基于WebVR的井冈山虚拟旅游系统架构设计

谭云兰，贾金原，康永平，彭 硕，张 博

基于WebVR的井冈山虚拟旅游系统架构设计

*谭云兰1,3，贾金原2，康永平4，彭 硕1，张 博2

（1. 井冈山大学电子与信息工程学院，江西，吉安 343009；2. 同济大学软件学院，上海 201804；3. 同济大学电子与信息工程学院，上海 201804；4. 井冈山大学网络中心，江西，吉安 343009）

针对当前主流的VR虚拟旅游系统因虚拟场景重型及网络带宽有限等因素而存在不能使游客直接浏览WEB页面，需下载插件或客户端系统才能浏览的问题，对虚拟旅游实景漫游系统的轻量化架构进行研究。研究3D场景轻量化建模、3D引擎调用和轻量化脚本设计等技术，搭建云存储传输平台，集成导游人等关键技术，架构“网上井冈山”WebVR系统。架构的系统将使游客直接实时在线快速浏览Web页面，提高系统交互感、沉浸感。

WebVR；虚拟旅游系统；WEB 3D; 虚拟场景；3D引擎；云存储

虚拟旅游是建立在现实旅游景观的基础上，通过模拟或超现实景观，构建一个虚拟旅游环境，使得旅游者能够如同亲临其境般开展虚拟旅游活动[1]。虚拟现实(Virtual Reality，VR)是虚拟旅游业最重要的支撑技术，目前已有较多的基于VR的虚拟旅游系统。利用VR技术，日本开发了虚拟东京，美国开发Second Life以及Rome Reborn 系统[2]。虚拟东京，Second Life是基于Web3D呈现大规模、交互式Web虚拟世界的虚拟旅游系统，Rome Reborn是基于Web3D 技术再现古罗马Trajan广场的网络漫游系统；国内开发了虚拟紫禁城、数字敦煌、网上世博漫游系统。虚拟紫禁城是3D旅游系统，数字敦煌是采用VR、AR(Augmented Reality)和IR(Interaction Reality)技术打造的数字游客中心，网上世博采用2D全景技术及Web3D技术相结合的网络漫游系统。以上一些VR系统需要下载重型的客户端系统，而不能让游客直接Web页面浏览，影响了系统的使用。虚拟旅游平台系统因虚拟场景重型及网络带宽有限导致游客不能实时在线浏览Web页面。目前在国内，有关红色旅游的虚拟实景漫游平台仍未建立，已有的井冈山景区Web平台仅仅局限于二维网页，缺乏沉浸感和交互性，制约了井冈山作为5A级景区的传播与发展。因此采用3D场景轻量化处理技术，调用Web3D引擎，搭建云存储传输平台，集成已有VR技术，研发基于WebVR的“网上井冈山”红色旅游虚拟实景漫游系统，用科技手段展示井冈山红色人文景观和绿色美景，对扩大红色旅游的影响力显得非常有必要，也为其它景区的网上旅游系统提供了示范效应。

1 旅游系统功能设计

井冈山虚拟旅游系统将打造成一个集虚拟旅游体验、游客虚拟在线交流、旅游信息查询及网上预订服务等功能的3D虚拟旅游网站。借助导航模块和电子导游系统，游客在线循着系统预设的线路漫游，或自选线路漫游，进行全方位、交互式地深度沉浸于井冈山的秀丽风光。通过360度全景结合景点音频解说、文字介绍展示井冈山5A级绿色美景和红色人文景观；在虚拟旅游社区进行虚拟角色扮演，借助文字、声音进行广泛开放的互动交流，深度了解井冈山红色传说和红色故事等人文历史，从而获得宛如实地的真切旅游体验。游客通过查询系统和电子商务系统，全面实现对井冈山“食、宿、行、游、购、娱”的旅行需求。整个漫游系统功能规划如图1所示，分为前台功能展示和后台数据管理两大部分。

1.1 旅游系统前台展示设计

1）景区承载力展示。运用井冈山红色旅游承载力研究成果，展示景区实时信息（如游客人数、天气、交通状况、宾馆入住率等）和预警信息。

2）虚拟可视化导航。运用井冈山红色旅游标准化导览系统研究成果，在景点实施规范标准的旅游信息展示和旅游解说服务。运用Web GIS技术[3]，通过井冈山景区电子地图、查询系统和电子商务系统，游客可以感知兴趣点的位置、文字、图片、视频、使用者的评价等等信息，实现旅游线路导航可视化。

3）虚拟漫游。借助导航模块和电子导游系统，游客在线使用台式或者移动终端设备应用系统基于位置的服务，实现虚拟漫游。游客可以循着系统预设的路线或自选线路，全方位、交互式地深度沉浸于井冈山的秀丽风光；通过360度全景，立体全景及3D场景漫游，结合景点音频解说、文字介绍、景点视频，网上展示井冈山5A级绿色自然美景和红色人文景观，游客还可以在精美景点中进行网上留影。

