云帆VR数字孪生研发中心：基于网络的场景创作和可视化的3D技术

时间：2023/1/4

基于网络的3D内容开发工具在不断发展。Web3D联盟（http://www.web3d.org）促进了用于在万维网中利用3D图形的工具的规范和发展。目前的工作重点是开发Web3D的下一代规范，即可扩展3D（X3D - http://www.web3d.org/x3d.html）。作为虚拟现实行业第一批创业者，云帆可视化研发中心的专家们从不同角度分析三维技术特点以及其对于未来发挥的作用和未来的发展走向。X3D是一个场景图结构和编码，它改进了虚拟现实建模语言（VRML）的国际标准（VRML 97，ISO/IEC 14772-1:1997）。X3D使用可扩展标记语言（XML）来表达VRML的几何和行为能力。X3D的主要目标应用是电子商务产品和技术演示、视觉模拟、数据库可视化、广告和网页动画、增强的新闻和纪录片、培训、游戏、娱乐和教育。本文讨论了X3D将如何解决VRML 97的缺点、 VRML 97的兼容性、与其他相关标准的互操作、更紧密的媒体集成、改进的视觉质量、基于组件的方法、文件格式问题和上市时间。本文还将介绍X3D工作组目前在制定运行时核心规范、组件规范、高级图形扩展（包括用于地理表现的GeoVRML和用于仿人模型的H-Anim）、XML 3D标签定义、文本文件格式、二进制文件格式、现有VRML 97内容的转换和转化、一致性测试、演示和实施方面的进展。

国防部建模和仿真办公室（DMSO）和海军陆战队战斗发展指挥部（训练和教育指挥部）已责成海军研究生院（NPS）进行研究，以开发一个场景创作和基于网络的可视化能力。原型设计活动采用了基于网络的信息内容（XML）和三维图形内容（X3D）技术，以创建一个两栖行动的初始演示。设想的完整能力将代表战斗空间的关键方面，如地形、部队部署、机动、火力、协调措施和时间。本文讨论了在网络环境中表现复杂的军事行动的技术挑战，并描述了正在进行的工作，以展示基于网络的技术在创建和探索复杂的、多维的作战场景方面的应用。本文描述了在其他教育和培训领域的应用能力。

序言

三维图形、网络可访问性和网络的超常增长为教育提供了新的机会。个人计算和数据存储资源不再局限于台式机或局域网（LAN）资源，而是扩展到全世界互联的无数个处理和存储资源。这种扩展的计算媒介继续对我们的工作、学习、再创造、互动、处理业务以及存储和检索信息的方式产生革命性的影响。

更令人吃惊的是，利用这种以网络为中心的新模式的系统在很大程度上仍然是二维（2D）的，而感兴趣的问题仍然是明显的三维（3D）。在现实生活中，个人可以舒适地沉浸在三维物理空间中并自由地浏览。然而，尽管有25年的图形研究和一长串竞争性的专利技术，创建引人注目的三维虚拟空间通常是有问题的。迄今为止，交互式三维图形在日常生产系统和大多数在线网页中都明显缺失。

本文介绍了一个关键组织 --Web3D联盟（ http://www.web3d.org）目前在基于网络的三维技术方面的努力。在一项开创性的工作中，Web3D 联盟正在努力向所有人开放基于网络的三维领域，为其规划领域，建立共同的目标，并建立沟通的渠道。本文还介绍了海军研究生院（NPS）的建模、虚拟环境和模拟（MOVES）研究所将新兴的 Web3D技术引入军事专业教育的前沿。本文介绍了NPS的高级图形环境（SAVAGE）项目中的具体技术、模型和场景的授权和可视化。

网络上的互动式三维图形

三维模型的几何形状、材料、照明和渲染的创建通常都是很好理解的技术（见Foley, van Dam, Feiner, and Hughes, 1990）。目前的图形加速硬件已经消除了以前的帧速率障碍，许多复杂的场景现在都能快速而惊人地渲染出来。随着越来越多的人使用三维世界，用户的交互性成为一个主要的要求。三维图形内容的互动性有四个关键方面。 - 移动 - 场景中的物体可以独立移动，相对于彼此以及相对于观看者的视角移动。 - 导航--观众可以有效地在场景中查看和移动，而不会迷失方向或 "迷失在网络空间"。 - 响应性--观看者可以启动物体的变化，并在场景中触发嵌入式行为和动作，通常是基于现实的物理学或合理的逻辑。 - 世界模型--有大量的世界信息，可以通过本地数据库或共享网络资源来获得通过这些特征，观看者不再受制于渲染场景的被动观察者，而是可以成为场景的主动参与者。这些特征共同帮助观看者在三维场景中获得自主感、沉浸感和存在感（Zeltzer，1992）。短语 "Web3D内容 "是指通过网络浏览器渲染的3D图形，如微软的Internet Explorer或Netscape Navigator。三维内容需要在浏览器中像超文本标记语言中的二维文本和图形一样容易访问和查看。(如果要达到类似的可扩展性、普遍性和 "易用性" ，那么今天的HTML文档就是如此。）

