基于WebVR的井岡山虛擬旅游系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

譚云蘭，賈金原，康永平，彭 碩，張 博

基于WebVR的井岡山虛擬旅游系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

*譚云蘭1,3，賈金原2，康永平4，彭 碩1，張 博2

（1. 井岡山大學電子與信息工程學院，江西，吉安 343009；2. 同濟大學軟件學院，上海 201804；3. 同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804；4. 井岡山大學網(wǎng)絡(luò)中心，江西，吉安 343009）

針對當前主流的VR虛擬旅游系統(tǒng)因虛擬場景重型及網(wǎng)絡(luò)帶寬有限等因素而存在不能使游客直接瀏覽WEB頁面，需下載插件或客戶端系統(tǒng)才能瀏覽的問題，對虛擬旅游實景漫游系統(tǒng)的輕量化架構(gòu)進行研究。研究3D場景輕量化建模、3D引擎調(diào)用和輕量化腳本設(shè)計等技術(shù)，搭建云存儲傳輸平臺，集成導游人等關(guān)鍵技術(shù)，架構(gòu)“網(wǎng)上井岡山”WebVR系統(tǒng)。架構(gòu)的系統(tǒng)將使游客直接實時在線快速瀏覽Web頁面，提高系統(tǒng)交互感、沉浸感。

WebVR；虛擬旅游系統(tǒng)；WEB 3D; 虛擬場景；3D引擎；云存儲

虛擬旅游是建立在現(xiàn)實旅游景觀的基礎(chǔ)上，通過模擬或超現(xiàn)實景觀，構(gòu)建一個虛擬旅游環(huán)境，使得旅游者能夠如同親臨其境般開展虛擬旅游活動[1]。虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)是虛擬旅游業(yè)最重要的支撐技術(shù)，目前已有較多的基于VR的虛擬旅游系統(tǒng)。利用VR技術(shù)，日本開發(fā)了虛擬東京，美國開發(fā)Second Life以及Rome Reborn 系統(tǒng)[2]。虛擬東京，Second Life是基于Web3D呈現(xiàn)大規(guī)模、交互式Web虛擬世界的虛擬旅游系統(tǒng)，Rome Reborn是基于Web3D 技術(shù)再現(xiàn)古羅馬Trajan廣場的網(wǎng)絡(luò)漫游系統(tǒng)；國內(nèi)開發(fā)了虛擬紫禁城、數(shù)字敦煌、網(wǎng)上世博漫游系統(tǒng)。虛擬紫禁城是3D旅游系統(tǒng)，數(shù)字敦煌是采用VR、AR(Augmented Reality)和IR(Interaction Reality)技術(shù)打造的數(shù)字游客中心，網(wǎng)上世博采用2D全景技術(shù)及Web3D技術(shù)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)漫游系統(tǒng)。以上一些VR系統(tǒng)需要下載重型的客戶端系統(tǒng)，而不能讓游客直接Web頁面瀏覽，影響了系統(tǒng)的使用。虛擬旅游平臺系統(tǒng)因虛擬場景重型及網(wǎng)絡(luò)帶寬有限導致游客不能實時在線瀏覽Web頁面。目前在國內(nèi)，有關(guān)紅色旅游的虛擬實景漫游平臺仍未建立，已有的井岡山景區(qū)Web平臺僅僅局限于二維網(wǎng)頁，缺乏沉浸感和交互性，制約了井岡山作為5A級景區(qū)的傳播與發(fā)展。因此采用3D場景輕量化處理技術(shù)，調(diào)用Web3D引擎，搭建云存儲傳輸平臺，集成已有VR技術(shù)，研發(fā)基于WebVR的“網(wǎng)上井岡山”紅色旅游虛擬實景漫游系統(tǒng)，用科技手段展示井岡山紅色人文景觀和綠色美景，對擴大紅色旅游的影響力顯得非常有必要，也為其它景區(qū)的網(wǎng)上旅游系統(tǒng)提供了示范效應(yīng)。

