WebGL三維技術(shù)、建模分析及優(yōu)化研究

馬 亮，王 彬

(1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息化建設(shè)與管理辦公室，江蘇 南京 211188；2.河海大學(xué)海洋學(xué)院，江蘇 南京 210024)

0 引言

近年來(lái)，軟件正從桌面端向Web端、移動(dòng)端發(fā)展，為了提升用戶(hù)體驗(yàn)，軟件數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)和交互方式一直處于快速變化之中。二維的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和交互方式越發(fā)不能滿(mǎn)足日益提高的用戶(hù)體驗(yàn)的需求，基于三維模型的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和交互更符合用戶(hù)的認(rèn)知特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使面向網(wǎng)絡(luò)的三維可視化成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[1]。利用Web三維技術(shù)相關(guān)理論及研究成果，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、全方位三維場(chǎng)景展示以及具備豐富、易擴(kuò)充的交互操作，已經(jīng)成為三維應(yīng)用開(kāi)發(fā)的一種趨勢(shì)[2]。

1 WebGL技術(shù)分析

Web三維技術(shù)通過(guò)Web 瀏覽器呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景，主要包含三維建模、人機(jī)交互以及實(shí)時(shí)渲染[3]，是在網(wǎng)頁(yè)中實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的總稱(chēng)，Web三維場(chǎng)景中的模型，可以實(shí)現(xiàn)多角度觀察，并能通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備與場(chǎng)景和單體模型進(jìn)行交互，讓瀏覽者產(chǎn)生更多的操作自主感。Web三維實(shí)現(xiàn)技術(shù)有Java3D、VRML、X3D、shockwave3D、WebGL等。上述大部分技術(shù)選型運(yùn)行于瀏覽器需要安插插件，存在著各種缺陷，已被逐步淘汰。

1.1 WebGL技術(shù)概述

2010年以來(lái)，WebGL三維技術(shù)逐漸成熟，為Web三維技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)了劃時(shí)代的改變。WebGL技術(shù)完美解決了以往Web三維技術(shù)的幾乎全部缺陷。盡管目前WebGL還處于發(fā)展中，但是其發(fā)展的潛力巨大，它為Web三維技術(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)指明了新的方向，具有明顯強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭[4]，是構(gòu)建基于Web的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的首選三維技術(shù)。

1.1.1 WebGL技術(shù)起源及優(yōu)勢(shì)

OpenGL ES是OpenGL的一個(gè)子集，此套標(biāo)準(zhǔn)的推出是為了滿(mǎn)足嵌入式設(shè)備開(kāi)發(fā)需求和設(shè)備環(huán)境；而WebGL是基于OpenGL ES標(biāo)準(zhǔn)編制，用于網(wǎng)頁(yè)端渲染三維畫(huà)面。2011年3月，多媒體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織Khronos基于OpenGL ES 2.0發(fā)布了WebGL 1.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；2017年1月，基于OpenGLES 3.0發(fā)布了WebGL 2.0規(guī)范。WebGL的功能是通過(guò)增加OpenGL ES的一個(gè)JavaScript綁定而實(shí)現(xiàn)的。WebGL運(yùn)行于html5的canvas標(biāo)簽中，通過(guò)操作canvas標(biāo)簽支持的WebGLRenderingContext3D繪制實(shí)例對(duì)象，向GPU傳輸繪制數(shù)據(jù)、繪制參數(shù)、著色器代碼(GLSL ES語(yǔ)言編寫(xiě))，經(jīng)過(guò)GPU全流程渲染管線(xiàn)的計(jì)算，最終渲染出三維畫(huà)面，并與Web網(wǎng)頁(yè)版式進(jìn)行合成。WebGL網(wǎng)頁(yè)客戶(hù)端技術(shù)組成如圖1所示。

圖1 WebGL網(wǎng)頁(yè)客戶(hù)端技術(shù)組成

WebGL具有四大優(yōu)點(diǎn)：(1)不需要安裝插件，大部分移動(dòng)端、PC端瀏覽器都原生支持WebGL，2013年微軟IE11也支持了WebGL；(2)三維場(chǎng)景渲染速度較快，WebGL可調(diào)用用戶(hù)終端GPU硬件渲染三維場(chǎng)景；