3D内容必须通过联网的浏览器进行访问，以便不受约束地增长和互连。这与大多数单机或大型多玩家在线游戏所要求的独立程序安装方法不同。出于商业原因（即计费），大多数大型商业网络游戏都是独立的定制应用程序，只允许经过认证的用户加入和离开分布式虚拟环境。作为回报，这种共享应用程序提供状态管理和主机服务器和其他玩家之间的通信。该应用程序进一步提供专门的（通常是专有的）图形渲染，只利用为该应用程序独特准备的3D内容。虽然这是一个有效的在线游戏的商业模式，但对于必须稳步增长和改进（甚至可能是互操作）的长期军事和科学应用来说，这不是一个非常可扩展或强大的方法。

今天，开放的、可扩展的、非专有的基于网络的3D图形技术已经可用。例如，图1显示了海军研究生院开发的一个多人研究游戏的屏幕截图，该游戏用于研究Web3D问题以及更广泛的网络虚拟环境（NVE）架构问题。该应用是用分布式的

图1.多架直升机、坦克和人形化身在NPS夺旗研究应用中移动和互动，这是欧文堡地形上的一个合成战斗空间（45x55km2 ），这里使用 Netscape Navigator 、 CosmoPlayer VRML 3D插件和DIS-Java-VRML网络渲染。互动模拟（DIS）、Java编程语言和虚拟现实建模语言（VRML）标准，以实现最大的互操作性。

Web3d联盟

Web3D联盟公司是一个非营利性组织，致力于创建开放的标准、规范和推荐做法。的开放标准、规范和推荐做法。 Web3D 图形（ http://www.web3d.org）的开放标准、规范和推荐做法。Web3D章程的目标是通过赞助市场和用户教育计划，加速全球对基于这些标准的产品的需求。VRML社区和Web3D联盟领导了虚拟现实建模语言（VRML）1.0和2.0版本的规格开发，通过国际标准组织（ISO）成为国际标准（VRML，1997）。通过各种开放小组和工作组，联盟成员和三维图形社区关注Web3D标准和技术，以促进能力的发展，这将有助于将Web3D带入在线体验的主流。

从Web3D联盟的角度来看，"Web3D "是一个总的术语，用来描述协议、语言、文件格式和其他技术，用于在万维网上提供引人注目的3D内容（ Walsh和Bourges-Sevenier，2001）。Web3D联盟成立于1994年，如今由来自世界各地的领先公司和技术专家组成，共同设计、开发和推广开放的、可互操作的和标准化的技术。这些工作合在一起，构成了 "Web3D"。Web3D联盟赞助了一些专题讨论会，并运营着许多邮件列表，以便就与 Web3D技术和行业发展有关的问题和议题进行持续的技术交流。

Web3D工作小组和团队

工作小组是Web3D联盟的核心。在这里，成员们合作开发Web3D推荐实践（即被认可为联盟官方立场的实践，但尚未作为官方规范推进到ISO）、标准、工具和技术。工作组在一个或多个协会的管辖下运作。联合会的团队（商业化、规范化。实施和交流）。

Web3D联盟的范围之广，从以下目前活跃的工作组抽样所涉及的主题中可见一斑。Web3D联盟的网站提供了关于所有工作组的进一步细节。

● 可扩展3D（X3D）规范 - 设计、开发、实现、评估和规范X3D/VRML 200x规范。

● 源代码管理 - 管理和开发开放源码和社区源码贡献，包括Xj3D（基于Java）加载器/浏览器和blaxxun的Contact（基于C++）浏览器。

● GeoVRML - 确定用VRML表示地理参考数据的方法，并开发生成、显示和交换此类数据所需的工具、推荐做法和标准。GeoVRML 1.0目前是Web3D联盟的推荐做法。

● 类人动画（H-Anim）--为类人动物创建一个标准的VRML表现形式（图2；Miller，2000）。 H-Anim 1.1目前是Web3D联盟的一个推荐做法

图2.根据Web3D联盟的H-Anim建议实践，一队仿人化身准备在NPS夺旗研究应用中登上直升机。

● 分布式交互模拟（DIS）--为建立具有多播能力的大规模虚拟环境（LSVEs）建立网络公约（ IEEE，1996；Katz，1998）。

● 通用媒体 - 定义一个小型的、跨平台的本地驻留媒体元素（纹理、声音和VRML对象）库，以及一个统一的机制，使VRML内容创作者能够将这些媒体元素纳入他们的世界。

● 虚拟现实传输协议（vrtp）--提供客户端、服务器、多对多组播流和网络监控能力，以支持国际联网的三维图形和LSVEs。

Web3D联盟已经提交了VRML 97规范的第1修正案，其中有一些增量改进。外部创作接口（ EAI）规定了VRML世界和外部网页之间的稳定接口。GeoVRML和H-Anim被正式指定。对事件模型的澄清和各种修正更新了VRML 97规范，以符合几年来的进展和 "经验教训"。

忠实于联盟的章程，这些举措表明该组织致力于定义和培养技术，以提高所有用户的在线3D体验。

虚拟现实建模语言(VRML 97)

简单地说，VRML是一种用于描述三维场景的语言。该语言使用场景图范式，即对场景中的可渲染组件进行分层分解。以文本形式表达的VRML文件很容易在互联网上获得，并且可以使用简单的文本编辑软件进行编写和修改。Brutzman (1998)对 VRML 语言的特点做了很好的概述。 Ames, Nadeau, and Moreland (1997)编写的《VRML 2.0 资料手册》是一本详细介绍该语言的优秀教科书。一本完整的技术参考书是《VRML 2.0参考手册注释》（Carey and Bell, 1997）。

