL完全支持JDK的新特性。它支持最新版的OpenGL及其后續(xù)版本,。遺憾的是它不能在A(yíng)WT和SWING中繪圖,。
?? .JOGL(https://jogl.dev.java.net/)
??? 和LWJGL一樣,,它也完全支持JDK的新特性和最新版的OpenGL及其后續(xù)版本,。但是和LWJGL所不同的是,它可以在A(yíng)WT和SWING中進(jìn)行繪圖,。JOGL和LWJGL是主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,。但是Sun公司最終還是選擇了JOGL,在其JSR 231 草案中明確指出采用JOGL作為OpenGL的綁定技術(shù),。
2.2 Scene graph APIs
??? Scene graph API建立在“Render層次”的圖形API的基礎(chǔ)上,,屬于“Entity層次”的圖形API。這些API固化了大量3D圖形應(yīng)用中屬于共性的功能,,比如,,它使用一個(gè)“有向無(wú)環(huán)圖”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組織3D場(chǎng)景中的可視對(duì)象,規(guī)定了場(chǎng)景的仿真邏輯,、人機(jī)交互的機(jī)制,、場(chǎng)景中物體間的相互作用(比如“碰撞”),并對(duì)3D場(chǎng)景的復(fù)雜渲染過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化,。這種API可讓使用者不必關(guān)心底層的渲染細(xì)節(jié),,最顯著的優(yōu)點(diǎn)是易用性和開(kāi)發(fā)高效性。 Entity層次的3D 圖形API有很多,,這里將重點(diǎn)以Java 3D和JME作介紹,。
?? .Java 3D(http://www.j3d.org)
??? Java 3D是由Sun公司開(kāi)發(fā)的一組高級(jí)3D圖形API,。除了Scene graph API的優(yōu)點(diǎn)外,Java 3D有很多優(yōu)異的特性,,比如提供對(duì)多處理器和虛擬設(shè)備的支持,,可以同時(shí)運(yùn)行在OpenGL環(huán)境和Direct X環(huán)境等等。遺憾的是它的運(yùn)行效率不是很理想,,Java3D 1.3 beta的運(yùn)行速度要比相同條件下GL4Java 的慢2.5倍,。
?? .Java Monkey Engine(JME)(http://jmonkeyengine.com/index.php)
??? JME是一個(gè)高性能的3D圖形API,采用LWJGL作為底層支持,。它的后續(xù)版本將支持JOGL,。JME和Java 3D具有類(lèi)似的場(chǎng)景結(jié)構(gòu),開(kāi)發(fā)者必須以樹(shù)狀方式組織自己的場(chǎng)景,。JME有一套很好的優(yōu)化機(jī)制,,這使得它得運(yùn)行速度要比Java 3D快很多。JME主要由Render系統(tǒng),、Material系統(tǒng),、GUI系統(tǒng)、Texture和圖片解碼器,、文件解碼器,、Scene插件(主要是地形系統(tǒng))、粒子系統(tǒng),、日志,、物理系統(tǒng)、光照系統(tǒng)等構(gòu)成,??梢哉f(shuō)JME是一個(gè)功能齊全,性能卓越的3D圖形引擎,。
2.3 性能比較
??? 由于JNI技術(shù)的額外負(fù)擔(dān)可以忽略不計(jì),,所以在理論上各種Java bindings to OpenGL的APIs執(zhí)行圖形渲染任務(wù)的效率應(yīng)該接近于C++/OpenGL版本。有關(guān)Java平臺(tái)3D圖形API的嚴(yán)肅的性能試驗(yàn)是由Jacob Marner[3]完成的,,其結(jié)果表明:OpenGL/C++版本最快,,GL4Java版本與C++版非常接近,Java3D的運(yùn)行時(shí)間是C++版的2.5倍,。而根據(jù)我們的初步試驗(yàn),,JME的效率與OpenGL/C++版本很接近,甚至比由非熟練OpenGL程序員編寫(xiě)出來(lái)的OpenGL/C++程序還要快,。
??? 高運(yùn)行效率結(jié)合高開(kāi)發(fā)效率,,JME是一種理想的3D應(yīng)用的開(kāi)發(fā)平臺(tái),可以開(kāi)發(fā)諸如虛擬現(xiàn)實(shí),、可視化,,甚至計(jì)算機(jī)游戲,。在下面我們將介紹一個(gè)JME在可視化領(lǐng)域的應(yīng)用案例。
