基于计算机动画的虚拟导游技术及其应用

罗月童， 孙 静， 储昭辉

（1. 合肥工业大学计算机与信息学院，安徽 合肥 230009； 2. 合肥学院数学与物理系，安徽 合肥 230601）

随着旅游业的不断发展，基于虚拟现实技术的宣传展示手段由于直观性、可交互性、沉浸性、虚拟性等特点和优势，在旅游产业的发展中起到越来越重要的作用[1]，这种将虚拟现实应用于旅游业的技术称为虚拟旅游技术。虚拟旅游技术大大促进了旅游业的发展，给传统旅游业注入了新的活力。如文献[2]中实现的敦煌285 窟多媒体集成虚拟展示系统，文献[3]虚拟殷墟博物苑的三维展示，文献[4]基于VR 和GIS 的城市仿真技术等等。

正如出色的导游能带来成功的旅游活动一样，虚拟导游也是虚拟旅游技术的重要组成部分，所谓虚拟导游是指在虚拟旅游场景中实现指导游客游览观光的功能。目前虚拟导游技术主要是通过菜单、地图、鼠标键盘等方式实现游客在虚拟场景中进行快速方便地游览的功能[5-7]，这种方式沉闷乏味，且游客需进行大量操作，而现实中只需跟随导游，并能够实时的听景点解说或与导游进行现场交流等等，因此现在的虚拟导游技术有待进一步提高。

增强“趣味性”是虚拟旅游的目标之一，但现有的虚拟导游的操作模式比较单调，因此本文提出发展基于人物建模和计算机动画的虚拟导游技术，利用虚拟人物动画在虚拟场景中逼真地模拟真实导游，从而提高虚拟旅游的趣味性，吸引更多的游客。

1 关键问题

为了增强虚拟旅游的趣味性，本文提出了利用人物建模及动画技术模拟现实中导游的方法，显然模拟的逼真度是该技术的关键。而真实的模拟导游在现实中的一系列特定的行为又是提高逼真度的关键和难点。现实中导游的行为主要涉及到这样几个方面：带领游客沿某景点路线行走；对沿途景点进行解说介绍；以及边走边进行解说或与游客交谈等等。基于以上这些行为，虚拟导游技术的关键问题可归结为以下两点：

（1） 建立人物模型并对模型设置主要的行为动作；

（2） 预定义景点路线的规划。

1.1 虚拟导游的人物模型及其动作的建模

人体动画一直是计算机动画领域中一个具有挑战性的研究问题，它主要研究人体建模和行为表示[8]。目前人体运动控制常用的方法有：动力学方法、运动捕捉法以及蒙皮骨骼技术等。其中蒙皮骨骼动画技术是当前3D 动画领域的一项高级技术，它通过一系列的骨骼去带动一张皮肤网格进行运动，不仅避免了区域动画中段与段之间相连接的地方出现明显的接缝现象，在任何时刻保持光滑、生动的外表，并且经过预处理能达到实时交互效果，现已广泛应用于影视制作、动态仿真等领域。

本文采用蒙皮骨骼动画技术来创建虚拟导游人物动作模型。运用蒙皮骨骼动画技术时，骨骼块数目与长度可根据虚拟人物的形状及动画效果显示的要求进行选择与设定。借助于3DMax等建模工具，可以快速的调整参数，直观地观察参数改变后的动画效果，交互式的开发，极大的降低了开发的难度，提高了开发效率。

为了实现在数字旅游场景中虚拟人物导游的功能，本文采用将复杂动作分解为简单动作的方法，利用骨骼蒙皮技术创建出虚拟人物的躯体和简单动作库，再通过动画混合技术来实现复杂动作的创建。混合多个骨骼动画对创建动画之间转换过渡也是非常有用处的，例如，如果所控制的动画角色从“跑”的动作过渡倒“停止”的动作，如果直接关掉“跑”的话会觉得整个过程相当的笨拙（中间没有过渡动作），这个时候就需要使用骨骼动画之间的混合工作。进而实现从“跑”逐渐过渡到“停止”的一系列动作。