图3显示了海军陆战队两栖作战的场景图的一部分。

图3.海军陆战队两栖作战的场景图，使用为X3D配置的IBM Xeena XML编辑器。注意与图4和图5中的内容相同。

操作。这张图说明了场景图的层次结构。从属于顶层（根）场景节点，作者引用了一个地形文件，其中包含彭德尔顿营行动区的一部分的描述。该场景包括一艘登陆平台船（LPD）两栖船和三辆高级两栖攻击车（AAAV）。在每一种情况下，平台（ LPD和AAAV）的详细几何图形都是使用Inline节点从外部文件导入的。

登陆艇被收集在一个变换节点中，允许整个组作为一个整体实体在场景中被放置和动画化。各个登陆艇相对于主车的位置使用下级变形节点进行动画处理。以这种方式，总体和单个实体的行为和物理学都可以同时被建模。

图4是一个描述同一场景的VRML文件的节选。图中的注释将语言结构与图3所示的相同场景元素联系起来。一般来说，如果不使用创作工具， VRML语言的语法（如括号和大括号结构）是相当难以学习和调试的。另一方面，该标准的一个优点是可以通过文本编辑直接创建图形场景，而且这些文件可以很容易地在网上共享。

图4.描述海军陆战队两栖行动的VRML文件摘录。请注意，所描述的内容与图3和图5中相同。

自从1997年VRML被确立为国际标准以来，许多创作和渲染工具，包括普通互联网浏览器的插件，已经被开发出来并作为免费软件或商业产品提供给公众。此外，许多三维创作产品现在提供了导入和导出VRML格式文件的能力，加强了多种格式的互操作性。所有这些方面都有助于VRML成为当今互联网上使用最广泛的Web3D形式（Walsh和 Bourges-Sevenier，2001）。

可扩展的3D（X3D）

VRML的下一代规范是可扩展3D（X3D）标准（见http://www.web3d.org/x3d.html）。X3D是一个场景图和基于文本的编码，旨在克服VRML标准的一些限制。X3D使用可扩展标记语言（XML）来表达相同的VRML几何和行为结构。因此，X3D是一个向后兼容的XML标签集，用于描述VRML 200x标准的网络能力的三维内容。这种内容不是静态的，而是动态的，由丰富的插值器、传感器节点、脚本和行为驱动。

图5显示了一个X3D文件的摘录。该例子中的 XML标签对应于图3中的场景图例子和图4中的 VRML摘录。事实上，图4中的VRML内容是直接从图5中的X3D文件中生成的。从一种格式到另一种格式的转换样式表是用可扩展样式表语言转换（ XSLT；见Deitel, Deitel, Nieto, Lin, and Sadhu, 2001）编写的。这就是使用XML表示法背后的力量的一部分。XML将三维场景描述为结构化的数据，它可以被处理而不需要注意数据应该如何呈现。在这种情况下，它描述了三维内容，但该内容不需要被呈现为三维场景。通过不同的XSL文件， X3D/XML文件中的内容可以转换为VRML（如上图所示），也可以转换为打印精美的HTML（见图6 ），或者转换为其他任何格式（包括源代码）。

用XML表达VRML场景，可以应用广泛的现有和新兴的基于XML的工具进行转换、翻译和处理。 XML正在迅速地将网络从一个庞大的文件转变为一个可持续发展的网络。

储存库到一个巨大的数据储存库（Goldfarb and Prescod, 2001）。XML为可扩展性和组件化提供了许多好处。同样重要的是要注意到，XML构成了 Web-Enabled海军架构的基础设施（Task Force 'W', 2001），形成了数据内容、应用和表现之间的联系。对于X3D来说，XML进一步提供了开发格式良好和经过验证的场景图的能力，这是一个非常有价值的约束，因为 "破损 "的3D内容将不再被允许逃到网络上，因为它可能导致更大的场景失败。

X3D的主要目标应用是电子商务产品和技术演示、视觉模拟、数据库可视化、广告和网页动画、增强的新闻和纪录片、培训、游戏和娱乐、虚拟人物和教育。这个清单是Web3D联盟经过几个月的调查和广泛讨论后制定的，现在仍然有效。令人感兴趣的是，该联盟无法确定一个超越所有其他应用的 " 杀手级应用"。相反，3D图形有大量的应用领域，这些领域都需要得到综合的支持。这种情况为X3D 语言设计者提供了重要的指导。

X3D/VRML 200x能够兼容使用所有传统的 VRML 97内容。X3D提供了与其他相关标准的新的互操作性，包括MPEG-4和整个基于XML的语言系列。X3D进一步解决了VRML 97的一些缺点，提供了更紧密的媒体集成，通过高级渲染节点提高了视觉质量，并实现了基于组件的方法。综合二进制和几何压缩已被推迟到其他X3D交付成果完成之后。

一套庞大的一致性实例现在使浏览器公司和用户能够验证内容和渲染能力。Web3D VRML/X3D 一致性测试套件整合了源自美国国家标准与技术研究所（NIST）VRML97一致性套件的工作，并为新节点增加了一些新的测试。这些测试现在以XML格式提供，使测试能够随着VRML和X3D规范的发展而发展。该测试套件由大约850个测试组成，允许浏览者通过简单地浏览CD（或在线目录）记录的测试来评估一个VRML/X3D浏览器。测试是

