摘要：隨著Java技術(shù)的不斷發(fā)展,，Java平臺下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，越來越多的3D圖形開發(fā)者選擇了Java平臺,。本文介紹和分析了Java平臺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,，由于性能等原因,，Java并不是3D圖形應(yīng)用的主流平臺，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)行效率越來越高,，目前已經(jīng)接近于C++程序。此外,，通過JNI技術(shù),，Java程序可以調(diào)用任意第三方庫，包括OpenGL和DirectX等圖形庫,?；?SPAN lang=EN-US>JNI技術(shù)，Java平臺上出現(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(lǐng)域中應(yīng)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(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,，這對打算在桌面應(yīng)用程序中使用3D技術(shù)的人來說無疑是一個合適的選擇,。
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(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“有向無環(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)來組織3D場景中的可視對象,，規(guī)定了場景的仿真邏輯,、人機(jī)交互的機(jī)制、場景中物體間的相互作用（比如“碰撞”）,，并對3D場景的復(fù)雜渲染過程進(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，比如提供對多處理器和虛擬設(shè)備的支持,，可以同時運(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(jié)構(gòu),，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(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,?？梢哉fJME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(shù)的額外負(fù)擔(dān)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(wù)的效率應(yīng)該接近于C++" title="C++">C++/OpenGL版本,。有關(guān)Java平臺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,，可以開發(fā)諸如虛擬現(xiàn)實(shí)、可視化,，甚至計算機(jī)游戲,。在下面我們將介紹一個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)”是由國家支持的CNGI的項(xiàng)目之一,。旨在促進(jìn)全國各大中型電視臺,、電臺的內(nèi)容管理平臺以及其它媒體機(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，系統(tǒng)管理者需要實(shí)時了解系統(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
“計算機(jī)可視化”是指將復(fù)雜的數(shù)據(jù)以圖形、動畫、圖象等直觀的形式在計算機(jī)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(guān)鍵信息" title="關(guān)鍵信息">關(guān)鍵信息識別,、關(guān)鍵信息的圖形表示,、渲染。
l???????? 關(guān)鍵信息識別：
本步驟的任務(wù)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(xiàn)出來,，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???????? 超級節(jié)點(diǎn)，代表了一個媒體機(jī)構(gòu),，需要隨時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：對前面識別出的關(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)“超級節(jié)點(diǎn)”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(xiàn)它；為表現(xiàn)終端用戶的特點(diǎn),，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(yùn)動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,。這個任務(wù)是由JME
引擎來完成,，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)建和管理場景,，極大地提高工作效率。
3.3 對JME引擎的適應(yīng)
由于JME引擎本質(zhì)上是一個Scene Graph的圖形引擎,，只負(fù)責(zé)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(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(diǎn)發(fā)送“心跳”信號,、數(shù)據(jù)包在通道中運(yùn)動并且在碰到節(jié)點(diǎn)時消失，等等,。所以,，我們需要對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,，用來模擬系統(tǒng)對象的行為,。
Entity層的軟件設(shè)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并行地創(chuàng)建一個管理Entity對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化時同時初始化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)行時的一個屏幕截圖,。
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++/圖形庫程序,。結(jié)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(dāng)作3D圖形應(yīng)用的開發(fā)平臺,。
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.