王亞如， 章光瓊， 劉清堂

(1.華中師范大學 教育信息技術學院， 武漢 430079； 2.華中師范大學 出版社， 武漢 430079)

武落鐘離山音樂文化漫游系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王亞如1， 章光瓊2*， 劉清堂1

(1.華中師范大學 教育信息技術學院， 武漢 430079； 2.華中師范大學 出版社， 武漢 430079)

民族音樂的數(shù)字化保護與傳承是我國非物質文化遺產保護工作的重要組成部分.文章以土家音樂的數(shù)字化保護為例，采用虛擬三維全景展示技術，設計并實現(xiàn)了集虛擬現(xiàn)實、圖文聲像等多媒體表現(xiàn)手段于一體的武落鐘離山音樂文化虛擬漫游系統(tǒng).漫游系統(tǒng)以土家發(fā)源地武落鐘離山為漫游實體，以土家原始宗教信仰體系為依托，以音樂文化長廊的形式聯(lián)合呈現(xiàn)典型的土家宗教音樂文化及其相關的歷史文化知識，以期促進土家音樂文化的數(shù)字化傳承與發(fā)展，進而促進我國音樂文化的數(shù)字化保護與傳承.

三維全景漫游； 可視化； 武落鐘離山； 音樂文化

民族音樂文化的發(fā)展與保護是我國非物質文化遺產保護工作的重要內容.其中，少數(shù)民族音樂文化的保護與傳承是重中之重.偉大的土家族人民在歷史長河中積累傳承下來的土家音樂文化，是對他們生活、情感與信仰的真實寫照，主要包括地方民歌、民族器樂和民間歌舞等.與其它民族音樂文化一樣，土家音樂文化大多是長期經驗的積累，沒有文字記載，通過“口傳心記、言傳身教”等手段進行傳承[1].隨著時代的發(fā)展，土家族音樂文化開始逐年流失，瀕臨滅絕，傳統(tǒng)的傳承方式受到了一定的威脅，已不能滿足其傳承和發(fā)展的需要.隨著信息技術的不斷進步，新的保護與傳承方式應運而生.三維全景技術為文化遺產的保護提供了時空結合的數(shù)字化傳承方法.

三維全景技術是真實場景虛擬現(xiàn)實的分支，廣泛地應用于場景再現(xiàn)和虛擬展示，典型的如谷歌街景、微軟街景、騰訊的SOSO街景等.除此之外，因其具有交互性強、用戶體驗好等特征，還被廣泛應用于商業(yè)虛擬宣傳、旅游景點三維虛擬展示等.所謂三維全景技術，就是利用實景照片合成全景圖，并通過一系列全景圖的串連構建出虛擬現(xiàn)實的全景空間，然后基于Java Applet、 QTVR等播放插件進行三維虛擬展示.其中Krpano是基于Flash運行的三維全景播放器，其體積小巧、性能靈活，具有開放跨平臺特點，是當下最流行的互動三維全景播放器.

論文采用三維全景技術，并基于Krpano三維全景播放器，構建武落鐘離山音樂文化虛擬漫游系統(tǒng).該系統(tǒng)以土家發(fā)源地武落鐘離山景區(qū)為漫游實體，以景區(qū)內豐富的景觀資源如古建筑、雕塑、壁畫等為載體，以土家原始宗教信仰為線索，研制場景地圖導航、虛擬景點漫游、音樂文化與場景融合虛擬展示等關鍵技術，實現(xiàn)音樂文化、旅游景點和歷史發(fā)展脈絡等有機融合，虛擬展示了土家音樂文化長廊，對于促進土家音樂文化的數(shù)字化傳承與發(fā)展具有重要意義.

1 全景漫游及相關研究

全景漫游就是利用計算機來仿真現(xiàn)實世界，力求能夠實現(xiàn)與真實世界同樣的感官體驗、交互感受、情感互動等[2].漫游的基礎是虛擬場景的建模，傳統(tǒng)的建模方法是利用三維幾何模型建模和繪制(Geometry-based Modeling and Rendering，GBMR)技術，該方法的核心是首先對現(xiàn)實世界存在的客觀物體進行抽象，然后在此基礎上建立 3D 模型，這種建模方式能夠較全面地滿足各種操作要求，但是構建過程耗時耗力，且需要配備專門的昂貴硬件，難以快速構建并大規(guī)模使用.為彌補傳統(tǒng)建模技術的不足，逐漸出現(xiàn)了另一種全新的建模技術，即基于圖像的建模和繪制技術(Image-based Modeling and Rendering，IBMR).