图5.描述海军陆战队两栖行动的XML文件的摘录。请注意，所描述的内容与图3和图4中相同。

按节点组功能细分（如几何、灯光、声音），包括对浏览器状态的测试、现场范围测试、音频/图形渲染、场景图状态、生成的事件，以及最低限度的一致性要求。每个测试都包括一个XML（X3D）文件，其等效的VRML97文件，以及XML内容的 HTML "漂亮打印 "版本，以供检查。每个测试还包括一个关于初始条件和预期结果的完整描述。此外，还通过超链接提供了.jpg或.mpg视频形式的 "样本结果"，以使测试者对成功的测试结果有一个完整的 "印象"。

Xj3D开源项目

Web3D联盟维护着一个用Java编写的开放源码项目，名为Xj3D。Xj3D代码库为研究未来的标准和规范工作提供了一个测试平台，同时也是一个允许将VRML内容轻松纳入其他应用程序的工具包（Couch and Hudson, 2001）。源代码是免费提供的，邀请Web3D开发者进行技术合作、重复使用和贡献。Xj3D项目的特点包括

图6.NPS军事模型在线目录中的两栖突袭页面，显示了HTML中 "漂亮打印 "的XML文件的一部分。这与图3、图4和图5中描述的场景相同，增加了通信能力的表示。在右上角是一个活跃的三维窗口，上面显示了该场景的战斗空间（在Netscape Navigator中使用CosmoPlayer VRML三维插件渲染）。

● 一组针对VRML语法文件和原始字段信息的解析器，从严格到宽松的规范遵守。

● 一个通用的顺序编程接口，在读取VRML流的各个部分时有回调功能。

● 一组代表VRML规范的核心节点概念的接口。

● VRML的渲染实现目前有Java3D和纯内存的实现，还有可能是OpenGL的实现。

● 一个独立的XML文档对象模型（DOM）的实现，它结合了DOM和场景创作。接口（SAI）访问同一图形。值得注意的是， SAI是一个应用程序员接口（API），是由X3D 模式自动生成的。

● 独立的脚本引擎，支持Java和Mozilla的Rhino ECMAScript，独立于使用的渲染引擎。

● 补充主代码的实用类（例如，用户界面组件）。拥有一个开源的实现是巨大的权力，因为成功的规范测试和验证不再依赖于各种商业3D浏览器公司的经济 "起伏"。

情景创作和可视化

2000年8月，国防部建模和仿真办公室（ DMSO）的科技计划为NPS提供了最初的种子资金，用于研究和开发一个场景创作和基于网络的可视化能力。海军陆战队战斗发展司令部（MCCDC）训练和教育司令部（TECOM）提出了这个项目的概念，划定了与舰艇到目标机动（STOM）和其他新兴海军陆战队行动相关的复杂、多维战斗空间的三维可视化的要求。NPS的项目被称为高级图形环境的场景授权和可视化（SAVAGE）。

海军陆战队的远征战教育和训练正在现代化，以应对现代沿海作战空间的空中/地面/海上的复杂情况。海军陆战队已经启动了一个远程学习计划，以支持海军陆战队的培训和教育。该计划旨在整合使用创新的教学技术来支持远程学习的要求。海军陆战队多媒体基础设施的任务需求声明（USMC， 1994）指出，海军陆战队必须利用 "图形、视觉显示、信息调用、过滤、解释和计算机化传播的环境 "。此外，《任务需求声明》将 "建模和模拟虚拟现实的出现 "作为 "需要通过能够支持概念和想法的课堂环境来支持技术交付的一个例子"。人们设想建立虚拟教室，学生战士能够随时随地调查和探索战术任务的规划和执行。除了军事教育之外，还需要对普通公众进行海军陆战队行动性质的教育。

SAVAGE项目试图利用在线游戏和虚拟世界的概念和技术来创造一个探索战斗空间的环境。用户可以是指挥部的成员，也可以是对了解扩展的近海作战性质感兴趣的平民。用户将能够单独工作或合作创建战斗空间的表现。其目的不是创建 "另一个 "战斗模型，而是为了

提供一种方法来创建一个可以探索和操纵的战斗空间的代表（虚拟的 "战斗空间的塑造"）。后续工作包括将该工具与一个或多个现有的或新出现的作战模拟对接，以便在一个共同的环境中创建情景并在多个环境中执行。

情景创作和可视化工具在操作上必须是简单和直观的，但又具有丰富的表现力，以捕捉现代战场的复杂性。该工具必须在网络环境中有效运行，以便在创建场景元素和回放场景事件和行动时实现多用户互动和协作。

创作组件

情景创作部分将使主题专家（SMEs）能够创建扩展的沿岸战斗空间的图形表示，包括地形、天气和部队。中小企业类似于电影导演，使用该工具在数字媒体中布置故事线（任务）、演员（部队）、背景（环境-地形、天气）和场景（关键目标和事件）。中小企业配置部队并分配任务和行动，深入到所需的最低单位，以制定和分配详细的计划行动。代表性的活动包括登船、登岸、移动、突击、火力、工程、情报和后勤。

