武落钟离山音乐文化漫游系统的设计与实现

王亚如， 章光琼， 刘清堂

(1.华中师范大学 教育信息技术学院， 武汉 430079； 2.华中师范大学 出版社， 武汉 430079)

武落钟离山音乐文化漫游系统的设计与实现

王亚如1， 章光琼2*， 刘清堂1

(1.华中师范大学 教育信息技术学院， 武汉 430079； 2.华中师范大学 出版社， 武汉 430079)

民族音乐的数字化保护与传承是我国非物质文化遗产保护工作的重要组成部分.文章以土家音乐的数字化保护为例，采用虚拟三维全景展示技术，设计并实现了集虚拟现实、图文声像等多媒体表现手段于一体的武落钟离山音乐文化虚拟漫游系统.漫游系统以土家发源地武落钟离山为漫游实体，以土家原始宗教信仰体系为依托，以音乐文化长廊的形式联合呈现典型的土家宗教音乐文化及其相关的历史文化知识，以期促进土家音乐文化的数字化传承与发展，进而促进我国音乐文化的数字化保护与传承.

三维全景漫游； 可视化； 武落钟离山； 音乐文化

民族音乐文化的发展与保护是我国非物质文化遗产保护工作的重要内容.其中，少数民族音乐文化的保护与传承是重中之重.伟大的土家族人民在历史长河中积累传承下来的土家音乐文化，是对他们生活、情感与信仰的真实写照，主要包括地方民歌、民族器乐和民间歌舞等.与其它民族音乐文化一样，土家音乐文化大多是长期经验的积累，没有文字记载，通过“口传心记、言传身教”等手段进行传承[1].随着时代的发展，土家族音乐文化开始逐年流失，濒临灭绝，传统的传承方式受到了一定的威胁，已不能满足其传承和发展的需要.随着信息技术的不断进步，新的保护与传承方式应运而生.三维全景技术为文化遗产的保护提供了时空结合的数字化传承方法.

三维全景技术是真实场景虚拟现实的分支，广泛地应用于场景再现和虚拟展示，典型的如谷歌街景、微软街景、腾讯的SOSO街景等.除此之外，因其具有交互性强、用户体验好等特征，还被广泛应用于商业虚拟宣传、旅游景点三维虚拟展示等.所谓三维全景技术，就是利用实景照片合成全景图，并通过一系列全景图的串连构建出虚拟现实的全景空间，然后基于Java Applet、 QTVR等播放插件进行三维虚拟展示.其中Krpano是基于Flash运行的三维全景播放器，其体积小巧、性能灵活，具有开放跨平台特点，是当下最流行的互动三维全景播放器.

论文采用三维全景技术，并基于Krpano三维全景播放器，构建武落钟离山音乐文化虚拟漫游系统.该系统以土家发源地武落钟离山景区为漫游实体，以景区内丰富的景观资源如古建筑、雕塑、壁画等为载体，以土家原始宗教信仰为线索，研制场景地图导航、虚拟景点漫游、音乐文化与场景融合虚拟展示等关键技术，实现音乐文化、旅游景点和历史发展脉络等有机融合，虚拟展示了土家音乐文化长廊，对于促进土家音乐文化的数字化传承与发展具有重要意义.

1 全景漫游及相关研究

全景漫游就是利用计算机来仿真现实世界，力求能够实现与真实世界同样的感官体验、交互感受、情感互动等[2].漫游的基础是虚拟场景的建模，传统的建模方法是利用三维几何模型建模和绘制(Geometry-based Modeling and Rendering，GBMR)技术，该方法的核心是首先对现实世界存在的客观物体进行抽象，然后在此基础上建立 3D 模型，这种建模方式能够较全面地满足各种操作要求，但是构建过程耗时耗力，且需要配备专门的昂贵硬件，难以快速构建并大规模使用.为弥补传统建模技术的不足，逐渐出现了另一种全新的建模技术，即基于图像的建模和绘制技术(Image-based Modeling and Rendering，IBMR).

基于图像的建模和绘制技术的核心就是建立一个虚拟实景空间.所谓虚拟实景空间就是以照相机等拍摄设备采集的离散图像资源作为基础资料，经过图像拼接处理后生成全景图，并对其进行空间关联，最终建立出来的具有空间操纵能力的虚拟环境[3].在如Java、Quicktime等插件支持下，可为用户提供多种对该虚拟实景空间进行操作的功能，比如推远、拉近实景空间，还可利用鼠标直接控制场景进行旋转或者点击键盘控制按钮实现上、下、左、右等操作用于移动观看，给用户提供身临其境的感受，并在交互操作的过程中再现观赏真实环境的沉浸效果.该模型的优势在于：场景构建过程简单快捷，对设备条件要求低；绘制速度高效，可应对各种复杂场景的建模，且画质清晰，还原度极高；虚拟漫游场景真实，用户体验良好.