1 旅游系統(tǒng)功能設(shè)計

井岡山虛擬旅游系統(tǒng)將打造成一個集虛擬旅游體驗、游客虛擬在線交流、旅游信息查詢及網(wǎng)上預(yù)訂服務(wù)等功能的3D虛擬旅游網(wǎng)站。借助導航模塊和電子導游系統(tǒng)，游客在線循著系統(tǒng)預(yù)設(shè)的線路漫游，或自選線路漫游，進行全方位、交互式地深度沉浸于井岡山的秀麗風光。通過360度全景結(jié)合景點音頻解說、文字介紹展示井岡山5A級綠色美景和紅色人文景觀；在虛擬旅游社區(qū)進行虛擬角色扮演，借助文字、聲音進行廣泛開放的互動交流，深度了解井岡山紅色傳說和紅色故事等人文歷史，從而獲得宛如實地的真切旅游體驗。游客通過查詢系統(tǒng)和電子商務(wù)系統(tǒng)，全面實現(xiàn)對井岡山“食、宿、行、游、購、娛”的旅行需求。整個漫游系統(tǒng)功能規(guī)劃如圖1所示，分為前臺功能展示和后臺數(shù)據(jù)管理兩大部分。

1.1 旅游系統(tǒng)前臺展示設(shè)計

1）景區(qū)承載力展示。運用井岡山紅色旅游承載力研究成果，展示景區(qū)實時信息（如游客人數(shù)、天氣、交通狀況、賓館入住率等）和預(yù)警信息。

2）虛擬可視化導航。運用井岡山紅色旅游標準化導覽系統(tǒng)研究成果，在景點實施規(guī)范標準的旅游信息展示和旅游解說服務(wù)。運用Web GIS技術(shù)[3]，通過井岡山景區(qū)電子地圖、查詢系統(tǒng)和電子商務(wù)系統(tǒng)，游客可以感知興趣點的位置、文字、圖片、視頻、使用者的評價等等信息，實現(xiàn)旅游線路導航可視化。

3）虛擬漫游。借助導航模塊和電子導游系統(tǒng)，游客在線使用臺式或者移動終端設(shè)備應(yīng)用系統(tǒng)基于位置的服務(wù)，實現(xiàn)虛擬漫游。游客可以循著系統(tǒng)預(yù)設(shè)的路線或自選線路，全方位、交互式地深度沉浸于井岡山的秀麗風光；通過360度全景，立體全景及3D場景漫游，結(jié)合景點音頻解說、文字介紹、景點視頻，網(wǎng)上展示井岡山5A級綠色自然美景和紅色人文景觀，游客還可以在精美景點中進行網(wǎng)上留影。

4）虛擬社區(qū)[4]。通過建立虛擬旅游社區(qū)，游客可以發(fā)布游記、旅游圖片、旅游評價、自助旅游，還可以對景區(qū)進行虛擬規(guī)劃，使訪問者進行廣泛開放的互動交流，深度了解井岡山紅色傳說和紅色故事等人文歷史和自然風光。

圖1 系統(tǒng)功能設(shè)計圖

1.2 旅游系統(tǒng)后臺管理設(shè)計

后臺提供網(wǎng)站基本設(shè)置、景點管理、會員管理、訂單管理、點評管理、問答管理、新聞管理、幫助管理、站內(nèi)短信等眾多功能。該平臺涉及的異質(zhì)資源內(nèi)容繁多而且復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)存儲服務(wù)器中存有3D虛擬景觀、全景場景、紅色傳說和紅色故事的視頻、音頻、圖片、文本、旅游路線、旅行社、導游、酒店賓館等諸多數(shù)據(jù)。因此，后臺注重管理功能和數(shù)據(jù)庫規(guī)劃設(shè)計，以便管理員用戶在后臺可以對所有的內(nèi)容進行增刪改等更新維護操作，游客也可以上傳自己的內(nèi)容。