(3)具有 HTML5官方支持的標(biāo)準(zhǔn)；(4)基于OpenGL標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)，基礎(chǔ)牢固，標(biāo)準(zhǔn)成熟。雖然WebGL面世時(shí)間較短，但WebGL發(fā)展很快，是順應(yīng)技術(shù)趨勢(shì)、適應(yīng)性廣泛的三維技術(shù)選型。

1.1.2 WebGL編程原理

1.1.2.1 圖形流水管線(xiàn)

目前GPU主要采用圖形流水管線(xiàn)結(jié)構(gòu)處理繪制數(shù)據(jù)，完成三維場(chǎng)景的渲染。整個(gè)處理過(guò)程分多步驟、多階段進(jìn)行，繪制數(shù)據(jù)逐步從流水管線(xiàn)的上一個(gè)階段傳送到下一階段。進(jìn)入圖形流水管線(xiàn)的數(shù)據(jù)主要包含三維模型數(shù)據(jù)和著色器指令，數(shù)據(jù)主要依次經(jīng)過(guò)以下圖形流水管線(xiàn)：(1)頂點(diǎn)著色器；(2)圖元裝配；(3)光柵化；(4)片段著色器；(5)像素處理(①裁剪測(cè)試，②多重采樣片段運(yùn)算，③模板測(cè)試，④?chē)L試緩存測(cè)試，⑤融合，⑥抖動(dòng))；(6)繪制緩存。只要采用了GPU硬件加速，硬件內(nèi)的渲染過(guò)程就必須遵循上述步驟，無(wú)論OpenGL、WebGL、DirectX。因此，WebGL處理圖形數(shù)據(jù)也遵循和圍繞上述處理步驟和流程，對(duì)應(yīng)GPU的物理流水管線(xiàn)的各階段。

1.1.2.2 WebGL編程技術(shù)

WebGL標(biāo)準(zhǔn)與OpenGL、OpenGL ES核心標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，只是為了適配不同的應(yīng)用環(huán)境，在非核心標(biāo)準(zhǔn)上有一定的區(qū)別，OpenGL適用于桌面應(yīng)用，OpenGL ES適用于嵌入式設(shè)備應(yīng)用，WebGL適用于網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用。WebGL采用的是可編程的圖形流水管線(xiàn)，在整個(gè)圖形流水管線(xiàn)中，頂點(diǎn)著色器、片段著色器的功能是可以使用GLSL ES編程語(yǔ)言編程介入，以控制GPU渲染的效果，其它圖形流水管線(xiàn)階段不能編程，均有固定處理方式。WebGL渲染流程如圖2所示。

基于WebGL繪制三維畫(huà)面，三維模型部分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)JS腳本從模型文件中加載入頂點(diǎn)緩沖區(qū)，后由GPU調(diào)用，三維模型數(shù)據(jù)一般包含頂點(diǎn)坐標(biāo)、繪制索引、頂點(diǎn)顏色、法線(xiàn)、紋理圖像、紋理坐標(biāo)、光線(xiàn)數(shù)據(jù)等；坐標(biāo)變換所需要的變換矩陣及其它數(shù)據(jù)也是由JS腳本計(jì)算并傳入GPU；頂點(diǎn)著色器、片段著色器需要的GLSL ES指令，一般也是由JS腳本從文件中讀取，然后以字符串的形式傳入GPU。

頂點(diǎn)著色器主要執(zhí)行與頂點(diǎn)相關(guān)的操作，如：(1)調(diào)用緩沖區(qū)的頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合傳入的模型變換矩陣，對(duì)頂點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行變換；(2)計(jì)算并分配頂點(diǎn)法線(xiàn)；(3)計(jì)算并分配頂點(diǎn)顏色等。片元著色器主要對(duì)紋理、光照等進(jìn)行逐片元計(jì)算。

圖2 WebGL渲染流程

1.2 WebVR技術(shù)

目前虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用大概分四種類(lèi)型：(1)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，顯示器直接顯示三維畫(huà)面，無(wú)其它輔助交互和顯示設(shè)備；(2)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過(guò)頭戴顯示器(HMD)或者VR盒子觀看三維畫(huà)面，通過(guò)數(shù)據(jù)手套等虛擬交互設(shè)備完成與虛擬場(chǎng)景的互動(dòng)；(3)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境，將沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)與分布式交互結(jié)合，把不同方位的用戶(hù)連接在同一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中；(4)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，將真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境結(jié)合，使用者透過(guò)顯示畫(huà)面可以看到真實(shí)世界，并疊加虛擬場(chǎng)景。