在研究领域，三维全景虚拟漫游技术已被广泛应用到城市空间信息服务、虚拟校园和旅游景点推广宣传等多个领域，很多学者都进行了深入的实践研究.陈山等借助腾讯街景地图服务，设计了基于轻量化架构及轻量化脚本的虚拟实景漫游系统，实现了漫游系统的全景图刷新与运动物体速度变化实时同步的功能[4].朱惠娟等人基于Unity3D平台，采用 3Dmax 等为场景建模工具，结合Javascript 和 C#语言实现交互， 通过与HTML的整合集成完成了虚拟校园漫游系统的设计与开发[5].靳海亮等人基于三维建模软件 Sketchup和真三维平台EV-Globe进行虚拟漫游系统的设计，并实现了交互式场景漫游、路径规划、碰撞检测等功能[6].冯建平和吴丽华以海南数字生态旅游三维全景漫游系统的构建为目标，研究了利用鱼眼镜头和单反数码相机获取全景图像的方法，并在此技术上制作了360°全景图漫游系统[7].吕杰英以实现杭州轻工技师学院装潢实训工场的全景漫游为例，结合Web 标准 HTML5 和 3D 绘图标准 Web GL，使用第三方库文件 Three.js，达到场景水平和垂直方向的自由转换，使用户在网上就能观看实训基地的全景效果，具有身临其境的感觉[8].

本研究探索利用全景漫游技术实现土家地理场景与音乐文化融合的虚拟展示系统研制.论文通过球面全景的拍摄和拼接完成武落钟离山音乐文化漫游系统内虚拟场景的构建，并利用krpano 三维全景插件，设计并实现一个具有交互功能且极具土家文化特色的虚拟漫游系统.该系统除了具备基本的浏览、推远、拉近和旋转功能外，还可以实现自动漫游，除此之外整个漫游系统包含多种场景导航方式，比如缩略图导览、音乐文化知识导航等；并且在漫游场景内，以热点、热区的方式实现了土家音乐资源与武落钟离山自然景观的高度融合，如鼠标经过漫游场景内的某一热点，该热点会高亮显示出提示信息，点击即可弹出相关音乐资源，简单快捷，便于用户快速浏览.系统基于XML技术实现、基于B/S模式展示，具有友好的用户操作界面，是一个集音乐文化、自然景观于一体的综合性虚拟漫游系统.

2 武落钟离山音乐文化全景漫游系统设计

2.1 武落钟离山音乐文化漫游系统功能架构

系统依托于武落钟离山景区，包含16个漫游场景，涉及巴人文化广场、向王庙、德济厅、白虎堂等多个典型景点，具有自动漫游、导航浏览、自动定位和图片浏览等功能.如图1所示是系统整体的功能架构.

图1 系统功能架构 Fig.1 The functional architecture of the system

首先是宗教音乐文化知识导航模块，包括宗教音乐的基本介绍，以及场景内所有嵌入的音乐资源的分类导航；其次是场景漫游模块，系统内的16个漫游场景，每一个场景都包含基本的场景简介以及与自然景观相关的音乐文化资源，场景内嵌入的音乐文化资源主要是以热点的形式嵌入进去.涉及3种类型的热点：一是简单的图文介绍，二是相关的故事传说热点，三是视音频热点.最后是场景地图，为方便用户在漫游系统内自由跳转，设计并嵌入了场景地图，实现了通过导航浏览和图片浏览对漫游场景的快速定位和展示，给用户提供清晰导航.

2.2 武落钟离山音乐文化内容展示设计

作为土家音乐文化中不可分割的一部分，土家宗教音乐文化是土家人民在漫长的历史发展过程中不断积累下来的文化精髓，对土家人民具有重要的意义和价值.它向人们提供了丰富多彩、积淀深厚的历史信息，是人们了解土家文化的途径.如图2为武落钟离山音乐文化内容展示设计.