2 系統(tǒng)支撐架構(gòu)

2.1 Web客戶端架構(gòu)

目前Web虛擬旅游多以網(wǎng)站系統(tǒng)的形式在互聯(lián)網(wǎng)上進行傳播，網(wǎng)頁播放效果以及響應(yīng)速度如何將影響虛擬游網(wǎng)站的強勢傳播。因此，運用HTML5+JavaScript+CSS3（圖2所示Client端）組合來開發(fā)虛擬旅游客戶端，使得拖放操作，地理定位，視頻、音頻、圖像、動畫等的渲染播放操作更加絢麗流暢。平臺中的全景漫游和3D漫游均采用flash形式進行網(wǎng)頁播放，實現(xiàn)了跨平臺免插件安裝。利用Flex SDK和Flash Player API借助3D引擎實現(xiàn)Flash采用向量運算，占用存儲空間小，下載速度快、效果絢麗；目前全世界97%的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器都內(nèi)建Flash播放器，因此開發(fā)的平臺應(yīng)用范圍廣。

2.2 Web服務(wù)端架構(gòu)

整個后臺采用FluorineFx 中間件和Entity 框架，并采用IIS服務(wù)器， SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（圖2所示Server端），有效地解決了多游客并發(fā)訪問擁擠的問題。FluorineFX是一個開源庫，提供了一種在.NET framework下對Flex的遠程過程調(diào)用，F(xiàn)lex數(shù)據(jù)服務(wù)和實時數(shù)據(jù)的使用技術(shù)。Entity Framework 是微軟以 ADO.NET 為基礎(chǔ)所發(fā)展出來的對象關(guān)系對應(yīng) (O/R Mapping) 解決方案。SQL Server具有較高的安全性、易用性、并行性和良好的性價比等特性，適合本旅游系統(tǒng)平臺的構(gòu)建。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 基于WebVR的旅游系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 井岡山紅色旅游景點路徑規(guī)劃設(shè)計

虛擬旅游景點路線規(guī)劃包括景點路線的生成以及如何讓創(chuàng)建的虛擬人物沿著該路線完成基本的導游功能，即引導游客游覽，及對景點的解說等。在WebVR虛擬環(huán)境中生成虛擬導游景點路線，采用人工智能中啟發(fā)式搜索A*算法對的導航路徑進行優(yōu)化篩選，使漫游者即使身處陌生復(fù)雜的三維環(huán)境中，也可以快速、準確地找尋到目標或者按照理想的路徑進行漫游。

3.2 景區(qū)虛擬導游人設(shè)計

虛擬導游是指在虛擬旅游場景中實現(xiàn)引導游客游覽的虛擬化身。為了使游客在WebVR場景中不會感到孤獨，本項目構(gòu)建智能虛擬導游人，游客可進行角色扮演，使井岡山紅色景區(qū)3D虛擬世界顯得更有生氣。運用人物建模及動畫技術(shù)進行虛擬導游人構(gòu)建，利用當前 3D 動畫領(lǐng)域的骨骼蒙皮高級技術(shù)創(chuàng)建出虛擬人物的軀體和經(jīng)過表皮加工得到逼真的虛擬人體模型，建立符合國際標準的虛擬人體模型庫，再通過動畫混合技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜動作的創(chuàng)建[5]。按照H-Anim標準中規(guī)定的人體關(guān)鍵節(jié)點的簡化，設(shè)置虛擬人體動作的關(guān)鍵幀，通過腳本語言JavaScript，對已經(jīng)實現(xiàn)的虛擬人物的動作進行管理和控制；運用虛擬環(huán)境中導航路徑生成算法，使虛擬人物在WebVR場景中按照指定的路線行走；將具有人性化的外表、動作，并具有漫游功能的虛擬人調(diào)入已制作好的虛擬場景中，實現(xiàn)虛擬替身、虛擬導游的功能，在一定程度上增強了虛擬場景的交互性[6]。