普通Web三維應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)，不能滿(mǎn)足瀏覽者對(duì)沉浸式體驗(yàn)的要求。2014年Mozilla基金會(huì)的Vladimir Vukicevic提出WebVR，2017年萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)盟(W3C)發(fā)布了WebVR 1.0規(guī)范初稿，WebVR 2.0也在積極次修訂之中，WebVR目前還是一種實(shí)驗(yàn)性Web功能。WebVR關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，同一個(gè)WebVR應(yīng)用能跨設(shè)備、免安裝、輕量化、體驗(yàn)一致。用戶(hù)在PC端使用主流的VR頭戴式顯示器(HMD)，手機(jī)端使用VR盒子，就能獲得一致的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

2 WebGL應(yīng)用中的建模

開(kāi)發(fā)WebGL三維應(yīng)用，建模三維模型是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。目前主要有兩種WebGL三維場(chǎng)景構(gòu)建類(lèi)型，即360°全景照片式的三維場(chǎng)景和基于三維模型的三維場(chǎng)景。

2.1 360°全景照片式的三維場(chǎng)景的建模

360°全景照片式的三維場(chǎng)景，類(lèi)似身處球形或柱形照片墻之內(nèi)進(jìn)行瀏覽。照片采用現(xiàn)場(chǎng)拍攝的實(shí)景照片拼接而成。三維頁(yè)面渲染攝像機(jī)視角，通過(guò)操作鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套等，模擬攝像機(jī)的各種操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行360°瀏覽。基于全景照片的三維場(chǎng)景并不會(huì)對(duì)場(chǎng)景中的物體進(jìn)行三維建模，此處所謂建模是指拍照及拼接，不能對(duì)三維場(chǎng)景中物體進(jìn)行單獨(dú)操作，也并不能實(shí)現(xiàn)真正任意全景無(wú)死角漫游，虛擬場(chǎng)景的觀察點(diǎn)通過(guò)預(yù)設(shè)，已經(jīng)固定，并且瀏覽只能原地360°觀看。

由于360°全景照片式的虛擬現(xiàn)實(shí)，虛擬場(chǎng)景的展示效果依托于對(duì)360°實(shí)景照片的拼接，所以開(kāi)發(fā)成本低、開(kāi)發(fā)時(shí)間短，能滿(mǎn)足部分虛擬場(chǎng)景展示需求，是目前虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品中應(yīng)用較多的模式[5]。

2.2 基于三維模型的三維場(chǎng)景的建模

對(duì)于瀏覽體驗(yàn)要求高、交互較復(fù)雜的三維場(chǎng)景，360°全景照片虛擬現(xiàn)實(shí)顯然不能滿(mǎn)足需求。為了在虛擬空間實(shí)現(xiàn)全視角瀏覽，進(jìn)行真正的全景無(wú)死角任意漫游，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬空間中單個(gè)模型物體的交互，需要通過(guò)構(gòu)建三維模型來(lái)構(gòu)造虛擬場(chǎng)景。現(xiàn)階段三維建模主要方式有幾何人工建模、圖片建模、激光建模、航空傾斜攝影建模等，一般地，根據(jù)建模對(duì)象的特征和設(shè)備條件來(lái)選擇建模方式。

2.2.1 幾何人工建模

幾何人工建模是指使用建模軟件從零開(kāi)始建模，如3Ds Max、Maya、Blender等，幾何人工建模方式生成的模型幾何精度高、紋理精細(xì)，但是建模工作量較大、時(shí)間較長(zhǎng)、模型不夠真實(shí)。

