[发明专利]一种网络虚拟旅游系统及其构建方法

摘要

本发明提供了一种网络虚拟旅游系统及其构建方法，包括如下步骤：(一)创建旅游景区三维场景模型；(二)构建网络虚拟旅游框架；(三)网络虚拟旅游系统设计。本专利充分利用现代信息技术、虚拟现实技术，三维仿真技术，通过模拟和超现实景的实现，建立基于三维建模的旅游景区三维虚拟场景，构建虚拟旅游环境，建设虚拟旅游服务平台，实现基于网页的复杂场景实时仿真与交互。提出旅游景区虚拟漫游方式，使游客足不出户，就能在三维立体的虚拟环境中浏览风光美景、领略悠久文化，有效提升旅游景区公众服务水平。同时探索网上虚拟旅游模式和路径，为我国虚拟旅游发展愿景的实现奠定基础。

主权项

1.一种网络虚拟旅游系统及其构建方法，包括如下步骤：(一)创建旅游景区三维场景模型应用航拍倾斜摄影技术，采集旅游景区三维地形数据；应用三维激光扫描技术，采集旅游景区建筑、树木、植被、公共设施和服务设施等数据，综合旅游景区三维地形数据和三维模型数据构建虚拟旅游三维场景；(二)构建网络虚拟旅游框架1.系统总体架构网络虚拟旅游服务系统包括：信息资源录入、数据采集与规格化处理、数据中心、核心引擎、三维可视化与应用管理和统一门户等部分组成；网络虚拟旅游服务系统总体架构如图1所示；2.系统业务架构系统以三维引擎为核心，应用三维全景实景混杂现实技术、三维建模仿真技术构建数字虚拟景区，实现基于互联网和移动互联网的虚拟旅游系统；系统前台实现终端模型渲染、虚拟旅游体验、旅游三维导览、语音简介和用户交互等；系统后台实现模型库管理、虚拟旅游场景管理和旅游服务平台管理等；三维引擎平台实现三维模型管理、三维场景管理、相机管理、内存管理、动画管理和用户交互等；数据交互实现系统与用户的各类数据交互；3.系统功能架构系统为B/S架构由互联网前台、后台管理两大部分构成；互联网前台部署在公共互联网上，外部数据接口支持微博、微信、APP，客户端能够支持通用Windows/Android/iOS，用户数据中心可部署在公共互联网也可部署于内部局域网，用户可根据需求设定相关数据为公有或私有权限；模型管理：具有旅游景区三维场景、设施模型等管理功能；场景管理：具有三维模型加载、转换、场景组织设计、相机热点位置配置、模型等级展示、内存加载释放等功能；内容管理：具有旅游景区景点介绍、景区文化活动、服务指南、客流分布和游园须知等功能；旅游导览：具有主题景区、经典景点介绍、热点推介、全景漫游、旅游线路规划、景区导览导航、经典线路游览和VR体验等功能；虚拟社区：具有旅游攻略、旅游组团、我的世界、我的收藏、我的组团、我的足迹等功能；系统管理：主要实现用户注册、登录，用户权限管理、系统菜单管理和系统操作日志记录管理等功能；(三)网络虚拟旅游系统设计1.信息资源录入系统数据信息资料数字化：利用数字扫描、文字录入等方式对旅游景区的各种资料进行处理，形成数字化文档资料；三维扫描系统：利用激光三维扫描技术，对旅游景区的建筑、文物、各类服务设施进行扫描，形成相应的点云数据，为旅游景区的三维建模奠定数据基础；旅游地理信息采集系统：构建旅游景区地理信息系统，重点为景区坐标点的修正，建立景区精确的坐标体系，为景区三维导览奠定基础；2.数据采集与规格化数据采集与规格化处理：对采集录入的非结构化、半结构化和结构数据进行规格化处理；3.