CN102323882A - 一种应用于Web3D的数据处理装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种Web3D的数据处理装置和方法，特别是涉及不需要浏览器插件的Web3D装置。包括基础功能装置，消息通信装置，JSON场景图形控制装置，场景图形处理装置，注入和反转控制装置，OpenGL接口装置。基础功能装置包括接口绑定装置；消息通信装置包括转发装置、双向通信装置、用户调度装置。使用本发明实现的Web3D应用，可以不依赖浏览器插件，并且可跨浏览器平台以及跨操作系统平台使用，有效提升用户体验，方便Web3D应用程序的快速实施和推广。还包括利用上述装置实现OpenGL ES 2.0数据渲染的方法。

Description

一种应用于Web3D的数据处理装置和方法

技术领域

本发明涉及一种跨浏览器的Web3D装置和方法，特别是涉及不需要浏览器插件的Web3D装置和方法。

背景技术

如公众所知，以VRML(虚拟现实标记语言)为代表的3D图形技术随着互联网的发展，正在与网络技术融合，形成基于互联网的三维图形技术。互联网上的交互式3D图形技术(Web3D)正在脱离本地主机的3D图形，形成自己独立的框架，Web3D技术将在电子商务、联机娱乐休闲与游戏、科技与工程的可视化、教育、医学、地理信息、虚拟社区等领域有广泛应用。

但基于B/S模式(即浏览器和服务端架构)的Web3D应用发展存在一个非常严重的制约性因素，即对浏览器插件的依赖。

浏览器作为客户端，用户在此客户端上运行三维应用程序，需要OpenGL或微软的Direct3D(OpenGL和Direct3D都是专业的图形编程接口，最大区别在于Direct3D是微软Windows系统独有的，而OpenGL是跨编辑语言、跨系统平台的)技术支持，而目前基于浏览器应用都尚不具备与操作系统底层技术的直接访问操作能力，因为浏览器厂商认为互联网直接对客户端本地系统级别的操作是具有重大安全隐患的，所以Web3D应用的实施应用通常伴随着一个浏览器插件，这个插件作为浏览器与底层OpenGL或Direct3D的技术桥梁，负责解释并翻译实施场景模型文件的语法，实时渲染从服务器端传来的场景模型文件，在网页访问者的客户端逐帧、实时地显示3D图形。但浏览器插件的使用存在以下问题：

1、浏览器插件是Web3D应用程序在服务端已部署好的，通常插件程序的文件体积不会太小，用户在使用Web3D应用程序之前必须先花费几分钟甚至十几分钟以上的时间下载或升级插件程序，然后再像安装软件那样安装这个插件。由于插件程序要与浏览器进程捆绑式同时执行才会发挥作用，所以用户要在下载并安装插件程序以后关闭当前所有已打开的浏览器窗口，重新启动浏览器让插件生效才能正常使用Web3D应用程序，对用户体验造成严重的不良影响。

2、浏览器插件的稳定性较差，针对同一厂商但不同版本的浏览器，插件的兼容性不好。举例说明，如微软IE6版本与IE7、IE8版本的浏览器进行对比，IE7、IE8版本浏览器对操作系统的内存管理技术要比IE6优秀很多，如果开发者针对IE7、IE8版本浏览器开发的插件程序在IE6版本下运行，而IE6对动态内存回收不及时，极有可能因内存溢出问题而导致浏览器程序崩溃；如当前最新版本IE9浏览器与之前版本的浏览器进行对比，IE9提供最新的硬件加速技术，使用计算机的图形处理器(也称为GPU)来处理侧重图形的任务(如视频流或三维图形)，浏览器默认安装该硬件加速技术是开启状态，如果在IE9下运行针对之前浏览器版本开发的插件程序，对操作系统底层图形编程接口的调用将极有可能发生冲突，因并行访问同一内存地址问题而导致浏览器程序崩溃。因兼容性问题导致浏览器崩溃，将对Web3D应用程序的稳定性造成严重的不良影响。