3.案例研究—智能節(jié)點(diǎn)彈性重疊網(wǎng)絡(luò)信息三維圖形展示系統(tǒng)
3.1 項(xiàng)目背景

?? “基于IPv6的廣播影視資料P2P 內(nèi)容存取中間件示范系統(tǒng)”是由國(guó)家支持的CNGI的項(xiàng)目之一,。旨在促進(jìn)全國(guó)各大中型電視臺(tái),、電臺(tái)的內(nèi)容管理平臺(tái)以及其它媒體機(jī)構(gòu),使之互連互通,,形成相當(dāng)容量規(guī)模的內(nèi)容和節(jié)目的交換,、分發(fā),以及高效率檢索和查詢(xún),。而基于IPv6的P2P網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)就是“智能節(jié)點(diǎn)彈性重疊網(wǎng)絡(luò)”[4],。
??? 當(dāng)此示范系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)管理者需要實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)工作的運(yùn)行狀態(tài)和各種信息,,比如,,網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的QoS等,。這些信息可以用文字,、數(shù)字、圖表等形式展現(xiàn),,但其缺點(diǎn)是缺乏直觀(guān)性,,特別是復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是圖文形式無(wú)法形象表達(dá)的。所以,,將此示范系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行3D圖形可視化就是一個(gè)很好的選擇,。
3.2 智能節(jié)點(diǎn)彈性重疊網(wǎng)絡(luò)信息可視化
??? “計(jì)算機(jī)可視化”是指將復(fù)雜的數(shù)據(jù)以圖形、動(dòng)畫(huà),、圖象等直觀(guān)的形式在計(jì)算機(jī)上展示出來(lái),,目的是為了讓人們更好地獲取信息和獲得對(duì)系統(tǒng)的理解[5],??梢暬^(guò)程一般分為三個(gè)步驟:關(guān)鍵信息識(shí)別、關(guān)鍵信息的圖形表示,、渲染,。
?? .關(guān)鍵信息識(shí)別:
??? 本步驟的任務(wù)是:識(shí)別出系統(tǒng)中哪些信息和特征最為重要,需要以顯著的視覺(jué)形式顯現(xiàn)出來(lái),,以幫助人們可以清晰直觀(guān)地了解示范系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀,。我們識(shí)別出以下關(guān)鍵信息:
?? .網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),特別要表現(xiàn)出“彈性重疊網(wǎng)絡(luò)”的概念,;
?? .超級(jí)節(jié)點(diǎn),,代表了一個(gè)媒體機(jī)構(gòu),需要隨時(shí)顯示其中可下載的資源列表,;
?? .終端節(jié)點(diǎn),,代表P2P下載的終端用戶(hù),。
?? .P2P下載所選擇的路徑;
?? .P2P下載路徑的QoS,,例如路的帶寬,、流量等。
?? .關(guān)鍵信息的圖形表示
??? 本步驟的任務(wù)是:對(duì)前面識(shí)別出的關(guān)鍵信息找出合適的視覺(jué)表示,。這一步驟是可視化任務(wù)是否有效的關(guān)鍵和難點(diǎn),。比如,為了表現(xiàn)“彈性重疊網(wǎng)絡(luò)”的概念,,我們選擇了在空間上把網(wǎng)絡(luò)分層次的布局,;為了表現(xiàn)“超級(jí)節(jié)點(diǎn)”的主動(dòng)性,我們選擇了用模型動(dòng)畫(huà)而不是靜態(tài)模型來(lái)表現(xiàn)它,;為表現(xiàn)終端用戶(hù)的特點(diǎn),,我們?cè)?D空間中嵌入了一個(gè)播放影視文件的畫(huà)布;再比如,,使用半透明管道來(lái)代表P2P下載所選擇的路徑,,使用各色運(yùn)動(dòng)的彩球代表其中的數(shù)據(jù)包;等等,。
?? .渲染
??? 本步驟的任務(wù)是:把系統(tǒng)各種關(guān)鍵信息的圖形表示渲染到屏幕上,。這個(gè)任務(wù)是由JME引擎來(lái)完成,因?yàn)镴ME引擎強(qiáng)大的圖形渲染能力足以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)可視化工作的渲染要求:利用引擎可以輕松實(shí)現(xiàn)模型的導(dǎo)入和紋理的裝載,;引擎內(nèi)置的各種光影算法可以表達(dá)出更豐富逼真的渲染效果,;利用引擎的關(guān)卡編輯器可以方便地創(chuàng)建和管理場(chǎng)景,極大地提高工作效率,。
