劉民　萬江

摘 要： 對(duì)目前虛擬漫游系統(tǒng)的瓶頸進(jìn)行分析，提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Flash 3D的、優(yōu)化了的在線虛擬旅游系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)三維場景文件包括模型文件、材質(zhì)文件及其構(gòu)建步驟進(jìn)行優(yōu)化，并在實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種媒體元素支持的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了獨(dú)創(chuàng)的熱點(diǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維場景按需進(jìn)行加載和展示，以及游客在場景中的互動(dòng)漫游。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案優(yōu)化效果顯著，系統(tǒng)性能得到了極大的提升。

關(guān)鍵詞： 在線虛擬漫游； 三維場景優(yōu)化； 熱點(diǎn)； 互動(dòng)漫游； Flash 3D

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）05-36-03

Abstract： Through the research on virtual roaming system's bottleneck， an optimized online virtual roaming system based flash three-dimensional is designed and implemented. The system optimizes the files of three-dimensional scenes including model files and material files and the building process. Based on the support of a variety media， an original hotspot system is designed to realize three-dimensional scenes' on-demand loading and displaying， and tourist's interactive roaming in the scene. The testing results show that the system is significantly optimized and its performance has been greatly improved.

Key words： online virtual roaming； three-dimensional scene optimization； hotspot； interaction roaming； Flash 3D

0 引言

作為一種軟件技術(shù)創(chuàng)新，3D的應(yīng)用和發(fā)展給用戶體驗(yàn)帶來顯著的提升。虛擬漫游游將給旅游行業(yè)帶來沖擊和革命，促使旅游業(yè)的服務(wù)水平和質(zhì)量實(shí)現(xiàn)質(zhì)的提升[1]?，F(xiàn)階段，用戶體驗(yàn)的好壞已經(jīng)成為當(dāng)今產(chǎn)品成功的最重要的因素之一[2]。

在線虛擬漫游是指采用多媒體技術(shù)將真實(shí)景區(qū)數(shù)字化處理后，借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，可使漫游者如身臨其境般地在虛擬世界中漫游，并具有與景區(qū)環(huán)境交互的功能。本文基于需求分析和功能分析，提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效、擴(kuò)展性強(qiáng)、移植性高并且性能顯著優(yōu)化的在線虛漫旅游系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)分析

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國在線虛擬漫游產(chǎn)品以專業(yè)的虛擬旅游網(wǎng)站為主，如中國全境網(wǎng)，上海全境等[3]，其大部分都是基于全景圖片的模擬漫游，而不是真正意義上的漫游。用戶與虛擬場景的交互性差，界面不夠完美，用戶體驗(yàn)差[4]。因此，建立一個(gè)基于用戶體驗(yàn)理論，在系統(tǒng)架構(gòu)、功能、性能及其應(yīng)用方面都有明顯突破的在線虛擬旅游系統(tǒng)具有重要的意義。

1.2 功能需求

根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)和用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則，結(jié)合3D網(wǎng)站質(zhì)量評(píng)估的相關(guān)理論，虛擬旅游系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能[5]。①交互式三維場景虛擬漫游：用戶可通過鼠標(biāo)鍵盤等設(shè)備對(duì)三維景區(qū)進(jìn)行漫游參觀。②用戶和景區(qū)的互動(dòng)：用戶可以與景區(qū)內(nèi)對(duì)象進(jìn)行互動(dòng)。③全媒體技術(shù)的支持：系支持3D模型、Flash、音頻、視頻、圖片等常用多媒體元素。④三維場景全過程優(yōu)化：對(duì)三維場景文件、材質(zhì)和場景模型及構(gòu)建過程進(jìn)行優(yōu)化，材質(zhì)庫文件應(yīng)可能實(shí)現(xiàn)重用。⑤用戶地圖：實(shí)時(shí)確定用戶的相對(duì)位置，并對(duì)經(jīng)過的路線進(jìn)行標(biāo)記。