图2 系统内容展示设计Fig.2 The content display design of the system

系统设计中，以土家族原始宗教信仰体系为主线，结合漫游场景嵌入相关音乐资源，集中表现土家族特色鲜明的宗教音乐文化.在土家族原始宗教信仰体系中，多神崇拜是其显著特征，这样信仰的多神性表现在自然崇拜、图腾崇拜、祖先崇拜等宗教活动中[9].自然崇拜是人类信仰文化中一种极为普遍的文化现象.由于土家族是农耕民族，且居住在山区，所以大自然中的土地、天体、山水等便首先成为土家原始先民的自然崇拜的对象.图腾崇拜常常与本民族的部族、氏族来源的传说结合在一起.由于土家祖先巴人首领死后化虎的传说，所以白虎图腾是土家族比较普遍的图腾信仰.祖先崇拜的典型种类是氏族祖先神崇拜.在恩施、长阳等地，主要体现在对巴人祖先“向王天子”的崇拜上.

整个漫游系统的内容设计以土家原始宗教信仰体系为主线，借助于其赖以生存的文化空间即武落钟离山景区内的16个漫游景点，以类型丰富的音乐资源为表达形式，生动形象地展现土家灿烂文明的宗教音乐文化.

3 武落钟离山音乐文化全景漫游系统的实现

3.1 全景漫游系统研发的环境与工具

武落钟离山音乐文化漫游系统是基于三维全景的展示，它主要涉及图片采集、拼接、融合、全景播放等方面的技术.首先是对武落钟离山景区进行图像采集，借助三脚架、云台和鱼眼镜头等专业设备拍摄图片素材.然后把拍摄到的素材导入PTGUI软件中，进行全景图的拼接，输出图像后，利用Photoshop进行后期处理和美化.全景图片合成后，还需要选用合适的播放插件，并把它嵌入到网页.

系统的实现采用了Krpano工具.它是一款基于Flash的三维全景播放器，是当今世界上最流行的互动三维全景播放器.该软件支持脚本控制，这就便于在漫游系统中添加音乐资源，实现漫游景点和音乐文化资源的高度融合.Krpano主程序所使用的XML文件十分简洁，默认情况下仅可以做到场景的载入，其他所有功能，都以插件的形式实现，而每个插件，都可以在自己的XML文件中进行配置，然后供主程序XML文件调用，结构清晰，便于维护.主要特点如下.

1) 支持多种全景格式.如立方体全景、矩形全景、部分全景等.

2) 全景图片拼接与生成.巨幅全景分块载入，实现分片图片的全景在线展示.

3) “鱼眼”镜头效果.在更广的角度(130°以上)展示全景效果.

4) 交互脚本支持.能实现热点、指南针、平面地图、Google地图、虚拟游览等脚本控制；实现多种虚拟漫游的控制方式，比如鼠标、键盘等.

5) 扩展性强.支持JavaScript中的ActionScript3的接口.

6) 快速和高质量的渲染.通过XML文件进行配置，实现高质量的展示效果[10].

3.2 武落钟离山音乐文化漫游系统功能模块实现

3.2.1 漫游系统全景图构建 系统中全景图的构建是通过专业拍摄设备，在水平方向上以相同角度旋转 360°来采集合成的全景图.主要过程包括选择模型、采集图像、拼接与调整图像等步骤.

选择模型.通常包括立方体全景[12]、柱型全景、球面全景等.漫游系统采用球形全景视角，即水平方向 360°、垂直方向180°的全视角.这种模型结构可为用户提供无死角的漫游场景浏览体验，效果更佳、沉浸感最强.

采集图像.本研究中采用的拍摄方式是单反相机、鱼眼镜头与全景云台组合拍摄.具体流程包括：1)考察整个武落钟离山景区，最终确定具体16个拍摄点即共16个漫游场景；2)调整镜头与云台设备并通过预拍摄选取合适的光圈值和快门值；3)试拍并确定相机位置标定.拍摄采用仰角15°～20°，水平旋转一圈，每 60°拍摄一张.拍完后，移开云台，补拍一张地面，形成每一个拍摄点7张照片素材.

拼接与调整图像，采集到的鱼眼照片导入全景图生成软件中拼接与合成全景图.本研究采用PTGUI拼接软件，将每个景点的7张照片为一组，生成一个场景的全景图.拼接完成后的全景图利用图像处理软件进行调整美化，生成完整真实的全景图.