2.2.2 圖片建模

逆向建模已存在的實(shí)物。建模流程如下：拍照，照片修飾，照片導(dǎo)入，逆向重建，模型修復(fù)。此類(lèi)軟件有ImageModeler、Agisofe photoScan等。進(jìn)行圖片建模，材質(zhì)反光性、拍照角度、拍照環(huán)境、照片數(shù)量等因素，對(duì)建模質(zhì)量都有影響，模型生成后一般需要導(dǎo)入3Ds max之類(lèi)的建模軟件，對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)和修復(fù)。圖片建模方式適合小規(guī)格物體的建模，若硬件條件充足，應(yīng)優(yōu)先使用精度更高的激光建模方式替代照片建模。

2.2.3 激光建模

激光建模模式有兩種：激光三維掃描和激光雷達(dá)建模。這兩類(lèi)建模采用了不同類(lèi)型的激光，建模適用不同的現(xiàn)場(chǎng)。

2.2.3.1 激光三維掃描建模

激光三維掃描采用相位激光與脈沖激光，多應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。獲取空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可建立結(jié)構(gòu)不規(guī)則物體、復(fù)雜場(chǎng)景的三維模型。激光三維掃描儀主要應(yīng)用于建筑物、小型物體、保護(hù)文物、零件、隧道的逆向建模。

2.2.3.2 激光雷達(dá)建模

激光雷達(dá)采用可見(jiàn)光波段和紅外波段，是一種集激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、高分辨率數(shù)碼相機(jī)等技術(shù)于一身的光機(jī)電一體化集成系統(tǒng)。激光雷達(dá)建模多使用于城市等大區(qū)域的三維建模、繪制地形等，可獲得激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字表面模型(DSM)，同時(shí)獲取物體DOM(數(shù)字正射影像)信息，通過(guò)對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，可得到真實(shí)的三維場(chǎng)景圖[6]。激光雷達(dá)建模的優(yōu)點(diǎn)：(1)可穿透植被，能完整測(cè)量被覆蓋的地形；(2)獲取的數(shù)據(jù)精度高；(3)單次掃描獲取數(shù)據(jù)的面積大。激光雷達(dá)建模的不足：(1)設(shè)備昂貴；(2)物體紋理圖像不能同時(shí)被獲取，需后期采集紋理圖像進(jìn)行貼圖。

2.2.3.3 航空傾斜攝影建模

航空傾斜攝影是航空攝影建模中最流行的，航空傾斜攝影普遍用于對(duì)大范圍場(chǎng)景進(jìn)行建模，比如一個(gè)社區(qū)、一個(gè)城市等，航空傾斜攝影能自動(dòng)對(duì)大范圍、復(fù)雜的場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行高效率的采集，然后由專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理、自動(dòng)貼圖，極大地提升了模型生成效率。航空傾斜攝影一般通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)進(jìn)行操作，從四個(gè)傾斜角度、一個(gè)垂直角度采集影像數(shù)據(jù)、定位信息、紋理信息，如圖3所示。航空傾斜攝影建模具有建模成本低、自動(dòng)化處理數(shù)據(jù)、可量測(cè)性強(qiáng)、模型逼真等特點(diǎn)[7]。

圖3 航空傾斜攝影方式

但是，航空傾斜攝影一旦無(wú)法拍攝到被遮擋的物體表面，會(huì)導(dǎo)致模型有破面。實(shí)際生產(chǎn)中，會(huì)將三維激光掃描和航空傾斜攝影相結(jié)合，通過(guò)航空傾斜攝影來(lái)獲取空中視角下能拍攝的物體表面的數(shù)據(jù)，通過(guò)三維激光掃描來(lái)獲取空中視角下觸及不到的物體的表面數(shù)據(jù)。

3 WebGL應(yīng)用優(yōu)化

基于WebGL的三維場(chǎng)景載入網(wǎng)頁(yè)，畫(huà)面都是由顯卡在中央處理器的協(xié)助下實(shí)時(shí)運(yùn)算并渲染出來(lái)的。三維模型數(shù)據(jù)量大，運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)加載慢、畫(huà)面卡頓的情況，加載速度與硬件性能已成為限制Web三維效果的瓶頸，如何快速?gòu)姆?wù)器獲取模型并解析、加載、渲染仍然是一個(gè)需要優(yōu)化的問(wèn)題。本文認(rèn)為在不確定用戶(hù)客戶(hù)端設(shè)備性能和網(wǎng)絡(luò)性能的情況下，可以從單體三維模型、三維場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)加載機(jī)制三方面進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 單體三維模型的優(yōu)化