3.3 Web 3D漫游架構(gòu)設(shè)計

圖3 Web3D虛擬景觀漫游設(shè)計架構(gòu)

運用WebVR技術(shù)構(gòu)建的井岡山紅色旅游虛擬實景漫游平臺將具有實時在線、深度沉浸、高度交互的特點，因此在場景生成時既要考慮到虛擬景觀的逼真度，又要考慮下載的流暢性。構(gòu)建網(wǎng)上井岡山各個景區(qū)景點時，后臺數(shù)據(jù)庫中將存儲大量的寬幅全景圖，立體實景場景圖，3D模型，動作腳本，紋理材質(zhì)，虛擬化身，紅色故事和紅色傳說的音頻、視頻及文本數(shù)據(jù)，當大量游客同時在線進行訪問瀏覽時，容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，為了解決這個問題，本項目采用如圖3所示的Web 3D虛擬景觀漫游設(shè)計架構(gòu)。

3.3.1 云存儲傳輸平臺架構(gòu)

云服務(wù)可以為井岡山景區(qū)的信息化提供比較可靠、安全的數(shù)據(jù)中心。云存儲傳輸平臺(圖3所示)通過對大規(guī)模計算資源虛擬化，提供高性能、大容量的存儲能力，能夠滿足景區(qū)大量數(shù)據(jù)存儲和處理的需求。此外云存儲傳輸平臺具有高可靠性，使用數(shù)據(jù)多副本容錯、計算節(jié)點同構(gòu)可互換等措施，來保障服務(wù)的高可靠性，并保障數(shù)據(jù)的安全備份和遠程容災(zāi)[7]。網(wǎng)上井岡山對數(shù)據(jù)安全有較高要求，不能將全部數(shù)據(jù)都交付給公共云計算服務(wù)提供商，可以先將一些非關(guān)鍵性應(yīng)用和非機密數(shù)據(jù)(如景區(qū)宣傳信息、視頻數(shù)據(jù)、圖片文件等)和需要峰值計算能力和短期存儲的應(yīng)用遷移到共有云系統(tǒng)上；而那些涉密的空間數(shù)據(jù)以及安全要求較高的數(shù)據(jù)，則保留在景區(qū)防火墻內(nèi)的私有云系統(tǒng)中，不與景區(qū)外共享。私有云系統(tǒng)的構(gòu)建將采用可擴展的管線處理架構(gòu)（Scalable Pipelined Processing Infrastructure）[8]，由三部分組成：運行3D虛擬應(yīng)用的服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)，處理3D圖像渲染與擔負負載均衡任務(wù)的圖形渲染服務(wù)器，用于將多媒體幀編碼成符合H.264/MPEG-4協(xié)議標準的流媒體網(wǎng)絡(luò)，其中包含存儲大規(guī)模場景數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)存儲器以及流媒體服務(wù)器集群。