基于圖像的建模和繪制技術的核心就是建立一個虛擬實景空間.所謂虛擬實景空間就是以照相機等拍攝設備采集的離散圖像資源作為基礎資料，經過圖像拼接處理后生成全景圖，并對其進行空間關聯(lián)，最終建立出來的具有空間操縱能力的虛擬環(huán)境[3].在如Java、Quicktime等插件支持下，可為用戶提供多種對該虛擬實景空間進行操作的功能，比如推遠、拉近實景空間，還可利用鼠標直接控制場景進行旋轉或者點擊鍵盤控制按鈕實現(xiàn)上、下、左、右等操作用于移動觀看，給用戶提供身臨其境的感受，并在交互操作的過程中再現(xiàn)觀賞真實環(huán)境的沉浸效果.該模型的優(yōu)勢在于：場景構建過程簡單快捷，對設備條件要求低；繪制速度高效，可應對各種復雜場景的建模，且畫質清晰，還原度極高；虛擬漫游場景真實，用戶體驗良好.

在研究領域，三維全景虛擬漫游技術已被廣泛應用到城市空間信息服務、虛擬校園和旅游景點推廣宣傳等多個領域，很多學者都進行了深入的實踐研究.陳山等借助騰訊街景地圖服務，設計了基于輕量化架構及輕量化腳本的虛擬實景漫游系統(tǒng)，實現(xiàn)了漫游系統(tǒng)的全景圖刷新與運動物體速度變化實時同步的功能[4].朱惠娟等人基于Unity3D平臺，采用 3Dmax 等為場景建模工具，結合Javascript 和 C#語言實現(xiàn)交互， 通過與HTML的整合集成完成了虛擬校園漫游系統(tǒng)的設計與開發(fā)[5].靳海亮等人基于三維建模軟件 Sketchup和真三維平臺EV-Globe進行虛擬漫游系統(tǒng)的設計，并實現(xiàn)了交互式場景漫游、路徑規(guī)劃、碰撞檢測等功能[6].馮建平和吳麗華以海南數(shù)字生態(tài)旅游三維全景漫游系統(tǒng)的構建為目標，研究了利用魚眼鏡頭和單反數(shù)碼相機獲取全景圖像的方法，并在此技術上制作了360°全景圖漫游系統(tǒng)[7].呂杰英以實現(xiàn)杭州輕工技師學院裝潢實訓工場的全景漫游為例，結合Web 標準 HTML5 和 3D 繪圖標準 Web GL，使用第三方庫文件 Three.js，達到場景水平和垂直方向的自由轉換，使用戶在網上就能觀看實訓基地的全景效果，具有身臨其境的感覺[8].

本研究探索利用全景漫游技術實現(xiàn)土家地理場景與音樂文化融合的虛擬展示系統(tǒng)研制.論文通過球面全景的拍攝和拼接完成武落鐘離山音樂文化漫游系統(tǒng)內虛擬場景的構建，并利用krpano 三維全景插件，設計并實現(xiàn)一個具有交互功能且極具土家文化特色的虛擬漫游系統(tǒng).該系統(tǒng)除了具備基本的瀏覽、推遠、拉近和旋轉功能外，還可以實現(xiàn)自動漫游，除此之外整個漫游系統(tǒng)包含多種場景導航方式，比如縮略圖導覽、音樂文化知識導航等；并且在漫游場景內，以熱點、熱區(qū)的方式實現(xiàn)了土家音樂資源與武落鐘離山自然景觀的高度融合，如鼠標經過漫游場景內的某一熱點，該熱點會高亮顯示出提示信息，點擊即可彈出相關音樂資源，簡單快捷，便于用戶快速瀏覽.系統(tǒng)基于XML技術實現(xiàn)、基于B/S模式展示，具有友好的用戶操作界面，是一個集音樂文化、自然景觀于一體的綜合性虛擬漫游系統(tǒng).

2 武落鐘離山音樂文化全景漫游系統(tǒng)設計

2.1 武落鐘離山音樂文化漫游系統(tǒng)功能架構

系統(tǒng)依托于武落鐘離山景區(qū)，包含16個漫游場景，涉及巴人文化廣場、向王廟、德濟廳、白虎堂等多個典型景點，具有自動漫游、導航瀏覽、自動定位和圖片瀏覽等功能.如圖1所示是系統(tǒng)整體的功能架構.

圖1 系統(tǒng)功能架構 Fig.1 The functional architecture of the system

首先是宗教音樂文化知識導航模塊，包括宗教音樂的基本介紹，以及場景內所有嵌入的音樂資源的分類導航；其次是場景漫游模塊，系統(tǒng)內的16個漫游場景，每一個場景都包含基本的場景簡介以及與自然景觀相關的音樂文化資源，場景內嵌入的音樂文化資源主要是以熱點的形式嵌入進去.涉及3種類型的熱點：一是簡單的圖文介紹，二是相關的故事傳說熱點，三是視音頻熱點.最后是場景地圖，為方便用戶在漫游系統(tǒng)內自由跳轉，設計并嵌入了場景地圖，實現(xiàn)了通過導航瀏覽和圖片瀏覽對漫游場景的快速定位和展示，給用戶提供清晰導航.

