摘要：隨著Java技術(shù)的不斷發(fā)展，Java平臺(tái)下3D" title="3D">3D圖形應(yīng)用的性能有了極大的提高，結(jié)合Java開發(fā)原有的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的3D圖形開發(fā)者選擇了Java平臺(tái)。本文介紹和分析了Java平臺(tái)下若干具有代表性的3D圖形技術(shù)，并在我們的工程案例中使用了其中之一的JME技術(shù)。
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：
l???????? Java bindings to OpenGL
l???????? 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)。
l???????? 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AWT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。
l???????? 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AWT和SWING中繪圖。
l???????? 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AWT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)" title="數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)">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。
l???????? Java 3D(http://www.j3d.org)
Java 3D是由Sun公司開發(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。
l???????? 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具有類似的場(chǎng)景結(jié)構(gòu)，開發(fā)者必須以樹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。可以說(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++" title="C++">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程序員編寫出來(lái)的OpenGL/C++程序還要快。
高運(yùn)行效率結(jié)合高開發(fā)效率，JME是一種理想的3D應(yīng)用的開發(fā)平臺(tái)，可以開發(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)" title="智能節(jié)點(diǎn)">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。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、圖象等直觀的形式在計(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" title="關(guān)鍵信息">關(guān)鍵信息識(shí)別、關(guān)鍵信息的圖形表示、渲染。
l???????? 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，需要以顯著的視覺形式顯現(xiàn)出來(lái)，以幫助人們可以清晰直觀地了解示范系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀。我們識(shí)別出以下關(guān)鍵信息：
l???????? 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；
l???????? 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；
l???????? 終端節(jié)點(diǎn)，代表P2P下載的終端用戶。
l???????? P2P下載所選擇的路徑；
l???????? P2P下載路徑的QoS，例如路的帶寬、流量等。
l???????? 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)畫而不是靜態(tài)模型來(lái)表現(xiàn)它；為表現(xiàn)終端用戶的特點(diǎn)，我們?cè)?SPAN lang=EN-US>3D空間中嵌入了一個(gè)播放影視文件的畫布；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。
l???????? 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)?/SPAN>JME引擎強(qiáng)大的圖形渲染能力足以滿足數(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)用戶的鼠標(biāo)點(diǎn)擊、智能節(jié)點(diǎn)本身需要?jiǎng)赢嫴⑶叶〞r(shí)向外發(fā)送脈沖、終端用戶需要定時(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抽象類為邏輯層的祖類，讓Entity類包含Node對(duì)象（Node類是代表場(chǎng)景元素的抽象類），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
??? 與一般的觀念相反，在Java平臺(tái)上開發(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_v
[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.