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著VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）的快速發(fā)展，三維建模技術(shù)在其中發(fā)揮著重要的作用，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心。本文研究探討了VR技術(shù)和三維建模技術(shù)，以及建模軟件3DMAX，還對(duì)VRML語(yǔ)言進(jìn)行了分析論述。
引言
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality，VR）通過(guò)使用計(jì)算機(jī)，運(yùn)用一定的技術(shù)手段建造一個(gè)仿真的三維虛擬環(huán)境。VR技術(shù)通常具有如下的特征：
1）沉浸感。是指對(duì)象作為主角置身于虛幻世界中的逼真感受。
2）交互性。是指參與者對(duì)模擬世界中物體的可干預(yù)性以及從虛擬環(huán)境中得到效果反饋的自然程度。
3）自主性。強(qiáng)調(diào)VR技術(shù)應(yīng)該擁有廣闊的可幻想空間，能夠拓展人類認(rèn)知的領(lǐng)域，不僅可以逼真重現(xiàn)客觀世界，還可以構(gòu)建虛幻的、甚至是奇幻的世界狀態(tài)。
當(dāng)今時(shí)代日新月異，隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，VR系統(tǒng)構(gòu)建及技術(shù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用已然成為時(shí)下的一個(gè)實(shí)踐性熱點(diǎn)研究課題。具體來(lái)說(shuō)，三維建模技術(shù)是VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)，如果沒(méi)有專業(yè)VR建模工具提供支撐，VR系統(tǒng)將很難成功建立。而在完成復(fù)雜的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的模擬建模時(shí)，研究中更多地使用了三維模型制作軟件。其中，3DMAX建模軟件是最趨廣泛與普及應(yīng)用的。通過(guò)利用3DMAX建造虛擬環(huán)境或物體，安裝與其相對(duì)應(yīng)的插件用于結(jié)果輸出，就能夠相對(duì)準(zhǔn)確可靠地創(chuàng)建環(huán)境模型文檔了。
虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)
在設(shè)計(jì)VR系統(tǒng)之前，首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)虛擬環(huán)境（Environment）。在眾多因素中，視覺(jué)將關(guān)系到最為直觀和形象的用戶體驗(yàn)，所以環(huán)境構(gòu)建中，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、逼真合理的呈現(xiàn)即成為至關(guān)重要的功能需求。
一旦模型建立起來(lái)，即可稱作一個(gè)系統(tǒng)的建立。系統(tǒng)能夠擁有一個(gè)物體或是多個(gè)群體，這樣的表現(xiàn)可以構(gòu)成系統(tǒng)的模型。也就是說(shuō)，系統(tǒng)模型以一個(gè)或多個(gè)方式存在。建模最初要完成的步驟，是給系統(tǒng)擬定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，虛擬世界里存在眾多的對(duì)象物體，相對(duì)層次較為繁雜，因而必須包括其中全部涉及的對(duì)象。下面則對(duì)這一技術(shù)內(nèi)容展開(kāi)論述研究。
1.1 幾何建模
三維視覺(jué)建模可細(xì)分為幾何建模(GeometricModeling)、物理建模(PhysicalModeling)、對(duì)象行為建模(ObjectBehaviorModeling)等。而在虛擬世界構(gòu)建中高效關(guān)鍵的設(shè)計(jì)手段就是幾何建模。
物體對(duì)象的幾何信息可以用幾何建模(GeometricModeling)來(lái)描述，虛幻世界中的各個(gè)對(duì)象都可由形狀和外形2個(gè)要素來(lái)構(gòu)成，而這2個(gè)要素又將分別由對(duì)象的其他因素來(lái)綜合確定。
1.1.1 Polygon（多邊形）建模
Polygon（多邊形）建模是基礎(chǔ)建模技術(shù)，就是用比較少量的網(wǎng)格多邊形進(jìn)行編輯建模。運(yùn)用這種方法，需要先刻畫一個(gè)基本的規(guī)則幾何體，再根據(jù)需求進(jìn)一步修改對(duì)象細(xì)節(jié)部分，最后通過(guò)各種手段技術(shù)來(lái)營(yíng)建虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景和對(duì)象。多邊形建模的缺點(diǎn)是不能夠生成曲面，但其操作簡(jiǎn)單方便，而且時(shí)效性頗佳。polygons建模多用于游戲、動(dòng)畫等領(lǐng)域中。
多邊形包括4個(gè)基本元素：頂點(diǎn)、邊、面、紋理坐標(biāo)。
下面，本文將運(yùn)用多邊形建模技術(shù)建造一個(gè)盾牌，實(shí)現(xiàn)過(guò)程用到了多邊形建模技術(shù)中，對(duì)物體面的變換、點(diǎn)的拉伸、以及多個(gè)幾何體互相拼接的過(guò)程，模型展示如圖1～圖3所示。
圖1 多邊形建模1
圖2 多邊形建模2
圖3 多邊形建模3
1.1.2 NURBS（非均勻有理B樣條曲線）建模
不同于多邊形建模，NURBS建模多是專門用來(lái)建造曲面對(duì)象。研究中可用曲線和曲面來(lái)刻畫NURBS建模對(duì)象，因此在NURBS里面建造一個(gè)銳利的邊則是不可能的完成任務(wù)。NURBS曲線的特征是可以在任意點(diǎn)上分割和合并，而Polygon的曲線卻無(wú)法做到這樣。NURBS建模通常適用于工業(yè)模型、產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