3、插件实现没有一个标准规范，同一Web3D应用针对不同浏览器需要多个版本插件，无法做到跨浏览器应用。造成这一问题的根本原因在于，各浏览器厂商的核心技术即浏览器内核不同。通常所谓的浏览器内核也就是浏览器所采用的渲染引擎，渲染引擎决定了浏览器如何显示网页的内容以及浏览器为插件扩展程序提供的接口。几乎所有主流的浏览器厂商均使用各自独特的浏览器内核，如IE浏览器使用微软公司独有的内核，Chrome浏览器和Safari浏览器使用苹果公司的WebKit内核，FireFox浏览器使用Gecko内核，而Opera浏览器不同版本之间使用了Presto和Kestrel两种内核，不同的浏览器内核对插件扩展程序提供的接口不同，因此同一Web3D应用程序要做到互联网用户全覆盖，几乎针对所有主流浏览器都要单独进行开发和维护，为Web3D应用程序的推广实施造成极大的阻力。

Web3D应用对浏览器插件的过度依赖，严重制约了应用程序的用户群体发展，以及优秀Web3D应用的实施和推广。

发明内容

针对以上缺陷，本发明的目的是提供一种应用于Web3D的数据处理装置，解决Web3D应用需要浏览器插件的技术问题。

同时本发明的目的是提供一种利用上述装置实现OpenGL ES 2.0数据渲染的方法，解决三维数据在浏览器处理速度慢的问题。

本发明的应用于Web3D的数据处理装置，包括基础功能装置、消息通信装置、JSON场景图形控制装置、场景图形处理装置、注入和反转控制装置和OpenGL接口装置；

基础功能装置，用于为Web3D应用的客户端提供请求响应，包括：针对客户端请求，计算三维场景中各模型、对象间的距离进行向量测算；对三维场景中的元素和对象进行优化，组成响应对象的数据集；对响应数据进行压缩，减少数据传输量；对响应数据的完整性进行验证；

消息通信装置，用于协调多客户端的请求响应，在各客户端共享场景中各共同元素、对象或模型的状态变化，满足Web3D应用的三维场景对象在多客户端实现联机操作；

JSON场景图形控制装置，控制三维场景中各元素、对象或模型的属性，包括：对象创建，根据元素预定义创建场景中的对象模型；对象更新，根据更新数据更新相应对象属性的三维数据；对象销毁，从三维场景中删除指定的对象；对象查询，维护各对象间的连接关系，元素、模型和对象间的层次结构。

场景图形处理装置，用于将JSON场景图形控制装置处理的对象经基础功能装置组织为数据集，传送至OpenGL接口装置进行主动数据通信；

注入和反转控制装置，用于JSON场景图形控制装置与OpenGL接口装置进行反向数据通信；

OpenGL接口装置，用于控制OpenGL图形库生成OpenGL指令，与系统底层硬件通信，控制底层硬件完成图形渲染。

基础功能装置包括接口绑定装置，用于将JavaScript脚本定义的数据封装结构与OpenGL图形库的接口数据封装结构进行映射，实现数据和控制信号在不同封装结构间的传递。