3.3.2 虛擬場景的漸進式下載設(shè)計

在分布式虛擬環(huán)境 (DVE,Distributed Visual Environment)中，大規(guī)模場景的需求與用戶端存儲空間的矛盾在iPAD、智能手機等小存儲空間的移動終端中體現(xiàn)得更為明顯，為了緩解以上矛盾，對Web 3D虛擬空間實時漫游行走采用基于P2P網(wǎng)絡(luò)( Peer-to-Peer)漸進式下載機制(圖3所示)，大幅降低漫游過程中的服務(wù)器端負載[9]。采用基于SMLAOI的WebVR場景傳輸?shù)腜refetching與Caching技術(shù)對WebVR海量虛擬場景的傳輸預(yù)處理[10]。對場景空間采用基于興趣區(qū)域( Area of Interest，AOI)的漸進式傳輸策略，利用視點最大可視距離的限制，使得用戶在虛擬空間的實時行走漫游中，只需隨著視點的平移而逐漸下載落入化身AOI 內(nèi)的當前可視場景并渲染，從而減少了用戶每次請求場景的數(shù)據(jù)量，也大大減少了對本地存儲空間的需求；對場景中模型的漸進式傳輸，先對模型進行多分辨率建模，再根據(jù)物體與視點的距離、物體與視線的偏離角度等因素，在不降低漫游視覺效果的同時，按需下載具有不同分辨率的模型數(shù)據(jù)，從而減少場景下載的網(wǎng)絡(luò)延時。設(shè)計架構(gòu)中同時采用并行多路漸進式海量WebVR場景的傳輸機制，減少數(shù)據(jù)流傳輸對網(wǎng)絡(luò)造成的壓力。

3.3.3 輕量化處理技術(shù)

由于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)速與帶寬的限制，網(wǎng)上（超）大規(guī)模WebVR虛擬場景的即時下載一直是一個瓶頸問題。若將井岡山“茨坪革命舊址群、大井革命舊址群、龍江書院、茅坪八角樓毛澤東同志舊居”等4個經(jīng)典紅色景點做成3D場景，在Web頁面上進行流暢地播放，必須減少場景的面片數(shù)和紋理，并采用重用機制來制作場景模型。按照輕量化建?！鶺ebVR腳本編程→后臺管理與支撐架構(gòu)→輕量化的引擎調(diào)度技術(shù)（如圖3所示）來實現(xiàn)井岡山紅色經(jīng)典場景的3D漫游。本項目輕量化Web 3D建模，采用高效的輕量級WebVR互動腳本程序庫API，以及基于Flash/ HTML5的跨平臺、高效、免插件安裝的Web 3D/WebVR引擎技術(shù)，解決目前網(wǎng)上大規(guī)模虛擬旅游環(huán)境的實時互動漫游問題。采用輕量化Web 3D互動腳本程序設(shè)計，可以使程序的代碼量為原來的1/5左右，同時又提高了代碼的執(zhí)行計算效率。此外，設(shè)計基于Flash 3D的免插件WebVR引擎技術(shù)可以高效的調(diào)度數(shù)百萬面片級別的場景，使用戶在網(wǎng)上的虛擬漫游體驗變得更為流暢。

5 結(jié)語

目前蘇州、南京、福建、黃山等地不斷開展程度不同的“智慧旅游”項目建設(shè)，集成3S （RS、GIS、GPS）技術(shù)、分布式計算技術(shù)、三維可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)融合技術(shù)、寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)（如3G）、云計算技術(shù)、SOA（服務(wù)導向框架）等支撐技術(shù)，而這些技術(shù)所需設(shè)備的搭建尚需時日[11]。井岡山虛擬旅游系統(tǒng)受“十二五”國家科技支撐計劃項目資助，本文提出了一個切實可行的虛擬旅游系統(tǒng)架構(gòu)，集成已有的關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)具有旅游服務(wù)、旅游管理、旅游營銷等功能，為游客提供導航、導游、導覽和導購等服務(wù)，提高了虛擬旅游系統(tǒng)的競爭力。

[1] 劉思鳳,賈金原.基于Web的虛擬旅游環(huán)境的開發(fā)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].計算機應(yīng)用研究,2008,25(9):2596-2600.

[2] Daniel A, Guttentag. Virtual reality: Applications and implications for tourism[J]. Tourism Management, 2010,31: 637-651.

[3] Jiao Guo, Pei Yan. Analysis and Design of Urban Tourism Information System Based on WebGIS[J]. Energy Procedia,2011,13: 3794-3799.

[4] Steven F Illum, Stanislav H Ivanov, Yating Liang. Using virtual communities in tourism research[J]. Tourism Management, 2010, 31: 335–340.

[5] 孫靜.虛擬旅游場景中虛擬導游行為模型研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2009.