結(jié)合以上分析，系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)功能模塊。①三維場景的加載和解析模塊：三維場景的管理，包括三維場景數(shù)據(jù)和模型的導(dǎo)入、優(yōu)化處理和管理，場景的構(gòu)建、優(yōu)化及顯示的全過程管理。②熱點(diǎn)管理模塊：熱點(diǎn)的加載、刪除、編輯及熱點(diǎn)的可視化管理。③互動(dòng)漫游模塊：三維場景漫游的控制。④地圖模塊：用戶地圖的實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)建方法

目前用于構(gòu)建在線虛擬漫游系統(tǒng)的Web3D技術(shù)，主要包括VRML、X3D、Java3D、Cult3D及其重要的分支Flash 3D等。由于具Web3D每一種標(biāo)準(zhǔn)都有自己的插件，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間的支持和互動(dòng)成為了Web3D圖形在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上另外一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)[6]。Flash 3D是指基于網(wǎng)頁Flash播放器播放并且可以實(shí)時(shí)交互三維場景信息的一系列應(yīng)用技術(shù)的總稱。其中用于實(shí)時(shí)渲染和制作三維畫面信息的工具，稱為Flash 3D引擎[7]。

如今Flash Player的安裝率超過了90%，并且Flash 3D引擎集成了對(duì)三維模型的燈光照射、地面反射等效果處理，加載速度快并且展示流暢，用戶體驗(yàn)顯著提高。系統(tǒng)使用Flash 3D引擎，采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制的流程控制方法，通過配置文件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊間的集成和動(dòng)態(tài)加載。

2.2 系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)

依據(jù)系統(tǒng)的需求分析和功能分析，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的整體開發(fā)流程：①搜集資料，對(duì)場景采用烘焙貼圖的方式進(jìn)行建模，生成各模型的ASE文件和貼圖文件；②對(duì)模型文件和材質(zhì)文件進(jìn)行優(yōu)化處理，并對(duì)熱點(diǎn)進(jìn)行配置；③基于Flash 3D引擎，利用Flash腳本對(duì)在線虛擬漫游系統(tǒng)進(jìn)行集成開發(fā)。3 核心模塊的設(shè)計(jì)

3.1 三維場景系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

三維場景模型完成基本的貼圖和燈光處理后，首先進(jìn)行烘焙貼圖，將三維場景中不需要?jiǎng)討B(tài)渲染實(shí)現(xiàn)的各種燈光以及其他效果轉(zhuǎn)變成貼圖材質(zhì)，即節(jié)省實(shí)時(shí)渲染時(shí)費(fèi)時(shí)的計(jì)算，又避免光能傳遞時(shí)可能出現(xiàn)的動(dòng)畫抖動(dòng)。

3dsMax導(dǎo)出的模型文件包括模型信息文件和基礎(chǔ)紋理圖片及烘焙貼圖等材質(zhì)文件。首先通過對(duì)ASE文件結(jié)構(gòu)及其內(nèi)容的分析，提取出跟模型有關(guān)的關(guān)鍵位置，包括點(diǎn)、面、UV坐標(biāo)和關(guān)鍵屬性等，丟棄光照，反射等在烘焙貼圖處理過或者對(duì)三維場景性能影響不大的信息；其次將提取的信息，按照本下面定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存為二進(jìn)制文件。

⑴ 三維場景中對(duì)象的總個(gè)數(shù)、總面數(shù)。

⑵ 依次存儲(chǔ)每個(gè)對(duì)象在文件中的起始位置、材質(zhì)文件在文件中的起始位置。對(duì)每個(gè)對(duì)象的信息，從第一個(gè)對(duì)象開始，依次按如下順序進(jìn)行存儲(chǔ)。

⑶ 屬性信息，按照是否有倒影、材質(zhì)類型、圖片類型、材質(zhì)透明度、是否自動(dòng)播放、播放速度、頂點(diǎn)個(gè)數(shù)、面的個(gè)數(shù)和貼圖坐標(biāo)數(shù)、物體名稱順序來存儲(chǔ)。

