摘要：随着Java技术的不断发展，Java平台下3D" title="3D">3D图形应用的性能有了极大的提高，结合Java开发原有的优势，越来越多的3D图形开发者选择了Java平台。本文介绍和分析了Java平台下若干具有代表性的3D图形技术，并在我们的工程案例中使用了其中之一的JME技术。

1 引言

一直以来，由于性能等原因，Java并不是3D图形应用的主流平台，但随着各种新技术的出现，这种情况有了很大改变。从开始的JIT、Static compilers，到现代的HotSpot技术[1][2]，使Java程序的运行效率越来越高，目前已经接近于C++程序。此外，通过JNI技术，Java程序可以调用任意第三方库，包括OpenGL和DirectX等图形库。基于JNI技术，Java平台上出现了很多3D图形API,包括Sun公司在2003年推出了可选的3D图形包―Java 3D和其它第三方的图形API。

在本文第2部分，对Java平台中具有代表性的若干3D图形API做了介绍和分析，并在第3部分中，介绍了在“可视化”领域中应用Java图形的一个工程案例。

2 Java平台的3D图形API

Java平台下可以选择的3D图形API有很多，根据封装层次可以将其分为以下两种：

l         Java bindings to OpenGL

l         Scene graph APIs

其中属于Java bindings to OpenGL的有：GL4Java，LWJGL，JOGL等。属于Sence Graph APIs的有：JMonkey Engine（JME）、Java3D等。

2.1 Java bindings to OpenGL

Java bindings to OpenGL的API是对OpenGL做了一层Java包装，使得人们可以在Java环境中调用OpenGL命令。这与OpenGL一样可以称为“Render层次”的图形API。这一层次的API处理的是点和象素级的操作，是Scene graph API的基础。

l         GL4Java(http://gl4java.sourceforge.net/docs/overview/benefits.html)

GL4Java在JOGL出来之前是最受欢迎的Java 3D API，它一直被认为是"OpenGL for Java Technology"。它可以在AWT和SWING中使用，这对打算在桌面应用程序中使用3D技术的人来说无疑是一个合适的选择。

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及其后续版本。遗憾的是它不能在AWT和SWING中绘图。

l         JOGL(https://jogl.dev.java.net/)

和LWJGL一样，它也完全支持JDK的新特性和最新版的OpenGL及其后续版本。但是和LWJGL所不同的是，它可以在AWT和SWING中进行绘图。JOGL和LWJGL是主要的竞争对手。但是Sun公司最终还是选择了JOGL，在其JSR 231 草案中明确指出采用JOGL作为OpenGL的绑定技术。

2.2 Scene graph APIs

Scene graph API建立在“Render层次”的图形API的基础上，属于“Entity层次”的图形API。这些API固化了大量3D图形应用中属于共性的功能，比如，它使用一个“有向无环图”的数据结构" title="数据结构">数据结构来组织3D场景中的可视对象，规定了场景的仿真逻辑、人机交互的机制、场景中物体间的相互作用（比如“碰撞”），并对3D场景的复杂渲染过程进行了优化。这种API可让使用者不必关心底层的渲染细节，最显著的优点是易用性和开发高效性。 Entity层次的3D 图形API有很多，这里将重点以Java 3D和JME作介绍。

l         Java 3D(http://www.j3d.org)

Java 3D是由Sun公司开发的一组高级3D图形API。除了Scene graph API的优点外，Java 3D有很多优异的特性，比如提供对多处理器和虚拟设备的支持，可以同时运行在OpenGL环境和Direct X环境等等。遗憾的是它的运行效率不是很理想，Java3D 1.3 beta的运行速度要比相同条件下GL4Java 的慢2.5倍。

l         Java Monkey Engine（JME）(http://jmonkeyengine.com/index.php)

JME是一个高性能的3D图形API，采用LWJGL作为底层支持。它的后续版本将支持JOGL。JME和Java 3D具有类似的场景结构，开发者必须以树状方式组织自己的场景。JME有一套很好的优化机制，这使得它得运行速度要比Java 3D快很多。JME主要由Render系统、Material系统、GUI系统、Texture和图片解码器、文件解码器、Scene插件（主要是地形系统）、粒子系统、日志、物理系统、光照系统等构成。可以说JME是一个功能齐全，性能卓越的3D图形引擎。

2.3 性能比较

由于JNI技术的额外负担可以忽略不计，所以在理论上各种Java bindings to OpenGL的APIs执行图形渲染任务的效率应该接近于C++" title="C++">C++/OpenGL版本。有关Java平台3D图形API的严肃的性能试验是由Jacob Marner[3]完成的，其结果表明：OpenGL/C++版本最快，GL4Java版本与C++版非常接近，Java3D的运行时间是C++版的2.5倍。而根据我们的初步试验，JME的效率与OpenGL/C++版本很接近，甚至比由非熟练OpenGL程序员编写出来的OpenGL/C++程序还要快。

