摘要：隨著Java技術的不斷發展，Java平臺下3D" title="3D">3D圖形應用的性能有了極大的提高，結合Java開發原有的優勢，越來越多的3D圖形開發者選擇了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，并在我們的工程案例中使用了其中之一的JME技術。
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。基于JNI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：
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。
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。
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“有向無環圖”的數據結構" title="數據結構">數據結構來組織3D場景中的可視對象，規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化。這種API可讓使用者不必關心底層的渲染細節，最顯著的優點是易用性和開發高效性。 Entity層次的3D 圖形API有很多，這里將重點以Java 3D和JME作介紹。
l???????? Java 3D(http://www.j3d.org)
Java 3D是由Sun公司開發的一組高級3D圖形API。除了Scene graph API的優點外，Java 3D有很多優異的特性，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環境和Direct X環境等等。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。
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。它的后續版本將支持JOGL。JME和Java 3D具有類似的場景結構，開發者必須以樹狀方式組織自己的場景。JME有一套很好的優化機制，這使得它得運行速度要比Java 3D快很多。JME主要由Render系統、Material系統、GUI系統、Texture和圖片解碼器、文件解碼器、Scene插件（主要是地形系統）、粒子系統、日志、物理系統、光照系統等構成。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執行圖形渲染任務的效率應該接近于C++" title="C++">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效率，JME是一種理想的3D應用的開發平臺，可以開發諸如虛擬現實、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—智能節點" title="智能節點">智能節點彈性重疊網絡信息三維圖形展示系統
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”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，形成相當容量規模的內容和節目的交換、分發，以及高效率檢索和查詢。而基于IPv6的P2P網絡的特點就是“智能節點彈性重疊網絡”[4]。
當此示范系統運行時，系統管理者需要實時了解系統工作的運行狀態和各種信息，比如，網絡的拓撲結構、系統的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，將此示范系統的運行狀態進行3D圖形可視化就是一個很好的選擇。
3.2 智能節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的理解[5]。可視化過程一般分為三個步驟：關鍵信息" title="關鍵信息">關鍵信息識別、關鍵信息的圖形表示、渲染。
l???????? 關鍵信息識別：
本步驟的任務是：識別出系統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的運行現狀。我們識別出以下關鍵信息：
l???????? 網絡的拓撲結構，特別要表現出“彈性重疊網絡”的概念；
l???????? 超級節點，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；
l???????? 終端節點，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“超級節點”的主動性，我們選擇了用模型動畫而不是靜態模型來表現它；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。
l???????? 渲染
本步驟的任務是：把系統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：各個節點需要響應用戶的鼠標點擊、智能節點本身需要動畫并且定時向外發送脈沖、終端用戶需要定時向智能節點發送“心跳”信號、數據包在通道中運動并且在碰到節點時消失，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”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
4 結論
??? 與一般的觀念相反，在Java平臺上開發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平臺開發的其它優勢，人們將越來越傾向于把Java當作3D圖形應用的開發平臺。
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_v
[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環境和分布管理系統. 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.