◆呂學(xué)明

（山西旅游職業(yè)學(xué)院 山西 030006）

虛擬化移動數(shù)字圖書館的關(guān)鍵技術(shù)研究

◆呂學(xué)明

（山西旅游職業(yè)學(xué)院 山西 030006）

本文將數(shù)字圖書館建設(shè)與最新的3D虛擬、移動開發(fā)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了數(shù)字圖書館的立體化、移動化，為用戶提供了更加直觀便利的圖書資源共享服務(wù)。并針對具體的系統(tǒng)開發(fā)工作進(jìn)行了虛擬功能規(guī)劃與關(guān)鍵性技術(shù)應(yīng)用的研究與實踐，為現(xiàn)有數(shù)字圖書館的虛擬移動服務(wù)功能拓展提供一定的參考依據(jù)。

數(shù)字圖書館；3D虛擬；移動開發(fā)；Unity3D引擎

0 引言

隨著移動通訊技術(shù)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的綜合發(fā)展，基于移動端的數(shù)字圖書館也得到了快速普及和應(yīng)用，這一新型的圖書資源共享方式為各類讀者提供了更加便利的圖書共享渠道，顛覆了傳統(tǒng)的圖書資源管理模式。在此基礎(chǔ)上為了能進(jìn)一步改善用戶的數(shù)字閱讀體驗，為用戶提供更加真實、立體且靈活的圖書閱讀方式，本文將嘗試結(jié)合現(xiàn)在最新的3D虛擬交互技術(shù)進(jìn)行數(shù)字移動圖書館的仿真建設(shè)。

1 虛擬化移動交互技術(shù)概述

虛擬化移動交互是借助計算機(jī)圖形學(xué)實現(xiàn)的一種高端人機(jī)交互功能[1]。首先需要構(gòu)建出高仿真現(xiàn)實環(huán)境的三維虛擬場景，然后利用移動終端的多點觸控、重力感應(yīng)等輸入接口實現(xiàn)靈活的人機(jī)交互控制[1]。

目前虛擬化數(shù)字平臺開發(fā)的模式主要有兩種：一是借助各類計算機(jī)合成技術(shù)構(gòu)建三維虛擬場景[2]，例如2008年由IBM開發(fā)的“虛擬故宮博物館”項目，就是采用了數(shù)字影像合成、圖像壓縮、立體聲數(shù)字音響等多種計算機(jī)合成技術(shù)呈現(xiàn)出了一個基于PC端的三維仿真故宮博物館，再通過傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)輸入方式實現(xiàn)場景的交互瀏覽；二是利用現(xiàn)下比較成熟的3D虛擬引擎實現(xiàn)三維虛擬場景的搭建，例如網(wǎng)絡(luò)中剛剛出現(xiàn)一些的虛擬旅游景區(qū)的推廣演示項目，就是利用各類3D虛擬引擎實現(xiàn)3D場景的搭建和渲染，再結(jié)合引擎內(nèi)置的UI組件實現(xiàn)軟件的交互控制操作。

現(xiàn)下專用于構(gòu)建3D虛擬系統(tǒng)的軟件主要有Unity3D引擎、FAR CRY引擎、GAMEBRY0引擎等[3]。其中Unity3D（一下簡稱U3D）是2010年由Unity Technologies開發(fā)的一款較新的3D虛擬開發(fā)工具，它提供的開放性開發(fā)平臺使其發(fā)展即為迅速，眾多游戲開發(fā)者基于此平臺不斷開發(fā)出新的插件功能，使其在虛擬場景的渲染、人工智能尋路、UI界面設(shè)計、移動平臺的移植等方面都更為優(yōu)化、且易于實現(xiàn)。因此本文將選擇Unity3D開發(fā)工具實現(xiàn)虛擬化數(shù)字圖書館的構(gòu)建，并可支持基于Android移動客戶端的訪問。

2 虛擬化移動數(shù)字圖書館的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 虛擬化移動數(shù)字圖書館的功能設(shè)計