2.2 武落鐘離山音樂文化內容展示設計

作為土家音樂文化中不可分割的一部分，土家宗教音樂文化是土家人民在漫長的歷史發(fā)展過程中不斷積累下來的文化精髓，對土家人民具有重要的意義和價值.它向人們提供了豐富多彩、積淀深厚的歷史信息，是人們了解土家文化的途徑.如圖2為武落鐘離山音樂文化內容展示設計.

圖2 系統(tǒng)內容展示設計Fig.2 The content display design of the system

系統(tǒng)設計中，以土家族原始宗教信仰體系為主線，結合漫游場景嵌入相關音樂資源，集中表現(xiàn)土家族特色鮮明的宗教音樂文化.在土家族原始宗教信仰體系中，多神崇拜是其顯著特征，這樣信仰的多神性表現(xiàn)在自然崇拜、圖騰崇拜、祖先崇拜等宗教活動中[9].自然崇拜是人類信仰文化中一種極為普遍的文化現(xiàn)象.由于土家族是農耕民族，且居住在山區(qū)，所以大自然中的土地、天體、山水等便首先成為土家原始先民的自然崇拜的對象.圖騰崇拜常常與本民族的部族、氏族來源的傳說結合在一起.由于土家祖先巴人首領死后化虎的傳說，所以白虎圖騰是土家族比較普遍的圖騰信仰.祖先崇拜的典型種類是氏族祖先神崇拜.在恩施、長陽等地，主要體現(xiàn)在對巴人祖先“向王天子”的崇拜上.

整個漫游系統(tǒng)的內容設計以土家原始宗教信仰體系為主線，借助于其賴以生存的文化空間即武落鐘離山景區(qū)內的16個漫游景點，以類型豐富的音樂資源為表達形式，生動形象地展現(xiàn)土家燦爛文明的宗教音樂文化.

3 武落鐘離山音樂文化全景漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 全景漫游系統(tǒng)研發(fā)的環(huán)境與工具

武落鐘離山音樂文化漫游系統(tǒng)是基于三維全景的展示，它主要涉及圖片采集、拼接、融合、全景播放等方面的技術.首先是對武落鐘離山景區(qū)進行圖像采集，借助三腳架、云臺和魚眼鏡頭等專業(yè)設備拍攝圖片素材.然后把拍攝到的素材導入PTGUI軟件中，進行全景圖的拼接，輸出圖像后，利用Photoshop進行后期處理和美化.全景圖片合成后，還需要選用合適的播放插件，并把它嵌入到網頁.

系統(tǒng)的實現(xiàn)采用了Krpano工具.它是一款基于Flash的三維全景播放器，是當今世界上最流行的互動三維全景播放器.該軟件支持腳本控制，這就便于在漫游系統(tǒng)中添加音樂資源，實現(xiàn)漫游景點和音樂文化資源的高度融合.Krpano主程序所使用的XML文件十分簡潔，默認情況下僅可以做到場景的載入，其他所有功能，都以插件的形式實現(xiàn)，而每個插件，都可以在自己的XML文件中進行配置，然后供主程序XML文件調用，結構清晰，便于維護.主要特點如下.

1) 支持多種全景格式.如立方體全景、矩形全景、部分全景等.

2) 全景圖片拼接與生成.巨幅全景分塊載入，實現(xiàn)分片圖片的全景在線展示.

3) “魚眼”鏡頭效果.在更廣的角度(130°以上)展示全景效果.

4) 交互腳本支持.能實現(xiàn)熱點、指南針、平面地圖、Google地圖、虛擬游覽等腳本控制；實現(xiàn)多種虛擬漫游的控制方式，比如鼠標、鍵盤等.

5) 擴展性強.支持JavaScript中的ActionScript3的接口.

6) 快速和高質量的渲染.通過XML文件進行配置，實現(xiàn)高質量的展示效果[10].

3.2 武落鐘離山音樂文化漫游系統(tǒng)功能模塊實現(xiàn)

3.2.1 漫游系統(tǒng)全景圖構建 系統(tǒng)中全景圖的構建是通過專業(yè)拍攝設備，在水平方向上以相同角度旋轉 360°來采集合成的全景圖.主要過程包括選擇模型、采集圖像、拼接與調整圖像等步驟.

選擇模型.通常包括立方體全景[12]、柱型全景、球面全景等.漫游系統(tǒng)采用球形全景視角，即水平方向 360°、垂直方向180°的全視角.這種模型結構可為用戶提供無死角的漫游場景瀏覽體驗，效果更佳、沉浸感最強.