该工具将提供战斗空间的二维和三维视图，用于部队布置、路线规划、任务分配和探索。中小企业将能够通过局域或广域网络共享视图和图形注释来进行协作。时间线是为来自海上的作战机动、协调火力、空袭和随后的上岸行动而建立的。例如，一个团队的成员可能负责计划中的不同功能区域（火力、机动、情报等）。每个用户可以确定执行其指定责任区的力量和行为，然后功能区可以作为单独的 "层 "被引入战斗空间。各层的可视化以及各种组合，加上时间维度，将使参与者能够确定战斗空间中的资源和空间/时间冲突。

创作活动的产品在允许观众互动的程度上可能有所不同。在一个极端，作者可以制作一个脚本化的场景演示，预设视角，除了使用视频播放器控制（暂停、播放、快进、倒退），几乎不允许用户与场景互动。在另一个极端，作者可以制作一个场景，让用户 "进入 "场景，控制场景中某个实体或力量的运动和行动。在这两个极端之间，不同程度的互动是可能的，这将由场景作者决定。

国防部目前正在将标准的美国信息文本格式（USMTF）信息转换为XML（XML-MTF，2001 ）。NPS的研究表明，直接从USMTF操作命令信息（Murray和Quigley，2000）和战术通信规划系统（Laflam，2000和Hunsberger，2001）自动翻译3D模型的潜力。在与海军海战中心（NUWC）和NPS的合作中，国防分析研究所（IDA）创建了一个基于XML的陆地指挥和控制信息交换数据模型（LC2IEDM；IDA，2000），以形成指挥和控制系统之间的互操作性的基础。NUWC正在扩展这个模型以支持海洋领域。

在SAVAGE项目中，两栖作战命令的XML表示是特别有意义的。一个挑战是，作战命令中的许多重要信息都包含在命令的非结构化的自由文本部分。需要开展工作来整合各种XML模式，以精确标记重要信息的语义。这是一个重大的挑战，因为每项服务在一般文本部分所包含的信息数量和类型都不同。然而，XML-MTF和LC2IEDM的广泛适用性使得这项工作是可行的。

除了这些令人振奋的发展，国防部正在进行一些项目，为情景描述定义一个通用的XML标签集，以促进模拟系统和指挥与控制系统之间的互操作性。有两项工作正在被密切关注，以确定是否适用于 SAVAGE项目：（1）联合模拟系统(JSIMS)通用控制工作站(CCWS)场景生成(JSIMS, 2000) ； (2)DMSO 动态场景构建器倡议 (Lacy, Stone, and Dugone, 1999, and Lacy and Dugone, 2001)。预计这些努力将提供一套描述情景元素的抽象概念，从这些抽象概念中可以配置一个基于 XML的工具，如图3所示的X3D编辑器，使用户能够以分层的方式构建具有时间顺序的行为的情景。由此产生的XML文件可以以任何方式进行操作，包括转化为用于三维可视化的VRML结构。

来自其他来源的现有规划数据可用于协助情景的生成。这些来源可能包括应急战区空中规划系统（CTAPS）的空中任务指令（ATO）、时相部队部署数据（TPFDD），或新兴概念，如效果任务指令和海上任务指令。

显然，连贯地连接不同系统和数据源的战略机会正在出现。令人信服的是，所有标准化命令和计划的网络化三维可视化可能很快就会提供给所有指挥部，作为简单的信息附件提供。

可视化组件

今天的规划和建模系统最常使用的是三维战斗空间的二维表示。这给规划者、指挥官和部队带来了挑战，使他们无法了解最佳路线、掩体和隐蔽物、障碍物和可能的敌人据点等战斗空间的真实性质。虽然SAVAGE可视化组件将提供在战斗空间的二维和三维视图之间切换的能力，但正是三维提供的额外好处使这个可视化组件如此独特和强大。

一旦创作完成，XML到VRML的转换是无形的、自动的。一个三维插件，如Cosmo Player、 Cortona或Contact，必须加载到用户的计算机上以查看三维战斗空间。使用通信协议，如DIS，本地计算机或任何其他可能联网的计算机可以看到和操作相同的三维环境。可视化组件重用了《战争指南》中提供的图形、数据库和场景控制元素。

场景创作组件，但将禁用普通用户的场景定义元素。

用户将使用预定义的或自由形式的飞越（"魔毯 "），通过访问预定义的一组静态观点，或从战斗空间中的特定单位或实体的角度来导航虚拟战斗空间。用户可以查询战斗空间对象中封装的元数据，以获得任务和状态信息（我是什么？我在哪里？我要去哪里？我的任务是什么？我的火力是什么？我的组织是什么？我的负载是什么？我对敌人的了解是什么？）。对象可以由场景作者定义的嵌入式行为驱动，或者用户可以介入并直接控制场景中的对象。通过放大或缩小，用户可以选择所需的可视化细节水平。

随着剧情的展开，可视化组件将显示资源分配冲突、时间滞后、供应问题和其他战斗空间问题。事件冲突将在发生的地点和时间上 "弹出 "显示。所关注的措施可以从预定义的集合中选择，或根据系统数据库模式定义，以配置特定行动的统计板中的反馈。选项将允许用户重构和显示事件轨迹。