消息通信装置包括转发装置，用于读取OpenGL接口装置生成的OpenGL指令，将OpenGL指令集转发到指定的客户端，实现本地渲染。

消息通信装置还包括双向通信装置，用于在客户端与服务器端间建立可持续的双向通信，实现双向的数据传输。

消息通信装置还包括用户调度装置，用于同步场景对象和模型对象在客户端的状态，为每个客户端建立响应数据的传送队列。

利用本数据处理装置实现模型渲染的方法，其步骤为：

用户请求由客户端发起；

基础功能装置将用户请求数据转换为JavaScript接口结构功能请求数据；

接口绑定装置将JavaScript接口结构的功能请求数据转换为OpenGL ES 2.0接口结构的功能请求数据，并将该数据传送至OpenGL接口装置，

依据功能请求数据调用OpenGL接口装置生成OpenGL指令集；

由转发装置读取OpenGL指令，转发装置将OpenGL指令集转发到指定客户端。

还包括如下步骤：

用户调度装置向转发装置指定目标客户端；

双向通信装置为转发装置和指定目标客户端间提供双向的，持久连接的数据通道。

利用本发明的数据处理装置与HTML5浏览器进行数据交互，实现渲染的方法，其步骤为：

用户请求由浏览器发起；

基础功能装置将用户请求数据转换为JavaScript接口结构功能请求数据；

接口绑定装置将JavaScript接口结构的功能请求数据转换为OpenGL ES 2.0接口结构的功能请求数据，并将该数据传送至OpenGL接口装置；

依据功能请求数据调用OpenGL接口装置生成OpenGL指令集；

HTML5浏览器读取OpenGL指令集并传递给浏览器的<canvas>标签组件；

<canvas>标签组件对OpenGL指令集进行硬件3D加速渲染。

使用本发明的应用于Web3D的数据处理装置，可以使Web3D应用不再依赖浏览器插件，减少了插件开发的工作量，避免插件与浏览器间的兼容问题，并且可跨浏览器平台以及跨操作系统平台使用，有效提升用户体验，方便Web3D应用程序的快速实施和推广。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的应用于Web3D的数据处理装置架构示意图；

图2为本发明的应用于Web3D的数据处理装置进行渲染的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明应用于Web3D的数据处理装置包括基础功能装置01、消息通信装置02、JSON场景图形控制装置03、场景图形处理装置04、注入和反转控制装置05和OpenGL接口装置06。

基础功能装置01，用于为Web3D应用的客户端提供请求响应，包括：

针对客户端请求，计算三维场景中各模型、对象间的距离进行向量测算；

对三维场景中的元素和对象进行优化，组成响应对象的数据集；

对响应数据进行压缩，减少数据传输量；

对响应数据的完整性进行验证。

消息通信装置02，用于协调多客户端的请求响应，在各客户端共享场景中各共同元素、对象或模型的状态变化，满足Web3D应用的三维场景对象在多客户端实现联机操作。

JSON场景图形控制装置03，控制三维场景中各元素、对象或模型的属性，包括：

对象创建，根据元素预定义创建场景中的对象模型；

对象更新，根据更新数据更新相应对象属性的三维数据；

对象销毁，从三维场景中删除指定的对象；

对象查询，维护各对象间的连接关系，元素、模型和对象间的层次结构。

场景图形处理装置04，用于将JSON场景图形控制装置03处理的对象经基础功能装置01组织为数据集，传送至OpenGL接口装置06进行主动数据通信；

注入和反转控制装置05，用于JSON场景图形控制装置03与OpenGL接口装置06进行反向数据通信；

OpenGL接口装置06，用于控制OpenGL图形库生成OpenGL指令，与系统底层硬件通信，控制底层硬件完成图形渲染；

基础功能装置01包括接口绑定装置011，用于将JavaScript脚本定义的数据封装结构与OpenGL图形库的接口数据封装结构进行映射，实现数据和控制信号在不同封装结构间的传递。

消息通信装置02包括转发装置022，用于读取OpenGL接口装置06生成的OpenGL指令，将OpenGL指令集转发到指定的客户端，实现本地渲染；

还包括双向通信装置021，用于在客户端与服务器端间建立可持续的双向通信，实现双向的数据传输；

还包括用户调度装置023，用于同步场景对象和模型对象在客户端的状态，为每个客户端建立响应数据的传送队列。

OpenGL(Open Graphics Library)定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格，作为专业图形程序接口，具有功能强大，调用方便的底层图形库。OpenGL ES 2.0接口由OpenGL子集组成，作为跨平台的2D和3D图形应用程序接口API，它针对多种嵌入式系统专门设计，包括控制台、移动电话、手持设备、家电设备和汽车等。

在应用中，OpenGL接口装置06由OpenGL ES 2.0接口组成，注入和反转控制装置05由三维图形和场景引擎(Scene Graph Engine)组成，注入和反转控制装置05由注入服务和反转控制的编程接口(Service and Inversion Of Control Application Programming Interface)组成，JSON场景图形控制装置03由JSON场景图形接口(JSON Scene Graph API)组成，基础功能装置01由功能库(Utilities Library)组成，消息通信装置02由消息接口(Message API)组成。

JSON场景图形控制装置03负责加载读取和更新三维场景数据，通过场景图形处理装置04或注入和反转控制装置05与OpenGL接口装置06传输数据和控制指令，生成渲染指令，使底层系统硬件完成渲染，由消息通信装置02为客户端或其他应用程序提供一些实用常用的功能接口，需要多人联机使用三维应用程序的时候再由消息通信装置02负责广播通信。