[6] Gül?in Büyük?zkan, Buse Ergün. Intelligent system applications in electronic tourism[J]. Expert Systems with Applications, 2011,38:6586-6598.

[7] 張凌云. 智慧旅游: 個性化定制和智能化公共服務(wù)時代的來臨[J]. 旅游學刊,2012,27(2):3-5.

[8] Shi Weidong, Lu Yang, Li Zhu, et al. SHARC: A scalable 3D graphics virtual appliance delivery framework in cloud[J]. Journal of Network and Computer Applications, 2011,34:1078-1087.

[9] Lin Qingping, Hoon Kang Neo, Zhang Liang, et al. Grid based large scale Web3D collaborative virtual environment[C].Web3D '07 Proceedings of the twelfth international conference on 3D web technology, ACM, USA ,2007.

[10] 王偉,賈金原,張晨曦,等.面向 P2P 網(wǎng)絡(luò)的漸進式三維場景更新策略[J].計算機應(yīng)用, 2010,30(9):2422-2426.

[11] 百度百科.智慧旅游[EB/OL].http://baike.baidu. com/ view/5217093.htm?fromTaglist#3.2012.

FRAMEWORK OF CONSTRUCTING JINGGANGSHAN VIRTUAL TOURISM SYSTEM AND ITS KEY TECHNOLOGIES BASED ON WebVR

*TAN Yun-lan1,3, JIA Jin-yuan2, KANG Yong-ping4, PENG Shuo1, ZHANG Bo2

(1. School of Electronic Information and Engineering，Jinggangshan University，Ji’an，Jiangxi 343009，China; 2. College of software, Tongji University, Shanghai 201804,China;3. School of Electronic Information and Engineering , Tongji University,Shanghai 201804,China;4. Center of Network, Jinggangshan University，Ji’an，Jiangxi 343009，China)

The web pages of current well-known virtual tourism system based on virtual reality can’t be surfed directly for the opposition between real-time transformation of high-weight virtual scenes and limited network bandwidth, as downloading the supplicant system or plugin program of the system will mislead the tourists. To solve this problem, lightweight framework of Jinggangshan virtual real tourism system is constructed. Such key technologies as lightweight technology of 3D virtual scenes is researched. At the same time, such technologies as virtual roaming interactivity and modeling intelligent virtual dragoman are integrated in the system. In addition, important steps including invoking method of Web3D engine and lightweight script programs and constructing Cloud storage transmission platform are essential to make the system more interactive and more immersive. Tourists will surf directly WEB pages of the virtual tourism system based on Web VR whenever and wherever while not downloading any plugin programs.

Web Virtual Reality; virtual tourism system; WEB 3D; virtual scene; 3D engine; cloud storage

TP391

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2012.06.011

1674-8085(2012)06-0046-05

2012-06-12；

2012-07-28

國家科技支撐計劃項目（2012CBA001）

*譚云蘭(1972-），女，江西新干人，副教授，博士生，主要從事虛擬現(xiàn)實,圖像處理等研究(E-mail: tanyunlan@163.com）；

賈金原(1963-)，男，山東樂陵人，教授，博導，主要從事圖形學，分布式虛擬現(xiàn)實，Web3D，游戲引擎等研究(E-mail: jyjia@#edu.cn）；

康永平(1971-），男，江西永新人，高級實驗師，主要從事網(wǎng)絡(luò)安全，虛擬旅游等研究(E-mail: kypp@jgsu.edu.cn）；

彭 碩(1981-），男，江西吉安人，講師，主要從事虛擬旅游，圖像處理等研究(E-mail: pengshuo@jgsu.edu.cn）；

張 博(1989-），男，遼寧大連人，碩士生，主要從事虛擬現(xiàn)實，網(wǎng)絡(luò)圖像處理等研究(E-mail: zealouszb@yahoo.com.cn）.