⑷ 頂點(diǎn)坐標(biāo)信息，按照格式X、Y、Z組織并依次存儲(chǔ)。

⑸ 面片信息，按組成每個(gè)面片上三個(gè)點(diǎn)在上述點(diǎn)中的索引值，參照三維中右手坐標(biāo)系的原則，按面片順序依次存儲(chǔ)。

⑹ UV貼圖坐標(biāo)點(diǎn)信息，按照U、V的格式來組織并按點(diǎn)的順序依次存儲(chǔ)。

⑺ 貼圖面信息，按照貼圖面的三個(gè)點(diǎn)在上述UV點(diǎn)數(shù)中的索引值來存儲(chǔ)。

⑻ 對(duì)象的名稱，根據(jù)對(duì)象的個(gè)數(shù)，對(duì)每個(gè)對(duì)象按照步驟⑶至步驟⑻的順序依次進(jìn)行保存。

⑼ 材質(zhì)相關(guān)信息按照每個(gè)材質(zhì)的類型、名稱，根據(jù)材質(zhì)順序依次存儲(chǔ)。

基于上述數(shù)據(jù)格式生成的二進(jìn)制XML三維場景模型文件，即對(duì)模型文件進(jìn)行顯著壓縮，降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量，同時(shí)又提升了數(shù)據(jù)的安全性。對(duì)于材質(zhì)文件，通過Flash文件格式進(jìn)行壓縮處理，以Flash文件作為系統(tǒng)共享材質(zhì)庫，充分降低材質(zhì)庫的大小。

在系統(tǒng)重構(gòu)階段，根據(jù)三維場景的配置文件設(shè)置其基本參數(shù)，包括控制器焦距、初始位置坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角度、場景XML文件和材質(zhì)Flash文件等場景相關(guān)信息，加載場景模型文件和材質(zhì)文件，并進(jìn)一步進(jìn)行場景文件的解析和構(gòu)建以及材質(zhì)的構(gòu)建，完成材質(zhì)貼圖。最后根據(jù)需要，將經(jīng)過優(yōu)化處理的場景實(shí)時(shí)渲染輸出。

3.2 熱點(diǎn)系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)

熱點(diǎn)即可以進(jìn)一步互動(dòng)展示的區(qū)域。熱點(diǎn)的內(nèi)容可以是Flash、三維模型等。通過熱點(diǎn)系統(tǒng)，基于事件響應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了用戶與景區(qū)熱點(diǎn)之間的精確互動(dòng)和按需展示。熱點(diǎn)系統(tǒng)主要由熱點(diǎn)平面、熱點(diǎn)內(nèi)容和配置文件組成。其基本原理是：首先參考熱點(diǎn)的位置坐標(biāo)在場景中創(chuàng)建熱點(diǎn)平面；然后定義熱點(diǎn)內(nèi)容及其操作，實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)內(nèi)容的三維透視操作；最后將熱點(diǎn)內(nèi)容作為材質(zhì)貼圖貼到熱點(diǎn)平面上，并在用戶互動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)的加載和顯示。

熱點(diǎn)管理是基于配置文件來實(shí)現(xiàn)的。配置文件為每一個(gè)熱點(diǎn)創(chuàng)造一個(gè)節(jié)點(diǎn)，包含了熱點(diǎn)的主要屬性信息。①position：熱點(diǎn)坐標(biāo)，用于確定熱點(diǎn)在場景中的位置。②rotate：熱點(diǎn)所在平面的方向。③name：熱點(diǎn)名稱。④wide：熱點(diǎn)所在平面的寬度。⑤height：熱點(diǎn)所在平面的高度。⑥name：熱點(diǎn)內(nèi)容類名稱。⑦content：熱點(diǎn)對(duì)應(yīng)的外部鏈接。⑧material：熱點(diǎn)內(nèi)容的材質(zhì)類型。⑨scale：熱點(diǎn)的縮放比例。⑩speed：播放速度。[⒒] priority：熱點(diǎn)加載的優(yōu)先級(jí)，可以根據(jù)場景的需要，實(shí)現(xiàn)邊漫游邊加載的過程。