構(gòu)建虛擬化移動數(shù)字圖書館，在功能設(shè)計上需具備以下方面的功能：

（1）圖書館全景漫游功能。在該功能模塊設(shè)計中，首先設(shè)有全景瀏覽與分區(qū)域漫游兩種模式，在全景模式下可瀏覽圖書館全貌，切換至區(qū)域模式后，可由虛擬大廳進(jìn)入各個閱讀區(qū)漫游；其次設(shè)置有兩種漫游方式，第一人稱視角漫游和第三人稱視角漫游。前者直接以用戶的視角實現(xiàn)場景漫游，代入感更為強(qiáng)烈，但可視范圍較小。后者是由用戶通過場景中的虛擬人物角色控制實現(xiàn)場景的漫游交互，代入感較弱，視線范圍較廣。用戶可依據(jù)個人操作習(xí)慣進(jìn)行漫游模式的切換。

（2）3D電子書閱讀功能。在用戶進(jìn)行圖書的選擇和閱覽時，本系統(tǒng)將提供仿實景的3D圖書閱覽與2D傳統(tǒng)閱讀兩種模式。在用戶瀏覽書架，選擇圖書時，可以3D的方式呈現(xiàn)各類圖書場景；在進(jìn)行單本圖書閱讀時可切換至2D閱讀模式。

（3）基于移動端的虛擬交互功能。用于提供常規(guī)的界面操作控件，在界面布局上支持的分辨率版本有：1280×800（PC端）、960*540（Android中階機(jī)）、1024×600（三星平板）。

（4）其他功能。除了原有的電子圖書館信息管理功能之外，另新增有3D模式下的漫游控制功能、場景跳轉(zhuǎn)功能。由于3D軟件的運(yùn)行對系統(tǒng)性能要求較高，在移動端運(yùn)行尤其需要考慮軟件運(yùn)行的系統(tǒng)開銷問題，因此針對性能較低的移動客戶端，還提供有關(guān)閉3D輔助功能的系統(tǒng)控制模塊。

2.2 虛擬化移動數(shù)字圖書館實現(xiàn)的主要技術(shù)手段

針對虛擬化移動數(shù)字圖書館開發(fā)中的各個功能模塊設(shè)計環(huán)節(jié)中，所涉及的關(guān)鍵性技術(shù)手段主要是為了解決以下問題：

首先是圖書館中各個區(qū)域場景的切換跳轉(zhuǎn)功能實現(xiàn)，手動場景跳轉(zhuǎn)可以通過控件調(diào)用Application函數(shù)來實現(xiàn)；場景的自動切換則需要通過邊界碰撞檢測技術(shù)來實現(xiàn)。碰撞檢測技術(shù)可分為靜態(tài)檢測與動態(tài)檢測，其中靜態(tài)檢測算法簡單，檢測速度快，但不夠精確；動態(tài)檢測算法較為復(fù)雜，但能夠?qū)崿F(xiàn)精確的碰撞檢測，適用于較為復(fù)雜的場景環(huán)境。由于本系統(tǒng)中的虛擬場景并不復(fù)雜，同時考慮到軟件的運(yùn)行效率，選擇了基于靜態(tài)的包圍盒檢測算法。具體實現(xiàn)過程為：先在場景的邊界處設(shè)置幾何障礙物，并渲染為透明色，并為其添加包圍盒碰撞屬性；編寫腳本，調(diào)用OnTriggerEnter方法，實現(xiàn)碰撞檢測控制。主要代碼示例如下：

其次是視角范圍的調(diào)整，基于移動端的視角控制主要有兩種方法：一是通過界面上繪制的UI手柄控件來實現(xiàn)視角的調(diào)整，但這種方式在實現(xiàn)視角的水平移動時更為方便，在視線范圍的調(diào)整上并不符合移動用戶的操作習(xí)慣，且反應(yīng)不夠準(zhǔn)確；二是通過多點觸控方式靈活調(diào)整視線范圍，通過手指在屏幕上的劃動快速調(diào)整視角遠(yuǎn)近，更為靈活準(zhǔn)確。因此本系統(tǒng)主要采用多點觸控方式實現(xiàn)用戶角色的視線范圍調(diào)整。