單體三維模型優(yōu)化一般是在模型構(gòu)建階段完成，目標(biāo)是在符合WebGL數(shù)據(jù)加載格式標(biāo)準(zhǔn)、不影響或較少影響渲染質(zhì)量、滿(mǎn)足功能的情況下，通過(guò)對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行有損或無(wú)損方式的預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)三維模型輕量化、模型數(shù)據(jù)內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化。單體三維模型的優(yōu)化，一般通過(guò)對(duì)模型文件格式的選擇和模型幾何數(shù)據(jù)優(yōu)化來(lái)完成。

3.1.1 文件格式

三維模型的文件格式代表了模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)模型數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，部分是通過(guò)選擇模型數(shù)據(jù)文件格式來(lái)完成的。由于建模軟件眾多，導(dǎo)致生成的格式眾多，如3Ds、dae、obj、stl、glTF等。對(duì)于單體模型，本文推薦使用glTF格式文件。所有WebGL框架和引擎都提供對(duì)glTF文件格式的支持，跨平臺(tái)特點(diǎn)顯著，已成為Web的三維模型的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。glTF文件由JSON文件和二進(jìn)制文件組成。

glTF是由Khronos組織制訂并推進(jìn)，該組織正是OpenGL、WebGL等標(biāo)準(zhǔn)的制訂者。glTF格式的制訂迎合了網(wǎng)絡(luò)傳輸、客戶(hù)端解析的需要，實(shí)現(xiàn)了三維模型數(shù)據(jù)在瀏覽器中的動(dòng)態(tài)、快速地加載和展示，該文件格式將客戶(hù)端解析的部分計(jì)算壓力前置到了建模軟件的模型文件的生成階段，最大程度地減少使用WebGL及其它API運(yùn)行時(shí)的計(jì)算處理，可以不用額外解析而直接被加載到GL緩沖器中。glTF格式的優(yōu)點(diǎn)：(1)文件被合理壓縮；(2)直接加載入GL緩沖，不需要額外解析；(3)加載速度快；(4)三維場(chǎng)景描述完整，(5)可擴(kuò)展。

3.1.2 單體三維模型幾何數(shù)據(jù)優(yōu)化

模型輕量化是通過(guò)對(duì)模型幾何表面數(shù)據(jù)優(yōu)化來(lái)完成，優(yōu)化的方式包括：(1)在不影響展示效果和功能的情況下，將模型中的部分面進(jìn)行刪除，一般通過(guò)優(yōu)化工具進(jìn)行；(2)參數(shù)化處理有規(guī)則模型、拉伸體模型，以減少面的數(shù)量；(3)在不影響展示效果和功能的情況下，對(duì)低重要性的復(fù)雜模型表面，可以考慮使用紋理貼圖替代多邊形建模。

3.2 三維場(chǎng)景優(yōu)化

三維場(chǎng)景優(yōu)化是指大批量模型情形下的渲染優(yōu)化。三維場(chǎng)景的優(yōu)化主要通過(guò)以下兩種方式完成：基于LOD層次模型的優(yōu)化、場(chǎng)景管理優(yōu)化。

3.2.1 基于多分辨率LOD技術(shù)的模型加載優(yōu)化

目前，基于網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算終端現(xiàn)狀，對(duì)三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化和多分辨率的可視化渲染，已成現(xiàn)階段三維數(shù)據(jù)傳輸、渲染的主流方法。LOD(Levels of Detail)是指多細(xì)節(jié)層次，用不同級(jí)別的幾何體來(lái)表示物體，距離視點(diǎn)越遠(yuǎn)則加載的模型越粗糙，距離視點(diǎn)越近則加載的模型越精細(xì)，從而在不影響視覺(jué)效果的前提下提高顯示效率并降低存儲(chǔ)[8]。多分辨率LOD技術(shù)中，一般基于金字塔結(jié)構(gòu)組織瓦片數(shù)據(jù)，如圖4所示。用四叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組織瓦片金字塔，是較好的選擇。對(duì)原始模型的結(jié)構(gòu)，用四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)分層、分塊，能保證空間索引系統(tǒng)與層和塊能?chē)?yán)格統(tǒng)一。