场景图形处理装置04直接调用OpenGL接口装置06或通过注入和反转控制装置05控制应用程序的对象来与OpenGL接口装置06进行主动或被动方式通信；JSON场景图形控制装置03提供控制方法来创建、查询、更新和销毁三维场景和模型对象，负责解析和更新三维数据；消息通信装置02实现消息通信服务，使得Web3D应用可以面向用户提供多人同时在线联机操作功能；基础功能装置01是一个开放式的公用方法库，为Web3D应用提供场景优化、数据验证、数据压缩、距离测算等实用方法，如三维场景数据在网络上传输，可使用该组件中的接口方法先进行压缩处理，待终端接收后再进行解压缩处理；使用集合中的接口方法来实时判断模型是否设置了物理碰撞检测属性等等。

本发明的应用于Web3D的数据处理装置中，基础功能装置01包括接口绑定装置011，用于将JavaScript脚本定义的接口结构与OpenGL ES 2.0图形库的接口结构进行映射，实现数据及指令在不同结构类型间传输。

浏览器或其他客户端采用脚本语言(JavaScript)，通过接口绑定装置011与OpenGL接口装置06的底层OpenGL ES 2.0接口做相应的映射绑定，使用户的交互性请求可由JavaScript传递并调用相应的底层图形处理接口方法予以响应。例如底层OpenGL ES 2.0接口接收的功能请求数据基本都是模型状态数值，而这个数值不会从用户输入请求参数里直接获取到，这就需要通过接口绑定装置进行中间转换。

从而使用户在操作三维应用程序接口的时候可以忽略底层实现细节，避免了通过本地插件将请求数据传递给本地底层图形接口，使得数据的传输不再受到浏览器与插件兼容性的干扰，同时减少了对不同插件及其不同版本的维护，更加有利与专注Web3D应用的开发。

如图2所示，在实际应用中，利用本发明的应用于Web3D的数据处理装置，实现模型渲染的方法，其步骤为：

用户请求由客户端发起；

基础功能装置01将用户请求数据转换为JavaScript接口结构功能请求数据；

接口绑定装置011将JavaScript接口结构的功能请求数据转换为OpenGL ES 2.0接口结构的功能请求数据，并将该数据传送至OpenGL接口装置06，

依据功能请求数据调用OpenGL接口装置06生成OpenGL指令集；

由转发装置022读取OpenGL指令，转发装置022将OpenGL指令集转发到指定客户端。

还包括如下步骤：

用户调度装置023向转发装置022指定目标客户端；

双向通信装置021为转发装置022和指定目标客户端间提供双向的，持久连接的数据通道。

最新标准HTML5的浏览器并非仅仅用来表示Web内容，可以将视频，音频，图象，动画，以及不同应用程序之间的交互标准化，目前各大主流浏览器厂商均已提供不完全一致的功能项，使得HTML5满足跨浏览器的全覆盖要求。这就可以进一步简化本发明的应用于Web3D的数据处理装置，在用户的浏览客户端采用脚本语言JavaScript，利用接口绑定装置011将底层的OpenGL ES 2.0接口做相应的映射绑定，将使用户的交互性请求由JavaScript传递并调用相应的底层图形处理接口方法予以响应，最后再由浏览器的HTML5标准下<canvas>标签组件来提供对OpenGL指令集进行硬件3D加速渲染，这样就可以做到借助系统显卡在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型，甚至可以创建复杂的导航和数据视觉化等。由于底层的图形硬件加速功能和图形渲染功能，都是通过统一的、标准的和跨平台的OpenGL ES 2.0接口实现，由于OpenGL ES 2.0图形编程接口具备操作系统平台无关特性，所以基于本发明实现的Web3D应用，不仅跨浏览器平台，而且还做到跨操作系统平台。

利用本应用于Web3D的数据处理装置与HTML5浏览器进行数据交互，实现渲染的方法，其步骤为：

用户请求由浏览器发起；

基础功能装置01将用户请求数据转换为JavaScript接口结构功能请求数据；

接口绑定装置011将JavaScript接口结构的功能请求数据转换为OpenGL ES 2.0接口结构的功能请求数据，并将该数据传送至OpenGL接口装置06；

依据功能请求数据调用OpenGL接口装置06生成OpenGL指令集；

HTML5浏览器读取OpenGL指令集并传递给浏览器的<canvas>标签组件；

<canvas>标签组件对OpenGL指令集进行硬件3D加速渲染。以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种应用于Web3D的数据处理装置，其特征在于：包括基础功能装置(01)、消息通信装置(02)、JSON场景图形控制装置(03)、场景图形处理装置(04)、注入和反转控制装置(05)和OpenGL接口装置(06)；

