基于計算機動畫的虛擬導游技術及其應用

羅月童， 孫 靜， 儲昭輝

（1. 合肥工業大學計算機與信息學院，安徽 合肥 230009； 2. 合肥學院數學與物理系，安徽 合肥 230601）

隨著旅游業的不斷發展，基于虛擬現實技術的宣傳展示手段由于直觀性、可交互性、沉浸性、虛擬性等特點和優勢，在旅游產業的發展中起到越來越重要的作用[1]，這種將虛擬現實應用于旅游業的技術稱為虛擬旅游技術。虛擬旅游技術大大促進了旅游業的發展，給傳統旅游業注入了新的活力。如文獻[2]中實現的敦煌285 窟多媒體集成虛擬展示系統，文獻[3]虛擬殷墟博物苑的三維展示，文獻[4]基于VR 和GIS 的城市仿真技術等等。

正如出色的導游能帶來成功的旅游活動一樣，虛擬導游也是虛擬旅游技術的重要組成部分，所謂虛擬導游是指在虛擬旅游場景中實現指導游客游覽觀光的功能。目前虛擬導游技術主要是通過菜單、地圖、鼠標鍵盤等方式實現游客在虛擬場景中進行快速方便地游覽的功能[5-7]，這種方式沉悶乏味，且游客需進行大量操作，而現實中只需跟隨導游，并能夠實時的聽景點解說或與導游進行現場交流等等，因此現在的虛擬導游技術有待進一步提高。

增強“趣味性”是虛擬旅游的目標之一，但現有的虛擬導游的操作模式比較單調，因此本文提出發展基于人物建模和計算機動畫的虛擬導游技術，利用虛擬人物動畫在虛擬場景中逼真地模擬真實導游，從而提高虛擬旅游的趣味性，吸引更多的游客。

1 關鍵問題

為了增強虛擬旅游的趣味性，本文提出了利用人物建模及動畫技術模擬現實中導游的方法，顯然模擬的逼真度是該技術的關鍵。而真實的模擬導游在現實中的一系列特定的行為又是提高逼真度的關鍵和難點。現實中導游的行為主要涉及到這樣幾個方面：帶領游客沿某景點路線行走；對沿途景點進行解說介紹；以及邊走邊進行解說或與游客交談等等。基于以上這些行為，虛擬導游技術的關鍵問題可歸結為以下兩點：

（1） 建立人物模型并對模型設置主要的行為動作；

（2） 預定義景點路線的規劃。

1.1 虛擬導游的人物模型及其動作的建模

人體動畫一直是計算機動畫領域中一個具有挑戰性的研究問題，它主要研究人體建模和行為表示[8]。目前人體運動控制常用的方法有：動力學方法、運動捕捉法以及蒙皮骨骼技術等。其中蒙皮骨骼動畫技術是當前3D 動畫領域的一項高級技術，它通過一系列的骨骼去帶動一張皮膚網格進行運動，不僅避免了區域動畫中段與段之間相連接的地方出現明顯的接縫現象，在任何時刻保持光滑、生動的外表，并且經過預處理能達到實時交互效果，現已廣泛應用于影視制作、動態仿真等領域。

本文采用蒙皮骨骼動畫技術來創建虛擬導游人物動作模型。運用蒙皮骨骼動畫技術時，骨骼塊數目與長度可根據虛擬人物的形狀及動畫效果顯示的要求進行選擇與設定。借助于3DMax等建模工具，可以快速的調整參數，直觀地觀察參數改變后的動畫效果，交互式的開發，極大的降低了開發的難度，提高了開發效率。

為了實現在數字旅游場景中虛擬人物導游的功能，本文采用將復雜動作分解為簡單動作的方法，利用骨骼蒙皮技術創建出虛擬人物的軀體和簡單動作庫，再通過動畫混合技術來實現復雜動作的創建。混合多個骨骼動畫對創建動畫之間轉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，如果直接關掉“跑”的話會覺得整個過程相當的笨拙（中間沒有過渡動作），這個時候就需要使用骨骼動畫之間的混合工作。進而實現從“跑”逐漸過渡到“停止”的一系列動作。