本文推薦將3D Tiles 標(biāo)準(zhǔn)作為三維瓦片數(shù)據(jù)格，它繼承了glTF的優(yōu)點(diǎn)，添加了漸進(jìn) LOD方法，場(chǎng)景的復(fù)雜度根據(jù)視距進(jìn)行調(diào)整。漸進(jìn)LOD方法不是直接進(jìn)行模型置換，而是隨著視點(diǎn)靠近模型，在模型上不斷地補(bǔ)充細(xì)節(jié)。3D Tiles適合大規(guī)模三維場(chǎng)景的傳輸、顯示，支持對(duì)DEM地形、BIM、大規(guī)模建筑模型、傾斜攝影數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等各種類(lèi)型三維數(shù)據(jù)的瓦片化表達(dá)。

圖4 瓦片金字塔模型

3.2.2 場(chǎng)景管理優(yōu)化

如何有序管理包含大量三維模型的場(chǎng)景，建立較好的場(chǎng)景層次關(guān)系，為場(chǎng)景篩選、遮擋剔除、可視性處理、碰撞檢測(cè)等提供條件。

有些三維場(chǎng)景非常復(fù)雜，基于Z緩沖方法處理可見(jiàn)性問(wèn)題并不合理。有時(shí)，在繪制三維場(chǎng)景時(shí)CPU使用率已經(jīng)接近百分之百，這種狀況下運(yùn)用遮擋剔除的效果并不明顯。可以考慮使用一些預(yù)生成信息去降低渲染時(shí)遮擋剔除的計(jì)算復(fù)雜度，可以顯著提高遮擋剔除的效率[9]。預(yù)生成信息，是指利用場(chǎng)景管理層次體系算法生成的輔助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以將場(chǎng)景分層：先分區(qū)，再分物體，然后分割到多邊形。場(chǎng)景管理中經(jīng)常用到兩個(gè)層次體系：(1)BSP樹(shù)，用于加速剔除；(2)包圍體樹(shù)，用于碰撞檢測(cè)。

3.3 三維模型的網(wǎng)絡(luò)加載優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)加載優(yōu)化主要利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特性，優(yōu)化三維模型數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳速的速度。本文提出一種基于WebRTC的模型文件傳輸機(jī)制。

WebRTC(Web Real-Time Communications)，用于實(shí)現(xiàn)瀏覽器之間的音頻、視頻及數(shù)據(jù)共享，已被納入萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)盟的W3C推薦標(biāo)準(zhǔn)，目前主流瀏覽器均支持WebRTC技術(shù)。目前WebRTC技術(shù)主要應(yīng)用于流媒體播放、即時(shí)通信系統(tǒng)、在線(xiàn)視頻通話(huà)等領(lǐng)域。基于WebRTC技術(shù)，利用WebTorrent協(xié)議在瀏覽器之間建立一套文件對(duì)等傳輸機(jī)制，將瀏覽WebGL應(yīng)用的終端用戶(hù)組成一個(gè)P2P的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，瀏覽器節(jié)點(diǎn)之間就可以互相提供資源傳輸服務(wù)，共享對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中的文件。

上述基于WebRTC的P2P網(wǎng)絡(luò)，如果用于傳輸WebGL應(yīng)用中的三維模型，將有效地提升模型加載的速度。當(dāng)用戶(hù)瀏覽三維場(chǎng)景需要加載模型時(shí)，不僅只從服務(wù)器端獲取，還可以從具有這些模型數(shù)據(jù)的其他用戶(hù)那里獲取。隨著在線(xiàn)用戶(hù)數(shù)量的增加，傳統(tǒng)中心式的服務(wù)器負(fù)載會(huì)越來(lái)越高，而WebRTC對(duì)等網(wǎng)的傳輸效率隨著在線(xiàn)用戶(hù)的增加越來(lái)越高。

4 結(jié)語(yǔ)

WebGL技術(shù)的出現(xiàn)有其必然性，WebGL技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就是它要解決的問(wèn)題：兼容各種瀏覽器、無(wú)插件、硬件加速、基于既有成熟標(biāo)準(zhǔn)的子集。通過(guò)上述優(yōu)點(diǎn)幾乎可以預(yù)見(jiàn)WebGL技術(shù)的未來(lái)。