用户可以停止、倒退、暂停和重放场景。在审查一个场景时，作者可以倒退一个场景，切换到创作组件，进行修改，然后切换回可视化组件，查看修改的结果。请注意，全套的可视化功能将提供给场景作者，以促进场景的开发。

工具原型设计

NPS在SAVAGE项目第一年的努力集中在问题的视觉化方面。其目的是更好地了解为提供有效内容而需要表现的战斗空间的视觉元素。随着情景的视觉表现的构建，协助编写情景所需的工具的性质和范围变得

更加清晰。这项工作的结果是表示了一个小型的场景，许多军事平台的三维模型，以及一套初步的 VRML扩展（通过PROTO机制），以促进场景的编写。下面的讨论描述了到目前为止所完成的工作和项目的研究方向。

作为最初的范例，项目组选择了一个小型两栖突袭的场景。对海军陆战队和海军出版物（海军战争出版物3-02.1和两栖战争学校课程8603）的研究导致了对行动的主要阶段的描述；例如，启动直升机巡逻，发射登陆艇，侦察海滩接近，等等。两栖攻击行动中的每个关键事件都被当作一个单独的场景。故事板被开发出来以记录和描述每个场景的元素。每个故事板包括。

● 使用教义出版物中的术语对现场进行文字描述

● 场景的手绘草图

● 一张或多张来自真实世界军事行动的现场照片，包括2000年12月在彭德尔顿营的能力演习期间拍摄的一组照片

● 使用X3D编辑工具开发的场景的静态三维渲染（图3）。

故事板的描述帮助开发团队理解所涉及的两栖理论，并明确指出需要表现的对象、条件和行为。此外，从一个场景到下一个场景的过渡有助于确定场景中元素的位置变化和动画的时间。

图7显示了从两栖舰的井甲板上发射登陆艇的草图。图8是2000年12月在彭德尔顿营举行的海军陆战队能力演习期间拍摄的照片。图9显示了带有简化LPD模型的场景的三维描述。

图7.登陆艇离开两栖舰井甲板的故事板草图。

图8.2000年12月在彭德尔顿营举行的海军陆战队能力演习的故事板照片。

图9.从LPD-17两栖舰的简化模型中发射AAAV 的故事板三维渲染，透明的海洋表面和彭德尔顿营的地形。

合成战斗空间的优势之一是有机会检验未来的平台。出于原型设计的目的，我们决定描述新的 LPD-17级两栖平台，以及先进的两栖攻击车（ AAAVs）。这些系统目前正在采购中，在几年内不会交付给舰队。然而，在虚拟的战斗空间中，我们现在就可以检查这些平台的操作特性。

在创建图9所示的3D场景时，另一个选择是使用颜色映射来表示水深测量数据。为了看到颜色，海洋表面是透明的（这就是为什么LPD的整个船体是可见的）。虚拟战斗空间使用户能够看到过去不容易得到的尺寸。随着项目的进行，团队将确定应向用户提供的信息集或特征选择，使其能够选择单独或与其他特征相结合的战斗空间的哪些方面进行查看。

图10显示了海滩上的AAAV。值得一提的是， SAVAGE项目中使用的3D模型是由NPS的学生和教师创建的（使用图3中的X3D编辑工具）。该项目没有雇用3D艺术家的工作人员来做这项工作。由于研究关注的是如何更容易、更有效地开发有意义的三维内容，衡量成功的一个好标准是新学生（有军事背景，但没有受过训练的艺术家）能够创建内容。通过课程作业、学生项目、学生论文和教师的研究，NPS正在建立一个免费提供的、可重复使用的组件集合，可用于快速创建内容（目前，超过 275个模型和工具，作为创建场景的基石）。

图10.AAAV在彭德尔顿营的红海滩上岸的故事板3D效果图，头顶上有直升机航线线（AAAV 模型有铰接的轨道、炮塔和用于高速水上运动的前后平面扩展）。

在创建示范场景的过程中，项目组开发了一些 VRML 的扩展，以促进创作，包括：（ 1 ） WayPointInterpolator，使作者能够描述一个或多个平台的计划运动；（2）BooleanSequencer和 IntegerSequencer，提供一个向场景图中的节点发送信号以激活或修改场景中的行为的机制；（3） ExecutionControl，提供用户控制以运行、暂停、倒带和快进场景。

(4) CameraCompass平视显示器，为用户观看的方向提供视觉指示。

一些增强功能正在进行中，包括：(1)用户对场景执行模式的控制，使用户能够指示场景是否在本地运行（关闭自己的计时器），是否作为DIS协议数据单元（PDU）写入者（主控），或作为DIS PDU 接收者（幽灵）；(2)DIS实体状态PDU转换（ EspduTransform）的扩展，允许用户修改读/写时间间隔和改变操作模式（本地、主控、幽灵）。这些变化将使该场景在网络上执行，以便多个用户可以同时参与该场景。

对军事教育和训练的其他应用

基于网络的三维可视化将加强广泛的军事教育和培训主题，通过网络访问随时随地提供动态战斗空间。除了直接支持远程学习计划外，创建和探索动态战斗空间的能力可以为指挥人员的培训创造虚拟指挥和控制环境（Blais和Garrabrants，2000）。NPS感兴趣的其他关键目标领域包括两栖作战的任务规划和演练教育、城市地形军事行动（MOUT ）的三维可视化，以及为选定的模拟系统开发三维可视化。