高运行效率结合高开发效率，JME是一种理想的3D应用的开发平台，可以开发诸如虚拟现实、可视化，甚至计算机游戏。在下面我们将介绍一个JME在可视化领域的应用案例。

3．案例研究—智能节点" title="智能节点">智能节点弹性重叠网络信息三维图形展示系统

3.1 项目背景

“基于IPv6的广播影视资料P2P 内容存取中间件示范系统”是由国家支持的CNGI的项目之一。旨在促进全国各大中型电视台、电台的内容管理平台以及其它媒体机构，使之互连互通，形成相当容量规模的内容和节目的交换、分发，以及高效率检索和查询。而基于IPv6的P2P网络的特点就是“智能节点弹性重叠网络”[4]。

当此示范系统运行时，系统管理者需要实时了解系统工作的运行状态和各种信息，比如，网络的拓扑结构、系统的QoS等。这些信息可以用文字、数字、图表等形式展现，但其缺点是缺乏直观性，特别是复杂的网络拓扑结构是图文形式无法形象表达的。所以，将此示范系统的运行状态进行3D图形可视化就是一个很好的选择。

3.2 智能节点弹性重叠网络信息可视化

“计算机可视化”是指将复杂的数据以图形、动画、图象等直观的形式在计算机上展示出来，目的是为了让人们更好地获取信息和获得对系统的理解[5]。可视化过程一般分为三个步骤：关键信息" title="关键信息">关键信息识别、关键信息的图形表示、渲染。

l         关键信息识别：

本步骤的任务是：识别出系统中哪些信息和特征最为重要，需要以显著的视觉形式显现出来，以帮助人们可以清晰直观地了解示范系统的运行现状。我们识别出以下关键信息：

l         网络的拓扑结构，特别要表现出“弹性重叠网络”的概念；

l         超级节点，代表了一个媒体机构，需要随时显示其中可下载的资源列表；

l         终端节点，代表P2P下载的终端用户。

l         P2P下载所选择的路径；

l         P2P下载路径的QoS，例如路的带宽、流量等。

l         关键信息的图形表示

本步骤的任务是：对前面识别出的关键信息找出合适的视觉表示。这一步骤是可视化任

务是否有效的关键和难点。比如，为了表现“弹性重叠网络”的概念，我们选择了在空间上把网络分层次的布局；为了表现“超级节点”的主动性，我们选择了用模型动画而不是静态模型来表现它；为表现终端用户的特点，我们在3D空间中嵌入了一个播放影视文件的画布；再比如，使用半透明管道来代表P2P下载所选择的路径，使用各色运动的彩球代表其中的数据包；等等。

l         渲染

本步骤的任务是：把系统各种关键信息的图形表示渲染到屏幕上。这个任务是由JME

引擎来完成，因为JME引擎强大的图形渲染能力足以满足数据可视化工作的渲染要求：利用引擎可以轻松实现模型的导入和纹理的装载；引擎内置的各种光影算法可以表达出更丰富逼真的渲染效果；利用引擎的关卡编辑器可以方便地创建和管理场景，极大地提高工作效率。

3.3 对JME引擎的适应

由于JME引擎本质上是一个Scene Graph的图形引擎，只负责场景中3D图形的渲染工作。而我们可视系统中的对象，不仅仅具有可视形象，还具有一定的行为逻辑。比如：各个节点需要响应用户的鼠标点击、智能节点本身需要动画并且定时向外发送脉冲、终端用户需要定时向智能节点发送“心跳”信号、数据包在通道中运动并且在碰到节点时消失，等等。所以，我们需要对JME引擎进行适应性扩充，在JME渲染层之上架设一层Entity逻辑层，用来模拟系统对象的行为。

Entity层的软件设计决定是：Entity抽象类为逻辑层的祖类，让Entity类包含Node对象（Node类是代表场景元素的抽象类），与Scene Graph数据结构并行地创建一个管理Entity对象的数据结构，此数据结构初始化时同时初始化Scene Graph。

3.4 结果

    图1为“弹性重叠网3维图形展示系统”运行时的一个屏幕截图。

图1.弹性重叠网3维图形展示系统

4 结论

    与一般的观念相反，在Java平台上开发3D图形应用，比如虚拟现实、可视化、仿真甚至计算机游戏，是完全可行的，在产品运行效率上已经很接近C++/图形库程序。结合Java平台开发的其它优势，人们将越来越倾向于把Java当作3D图形应用的开发平台。

参考文献：

[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] 侯自强. 在CNGI IPv6上建立P2P环境和分布管理系统. 中兴通讯技术。

[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.