1 引言
??? 一直以來，由于性能等原因,，Java并不是3D圖形應用的主流平臺,，但隨著各種新技術的出現，這種情況有了很大改變,。從開始的JIT,、Static compilers，到現代的HotSpot技術[1][2],，使Java程序的運行效率越來越高,，目前已經接近于C++程序。此外,，通過JNI技術,，Java程序可以調用任意第三方庫,，包括OpenGL和DirectX等圖形庫?；贘NI技術,，Java平臺上出現了很多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Java平臺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”領域中應用Java圖形的一個工程案例,。
2 Java平臺的3D圖形API
???? Java平臺下可以選擇的3D圖形API有很多,，根據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OpenGL做了一層Java包裝,，使得人們可以在Java環(huán)境中調用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處理的是點和象素級的操作,，是Scene graph API的基礎。
?? .GL4Java(http://gl4java.sourceforge.net/docs/overview/benefits.html)
??? GL4Java在JOGL出來之前是最受歡迎的Java 3D API,，它一直被認為是"OpenGL for Java Technology",。它可以在AWT和SWING中使用，這對打算在桌面應用程序中使用3D技術的人來說無疑是一個合適的選擇,。
?? .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AWT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AWT和SWING中進行繪圖,。JOGL和LWJGL是主要的競爭對手。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,。
2.2 Scene graph APIs
??? Scene graph API建立在“Render層次”的圖形API的基礎上，屬于“Entity層次”的圖形API,。這些API固化了大量3D圖形應用中屬于共性的功能,，比如，它使用一個“有向無環(huán)圖”的數據結構來組織3D場景中的可視對象，規(guī)定了場景的仿真邏輯,、人機交互的機制,、場景中物體間的相互作用（比如“碰撞”），并對3D場景的復雜渲染過程進行了優(yōu)化,。這種API可讓使用者不必關心底層的渲染細節(jié),，最顯著的優(yōu)點是易用性和開發(fā)高效性。 Entity層次的3D 圖形API有很多,，這里將重點以Java 3D和JME作介紹,。
?? .Java 3D(http://www.j3d.org)
??? Java 3D是由Sun公司開發(fā)的一組高級3D圖形API。除了Scene graph API的優(yōu)點外,，Java 3D有很多優(yōu)異的特性,，比如提供對多處理器和虛擬設備的支持，可以同時運行在OpenGL環(huán)境和Direct X環(huán)境等等,。遺憾的是它的運行效率不是很理想,，Java3D 1.3 beta的運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具有類似的場景結構,，開發(fā)者必須以樹狀方式組織自己的場景,。JME有一套很好的優(yōu)化機制，這使得它得運行速度要比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)等構成,。可以說JME是一個功能齊全,，性能卓越的3D圖形引擎。
2.3 性能比較
??? 由于JNI技術的額外負擔可以忽略不計,，所以在理論上各種Java bindings to OpenGL的APIs執(zhí)行圖形渲染任務的效率應該接近于C++/OpenGL版本,。有關Java平臺3D圖形API的嚴肅的性能試驗是由Jacob Marner[3]完成的，其結果表明：OpenGL/C++版本最快，GL4Java版本與C++版非常接近,，Java3D的運行時間是C++版的2.5倍,。而根據我們的初步試驗，JME的效率與OpenGL/C++版本很接近,，甚至比由非熟練OpenGL程序員編寫出來的OpenGL/C++程序還要快,。
??? 高運行效率結合高開發(fā)效率，JME是一種理想的3D應用的開發(fā)平臺,，可以開發(fā)諸如虛擬現實,、可視化，甚至計算機游戲,。在下面我們將介紹一個JME在可視化領域的應用案例,。
3．案例研究—智能節(jié)點彈性重疊網絡信息三維圖形展示系統(tǒng)
3.1 項目背景