采集圖像.本研究中采用的拍攝方式是單反相機、魚眼鏡頭與全景云臺組合拍攝.具體流程包括：1)考察整個武落鐘離山景區(qū)，最終確定具體16個拍攝點即共16個漫游場景；2)調整鏡頭與云臺設備并通過預拍攝選取合適的光圈值和快門值；3)試拍并確定相機位置標定.拍攝采用仰角15°～20°，水平旋轉一圈，每 60°拍攝一張.拍完后，移開云臺，補拍一張地面，形成每一個拍攝點7張照片素材.

拼接與調整圖像，采集到的魚眼照片導入全景圖生成軟件中拼接與合成全景圖.本研究采用PTGUI拼接軟件，將每個景點的7張照片為一組，生成一個場景的全景圖.拼接完成后的全景圖利用圖像處理軟件進行調整美化，生成完整真實的全景圖.

3.2.2 知識導航模塊實現(xiàn) 武落鐘離山音樂文化知識導航模塊包括兩部分內容：土家宗教音樂文化介紹以及宗教音樂導航.宗教音樂文化介紹以圖文熱點的形式對土家宗教音樂的內涵進行了簡明扼要的概括，主要是為用戶普及一些基本的音樂文化知識.宗教音樂導航主要是列舉出了與土家宗教文化相關的歌曲及舞蹈，并依據土家原始宗教信仰體系將其分為自然崇拜、祖先崇拜和圖騰崇拜3大類.音樂導航模塊結合武落鐘離山漫游景點，以主題地圖的方式進行音樂文化知識和自然人文景觀的有效鏈接，如圖3所示，點擊導航中的某一首歌曲，就會實時跳轉到漫游系統(tǒng)內相應場景中的自然景觀上，部分實現(xiàn)代碼如下：

圖3 音樂文化知識導航Fig.3 The navigation of music culture knowledge

3.2.3 場景漫游模塊實現(xiàn) 根據設計理念，整個漫游系統(tǒng)是以土家原始宗教信仰體系中的自然崇拜、祖先崇拜和圖騰崇拜3大類為主線，以土家發(fā)源地武落鐘離山為漫游載體，集中展現(xiàn)土家宗教音樂文化.下面將以場景一內的音樂資源的鏈接為例，詳細描述場景漫游模塊內音樂資源熱點的實現(xiàn)步驟.漫游場景嵌入的音樂資源是以熱點交互的方式實現(xiàn)，基本流程為：1)漫游場景中選擇熱點區(qū)域，確定熱點具體坐標；2)添加熱點的編輯插件tour_editor.html；也可在瀏覽器內直接點擊某一具體位置進行設定；3)主xml文件中提取坐標.系統(tǒng)實現(xiàn)典型代碼如下：

音樂熱點交互.當用戶鼠標在漫游場景內熱點滑過，展示音樂資源，如簡介、歌詞、文化背景等.交互熱點的動作實現(xiàn)代碼如下：

設置動作屬性，實現(xiàn)交互內容的控制，其核心的代碼為：

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);

文化漫游場景內音樂資源熱點的虛擬展示效果如圖4所示，系統(tǒng)中第六個場景中就是一幅關于旭日東升的壁畫，與之對應的有很多關于太陽的歌舞，如《太陽出來總是晴》，點擊視音頻按鈕即可欣賞.

4 總結

武落鐘離山音樂文化漫游系統(tǒng)以土家原始宗教體系為主線，以土家發(fā)源地武落鐘離山景區(qū)為漫游載體，通過融入大量音樂文化資源以及歷史文化資源，集中展現(xiàn)了土家族源遠流長的宗教音樂文化，對土家音樂文化的傳承和保護具有重要的實踐價值.在旅游業(yè)以及文化傳播與保護等多方面都可以加以應用.

論文采用最新的三維全景漫游技術，通過三維全景圖對武落鐘離山景區(qū)內16個景點進行高度還原，并基于Krpano工具，設計與實現(xiàn)了一個集音樂文化、自然景觀于一體的綜合性虛擬漫游系統(tǒng).該系統(tǒng)除了具備基本的瀏覽、推遠、拉近和旋轉功能外，還可以實現(xiàn)自動漫游，除此之外整個漫游系統(tǒng)包含多種場景導航方式，比如縮略圖導覽、音樂文化知識導航等.漫游系統(tǒng)采用多種交互形式實現(xiàn)了場景內音樂資源與景觀文化的有效鏈接，給用戶提供了可觀可感可互動的土家音樂文化虛擬漫游的全新體驗.漫游系統(tǒng)已投放武落鐘離山景區(qū)、非物質文化遺產保護中心等示范應用，具有良好的用戶滿意度.

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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.

國家科技支撐計劃課題(2015BAK03B03).

*通訊聯(lián)系人. E-mail: 1294069042@qq.com.

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.05.010

1000-1190(2017)05-0615-05