下面，本文即運(yùn)用NURBS建模設(shè)計(jì)一個(gè)杯子，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中將首先運(yùn)用CV曲線工具設(shè)計(jì)出杯子的曲線，如圖4所示；再通過(guò)旋轉(zhuǎn)工具繪制杯子的初步模型，如圖5所示；接下來(lái)則
通過(guò)編輯曲線上的點(diǎn)來(lái)進(jìn)一步修改杯子的輪廓，以達(dá)到理想的模型效果，如圖6所示；最后得到圖7，杯子模型最終完成。
1.1.3 Subdivision（細(xì)分表面技術(shù)）建模
Subdivision（細(xì)分表面技術(shù)）是近年來(lái)新興的一類建模技術(shù)。技術(shù)中匯集了NURBS（非均勻有理B樣條曲線）建模和Polygon建模的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，適合搭建一些層次感豐富復(fù)雜的模型。而且，其建模工具簡(jiǎn)單，操作方便，創(chuàng)作靜幀作品時(shí)是個(gè)不錯(cuò)的選擇。
圖4 曲線建模1
圖5 曲線建模2
圖6 曲線建模3
圖7 曲線建模4
Subdivision建模具有光滑的表面，因而并不存在對(duì)象表面的連續(xù)性問(wèn)題。刻畫到細(xì)節(jié)的時(shí)候，比如高精度的調(diào)節(jié)，就是利用level參數(shù)進(jìn)行區(qū)域性的調(diào)節(jié)。特別地，Subdivision（細(xì)分表面技術(shù)）能夠用于應(yīng)對(duì)要求更高的建模。
綜上，將可根據(jù)用戶的實(shí)際需求來(lái)選擇最為恰當(dāng)?shù)慕７椒ǎ绱瞬拍芸焖儆行У剡_(dá)成效果目標(biāo)。
1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)中的物理建模
繼幾何建模發(fā)展流行之后，另外一種建模應(yīng)運(yùn)而生，就是物理建模。物理建模重點(diǎn)取決于科學(xué)合理的動(dòng)態(tài)約束和運(yùn)動(dòng)方程的確立及求解。更改限制條件，互動(dòng)環(huán)境即可自動(dòng)解答更新的運(yùn)動(dòng)方程而且不存在顯著延遲現(xiàn)象。研究中，多是通過(guò)模擬對(duì)象的位移、碰撞檢測(cè)、旋轉(zhuǎn)、表面形變等方面來(lái)實(shí)現(xiàn)模型搭建。
下面將針對(duì)2種較為經(jīng)典的物理建模技術(shù)：分形技術(shù)和粒子系統(tǒng)，分別給出技術(shù)綜述。
1.2.1 分形技術(shù)
分形技術(shù)用來(lái)表示具有自相似特征的數(shù)據(jù)集。一些復(fù)雜的不規(guī)則形狀對(duì)象的建模可以運(yùn)用自相似這種結(jié)構(gòu)。該技術(shù)最早應(yīng)用于山川及水流的地理特性建模。分形技術(shù)雖然有其操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是計(jì)算量過(guò)大，技術(shù)實(shí)時(shí)性也隨即降低，所以只是適用于靜態(tài)遠(yuǎn)景的建模中。
1.2.2 粒子系統(tǒng)
粒子系統(tǒng)屬于經(jīng)典的物理建模系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的操作即可完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的建模，由此構(gòu)成了粒子系統(tǒng)。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，粒子系統(tǒng)可以來(lái)表示焰火、流水、風(fēng)雪、大雨、瀑布等自然現(xiàn)象。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，粒子系統(tǒng)主要用于動(dòng)態(tài)的、運(yùn)動(dòng)的物體建模。
1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)中的行為建模
幾何建模與物理建模相結(jié)合，僅是可以局部呈現(xiàn)出一個(gè)視覺(jué)上感受真實(shí)的畫面特點(diǎn)，而若要建造一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境世界，則還需要行為建模的參與和加入。
對(duì)象的運(yùn)動(dòng)與行為描述均可以通過(guò)行為建模的方式來(lái)執(zhí)行設(shè)計(jì)操作。行為建模能夠準(zhǔn)確貼切地描述虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)，如果沒(méi)有行為模型的實(shí)效支撐，那么任何VR的構(gòu)建均不會(huì)存在任何意義。
在構(gòu)造模型時(shí)，不但要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模型外觀等表現(xiàn)特性，同時(shí)更要關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)模型物理特性，進(jìn)而符合真實(shí)存在的行為習(xí)慣和應(yīng)激的能力。
如果說(shuō)幾何建模（GeometricModeling）技術(shù)主要是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的研究發(fā)展所得，那么，物理建模（PhysicalModeling）和行為建模（ObjectBehaviorModeling）就是多學(xué)科領(lǐng)域交叉的研究產(chǎn)物。必須結(jié)合多個(gè)領(lǐng)域的研究技術(shù)成果，才能夠建立優(yōu)質(zhì)且高端完善的行為模型。
3DMAX模型在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用