4）虚拟社区[4]。通过建立虚拟旅游社区，游客可以发布游记、旅游图片、旅游评价、自助旅游，还可以对景区进行虚拟规划，使访问者进行广泛开放的互动交流，深度了解井冈山红色传说和红色故事等人文历史和自然风光。

图1 系统功能设计图

1.2 旅游系统后台管理设计

后台提供网站基本设置、景点管理、会员管理、订单管理、点评管理、问答管理、新闻管理、帮助管理、站内短信等众多功能。该平台涉及的异质资源内容繁多而且复杂，网络存储服务器中存有3D虚拟景观、全景场景、红色传说和红色故事的视频、音频、图片、文本、旅游路线、旅行社、导游、酒店宾馆等诸多数据。因此，后台注重管理功能和数据库规划设计，以便管理员用户在后台可以对所有的内容进行增删改等更新维护操作，游客也可以上传自己的内容。

2 系统支撑架构

2.1 Web客户端架构

目前Web虚拟旅游多以网站系统的形式在互联网上进行传播，网页播放效果以及响应速度如何将影响虚拟游网站的强势传播。因此，运用HTML5+JavaScript+CSS3（图2所示Client端）组合来开发虚拟旅游客户端，使得拖放操作，地理定位，视频、音频、图像、动画等的渲染播放操作更加绚丽流畅。平台中的全景漫游和3D漫游均采用flash形式进行网页播放，实现了跨平台免插件安装。利用Flex SDK和Flash Player API借助3D引擎实现Flash采用向量运算，占用存储空间小，下载速度快、效果绚丽；目前全世界97%的网络浏览器都内建Flash播放器，因此开发的平台应用范围广。

2.2 Web服务端架构

整个后台采用FluorineFx 中间件和Entity 框架，并采用IIS服务器， SQL Server数据库管理系统（图2所示Server端），有效地解决了多游客并发访问拥挤的问题。FluorineFX是一个开源库，提供了一种在.NET framework下对Flex的远程过程调用，Flex数据服务和实时数据的使用技术。Entity Framework 是微软以 ADO.NET 为基础所发展出来的对象关系对应 (O/R Mapping) 解决方案。SQL Server具有较高的安全性、易用性、并行性和良好的性价比等特性，适合本旅游系统平台的构建。

图2 系统架构图

3 基于WebVR的旅游系统关键技术

3.1 井冈山红色旅游景点路径规划设计

虚拟旅游景点路线规划包括景点路线的生成以及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。在WebVR虚拟环境中生成虚拟导游景点路线，采用人工智能中启发式搜索A*算法对的导航路径进行优化筛选，使漫游者即使身处陌生复杂的三维环境中，也可以快速、准确地找寻到目标或者按照理想的路径进行漫游。

3.2 景区虚拟导游人设计

虚拟导游是指在虚拟旅游场景中实现引导游客游览的虚拟化身。为了使游客在WebVR场景中不会感到孤独，本项目构建智能虚拟导游人，游客可进行角色扮演，使井冈山红色景区3D虚拟世界显得更有生气。运用人物建模及动画技术进行虚拟导游人构建，利用当前 3D 动画领域的骨骼蒙皮高级技术创建出虚拟人物的躯体和经过表皮加工得到逼真的虚拟人体模型，建立符合国际标准的虚拟人体模型库，再通过动画混合技术实现复杂动作的创建[5]。按照H-Anim标准中规定的人体关键节点的简化，设置虚拟人体动作的关键帧，通过脚本语言JavaScript，对已经实现的虚拟人物的动作进行管理和控制；运用虚拟环境中导航路径生成算法，使虚拟人物在WebVR场景中按照指定的路线行走；将具有人性化的外表、动作，并具有漫游功能的虚拟人调入已制作好的虚拟场景中，实现虚拟替身、虚拟导游的功能，在一定程度上增强了虚拟场景的交互性[6]。

3.3 Web 3D漫游架构设计

图3 Web3D虚拟景观漫游设计架构

运用WebVR技术构建的井冈山红色旅游虚拟实景漫游平台将具有实时在线、深度沉浸、高度交互的特点，因此在场景生成时既要考虑到虚拟景观的逼真度，又要考虑下载的流畅性。构建网上井冈山各个景区景点时，后台数据库中将存储大量的宽幅全景图，立体实景场景图，3D模型，动作脚本，纹理材质，虚拟化身，红色故事和红色传说的音频、视频及文本数据，当大量游客同时在线进行访问浏览时，容易造成网络拥塞，为了解决这个问题，本项目采用如图3所示的Web 3D虚拟景观漫游设计架构。

3.3.1 云存储传输平台架构

云服务可以为井冈山景区的信息化提供比较可靠、安全的数据中心。云存储传输平台(图3所示)通过对大规模计算资源虚拟化，提供高性能、大容量的存储能力，能够满足景区大量数据存储和处理的需求。此外云存储传输平台具有高可靠性，使用数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施，来保障服务的高可靠性，并保障数据的安全备份和远程容灾[7]。网上井冈山对数据安全有较高要求，不能将全部数据都交付给公共云计算服务提供商，可以先将一些非关键性应用和非机密数据(如景区宣传信息、视频数据、图片文件等)和需要峰值计算能力和短期存储的应用迁移到共有云系统上；而那些涉密的空间数据以及安全要求较高的数据，则保留在景区防火墙内的私有云系统中，不与景区外共享。私有云系统的构建将采用可扩展的管线处理架构（Scalable Pipelined Processing Infrastructure）[8]，由三部分组成：运行3D虚拟应用的服务器网络，处理3D图像渲染与担负负载均衡任务的图形渲染服务器，用于将多媒体帧编码成符合H.264/MPEG-4协议标准的流媒体网络，其中包含存储大规模场景数据的网络存储器以及流媒体服务器集群。