在U3D中已提前預(yù)置有結(jié)構(gòu)體“Touch”，其中主要成員包含一個Touch類型的數(shù)組變量，最多可設(shè)置5個值，對應(yīng)5點觸控，根據(jù)Android系統(tǒng)性能，一般常用的到是單點觸控與兩點觸控；position坐標(biāo)變量，用于記錄手指在屏幕上落點位置（二維坐標(biāo)）；枚舉類型變量phase，用于判定手指在屏幕上的操作方式，例如其中的Moved控制器，用于判定滑動操作；Began，用于判定點擊操作等。定義完成Touch結(jié)構(gòu)體后，即可通過Input.touch方法調(diào)用實現(xiàn)觸屏控制。

最后是軟件運(yùn)行效率的優(yōu)化問題，3D類軟件的運(yùn)行往往對系統(tǒng)性能要求比較高。這主要是因為3D場景的渲染和顯示需要占用大量的內(nèi)存空間，如沒有合理的內(nèi)存回收機(jī)制，軟件運(yùn)行時間越長，系統(tǒng)效率就會越低。在移動端進(jìn)行系統(tǒng)訪問時，軟件開銷過大對系統(tǒng)性能的影響就會更加明顯。

在本軟件開發(fā)過程中，為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)開銷，合理利用內(nèi)存空間是必須要解決的問題之一。對此筆者主要通過以下技術(shù)手段對軟件進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)：

（1）遮罩剔除技術(shù)，在U3D 5.0專業(yè)版內(nèi)置的 Occlusion Culling 插件中提供有免費(fèi)的Occlusion Culling（遮罩剔除）功能。利用該功能可以屏蔽場景中當(dāng)前視角下被其他物體遮擋的模型，不對其進(jìn)行渲染計算，以減少當(dāng)前模型的渲染數(shù)量，從而減少對內(nèi)存的占用。

（2）場景重復(fù)資源再利用機(jī)制，場景的頻繁切換同樣會造成系統(tǒng)的巨大開銷，這主要是因為U3D默認(rèn)的場景切換機(jī)制為了減少內(nèi)存開銷，每次切換場景后系統(tǒng)都會對上一場景進(jìn)行自動銷毀，如此切換場景就需要不斷的重新加載場景資源。對于場景中共用的一些資源也要反復(fù)被銷毀和加載。這樣的內(nèi)存回收機(jī)制，本意是為了減少內(nèi)存的占用，但卻忽略了多個場景中需要被重復(fù)調(diào)用的資源利用。針對這一問題筆者巧妙的利用了static（靜態(tài)）初始化方法創(chuàng)建一個靜態(tài)腳本，在腳本中將重復(fù)調(diào)用的場景資源定義為全局變量；然后通過DontDestroyOnLoad方法調(diào)用禁止銷毀預(yù)先定義好的全局變量；再將腳本綁定到所需場景中的指定對象上即可使得重復(fù)資源不再被重復(fù)銷毀和調(diào)用。

對于本軟件開發(fā)過程中內(nèi)存資源的合理調(diào)用優(yōu)化方案的設(shè)計，除了以上兩點之外，還可以從內(nèi)存垃圾管理、高級腳本和本地引擎腳本之間的通信開銷優(yōu)化、動態(tài)對象庫搭建、模型貼圖材質(zhì)共享等方面做進(jìn)一步的改進(jìn)與完善。這也將是本文下一步將要研究的主要內(nèi)容。

3 結(jié)論

本文以虛擬化移動數(shù)字圖書館建設(shè)為重點研究對象，在簡單了解了當(dāng)前較為流行的3D虛擬開發(fā)工具——Unity3D引擎基礎(chǔ)上結(jié)合最新的3D虛擬、移動開發(fā)技術(shù)對數(shù)字圖書館建設(shè)的進(jìn)行了整體功能規(guī)劃。并針對虛擬化數(shù)字圖書館建設(shè)中幾個關(guān)鍵性技術(shù)問題，提出了切實有效的解決方案。以期為數(shù)字圖書館建設(shè)的未來發(fā)展方向提供一定參考依據(jù)。

[1]陸穎雋．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字圖書館的應(yīng)用研究[D]．武漢：武漢大學(xué)，2013．

[2]何雪晨，陳振云，周自斌．虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用教程[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2012．

[3]朱晴．3D 游戲開發(fā)技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用[D]．上海：上海交通大學(xué)，2009．

[4]深入淺出聊Unity3D項目優(yōu)化：從Draw Calls到GC．http：//blog．jobbole．com/84323/．2014．