2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言———VRML
VRML（VirtualRealityModelingLanguage）是一種能夠在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)揮影響與作用的可以構(gòu)建立體虛幻空間的仿真程序語(yǔ)言。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)的用戶能夠?yàn)g覽到由VRML創(chuàng)建的3D虛幻現(xiàn)實(shí)，改變時(shí)下網(wǎng)絡(luò)與用戶應(yīng)用互動(dòng)的局限性，使得用戶與計(jì)算機(jī)的需求互動(dòng)更加便捷，從而全面展示了虛擬場(chǎng)景的沉浸性、交互性和自主性。
VRML語(yǔ)言具有描述性質(zhì)，可以構(gòu)造三維立體環(huán)境或物體。在構(gòu)造的虛擬環(huán)境中，每個(gè)場(chǎng)景均由許多的節(jié)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)、部署并構(gòu)成，因而對(duì)這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概述，并且生成wrl文件。
VRML與HTML相同，可以理解為是ASCII碼的描述性的語(yǔ)言。具體來(lái)說(shuō)，就是一種碼文件，可用普通計(jì)算機(jī)中都包含的文本編輯器編寫，還能使用VRML語(yǔ)言的專業(yè)編輯器來(lái)編寫源程序。通過(guò)使用VRML，用戶可以自行構(gòu)造出符合特定需求的模擬桌面場(chǎng)景。
2.2 3DMAX模型在VRML中的應(yīng)用
VRML（虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言）運(yùn)用節(jié)點(diǎn)搭建環(huán)境，但是用節(jié)點(diǎn)來(lái)描述模型卻難能達(dá)到具體逼真的現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)效果，而且也不容易模擬包含復(fù)雜面的形體。若運(yùn)用3DMAX則能夠彌補(bǔ)這一不足。現(xiàn)對(duì)其實(shí)現(xiàn)過(guò)程給出具體分析闡述。
1）用MAX模型建立VEML文件。
2）若要構(gòu)建VRML的三維立體虛幻空間，首先需要啟用3DMAX，如此，將能夠輸出VRML97的文件。點(diǎn)擊3DMAX進(jìn)入系統(tǒng)，并且使用各種建模方法搭建VR系統(tǒng)的實(shí)體化之后，就要單擊Create/Helpers，選擇VRML97；此時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)工具面板，面板上列示12個(gè)VRML輔助工具，分別是：Anchor（錨傳感器）、AudioClip（音頻剪裁板）、Background（背景）、Billboard（廣告牌）、Fog（霧）、InlineObject（在線幫助）、LOD（細(xì)節(jié)級(jí)別）、NavInfo（瀏覽信息）、ProxSensor（范圍傳感器）、Sound（聲音）、TimeSensor（時(shí)間傳感器）、TouchSensor（觸動(dòng)傳感器）；相應(yīng)地，就可添加協(xié)調(diào)輔助的工具，隨后單擊“File/Export”就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“SelectfiletoExport”對(duì)話框，點(diǎn)擊“保存類型”的下拉列表框，選取“VRML97（*.WRL）”類型文件，確定文件名后單擊“保存”；其后，出現(xiàn)“VRML97EXPORTER”對(duì)話框，選取系統(tǒng)默認(rèn)值，點(diǎn)擊“OK”生成一個(gè)文件，文件的后綴就是WRL。
3）將MAX模型導(dǎo)入到VRML場(chǎng)景中。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，即是先將3DMAX模型導(dǎo)出，保存為3DS格式，再合并VRML。那些運(yùn)用VRML開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的虛幻環(huán)境中，大部分實(shí)體都能夠在3DMAX中完成模型創(chuàng)建，最后獲得VRML形式的文件。比如，在建筑漫游環(huán)境里虛擬一部電梯（loft）。電梯模型可以運(yùn)用前述提及的Polygon（多邊形建模）來(lái)構(gòu)建生成，并保存為VRML格式文件。而后，可結(jié)合TouchSensor、TimeSensor和PositionInterpolator節(jié)點(diǎn)來(lái)達(dá)到電梯門拉開(kāi)與關(guān)閉的場(chǎng)景視覺(jué)效果。
結(jié)束語(yǔ)
隨著當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，VR技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛，不僅在教育、軍事、醫(yī)療、建筑、航空等領(lǐng)域參與了成果創(chuàng)造，而且在娛樂(lè)、制造業(yè)等方面也發(fā)揮了重要的作用。
但在這方面的研究中，仍然存在諸多不足。因此，在計(jì)算機(jī)新興技術(shù)開(kāi)拓發(fā)展的進(jìn)程中，定會(huì)有更多、更新的可行方案來(lái)解決當(dāng)下存在的研究難題，虛擬現(xiàn)實(shí)中的三維建模技術(shù)也必將獲得更大的發(fā)展空間及更為可觀的應(yīng)用前景。
作者：吳桐桐 周國(guó)輝
來(lái)源：數(shù)字化企業(yè)網(wǎng)
編輯：e-works 張千慧
去一年，科技界其實(shí)只有一件大事：VR的重生。
HTC、Oculus、索尼、谷歌……巨頭們已經(jīng)瞄準(zhǔn)了家用級(jí)的VR市場(chǎng)，如果你體驗(yàn)過(guò)Tilt Brush，一定很難不被這種沉浸感的技術(shù)吸引。已經(jīng)成了現(xiàn)在時(shí)的VR，正在向著未來(lái)進(jìn)軍。