1.2 虚拟导游景点路线的规划

虚拟导游的景点路线规划包括景点路线的生成；如何让创建的虚拟人物沿着该路线完成基本的导游功能，即引导游客游览，及对景点的解说等。

为了在虚拟场景中生成虚拟导游景点路线，本文通过在场景中预设若干关键点，并对关键点进行B 样条插值生成过渡光滑的景点路线。算法思想是设定导游走完全程的总时间T，以时间t做为参数对关键点进行插值，从而计算出虚拟导游在时刻t 的位置，考虑到虚拟导游行为动作的特殊性，即需要实现在特定景点处停下解说的动作，本文通过预设特定的解说时刻点来触发导游特别解说的动作事件。具体流程如图1 所示。

（1） 虚拟导游整体动作行为的实现

在1.1 节中利用蒙皮骨骼动画技术生成的动画只是原地动画，并没有形成沿景点路线行走的动作。为了实现在虚拟人物沿预先生成的景点路线行走的动作行为，本文通过将虚拟人整体抽象为一个场景节点，赋予该节点位置、姿态、速度等外部状态属性，通过时间这一参数实时的更新虚拟导游节点的状态，并同时根据情况开启或关闭虚拟导游的原地行走、解说等动作，从而可实现虚拟导游的整体行为运动，避免了在3DMax中进行整体动作创建的复杂性和耗时性。虚拟导游节点结构模型如下：

实验证明所形成的动画效果良好，且满足实时性要求。

（2） 虚拟人动作与音频解说的同步

对于解说动作和音频的同步，本文通过在播放解说动作的同时打开对应的景点解说音频，在解说结束时关闭的方式来实现，其中关键问题是对待解说景点的检测。根据由八叉树划分的虚拟场景检测相关景点属性，如位置、包围盒、命名等，由事先存储的景点与相应解说音频的相关性信息，在音频库中搜索对应解说音频播放，从而实现虚拟导游的解说行为。

图1 虚拟导游路径规划及整体运动合成示意图

2 应 用

本文提出的基于计算机动画的虚拟导游技术在《数字化三河古镇》漫游系统中得到了很好的应用，该系统采用Microsoft Visual Studio.net 2003 开发平台，用3DMax 7.0 为建模工具，采用Ogre 3D 图形引擎作为渲染工具，真实再现了三河古镇丰富的人文景观。基于动画虚拟导游技术在该系统中的应用进一步增强了数字化虚拟场景的真实感和趣味性，使虚拟旅游场景更加贴近现实，吸引了大量的游客，将会大大推动三河古镇旅游业的发展。图2 为部分效果图，图2(a)中的女士是沿景点路线行走的虚拟人导游，图2(b)为该导游在对特定景点建筑进行解说介绍。

图2 虚拟导游在三河古镇虚拟场景中的实现

3 结 论

本文在基于人物建模及计算机动画的基础上实现了虚拟旅游场景中的虚拟人导游技术，该技术大大提高了虚拟场景的真实感和趣味性。当前，构建角色的“认知模型”，赋予角色学习能力、知识获取能力、逻辑推理能力和动作规划能力，使角色具有高级的智能成为计算机动画研究新的热点，下一步将以当前工作为基础，开展有关智能方面的虚拟人导游的研究工作。

[1] 罗月童, 刘晓平. 虚拟现实技术在旅游宣传中的应用前景及关键技术探讨[J]. 科技导报, 2007, 25(19)： 75-80.

[2] 刘 洋, 鲁东明, 刁常宇. 敦煌285 窟多媒体集成虚拟展示[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2004, 16(11)： 1528-1534.

[3] 段新昱, 刘学莉, 刘晨曦. 虚拟殷墟苑的三维展示技术[J]. 系统仿真学报, 2005, 17(9)： 2187-2190.

[4] 张耀胜. 基于VR和GIS的城市仿真技术的研究[J]. 安徽建筑, 2006, 13(1)： 122-123.

[5] 顾景文, 李 丽. 虚拟导游应用创作工具的设计与实现[J]. 系统仿真学报, 2001, 13(11)： 203-205.

[6] 何 丰, 徐 琪. 基于Web 的虚拟现实导游系统的设计与实现[J]. 宁夏大学学报, 2005, 26(4)： 329-331.

[7] 周培聪, 李 萍, 肖 伟. 简单接口实现虚拟现实网络导游[J]. 科技广场, 2005, (2)： 54-56.

[8] 王兆基. 虚拟人合成研究综述[J]. 中国科学院研究生院学报, 2000, 17(2)： 89-98.