羅月童， 孫 靜， 儲昭輝

（1. 合肥工業(yè)大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009； 2. 合肥學(xué)院數(shù)學(xué)與物理系，安徽 合肥 230601）

隨著旅游業(yè)的不斷發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的宣傳展示手段由于直觀性、可交互性、沉浸性、虛擬性等特點(diǎn)和優(yōu)勢，在旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中起到越來越重要的作用[1]，這種將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于旅游業(yè)的技術(shù)稱為虛擬旅游技術(shù)。虛擬旅游技術(shù)大大促進(jìn)了旅游業(yè)的發(fā)展，給傳統(tǒng)旅游業(yè)注入了新的活力。如文獻(xiàn)[2]中實(shí)現(xiàn)的敦煌285 窟多媒體集成虛擬展示系統(tǒng)，文獻(xiàn)[3]虛擬殷墟博物苑的三維展示，文獻(xiàn)[4]基于VR 和GIS 的城市仿真技術(shù)等等。

正如出色的導(dǎo)游能帶來成功的旅游活動一樣，虛擬導(dǎo)游也是虛擬旅游技術(shù)的重要組成部分，所謂虛擬導(dǎo)游是指在虛擬旅游場景中實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)游客游覽觀光的功能。目前虛擬導(dǎo)游技術(shù)主要是通過菜單、地圖、鼠標(biāo)鍵盤等方式實(shí)現(xiàn)游客在虛擬場景中進(jìn)行快速方便地游覽的功能[5-7]，這種方式沉悶乏味，且游客需進(jìn)行大量操作，而現(xiàn)實(shí)中只需跟隨導(dǎo)游，并能夠?qū)崟r的聽景點(diǎn)解說或與導(dǎo)游進(jìn)行現(xiàn)場交流等等，因此現(xiàn)在的虛擬導(dǎo)游技術(shù)有待進(jìn)一步提高。

增強(qiáng)“趣味性”是虛擬旅游的目標(biāo)之一，但現(xiàn)有的虛擬導(dǎo)游的操作模式比較單調(diào)，因此本文提出發(fā)展基于人物建模和計算機(jī)動畫的虛擬導(dǎo)游技術(shù)，利用虛擬人物動畫在虛擬場景中逼真地模擬真實(shí)導(dǎo)游，從而提高虛擬旅游的趣味性，吸引更多的游客。

1 關(guān)鍵問題

為了增強(qiáng)虛擬旅游的趣味性，本文提出了利用人物建模及動畫技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)中導(dǎo)游的方法，顯然模擬的逼真度是該技術(shù)的關(guān)鍵。而真實(shí)的模擬導(dǎo)游在現(xiàn)實(shí)中的一系列特定的行為又是提高逼真度的關(guān)鍵和難點(diǎn)?，F(xiàn)實(shí)中導(dǎo)游的行為主要涉及到這樣幾個方面：帶領(lǐng)游客沿某景點(diǎn)路線行走；對沿途景點(diǎn)進(jìn)行解說介紹；以及邊走邊進(jìn)行解說或與游客交談等等?；谝陨线@些行為，虛擬導(dǎo)游技術(shù)的關(guān)鍵問題可歸結(jié)為以下兩點(diǎn)：

（1） 建立人物模型并對模型設(shè)置主要的行為動作；

（2） 預(yù)定義景點(diǎn)路線的規(guī)劃。

1.1 虛擬導(dǎo)游的人物模型及其動作的建模

人體動畫一直是計算機(jī)動畫領(lǐng)域中一個具有挑戰(zhàn)性的研究問題，它主要研究人體建模和行為表示[8]。目前人體運(yùn)動控制常用的方法有：動力學(xué)方法、運(yùn)動捕捉法以及蒙皮骨骼技術(shù)等。其中蒙皮骨骼動畫技術(shù)是當(dāng)前3D 動畫領(lǐng)域的一項(xiàng)高級技術(shù)，它通過一系列的骨骼去帶動一張皮膚網(wǎng)格進(jìn)行運(yùn)動，不僅避免了區(qū)域動畫中段與段之間相連接的地方出現(xiàn)明顯的接縫現(xiàn)象，在任何時刻保持光滑、生動的外表，并且經(jīng)過預(yù)處理能達(dá)到實(shí)時交互效果，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于影視制作、動態(tài)仿真等領(lǐng)域。

本文采用蒙皮骨骼動畫技術(shù)來創(chuàng)建虛擬導(dǎo)游人物動作模型。運(yùn)用蒙皮骨骼動畫技術(shù)時，骨骼塊數(shù)目與長度可根據(jù)虛擬人物的形狀及動畫效果顯示的要求進(jìn)行選擇與設(shè)定。借助于3DMax等建模工具，可以快速的調(diào)整參數(shù)，直觀地觀察參數(shù)改變后的動畫效果，交互式的開發(fā)，極大的降低了開發(fā)的難度，提高了開發(fā)效率。

為了實(shí)現(xiàn)在數(shù)字旅游場景中虛擬人物導(dǎo)游的功能，本文采用將復(fù)雜動作分解為簡單動作的方法，利用骨骼蒙皮技術(shù)創(chuàng)建出虛擬人物的軀體和簡單動作庫，再通過動畫混合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動作的創(chuàng)建?；旌隙鄠€骨骼動畫對創(chuàng)建動畫之間轉(zhuǎn)換過渡也是非常有用處的，例如，如果所控制的動畫角色從“跑”的動作過渡倒“停止”的動作，如果直接關(guān)掉“跑”的話會覺得整個過程相當(dāng)?shù)谋孔荆ㄖ虚g沒有過渡動作），這個時候就需要使用骨骼動畫之間的混合工作。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從“跑”逐漸過渡到“停止”的一系列動作。