?? “基于IPv6的廣播影視資料P2P 內容存取中間件示范系統(tǒng)”是由國家支持的CNGI的項目之一。旨在促進全國各大中型電視臺,、電臺的內容管理平臺以及其它媒體機構,，使之互連互通，形成相當容量規(guī)模的內容和節(jié)目的交換,、分發(fā),，以及高效率檢索和查詢。而基于IPv6的P2P網絡的特點就是“智能節(jié)點彈性重疊網絡”[4],。
??? 當此示范系統(tǒng)運行時,，系統(tǒng)管理者需要實時了解系統(tǒng)工作的運行狀態(tài)和各種信息，比如,，網絡的拓撲結構,、系統(tǒng)的QoS等。這些信息可以用文字,、數字,、圖表等形式展現，但其缺點是缺乏直觀性,，特別是復雜的網絡拓撲結構是圖文形式無法形象表達的,。所以，將此示范系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行3D圖形可視化就是一個很好的選擇,。
3.2 智能節(jié)點彈性重疊網絡信息可視化
??? “計算機可視化”是指將復雜的數據以圖形,、動畫、圖象等直觀的形式在計算機上展示出來,，目的是為了讓人們更好地獲取信息和獲得對系統(tǒng)的理解[5],。可視化過程一般分為三個步驟：關鍵信息識別,、關鍵信息的圖形表示,、渲染。
?? .關鍵信息識別：
??? 本步驟的任務是：識別出系統(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出來,，以幫助人們可以清晰直觀地了解示范系統(tǒng)的運行現狀,。我們識別出以下關鍵信息：
?? .網絡的拓撲結構，特別要表現出“彈性重疊網絡”的概念,；
?? .超級節(jié)點,，代表了一個媒體機構，需要隨時顯示其中可下載的資源列表,；
?? .終端節(jié)點,，代表P2P下載的終端用戶。
?? .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,。
?? .關鍵信息的圖形表示
??? 本步驟的任務是：對前面識別出的關鍵信息找出合適的視覺表示,。這一步驟是可視化任務是否有效的關鍵和難點。比如,，為了表現“彈性重疊網絡”的概念,，我們選擇了在空間上把網絡分層次的布局；為了表現“超級節(jié)點”的主動性,，我們選擇了用模型動畫而不是靜態(tài)模型來表現它,；為表現終端用戶的特點，我們在3D空間中嵌入了一個播放影視文件的畫布,；再比如,，使用半透明管道來代表P2P下載所選擇的路徑，使用各色運動的彩球代表其中的數據包,；等等,。
?? .渲染
??? 本步驟的任務是：把系統(tǒng)各種關鍵信息的圖形表示渲染到屏幕上。這個任務是由JME引擎來完成,，因為JME引擎強大的圖形渲染能力足以滿足數據可視化工作的渲染要求：利用引擎可以輕松實現模型的導入和紋理的裝載,；引擎內置的各種光影算法可以表達出更豐富逼真的渲染效果；利用引擎的關卡編輯器可以方便地創(chuàng)建和管理場景,，極大地提高工作效率,。
3.3 對JME引擎的適應
??? 由于JME引擎本質上是一個Scene Graph的圖形引擎，只負責場景中3D圖形的渲染工作,。而我們可視系統(tǒng)中的對象,，不僅僅具有可視形象，還具有一定的行為邏輯,。比如：各個節(jié)點需要響應用戶的鼠標點擊,、智能節(jié)點本身需要動畫并且定時向外發(fā)送脈沖,、終端用戶需要定時向智能節(jié)點發(fā)送“心跳”信號,、數據包在通道中運動并且在碰到節(jié)點時消失,，等等。所以,，我們需要對JME引擎進行適應性擴充,，在JME渲染層之上架設一層Entity邏輯層，用來模擬系統(tǒng)對象的行為,。
??? Entity層的軟件設計決定是：Entity抽象類為邏輯層的祖類,，讓Entity類包含Node對象（Node類是代表場景元素的抽象類），與Scene Graph數據結構并行地創(chuàng)建一個管理Entity對象的數據結構,，此數據結構初始化時同時初始化Scene Graph,。
3.4 結果
??? 圖1為“彈性重疊網3維圖形展示系統(tǒng)”運行時的一個屏幕截圖。

???????????????????????????????????????????? 圖1.彈性重疊網3維圖形展示系統(tǒng)
4 結論
??? ?與一般的觀念相反,，在Java平臺上開發(fā)3D圖形應用,，比如虛擬現實、可視化,、仿真甚至計算機游戲,，是完全可行的，在產品運行效率上已經很接近C++/圖形庫程序,。結合Java平臺開發(fā)的其它優(yōu)勢,，人們將越來越傾向于把Java當作3D圖形應用的開發(fā)平臺。
參考文獻：
[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. 在CNGI IPv6上建立P2P環(huán)境和分布管理系統(tǒng). 中興通訊技術,。
[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.