3.2.2 知识导航模块实现 武落钟离山音乐文化知识导航模块包括两部分内容：土家宗教音乐文化介绍以及宗教音乐导航.宗教音乐文化介绍以图文热点的形式对土家宗教音乐的内涵进行了简明扼要的概括，主要是为用户普及一些基本的音乐文化知识.宗教音乐导航主要是列举出了与土家宗教文化相关的歌曲及舞蹈，并依据土家原始宗教信仰体系将其分为自然崇拜、祖先崇拜和图腾崇拜3大类.音乐导航模块结合武落钟离山漫游景点，以主题地图的方式进行音乐文化知识和自然人文景观的有效链接，如图3所示，点击导航中的某一首歌曲，就会实时跳转到漫游系统内相应场景中的自然景观上，部分实现代码如下：

图3 音乐文化知识导航Fig.3 The navigation of music culture knowledge

3.2.3 场景漫游模块实现 根据设计理念，整个漫游系统是以土家原始宗教信仰体系中的自然崇拜、祖先崇拜和图腾崇拜3大类为主线，以土家发源地武落钟离山为漫游载体，集中展现土家宗教音乐文化.下面将以场景一内的音乐资源的链接为例，详细描述场景漫游模块内音乐资源热点的实现步骤.漫游场景嵌入的音乐资源是以热点交互的方式实现，基本流程为：1)漫游场景中选择热点区域，确定热点具体坐标；2)添加热点的编辑插件tour_editor.html；也可在浏览器内直接点击某一具体位置进行设定；3)主xml文件中提取坐标.系统实现典型代码如下：

音乐热点交互.当用户鼠标在漫游场景内热点滑过，展示音乐资源，如简介、歌词、文化背景等.交互热点的动作实现代码如下：

设置动作属性，实现交互内容的控制，其核心的代码为：

set(layer[scenic_1_music01_textimage].visible，true); set(layer[scenic_1_music01_close].visible，true);

set(layer[scenic_1_music01_textimage].visible，false);

set(layer[scenic_1_music01_close].visible，false);

文化漫游场景内音乐资源热点的虚拟展示效果如图4所示，系统中第六个场景中就是一幅关于旭日东升的壁画，与之对应的有很多关于太阳的歌舞，如《太阳出来总是晴》，点击视音频按钮即可欣赏.

4 总结

武落钟离山音乐文化漫游系统以土家原始宗教体系为主线，以土家发源地武落钟离山景区为漫游载体，通过融入大量音乐文化资源以及历史文化资源，集中展现了土家族源远流长的宗教音乐文化，对土家音乐文化的传承和保护具有重要的实践价值.在旅游业以及文化传播与保护等多方面都可以加以应用.

论文采用最新的三维全景漫游技术，通过三维全景图对武落钟离山景区内16个景点进行高度还原，并基于Krpano工具，设计与实现了一个集音乐文化、自然景观于一体的综合性虚拟漫游系统.该系统除了具备基本的浏览、推远、拉近和旋转功能外，还可以实现自动漫游，除此之外整个漫游系统包含多种场景导航方式，比如缩略图导览、音乐文化知识导航等.漫游系统采用多种交互形式实现了场景内音乐资源与景观文化的有效链接，给用户提供了可观可感可互动的土家音乐文化虚拟漫游的全新体验.漫游系统已投放武落钟离山景区、非物质文化遗产保护中心等示范应用，具有良好的用户满意度.

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DesignandimplementationofWuluozhongliMountainmusicalcultureroamingsystem

WANG Yaru1, ZHANG Guangqiong2, LIU Qingtang1

(1.School of Educational Information Technology, Central China Normal University , Wuhan 430079;2.Central China Normal University Press, Wuhan 430079)

The digital protection and inheritance of national music is an important part of the protection of intangible cultural heritage in China. Taking the digital protection of Tujia music as an example, this paper designs and realizes the Wuluozhongli Mountain musical culture virtual roaming system based on the three-dimensional panoramic roaming technology which combining virtual reality, graphic audio with other multimedia means. The roaming system takes the cradle of Tujia as roaming entity and relies on the original religious belief system of Tujia, presenting the typical Tujia religious music culture and its related historical as well as cultural knowledge in the form of music culture corridor. This work aims at promoting the digital protection and development of Tujia music culture, and further promoting the digital protection and inheritance of Chinese music culture.

three-dimensional panoramic roaming; visualization; Wuluozhongli Mountain; musical culture

G202

A

2017-02-26.

国家科技支撑计划课题(2015BAK03B03).

*通讯联系人. E-mail: 1294069042@qq.com.

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.05.010

1000-1190(2017)05-0615-05