1.2 虛擬導(dǎo)游景點(diǎn)路線的規(guī)劃

虛擬導(dǎo)游的景點(diǎn)路線規(guī)劃包括景點(diǎn)路線的生成；如何讓創(chuàng)建的虛擬人物沿著該路線完成基本的導(dǎo)游功能，即引導(dǎo)游客游覽，及對景點(diǎn)的解說等。

為了在虛擬場景中生成虛擬導(dǎo)游景點(diǎn)路線，本文通過在場景中預(yù)設(shè)若干關(guān)鍵點(diǎn)，并對關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行B 樣條插值生成過渡光滑的景點(diǎn)路線。算法思想是設(shè)定導(dǎo)游走完全程的總時間T，以時間t做為參數(shù)對關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行插值，從而計算出虛擬導(dǎo)游在時刻t 的位置，考慮到虛擬導(dǎo)游行為動作的特殊性，即需要實(shí)現(xiàn)在特定景點(diǎn)處停下解說的動作，本文通過預(yù)設(shè)特定的解說時刻點(diǎn)來觸發(fā)導(dǎo)游特別解說的動作事件。具體流程如圖1 所示。

（1） 虛擬導(dǎo)游整體動作行為的實(shí)現(xiàn)

在1.1 節(jié)中利用蒙皮骨骼動畫技術(shù)生成的動畫只是原地動畫，并沒有形成沿景點(diǎn)路線行走的動作。為了實(shí)現(xiàn)在虛擬人物沿預(yù)先生成的景點(diǎn)路線行走的動作行為，本文通過將虛擬人整體抽象為一個場景節(jié)點(diǎn)，賦予該節(jié)點(diǎn)位置、姿態(tài)、速度等外部狀態(tài)屬性，通過時間這一參數(shù)實(shí)時的更新虛擬導(dǎo)游節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并同時根據(jù)情況開啟或關(guān)閉虛擬導(dǎo)游的原地行走、解說等動作，從而可實(shí)現(xiàn)虛擬導(dǎo)游的整體行為運(yùn)動，避免了在3DMax中進(jìn)行整體動作創(chuàng)建的復(fù)雜性和耗時性。虛擬導(dǎo)游節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型如下：

實(shí)驗(yàn)證明所形成的動畫效果良好，且滿足實(shí)時性要求。

（2） 虛擬人動作與音頻解說的同步

對于解說動作和音頻的同步，本文通過在播放解說動作的同時打開對應(yīng)的景點(diǎn)解說音頻，在解說結(jié)束時關(guān)閉的方式來實(shí)現(xiàn)，其中關(guān)鍵問題是對待解說景點(diǎn)的檢測。根據(jù)由八叉樹劃分的虛擬場景檢測相關(guān)景點(diǎn)屬性，如位置、包圍盒、命名等，由事先存儲的景點(diǎn)與相應(yīng)解說音頻的相關(guān)性信息，在音頻庫中搜索對應(yīng)解說音頻播放，從而實(shí)現(xiàn)虛擬導(dǎo)游的解說行為。

圖1 虛擬導(dǎo)游路徑規(guī)劃及整體運(yùn)動合成示意圖

2 應(yīng) 用

本文提出的基于計算機(jī)動畫的虛擬導(dǎo)游技術(shù)在《數(shù)字化三河古鎮(zhèn)》漫游系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用，該系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio.net 2003 開發(fā)平臺，用3DMax 7.0 為建模工具，采用Ogre 3D 圖形引擎作為渲染工具，真實(shí)再現(xiàn)了三河古鎮(zhèn)豐富的人文景觀。基于動畫虛擬導(dǎo)游技術(shù)在該系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)一步增強(qiáng)了數(shù)字化虛擬場景的真實(shí)感和趣味性，使虛擬旅游場景更加貼近現(xiàn)實(shí)，吸引了大量的游客，將會大大推動三河古鎮(zhèn)旅游業(yè)的發(fā)展。圖2 為部分效果圖，圖2(a)中的女士是沿景點(diǎn)路線行走的虛擬人導(dǎo)游，圖2(b)為該導(dǎo)游在對特定景點(diǎn)建筑進(jìn)行解說介紹。

圖2 虛擬導(dǎo)游在三河古鎮(zhèn)虛擬場景中的實(shí)現(xiàn)

3 結(jié) 論

本文在基于人物建模及計算機(jī)動畫的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了虛擬旅游場景中的虛擬人導(dǎo)游技術(shù)，該技術(shù)大大提高了虛擬場景的真實(shí)感和趣味性。當(dāng)前，構(gòu)建角色的“認(rèn)知模型”，賦予角色學(xué)習(xí)能力、知識獲取能力、邏輯推理能力和動作規(guī)劃能力，使角色具有高級的智能成為計算機(jī)動畫研究新的熱點(diǎn)，下一步將以當(dāng)前工作為基礎(chǔ)，開展有關(guān)智能方面的虛擬人導(dǎo)游的研究工作。

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