4 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)及其測試

4.1 三維場景系統(tǒng)的主要類說明

類的說明如下。

Animate3d類：用于對(duì)三維系統(tǒng)的管理。主要功能包括初始化控制器、場景初始化配置、控制器的狀態(tài)管理、用戶事件響應(yīng)管理、動(dòng)畫狀態(tài)判斷及三維模塊參數(shù)的配置。

SceneObject類：該類用于三維場景的管理。主要功能包括場景配置文件的解析、場景初始化、場景模型文件解析、熱點(diǎn)加載管理、場景的構(gòu)建和優(yōu)化以及場景的清理等功能。

MyAnimateObj類：該類用于場景中材質(zhì)管理，主要功能包括場景材質(zhì)的載入控制、熱點(diǎn)載入控制、特殊材質(zhì)創(chuàng)建和材質(zhì)的解析等。

MeshObject類：該類用于三維場景的構(gòu)建過程管理，主要功能包括場景文件中的三維點(diǎn)、面片、UV坐標(biāo)和表面創(chuàng)建過程，材質(zhì)的設(shè)置，材質(zhì)的貼圖管理等。

MyPlane類：該類用于熱點(diǎn)的加載管理，主要功能包括確定熱點(diǎn)的坐標(biāo)、設(shè)定熱點(diǎn)的角度以及使熱點(diǎn)的方向控制。

MyTenPlane類：該類用于場景中特殊對(duì)象的管理，包括對(duì)象構(gòu)建過程管理、對(duì)象的初始化、確定對(duì)象的位置、旋轉(zhuǎn)以及朝向。

4.2 系統(tǒng)測試

本文針對(duì)“在線虛擬游白云山系統(tǒng)”，對(duì)系統(tǒng)三維虛擬場景的優(yōu)化效果進(jìn)行測試和分析。

4.2.1 三維場景構(gòu)建的優(yōu)化測試

選取“在線虛擬游白云山系統(tǒng)”建模的兩個(gè)場景，其輸出的ASE文件大小為945K，經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)化處理后生成的有效場景文件只有36.6K，優(yōu)化后的文件大小只有原文件的3.87%，優(yōu)化效果顯著。特別是制作大規(guī)模三維場景時(shí)，系統(tǒng)的加載速度和用戶體驗(yàn)都有顯著提升。

4.2.2 材質(zhì)文件的優(yōu)化測試

系統(tǒng)利用Flash軟件的壓縮算法對(duì)材質(zhì)文件進(jìn)行壓縮后生成Flash文件，并通過應(yīng)用程序域?qū)崿F(xiàn)對(duì)材質(zhì)文件的控制和材質(zhì)文件的共享。下面以兩個(gè)場景為例對(duì)其說明。fMaterial、sMaterial文件分別用于存放第一個(gè)場景和第二個(gè)場景所獨(dú)有的材質(zhì)，shMaterial文件用于存放系統(tǒng)共用材質(zhì)。5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)性能得到顯著優(yōu)化的在線虛擬漫游系統(tǒng)，為我國虛擬漫游應(yīng)用的大規(guī)模推廣提供了借鑒。系統(tǒng)基于常見的Flash播放器，不需要單獨(dú)的插件，并通過對(duì)三維場景構(gòu)建的模型文件和材質(zhì)文件，以及構(gòu)建步驟的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了性能的顯著提高。通過獨(dú)創(chuàng)的熱點(diǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了場景內(nèi)容的按需加載和展示，進(jìn)一步提升了用戶與系統(tǒng)的互動(dòng)，使用戶體驗(yàn)得到了極大的提高。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)性能得到顯著提升。接下來的研究方向是：多人同時(shí)在線虛擬漫游；漫游者相互之間進(jìn)行社交娛樂；漫游者與場景進(jìn)行更深層次的互動(dòng)。

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