两栖行动的任务规划和演练工具

由于进行演习的能力有限，两栖攻击行动尤其难以执行。这就对规划提出了更高的要求。 Web3D可以改善两栖攻击的准备工作，为任务规划者提供一个工具，以更好地将作战概念传达给各个单位，并掌握整个行动。地形的三维可视化与基于物理的模型相结合，可以提供目前二维规划技术中不容易看到的关键信息。这包括：路线规划、射击位置的建议选择、侦察队的预先定位，以及地面、海上和空中力量的协调。

城市地形的军事行动(MOUT)

城市地形和模糊的环境相结合，战斗人员的识别并不总是很清楚，这通常使MOUT成为一个困难和艰巨的行动。Web3D特别适合作为减少行动风险的计划和演练工具。它可以在几个方面做到这一点。

近距离战斗（CQC）

为解救人质或确保一系列建筑物的安全而袭击建筑物需要详细的计划和演练。建立火力范围对减少伤亡至关重要。Web3D可以准确地模拟建筑物的内部和外部，以方便计划和 "走过场 "演练。

路线规划

城市街道的Web3D地图可以帮助步行和车辆巡逻队建立进出路线。它还可以为导航中的错误提供准确的应急训练。

观测员/射击位置

Web3D可以让侦察和狙击小组有能力选择最佳的可用位置，以及确定敌人可能的位置。这在城市地形中可能特别困难，因为很难从高空图像中估计视线范围和射击位置。三维制图可以使作战人员处于模拟的位置，以评估其可行性。

快速三维可视化

目前，创建一个大型城市区域的三维可视化需要大量的时间。除非在行动开始前完成，否则它将无法用于最初的任务。使用精确的高空数据库快速开发城市地形的Web3D可视化是可能的。这将根据最新的信息进行更新，为部队提供一个理想的规划和演练工具。为了进行MOUT战术的教育，可以使用类似于商业游戏模拟的技术，从建成区的一般特征（地形特征、人口密度、建筑材料等）的规格中 "生长 "出合成的城市区域。

图11.美国海军格林威治号在格林威治号-爱媛丸号碰撞事件中的轨迹重建。用户可以调整海况水平，观察对通过虚拟潜望镜查看水面接触能力的影响。

仿真系统的三维可视化

有一些模拟模型可以为作战人员提供战术决策辅助。这些都可以通过引入Web3D功能得到加强。例如，海军模拟系统（NSS）是一个很好的增强三维可视化的候选系统。NSS旨在支持海军和联合行动的规划和决策支持，C4ISR分析/评估，舰队演习和实验，以及舰队训练。

NSS目前提供的是模拟运行的二维场景图。将场景的三维可视化纳入系统将增强用户界面，并与准确的地形模型相结合，可以为用户提供对模拟结果的更好理解。

其他应用领域

新一代的学生正在通过我们的教育系统进行学习。这些学生熟悉高速个人电脑和互联网的世界，提供丰富的数字视觉和互动体验。这些学生和未来的劳动力成员对教育和就业环境有同样的期望（ Prensky，2001）。本文讨论的技术可以应用于任何讲故事的场所。正如一开始所讨论的，今天的关键问题是互动性--无论在哪个领域，用户都必须对教学材料的传递有一种参与感。

NPS的学生研究了USS GREENEVILLE/MV Ehime Maru碰撞事件的描述，并正在构建该事件的3D再现（图11）。虽然这一事件属于军事领域，但它说明了该技术在更广泛的学习环境中的适用性。

未来的计划

SAVAGE项目是一项长期研究计划，旨在推动基于网络的三维场景创作和可视化的前沿。除了之前描述的大量模型和案例研究，计划中的工作方向包括：。

● 扩大可插入情景中的模型和事件的调色板，包括表示控制措施和战斗空间中的其他非物理概念。

● 创造更复杂的场景，描述所代表的陆地、空中、海上和沿岸物体和行动的相互作用。包括行动与控制措施的互动。

● 在场景脚本中创建分支流，以呈现决策点，使用户参与到展开的场景中。  调整多用户架构以采用高级别架构（HLA）。

● 研究对情景对象的行为分配；例如，从XML预设行动库（见Lacy和Pearman，2000年）中获取，并有适应当前情况的机制。

● 开发快速生成战斗空间地形的技术，包括表示建筑区和植被，以便在Web3D环境中使用。

● 从理论操作命令和计划中自动提取情景信息。

结论

由于广泛的硬件加速和使用X3D/VRML的可互操作的3D内容，Web3D图形终于迎来了时代，这主要归功于Web3D联盟赞助的开放标准工作。 NPS的SAVAGE项目（与多个合作者合作）表明，作战计划、信息系统、全球指挥和控制系统以及网络化3D可视化的全面整合是对基于XML标准的有力使用。这些惊人的硬件和软件能力为通过强大的网络技术增强教育体验打开了一系列的机会。

参考文献

Ames, A., Nadeau, D. & Moreland, J. (1997).VRML 2.0 Sourcebook (2nd ed.).New York:John Wiley & Sons.