基础功能装置(01)，用于为Web3D应用的客户端提供请求响应，包括：针对客户端请求，计算三维场景中各模型、对象间的距离进行向量测算；对三维场景中的元素和对象进行优化，组成响应对象的数据集；对响应数据进行压缩，减少数据传输量；对响应数据的完整性进行验证；

消息通信装置(02)，用于协调多客户端的请求响应，在各客户端共享场景中各共同元素、对象或模型的状态变化，满足Web3D应用的三维场景对象在多客户端实现联机操作；

JSON场景图形控制装置(03)，控制三维场景中各元素、对象或模型的属性，包括：对象创建，根据元素预定义创建场景中的对象模型；对象更新，根据更新数据更新相应对象属性的三维数据；对象销毁，从三维场景中删除指定的对象；对象查询，维护各对象间的连接关系，元素、模型和对象间的层次结构。

场景图形处理装置(04)，用于将JSON场景图形控制装置(03)处理的对象经基础功能装置(01)组织为数据集，传送至OpenGL接口装置(06)进行主动数据通信；

注入和反转控制装置(05)，用于JSON场景图形控制装置(03)与OpenGL接口装置(06)进行反向数据通信；

OpenGL接口装置(06)，用于控制OpenGL图形库生成OpenGL指令，与系统底层硬件通信，控制底层硬件完成图形渲染。

2.如权利要求1所述的数据处理装置，其特征在于：基础功能装置(01)包括接口绑定装置(011)，用于将JavaScript脚本定义的数据封装结构与OpenGL图形库的接口数据封装结构进行映射，实现数据和控制信号在不同封装结构间的传递。

3.如权利要求2所述的数据处理装置，其特征在于：消息通信装置(02)包括转发装置(022)，用于读取OpenGL接口装置(06)生成的OpenGL指令，将OpenGL指令集转发到指定的客户端，实现本地渲染。

4.如权利要求3所述的数据处理装置，其特征在于：消息通信装置(02)还包括双向通信装置(021)，用于在客户端与服务器端间建立可持续的双向通信，实现双向的数据传输。

5.如权利要求4所述的数据处理装置，其特征在于：消息通信装置(02)还包括用户调度装置(023)，用于同步场景对象和模型对象在客户端的状态，为每个客户端建立响应数据的传送队列。

6.权利要求1至5所述的任一应用于Web3D的数据处理装置实现模型渲染的方法，其步骤为：

用户请求由客户端发起；

基础功能装置(01)将用户请求数据转换为JavaScript接口结构功能请求数据；

接口绑定装置(011)将JavaScript接口结构的功能请求数据转换为OpenGL ES 2.0接口结构的功能请求数据，并将该数据传送至OpenGL接口装置(06)，

依据功能请求数据调用OpenGL接口装置(06)生成OpenGL指令集；

由转发装置(022)读取OpenGL指令，转发装置(022)将OpenGL指令集转发到指定客户端。

7.如权利要求6所述的控制方法，还包括如下步骤：

用户调度装置(023)向转发装置(022)指定目标客户端；

双向通信装置(021)为转发装置(022)和指定目标客户端间提供双向的，持久连接的数据通道。

8.如权利要求1至5所述的任一应用于Web3D的数据处理装置与HTML5浏览器进行数据交互，实现渲染的方法，其步骤为：

用户请求由浏览器发起；

基础功能装置(01)将用户请求数据转换为JavaScript接口结构功能请求数据；

接口绑定装置(011)将JavaScript接口结构的功能请求数据转换为OpenGL ES 2.0接口结构的功能请求数据，并将该数据传送至OpenGL接口装置(06)；

依据功能请求数据调用OpenGL接口装置(06)生成OpenGL指令集；

HTML5浏览器读取OpenGL指令集并传递给浏览器的<canvas>标签组件；

<canvas>标签组件对OpenGL指令集进行硬件3D加速渲染。

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