不過(guò)，回顧VR的歷史也同樣有趣。是的，VR并不是新事物。在上世紀(jì)90年代，在這個(gè)技術(shù)尚是漏洞百出的時(shí)候，已經(jīng)有一批設(shè)計(jì)師和程序員，野心勃勃地要將其轉(zhuǎn)化為游戲、應(yīng)用，還有網(wǎng)頁(yè)。
注意最后一項(xiàng)，網(wǎng)頁(yè)。今天我們說(shuō)的WebVR，彼時(shí)也已經(jīng)開(kāi)始了探索。一種名為VRML的標(biāo)記語(yǔ)言，在上世紀(jì)90年代被廣泛地使用，以把瀏覽器變成一個(gè)能夠以第一人稱瀏覽3D內(nèi)容的工具。
VRML的誕生
1994年的首次國(guó)際萬(wàn)維網(wǎng)大會(huì)，對(duì)于今天的互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)來(lái)講，有著里程碑般的意義。電腦科學(xué)家們從全世界各處匯聚到日內(nèi)瓦，以探討互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)令人興奮的新媒介，其中就有現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的先驅(qū)人物Dave Raggett。
當(dāng)其他與會(huì)的電腦科學(xué)家正忙著創(chuàng)造互聯(lián)網(wǎng)原型工具、制定規(guī)則的時(shí)候，Raggett已經(jīng)將互聯(lián)網(wǎng)的版圖向今天我們熟知的樣子擴(kuò)展。在一系列郵件討論中，他提出了世界上第一個(gè)在瀏覽器中構(gòu)建3D世界的原型——VRML語(yǔ)言。
VRML語(yǔ)言的第一版草稿基于Inventor 文檔格式，由Silicon Graphics研發(fā)。VRML是一種成熟的OpenGL工具包，但存在的問(wèn)題就是對(duì)交互的支持并不太理想，所以計(jì)算機(jī)工程師們還需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。
計(jì)算機(jī)無(wú)法負(fù)擔(dān)的3D之重
讓我們回顧下，在1994年，消費(fèi)級(jí)的3D圖像是什么樣子的。當(dāng)時(shí)，計(jì)算機(jī)視頻卡才剛剛開(kāi)始發(fā)展，推動(dòng)著PC從VGA顯示繪圖陣列到多邊形矩陣的轉(zhuǎn)變。《Wing Commander III》是當(dāng)時(shí)最火熱的話題，從簡(jiǎn)單的圖像升級(jí)成為了全3D模型，盡管今天看來(lái)，還是有些簡(jiǎn)陋。除此之外，《System Shock and Marathon》也是利用了3D的家庭游戲。
彼時(shí)，最好的3D游戲是Namco的《Tekken》，一個(gè)模擬了兩個(gè)人的對(duì)戰(zhàn)游戲。當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，其實(shí)根本不能負(fù)擔(dān)任何真正的3D渲染，更不用提將其放到兩個(gè)立體顯示屏上了。因此，當(dāng)時(shí)Raggett針對(duì)瀏覽器的嘗試才顯得異常先鋒。
第二次嘗試
1995年，San Diego 召開(kāi)的一次計(jì)算機(jī)大會(huì)，讓3D技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，索尼和微軟分別提出了極具競(jìng)爭(zhēng)力的提案。其中一個(gè)最大的提案便圍繞著將VRML語(yǔ)言變成工作語(yǔ)言，去構(gòu)建實(shí)時(shí)的、多人的網(wǎng)絡(luò)空間。也因此，我們進(jìn)入了Neuromancer（《神經(jīng)漫游者》，也是《黑客帝國(guó)》的原型）時(shí)代，人們?cè)敢庀嘈牛摂M可能會(huì)成為一個(gè)“真實(shí)”存在的空間。
更不用提，技術(shù)也的確向前飛速發(fā)展著。VRML 2.0 在1997年面世之后，增加了許多新特性，讓打造基于瀏覽器的虛擬世界可能性大增。盡管在今天看來(lái)，當(dāng)時(shí)的努力都稍顯笨拙，但是無(wú)論如何，VRML2.0是可以使用的。
VRML的困境
如果你在Text編輯器里看VRML文檔，會(huì)發(fā)現(xiàn)這種語(yǔ)言非常的簡(jiǎn)單。提前預(yù)錄好的方向代碼，能夠?qū)崿F(xiàn)四面八方的移動(dòng)，例如，如果你想讓角色在空間中移動(dòng)，只需要鍵入：
geometry Sphere {
radius 1
}
此外，你還可以將傳統(tǒng)的超鏈接、腳本等加入到VRML語(yǔ)言中。這種簡(jiǎn)易的操作方式是有意設(shè)計(jì)的。HTML語(yǔ)言針對(duì)普通用戶，而VRML語(yǔ)言則希望更加簡(jiǎn)單易學(xué)。開(kāi)發(fā)者想讓人人都能創(chuàng)建3D空間，就像人人都能創(chuàng)建網(wǎng)頁(yè)一樣。理論上，這是可以實(shí)現(xiàn)的。而實(shí)踐起來(lái)，卻有千般困難。
盡管代碼操作簡(jiǎn)單，但是創(chuàng)建3D空間卻需要一定的空間邏輯能力，這對(duì)于沒(méi)有學(xué)過(guò)三角學(xué)的用戶來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。最后，VRML語(yǔ)言還是被專業(yè)人士使用，一般用戶依然沒(méi)有能順利地享用這種貌似簡(jiǎn)單的工具。
VRML行動(dòng)
無(wú)論如何，憑借著對(duì)構(gòu)建3D空間的好奇心和熱情，最后VRML還是一度風(fēng)靡網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)景和微軟很快升級(jí)了他們的瀏覽器，以全面支持VRML語(yǔ)言的各項(xiàng)功能。在1997年到1999年這段時(shí)間里，越來(lái)越多的3D網(wǎng)站被創(chuàng)建出來(lái)。一些公司甚至開(kāi)始嘗試面向消費(fèi)者的虛擬世界，最著名的便是CyberTown，能夠讓世界各地的人在3D或2D的空間中交互。