1.2 虛擬導游景點路線的規劃

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

為了在虛擬場景中生成虛擬導游景點路線，本文通過在場景中預設若干關鍵點，并對關鍵點進行B 樣條插值生成過渡光滑的景點路線。算法思想是設定導游走完全程的總時間T，以時間t做為參數對關鍵點進行插值，從而計算出虛擬導游在時刻t 的位置，考慮到虛擬導游行為動作的特殊性，即需要實現在特定景點處停下解說的動作，本文通過預設特定的解說時刻點來觸發導游特別解說的動作事件。具體流程如圖1 所示。

（1） 虛擬導游整體動作行為的實現

在1.1 節中利用蒙皮骨骼動畫技術生成的動畫只是原地動畫，并沒有形成沿景點路線行走的動作。為了實現在虛擬人物沿預先生成的景點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點，賦予該節點位置、姿態、速度等外部狀態屬性，通過時間這一參數實時的更新虛擬導游節點的狀態，并同時根據情況開啟或關閉虛擬導游的原地行走、解說等動作，從而可實現虛擬導游的整體行為運動，避免了在3DMax中進行整體動作創建的復雜性和耗時性。虛擬導游節點結構模型如下：

實驗證明所形成的動畫效果良好，且滿足實時性要求。

（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的景點解說音頻，在解說結束時關閉的方式來實現，其中關鍵問題是對待解說景點的檢測。根據由八叉樹劃分的虛擬場景檢測相關景點屬性，如位置、包圍盒、命名等，由事先存儲的景點與相應解說音頻的相關性信息，在音頻庫中搜索對應解說音頻播放，從而實現虛擬導游的解說行為。

圖1 虛擬導游路徑規劃及整體運動合成示意圖

2 應 用

本文提出的基于計算機動畫的虛擬導游技術在《數字化三河古鎮》漫游系統中得到了很好的應用，該系統采用Microsoft Visual Studio.net 2003 開發平臺，用3DMax 7.0 為建模工具，采用Ogre 3D 圖形引擎作為渲染工具，真實再現了三河古鎮豐富的人文景觀。基于動畫虛擬導游技術在該系統中的應用進一步增強了數字化虛擬場景的真實感和趣味性，使虛擬旅游場景更加貼近現實，吸引了大量的游客，將會大大推動三河古鎮旅游業的發展。圖2 為部分效果圖，圖2(a)中的女士是沿景點路線行走的虛擬人導游，圖2(b)為該導游在對特定景點建筑進行解說介紹。

圖2 虛擬導游在三河古鎮虛擬場景中的實現

3 結 論

本文在基于人物建模及計算機動畫的基礎上實現了虛擬旅游場景中的虛擬人導游技術，該技術大大提高了虛擬場景的真實感和趣味性。當前，構建角色的“認知模型”，賦予角色學習能力、知識獲取能力、邏輯推理能力和動作規劃能力，使角色具有高級的智能成為計算機動畫研究新的熱點，下一步將以當前工作為基礎，開展有關智能方面的虛擬人導游的研究工作。

[1] 羅月童, 劉曉平. 虛擬現實技術在旅游宣傳中的應用前景及關鍵技術探討[J]. 科技導報, 2007, 25(19)： 75-80.

[2] 劉 洋, 魯東明, 刁常宇. 敦煌285 窟多媒體集成虛擬展示[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報, 2004, 16(11)： 1528-1534.

[3] 段新昱, 劉學莉, 劉晨曦. 虛擬殷墟苑的三維展示技術[J]. 系統仿真學報, 2005, 17(9)： 2187-2190.

[4] 張耀勝. 基于VR和GIS的城市仿真技術的研究[J]. 安徽建筑, 2006, 13(1)： 122-123.

[5] 顧景文, 李 麗. 虛擬導游應用創作工具的設計與實現[J]. 系統仿真學報, 2001, 13(11)： 203-205.

[6] 何 豐, 徐 琪. 基于Web 的虛擬現實導游系統的設計與實現[J]. 寧夏大學學報, 2005, 26(4)： 329-331.

[7] 周培聰, 李 萍, 肖 偉. 簡單接口實現虛擬現實網絡導游[J]. 科技廣場, 2005, (2)： 54-56.

[8] 王兆基. 虛擬人合成研究綜述[J]. 中國科學院研究生院學報, 2000, 17(2)： 89-98.