Blais, C. L., & Garrabrants, W. M. (2000).刺激 C4I：模拟在远程学习中的作用。In M. Chinni (Ed.), Proceedings of the Advanced Simulation Technologies Conference 2000 (pp 205-210).圣地亚哥，加利福尼亚。计算机仿真学会，205-210。

Brutzman, D. (1998, June).虚拟现实建模语言和Java。Communications of the ACM, 41:6, 57- 64.

Carey, R., & Bell, G. (1997).注释的VRML 2.0 参考手册 .Reading, Massachusetts:AddisonWesley. Couch, J., & Hudson, A. (2001, draft).用Xj3D 查看和整合VRML内容

Deitel, H. M., Deitel, P. J., Nieto, T. R., Lin。 T.M., & Sadhu, P. (2001).XML如何编程。Upper Saddle River, New Jersey:Prentice Hall.

Foley, J. D., van Dam, A., Feiner, S. K., & Hughes, J. F. (1990).计算机图形学原理与实践（第二版）。 Reading, Massachusetts:AddisonWesley.

Goldfarb, C. F., & Prescod, P. (2001).The XML Handbook (2nd ed.).Upper Saddle River, New Jersey:Prentice Hall PTR.

Hunsberger, M. G. (2001, June).使用虚拟现实建模语言(VRML)和可扩展三维(X3D)进行规划和操作的战术通信的三维可视化。蒙特雷，加利福尼亚。Naval Postgraduate School.

IDA (2000, July).Land C2 信息交换数据模型的概述。国防分析研究所。

IEEE (1996).IEEE分布式交互模拟应用协议标准。IEEE Std 1278.1-1995。电气和电子工程师协会。

JSIMS (2000, October 3 draft).Battlespace XML schema.奥兰多，佛罗里达。联合模拟系统 (JSIMS)通用控制器工作站(CCWS)情景生成小组

Katz, W. (1998).网络化合成环境：从DARPA 到你的虚拟邻里（第 115-127 页）。 In C. Dodsworth (Ed.), Digital Illusions.Reading, Massachusetts:Addison-Wesley.

Lacy, L., Stone, G., & Dugone, T. D. (1999, September).共享HLA情景数据。在1999年秋季模拟互操作性研讨会的会议上。论文99F-SIW-190。

Lacy, L., & Pearman, G. M. (2000, September).使用可扩展标记语言（XML）的计算机生成的部队行为表示和再利用。在 2000年秋季模拟互操作性研讨会论文集。论文 00F-SIW-121。

Lacy, L. W., & Dugone, T. D. (2001, May draft).Military Scenario Definition Language.蒙特利，加利福尼亚。美国陆军TRADOC分析中心。

Laflam, D. (2000, September).使用网络虚拟环境的剧院级无线电通信的三维可视化。硕士论文。蒙特雷，加利福尼亚。海军研究生院。

Miller, T. E. (2000, September).将现实的人类群体行为整合到一个网络化的三维虚拟环境中。硕士论文。蒙特雷，加利福尼亚。海军研究生院。

Murray, M. W., & Quigley, J. M. (2000, June). 使用USMTF和XML-MTFAIR任务指令、可扩展标记语言（XML）和虚拟现实标记语言（VRML）自动生成一个分布式三维战斗空间。蒙特雷，加利福尼亚。Naval Postgraduate School.

Prensky, M. (2001).基于数字游戏的学习。 New York:McGraw-Hill.

任务组'W'（网络）（2001年，1月）。网络化海军架构，2.0版。副主任的副局长海军作战部副部长操作。 http://www.tfw.navy.mil

美国海军陆战队（1994年，8月）。多媒体基础设施任务需求声明，TNG 1.23.美国海军陆战队。 VRML (1997, 12月）。 VRML 97 国际规范。ISO/IEC 14772-1。

Walsh, A. E., and Bourges-Sevenier, M. (2001).Core Web3D. 新泽西州上萨德河。 Prentice-Hall.

xml-mtf (2001).Principles and Eerivations in support of XML-MTF.XML-MTF 开发小组。 Reston, Virginia:Mitre公司。

Zeltzer, D. (1992, Winter).自主性、互动性和存在感。Presence 1:1.麻省理工学院出版社。

云帆VR数字孪生研发中心，成立于2016年8月，致力于3D可视化数字科技探索，3D互联网、AR&VR互联网的市场应用。吸引、集聚、整合全球相关资源和优势力量，推进以数字科技为核心的全面创新，以人类愿景为驱动力，开展应用科学和创新性技术研究。

云帆VR数字孪生研发中心，计划在以下范畴拓展对数字世界的应用研究：

1：三维计算应用：AR、VR、数字孪生、3D可视化、三维全息、智慧园区、虚拟仿真、BIM可视化、智慧楼宇、智慧交通、智慧水务、智慧城市、AR商城、VR商城、3D商城、线上云展、VR看房。

2：三维云应用：5G云计算、轻量化云计算、多媒体云传输、GPU云渲染集群。

云帆VR数字孪生研发中心，旨在整合计算机科学和三维、图形图像计算等相关领域，面向实际行业场景和未来世界的前沿研究。建立产研合作平台，促进大众科技创新应用，打造产业、研究中心深度融合的生态圈。云帆VR数字孪生研发中心秉承“所见即所得”为使命，专注未来数字世界的三维科学研究，为全球数字科技和数字经济的进步，添砖加瓦。