如果你不仔細(xì)算算，很容易忘了其實(shí)我們使用互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)超過(guò)20年了。基本上，WEB形態(tài)沒(méi)有變過(guò)，只不過(guò)更快、更強(qiáng)。VRML的支持者們當(dāng)時(shí)認(rèn)為這是一種可以替代WEB的新語(yǔ)言，但很可惜，這件事沒(méi)有發(fā)生。
在與網(wǎng)景曠日持久的瀏覽器大戰(zhàn)后，微軟最終取得了勝利，也不再需要把所有創(chuàng)新的屬性都囊括旗下，于是需要用戶安裝第三方插件的VRML也被微軟趕出了瀏覽器大本營(yíng)。
現(xiàn)代WebVR語(yǔ)言
盡管VRML壽命很短，基于Web的3D工具還是向前發(fā)展著。最大的成果便是從VRML數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)向XML工具的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造出了X3D。
2014年，HTML5語(yǔ)言誕生，創(chuàng)造了可以描繪物件的“畫布”，創(chuàng)造2D與3D空間變得前所未有的自由、簡(jiǎn)單。現(xiàn)在，不需要任何插件，我們便能夠創(chuàng)造出一個(gè)3D的空間。
或許該感謝WebVR的使用門檻，現(xiàn)在主流的認(rèn)知，并不是我們要馬上就創(chuàng)建一個(gè)完全虛擬的網(wǎng)絡(luò)世界，我們依然停留在文字、圖片為主的網(wǎng)頁(yè)里，這種不激進(jìn)的態(tài)度是否可取見(jiàn)仁見(jiàn)智，但是最起碼，我們的網(wǎng)絡(luò)生活還是便捷的不是嗎？
目前尚不得知這一波VR的浪潮，是否終會(huì)把我們引入到黑客帝國(guó)般的空間里，不過(guò)，溫故而知新，我們最起碼應(yīng)該知道：等待天時(shí)地利人和，一切都要慢慢來(lái)。
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前，CAx可利用的CAD格式有很多，其中包括標(biāo)準(zhǔn)如IGES、STEP；商業(yè)版本SAT、x_t、JT等；開(kāi)源版本Brep、STL、PLY等。
CAD 模型在幾何上是精確的，這就是它們有時(shí)被稱為“精確”模型的原因。另一方面，鑲嵌或刻面模型由三角形組成，只是模型的近似值，即使它們的刻面非常精細(xì)，有時(shí)很難分辨。
指特定 CAD 系統(tǒng)專有的格式，使用相應(yīng)的MCAD軟件，將比幾何建模內(nèi)核 CAD 格式或中性 CAD 格式擁有最多的信息并且更準(zhǔn)確。
軟件 | 擴(kuò)展名 | 廠商 |
AutoCAD | .dwg, .dxf | Autodesk(歐特克） |
CAXA電子圖板 | .exb | 數(shù)碼大方 |
CATIA V4 | *.model, *.session, *.exp | Dassault（達(dá)索） |
CATIA V5, V6 | CATPart, CATProduct, .3dxml，.cgr | Dassault（達(dá)索） |
Creo | .prt, .asm | PTC |
NX, Unigraphics (includes JT) | .prt, .jt, .j_t | Siemens（西門子） |
中望3D | .z3prt,.z3asm | 中望軟件 |
CAXA實(shí)體設(shè)計(jì) | .ics,.ic3d,.icsw | 數(shù)碼大方 |
SINOVATION | .cprt，.casm，.csht | 華天軟件 |
Pro/E | .prt, .asm | PTC |
KOMPAS-3D | .m3d,.m3t, | ASCON |
T-FLEX CAD | .grb,.grm | Top Systems |
Autodesk Inventor | ipt, iam | Autodesk |
Microstation | dgn | Bentley Systems |
Rhino | 3dm | Robert McNeel & Associates |
SOLIDWORKS | .sldprt, .sldasm | Dassault |
Solid Edge | .par, .asm, .psm | Siemens |
幾何建模內(nèi)核格式是原生 CAD 格式的基礎(chǔ)。由于這些格式具有更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，因此它們往往是比 STEP 或 IGES 更好的幾何信息來(lái)源。
CAD內(nèi)核 | 擴(kuò)展名 | 廠商 |
ACIS | .sat, .asat, .sab, .asab | Spatial Technologies（達(dá)索） |
Parasolid | .x_t，x_b | Siemens（西門子） |
SMLib | .sms, .iwb, .iwp | Solid Modeling Solutions |
Overdrive | .z3n(尚未公布） | 中望軟件 |
C3D | .c3d | ASCON（俄羅斯） |
DGM | .y_t, .y_b | 華云三維 |
CRUXIV | 尚未公開(kāi) | 華天軟件 |
AMCAX | 尚未公開(kāi) | 中科大九韶內(nèi)核AMCAX |
OpenCasecade | .Brep | 法國(guó)CapGemini |
SAT是ASCII，sab是二進(jìn)制，而.asat和asab是專門用于程序集的。ACIS支持非流形幾何圖形。
XCGM是CATIACGM幾何核心的原生核心格式，因此被視為“原生“格式。
SAT是ACIS的數(shù)據(jù)格式，ACIS是SpatialTechnology（后被達(dá)索收購(gòu)）公司的幾何造型引擎，它集線框、曲面和實(shí)體造型于一體，并允許這三種表示共存于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，作為成熟的商業(yè)三維引擎，ACIS的使用在CAx軟件中比較廣泛，所以SAT格式被支持的同樣廣泛。