3.3.2 虚拟场景的渐进式下载设计

在分布式虚拟环境 (DVE,Distributed Visual Environment)中，大规模场景的需求与用户端存储空间的矛盾在iPAD、智能手机等小存储空间的移动终端中体现得更为明显，为了缓解以上矛盾，对Web 3D虚拟空间实时漫游行走采用基于P2P网络( Peer-to-Peer)渐进式下载机制(图3所示)，大幅降低漫游过程中的服务器端负载[9]。采用基于SMLAOI的WebVR场景传输的Prefetching与Caching技术对WebVR海量虚拟场景的传输预处理[10]。对场景空间采用基于兴趣区域( Area of Interest，AOI)的渐进式传输策略，利用视点最大可视距离的限制，使得用户在虚拟空间的实时行走漫游中，只需随着视点的平移而逐渐下载落入化身AOI 内的当前可视场景并渲染，从而减少了用户每次请求场景的数据量，也大大减少了对本地存储空间的需求；对场景中模型的渐进式传输，先对模型进行多分辨率建模，再根据物体与视点的距离、物体与视线的偏离角度等因素，在不降低漫游视觉效果的同时，按需下载具有不同分辨率的模型数据，从而减少场景下载的网络延时。设计架构中同时采用并行多路渐进式海量WebVR场景的传输机制，减少数据流传输对网络造成的压力。

3.3.3 轻量化处理技术

由于互联网的网速与带宽的限制，网上（超）大规模WebVR虚拟场景的即时下载一直是一个瓶颈问题。若将井冈山“茨坪革命旧址群、大井革命旧址群、龙江书院、茅坪八角楼毛泽东同志旧居”等4个经典红色景点做成3D场景，在Web页面上进行流畅地播放，必须减少场景的面片数和纹理，并采用重用机制来制作场景模型。按照轻量化建模→WebVR脚本编程→后台管理与支撑架构→轻量化的引擎调度技术（如图3所示）来实现井冈山红色经典场景的3D漫游。本项目轻量化Web 3D建模，采用高效的轻量级WebVR互动脚本程序库API，以及基于Flash/ HTML5的跨平台、高效、免插件安装的Web 3D/WebVR引擎技术，解决目前网上大规模虚拟旅游环境的实时互动漫游问题。采用轻量化Web 3D互动脚本程序设计，可以使程序的代码量为原来的1/5左右，同时又提高了代码的执行计算效率。此外，设计基于Flash 3D的免插件WebVR引擎技术可以高效的调度数百万面片级别的场景，使用户在网上的虚拟漫游体验变得更为流畅。

5 结语

目前苏州、南京、福建、黄山等地不断开展程度不同的“智慧旅游”项目建设，集成3S （RS、GIS、GPS）技术、分布式计算技术、三维可视化技术、虚拟现实技术、数据库技术、数据挖掘和数据融合技术、宽带网络技术、通讯技术（如3G）、云计算技术、SOA（服务导向框架）等支撑技术，而这些技术所需设备的搭建尚需时日[11]。井冈山虚拟旅游系统受“十二五”国家科技支撑计划项目资助，本文提出了一个切实可行的虚拟旅游系统架构，集成已有的关键技术，系统具有旅游服务、旅游管理、旅游营销等功能，为游客提供导航、导游、导览和导购等服务，提高了虚拟旅游系统的竞争力。

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[5] 孙静.虚拟旅游场景中虚拟导游行为模型研究[D].合肥:合肥工业大学,2009.

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[10] 王伟,贾金原,张晨曦,等.面向 P2P 网络的渐进式三维场景更新策略[J].计算机应用, 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

国家科技支撑计划项目（2012CBA001）

*谭云兰(1972-），女，江西新干人，副教授，博士生，主要从事虚拟现实,图像处理等研究(E-mail: tanyunlan@163.com）；

贾金原(1963-)，男，山东乐陵人，教授，博导，主要从事图形学，分布式虚拟现实，Web3D，游戏引擎等研究(E-mail: jyjia@tongji.edu.cn）；

康永平(1971-），男，江西永新人，高级实验师，主要从事网络安全，虚拟旅游等研究(E-mail: kypp@jgsu.edu.cn）；

彭 硕(1981-），男，江西吉安人，讲师，主要从事虚拟旅游，图像处理等研究(E-mail: pengshuo@jgsu.edu.cn）；

张 博(1989-），男，辽宁大连人，硕士生，主要从事虚拟现实，网络图像处理等研究(E-mail: zealouszb@yahoo.com.cn）.