3.3 對(duì)JME引擎的適應(yīng)
??? 由于JME引擎本質(zhì)上是一個(gè)Scene Graph的圖形引擎,,只負(fù)責(zé)場(chǎng)景中3D圖形的渲染工作。而我們可視系統(tǒng)中的對(duì)象,,不僅僅具有可視形象,,還具有一定的行為邏輯。比如:各個(gè)節(jié)點(diǎn)需要響應(yīng)用戶(hù)的鼠標(biāo)點(diǎn)擊,、智能節(jié)點(diǎn)本身需要?jiǎng)赢?huà)并且定時(shí)向外發(fā)送脈沖,、終端用戶(hù)需要定時(shí)向智能節(jié)點(diǎn)發(fā)送“心跳”信號(hào)、數(shù)據(jù)包在通道中運(yùn)動(dòng)并且在碰到節(jié)點(diǎn)時(shí)消失,,等等,。所以,我們需要對(duì)JME引擎進(jìn)行適應(yīng)性擴(kuò)充,,在JME渲染層之上架設(shè)一層Entity邏輯層,,用來(lái)模擬系統(tǒng)對(duì)象的行為。
??? Entity層的軟件設(shè)計(jì)決定是:Entity抽象類(lèi)為邏輯層的祖類(lèi),讓Entity類(lèi)包含Node對(duì)象(Node類(lèi)是代表場(chǎng)景元素的抽象類(lèi)),,與Scene Graph數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并行地創(chuàng)建一個(gè)管理Entity對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),,此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化時(shí)同時(shí)初始化Scene Graph。
3.4 結(jié)果
??? 圖1為“彈性重疊網(wǎng)3維圖形展示系統(tǒng)”運(yùn)行時(shí)的一個(gè)屏幕截圖,。

???????????????????????????????????????????? 圖1.彈性重疊網(wǎng)3維圖形展示系統(tǒng)
4 結(jié)論
??? ?與一般的觀(guān)念相反,,在Java平臺(tái)上開(kāi)發(fā)3D圖形應(yīng)用,比如虛擬現(xiàn)實(shí),、可視化,、仿真甚至計(jì)算機(jī)游戲,是完全可行的,,在產(chǎn)品運(yùn)行效率上已經(jīng)很接近C++/圖形庫(kù)程序,。結(jié)合Java平臺(tái)開(kāi)發(fā)的其它優(yōu)勢(shì),人們將越來(lái)越傾向于把Java當(dāng)作3D圖形應(yīng)用的開(kāi)發(fā)平臺(tái),。
參考文獻(xiàn):
[1] Aycock, John. A Brief History of Just-In-Time. ACM Computing Surveys, Volume25, Issue 2, 2003.
[2] Sun Microsystems, “The Java HotSpot Virtual Machine”
http://java.sun.com/products/hotspot/docs/whitepaper/Java_Hotspot_v1.4.1/Java_HSpot_WP_v1.4.1_1002_1.html
[3] Jacob Marner, (2002) Evaluating Java for Game Development. http://www.rolemaker.dk/articles/evaljava/
[4] 侯自強(qiáng). 在CNGI IPv6上建立P2P環(huán)境和分布管理系統(tǒng). 中興通訊技術(shù),。
[5] A Framework for Game Engine Based Visualisations, Burkhard C. Wuensche, Blazej Kot, Andrew Gits, Robert Amor, John Hosking and John Grundy, Proceedings of IVCNZ '05, Dunedin, New Zealand, 28-29 November 2005, pp. 465-470.

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