x_t是Parasolid引擎的中性格式。Parasolid是另一種流行的商業(yè)幾何建模引擎，最初由ShapeData Limited開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在由SiemensPLM Software（前身為UGS）擁有。x_t格式被使用Parasolid作為CAD幾何核心的軟件所識(shí)別，可以作為相互間的數(shù)據(jù)交換格式，也有在CAM、CAE中作為中性格式的例子。
SAT和x_t作為商業(yè)中性格式，雖然它們精確表達(dá)幾何的能力非常完善，計(jì)算效率都很高，但其閉源和對(duì)應(yīng)用協(xié)議的嚴(yán)格控制，導(dǎo)致使用這些中性格式受到來(lái)自技術(shù)與商業(yè)的限制，從而并不能被主流用戶和開(kāi)發(fā)者所認(rèn)可，所以作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換應(yīng)用非常有限。
當(dāng)然使用ACIS和Parasolid作為核心來(lái)開(kāi)發(fā)相關(guān)應(yīng)用軟件另說(shuō)，因?yàn)槟侵缓烷_(kāi)發(fā)者的商業(yè)模式有關(guān)，與產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換和中性格式無(wú)關(guān)。
JT（Jupiter Tessellation）最初由EAI公司和惠普公司設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了DirectModel Tookit。后西門子使用JT作為通用的互操作格式和數(shù)據(jù)存檔格式。2009年，ISO接受JT規(guī)范作為公開(kāi)發(fā)布規(guī)范（PAS）。2010年中期，JT和STEPAP 242 XML在工業(yè)級(jí)別實(shí)現(xiàn)一起使用，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。2012年，JT被正式宣布為ISO標(biāo)準(zhǔn)（ISO14306：2012（ISOJT V1））3D可視化格式。
JT文件可以包含近似（分面）數(shù)據(jù)、精確的邊界表示面（NURBS）、產(chǎn)品和制造信息（PMI）和元數(shù)據(jù)。JT格式支持特定于CAD 的屬性和節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景圖。其壓縮技術(shù)用于存儲(chǔ)分面數(shù)據(jù)（三角形）。此格式的結(jié)構(gòu)支持可視屬性、產(chǎn)品和制造信息（PMI）和元數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)內(nèi)容的異步流式處理有很好的支持。
由于JT支持幾乎所有重要的3DCAD格式，通過(guò)稱為“Multi-CAD”來(lái)組裝和處理各種數(shù)據(jù)組合，此Multi-CAD易于管理和更新，因?yàn)榻M合的CAD模型文件與其關(guān)聯(lián)的JT文件之間可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)同步。JT文件最初設(shè)計(jì)是輕量級(jí)的，以適合通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)作。
目前JT格式的讀寫訪問(wèn)需要專有開(kāi)發(fā)庫(kù)支持，對(duì)外開(kāi)放的也僅是C#一種，所以還無(wú)法自由的利用JT格式優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)相關(guān)軟件中使用JT的助益還不明顯。
Brep 格式是開(kāi)源CAD引擎OpenCasecade的3D模型存儲(chǔ)格式，Brep允許存儲(chǔ)由頂點(diǎn)、邊緣、線、面、殼體、實(shí)體、復(fù)合體、邊三角剖分、面三角剖分、三角剖面、空間位置和方向等組成的模型。任何此類模型集都可以存儲(chǔ)為單個(gè)模型，并組成成模型復(fù)合體。
Brep格式可以包含了精確表達(dá)數(shù)據(jù)如ModelingData、ExchangeData、近似（分面）表達(dá)數(shù)據(jù)如MeshData。
Brep作為開(kāi)源引擎OpenCasecade的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，不僅可以使用交互的方式來(lái)創(chuàng)建、顯示和修改曲線、曲面和拓樸形狀，還可以以腳本（script）的方式來(lái)使用，并可用腳本的方式來(lái)對(duì)其造型內(nèi)核進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試（Tests）。在現(xiàn)在CAx相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)中，其開(kāi)源特性，跨平臺(tái)特性和免費(fèi)使用特性，以及完善的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達(dá)結(jié)構(gòu)，在一定程度上已經(jīng)不僅被用于專有CAD模型格式，而進(jìn)一步成為產(chǎn)品數(shù)據(jù)交互格式，用于在CAx間作為交換格式使用，并可在非CAD的CAx軟件的前后處理器中增加更改模型的交互操作能力。
Brep雖然不是嚴(yán)格意義上的中性格式，但目前有很多應(yīng)用使用Brep格式作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)交互的中間格式使用，很多CAx軟件前處理功能使用Brep作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交互方案。
目前，CAx可利用的中性格式有很多，其中包括標(biāo)準(zhǔn)如IGES、STEP；商業(yè)版本SAT、x_t、JT等；開(kāi)源版本Brep、STL、PLY等。
格式 | 擴(kuò)展名 | 組織 |
IGES | .igs, .iges | ANSI / ASME |
STEP | .stp, .step，.stpZ | ISO |
VDA-FS | .vda | DIN（德國(guó)） |
VDA-FS表面模型標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已被 STEP 取代 （VDA-FS 代表 Verband der Automobilindustrie – Fl?chenschnittstelle）
IGES（初始圖形交換規(guī)范）1.0版本是于1981年美國(guó)NBS正式發(fā)表的第一個(gè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換規(guī)范，最后的版本為?V5.3于1996年發(fā)表。中國(guó)于1993年9月將IGES 3.0 作為國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)。
IGES模型是精確的曲面表達(dá)，盡管有用于實(shí)體表達(dá)的IGES標(biāo)準(zhǔn)（IGES-MSBO），但很少使用，其使用曲面表達(dá)實(shí)體時(shí)會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，另外IGES對(duì)實(shí)體幾何的信息攜帶較少。
IGES作為一個(gè)古老的規(guī)范（制定時(shí)為避免CAD廠商抵制，以規(guī)范而非標(biāo)準(zhǔn)發(fā)表），存在較多問(wèn)題，但因已有數(shù)據(jù)基數(shù)龐大，規(guī)范簡(jiǎn)單基本可滿足常規(guī)的數(shù)據(jù)交換要求，所以目前還是主流中性格式之一。對(duì)于開(kāi)發(fā)CAx來(lái)說(shuō)，精確表達(dá)中STEP標(biāo)準(zhǔn)更完善，IGES可作為兼容老舊數(shù)據(jù)的一個(gè)選擇（在國(guó)內(nèi)，使用此規(guī)范的數(shù)據(jù)較少）。
STEP（產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互）是一個(gè)正在完善中的“產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型交換標(biāo)準(zhǔn)”。它是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)工業(yè)自動(dòng)化與集成技術(shù)委員會(huì)(TC184)下屬的第四分委會(huì)(SC4)于1994年首次制訂，正式代號(hào)為ISO-10303。STEP標(biāo)準(zhǔn)一直在更新，其子集和AP已達(dá)數(shù)百個(gè)，是現(xiàn)在最重要的中性格式，應(yīng)用于工業(yè)各領(lǐng)域。
1997年研發(fā)了STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)（ISO-DIS-14649），對(duì)于STEP/STEP-NC的應(yīng)用已經(jīng)成為工業(yè)化國(guó)家中的熱點(diǎn)研究對(duì)象，主要集中在數(shù)據(jù)庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)以及STEP-NC的控制器這三個(gè)方面。
STEP 標(biāo)準(zhǔn)也可劃分為兩部分：STEP標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型和工具。數(shù)據(jù)模型包括通用集成資源、應(yīng)用集成資源、應(yīng)用協(xié)議；工具包括描述方法、實(shí)現(xiàn)方法、一致性測(cè)試方法和抽象測(cè)試套件。STEP的數(shù)據(jù)模型描述方法是精確表達(dá)，覆蓋了曲面、實(shí)體及離散等各種表達(dá)方式。其具有簡(jiǎn)便、可兼容性、壽命周期長(zhǎng)和可擴(kuò)展性的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的解決信息集成問(wèn)題。
STEP的中性格式是工業(yè)軟件產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換必須支持的標(biāo)準(zhǔn)，也是各廠商間相互集成的普遍接受的方法，所以對(duì)于STEP格式的支持，是CAx軟件開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)界面主要工作之一。
出于 3D 打印、動(dòng)畫或游戲開(kāi)發(fā)的目的，CAD 格式通常會(huì)轉(zhuǎn)換為 STL 和 OBJ 等多邊形格式。多邊形格式是鑲嵌或刻面的，不包含 Brep CAD 模型中的任何工程信息，例如重量或體積。
格式 | 擴(kuò)展名 | 廠商 |
3DXML | .3dxml | Dassault（達(dá)索） |
3D PDF | Tetra 4D | |
3MF | .3mf | Microsoft (open source) |
Collada | .dae | ISO |
FBX | .fbx | Autodesk |
GLTF | .gltf | Khronos Group |
OBJ | .obj | Wavefront |
NGRAIN | .3KO | Ngrain |
PLY | .ply | Stanford University |
POD | .pod | |
PRC | .prc | |
Stereo Lithography | .stl | 3D Systems |
U3D | .u3d | |
VRML | .wrl | |
WebGL | .html | |
X3D | .x3d | Wed3D |
3D PDF 是與沒(méi)有 CAD 系統(tǒng)或 CAD 查看器的人共享信息的理想格式；查看 3D PDF 文件只需要 Adob?e Acrobat Reader，幾乎每個(gè)人都有。
NGRAIN 在技術(shù)上不是多邊形，而是使用體素，可以描述為 3D“像素”，可用于可視化大型模型或裝配體。
STL 是 3D 打印的默認(rèn)格式。STL 文件可以使用導(dǎo)出設(shè)置或通過(guò)多邊形縮減工具進(jìn)行優(yōu)化。
WebGL 文件可在任何支持 HTML5 的瀏覽器中查看和旋轉(zhuǎn)，無(wú)需插件，使其成為在線零件庫(kù)的理想選擇。
STL文件格式（Stereolithography，光固化立體造型術(shù)）是由3DSYSTEMS 公司于1988年制定的一個(gè)接口協(xié)議，是一種為快速原型制造技術(shù)服務(wù)的三維圖形文件格式，其目標(biāo)是作為3D打印（增材制造）的數(shù)據(jù)交換格式。STL文件由多個(gè)三角面片的定義組成，每個(gè)三角面片的定義包括三角形各個(gè)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)及三角形面片的法矢量。STL文件格式簡(jiǎn)單，只能描述三維物體的幾何信息，不支持顏色材質(zhì)等信息，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)處理CG,數(shù)字幾何處理如CAD,數(shù)字幾何工業(yè)應(yīng)用,如三維打印機(jī)支持的最常見(jiàn)文件格式。許多CAM系統(tǒng)使用三角形化的模型，STL文件格式不是最有效轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的方法，但此格式簡(jiǎn)便到隨手可得，所以也常被CAM系統(tǒng)用于輸入三角化的幾何模型。
STL格式是近似表達(dá)的格式，雖然不是國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)表的規(guī)范，但其簡(jiǎn)單易用的格式定義和應(yīng)用開(kāi)發(fā)方式，可參數(shù)化控制輸出質(zhì)量的特性，其應(yīng)用的廣度不斷擴(kuò)展。現(xiàn)在除其原用途外，使用STL及其增強(qiáng)格式（增加了邊的描述）主要用于三方面應(yīng)用：
PLY（PolygonFile Format-多邊形文檔格式）于1994年在史丹佛大學(xué)圖學(xué)實(shí)驗(yàn)室的MarcLevoy教授指導(dǎo)下，由GregTurk及其他成員提出。該格式主要用以儲(chǔ)存立體掃描結(jié)果的三維數(shù)值，透過(guò)多邊形面片的集合描述三維物體，與其他格式相較之下這是較為簡(jiǎn)單的方法。PLY多邊形文件格式的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是建立一套針對(duì)多邊形模型的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但是能夠滿足大多數(shù)圖形應(yīng)用需要的模型格式，而且它允許以ASCII碼格式或二進(jìn)制形式存儲(chǔ)文件。
PLY和STL格式同樣無(wú)法表示曲線、曲面，但PLY格式包含更多的模型信息，可以儲(chǔ)存的信息包含顏色、透明度、表面法向量、材質(zhì)座標(biāo)與數(shù)據(jù)可信度等，并能對(duì)多邊形的正反兩面設(shè)定不同的屬性，這使它可更好的應(yīng)用于圖形學(xué)。PLY在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用不多，但它是圖形學(xué)研究領(lǐng)域中常用且重要的文件格式。
OBJ文件是Alias|Wavefront公司開(kāi)發(fā)的一種3D模型文件格式，適合用于3D軟件模型之間的互導(dǎo)。OBJ格式面向的是三維設(shè)計(jì)和動(dòng)畫軟件，其應(yīng)用方向和CAD還是有較大差異。
目前的OBJ3.0文件格式，也是一種近似表達(dá)的格式，支持直線(Line)、多邊形(Polygon)、表面(Surface)和自由形態(tài)曲線(Free-formCurve)。
OBJ格式主要用途是在三維設(shè)計(jì)軟件間進(jìn)行模型的交換，可用于可視化，用途不廣泛。
X3D格式（含義是可擴(kuò)展的3D）是2001年8月Wed3D協(xié)會(huì)（前身VRML協(xié)會(huì)）發(fā)布VRML（ISO/IEC14772-1：1997）的下一代開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)文件格式和運(yùn)行時(shí)體系結(jié)構(gòu)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，用于表示和傳遞3D場(chǎng)景和對(duì)象，所有基于X3D的應(yīng)用都在一個(gè)開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)中，以構(gòu)建支持各種領(lǐng)域和用戶的方案。
X3D 格式采用近似表達(dá)來(lái)表示三維數(shù)據(jù)（它是和可視化硬件支持密切相關(guān)的）。X3D具有一組豐富的組件化功能，可定制用工程和科學(xué)可視化、CAD和結(jié)構(gòu)、地理空間、動(dòng)畫、3D打印、3D掃描、AR/MR/VR等。
X3D格式作為一個(gè)開(kāi)放的跨平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)，可以在大多數(shù)Web瀏覽器中呈現(xiàn)3D模型，而無(wú)需使用附加或?qū)Ｓ袘?yīng)用程序。使用X3D開(kāi)發(fā)模型可方便移植到其他平臺(tái)，如全息、頭戴式或其他顯示設(shè)備。
隨著虛擬應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，X3D的應(yīng)用以極快的速度豐富起來(lái)，例如在PDM和MES間產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換時(shí)采用的X3DPDF方案，以及PLM中實(shí)現(xiàn)三維功能、性能、數(shù)字樣機(jī)的可視化交互。
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