数据中心数据中心，存储大量复杂的数据类型，该数据中心通过其外部文件数据类型及规则，管理多种多媒体信息，并且对于各种信息资源提供了增删改查功能；采用子字段、多值字段以及变长字段的机制，允许创建许多不同类型的非结构化的或任意格式的字段，从而突破了关系数据库非常严格的表结构，使得非结构化数据得以存储和管理；将非结构化和结构化数据都定义为存储单元，使得非结构数据库的基本元素就是媒体文件本身，能够存储和管理各种各样的非结构化数据，实现了系统数据管理到内容管理的转化；4.核心引擎网络虚拟旅游平台是基于互联网和移动互联网运行，三维场景数据量很大，虚拟漫游、虚拟导览和实时三维场景人机交互是其基本的功能，但应用上述的任何引擎技术，都存在着需下载巨大的支持环境，不同的操作系统和浏览器需要下载不同版本的插件，调用不同图形程序接口，对于系统的开发带来了很大的限制；核心引擎具有高性能的渐进式传输机制，使虚拟场景漫游时需要预加载、传输和缓存的场景和模型数据量达到最小，通过多线程流式加载，使游客流畅地在虚拟场景中漫游，同时对网络带宽要求最小；(1)核心引擎结构基于WebGL开发的虚拟旅游专用核心引擎重点解决了虚拟场景三维模型精度高、数据量大，在互联网、PC终端和移动终端上使用效率不高的问题；该引擎无需安装任何插件便可通过互联网浏览器直接运行，适用于PC和手机终端；引擎由API接口层、逻辑控制层和应用接口层组成，主要功能模块有：模型控制、模型加载、碰撞检测、场景管理、内存管理、相机控制等；基于WebGL提供的类库、编程接口和GIS地理信息系统数据接口实现引擎底层架构与设计；另外引擎内置许多三维场景、模型如：建筑、文物、湖水、四季树、指南针、天空盒等三维模型；逻辑控制主要实现相机位置与视野管理与控制、场景位置控制、相机物理碰撞检测、三维场景、模型分级加载管理、场景切换管理、导航导览管理、GIS地理信息系统管理以及内存加载释放管理等功能；应用接口主要实现热点切换、自动漫游、手动导航、位置服务、地图服务、场景切换、导航导览以及相机方向方位展示功能；(2)关键技术虚拟场景的渐进式下载设计：虚拟旅游场景大、建筑和树木模型多、数据量大与用户端存储空间的矛盾在小存储空间的移动终端中体现得更为明显，为了解决该矛盾，对虚拟场景实时漫游行走采用基于渐进式下载机制，先对模型进行多分辨率分级建模，再根据物体与视点的距离、物体与视线的偏离角度等因素，在不降低漫游视觉效果的同时，按需下载具有不同分辨率的模型数据，从而减少场景下载的网络延时；轻量化处理技术：由于互联网的网速与带宽的限制，网上(超)大规模WebVR虚拟场景和三维模型的即时下载一直是一个瓶颈问题；三维模型构建的虚拟旅游场景在Web页面上进行流畅地播放，须减少场景的面片数和纹理，并采用重用机制来制作场景模型；按照轻量化建模→WebVR脚本编程→后台管理与支撑架构→轻量化的引擎调度技术来实现虚拟场景的3D漫游；设计基于WebGL的免插件仿真引擎技术以高效的调度数百万面片级别的场景，使用户在网上的虚拟漫游体验变得更为流畅；智能缓存技术：缓存技术是提供移动智能终端三维性能最有效的手段，仿真引擎将网络三维信息服务系统划分成多个独立物理层次，可以有效实现多层缓存机制，搭建高效的缓存体系框架；采用三维模型信息数据预取机制，预先从数据库服务中获取部分数据在内存减少三维服务组件访问三维空间数据库的次数，利用关系型数据库SQL查询操作可以快速批量提取三维空间相近的三维元素，避免多次访问数据库；网络前端缓存：采用逐步获取一定比例尺度的数据，在客户端进行拼接，曾经访问过的区域数据缓存在客户端本地，减少了网络传输量和网络之间的交互次数；大规模三维虚拟场景渐进下载与传输机制：三维引擎使用分层1od加载方式能够根据用户视点距离进行判断，从而载入不同的模型和贴图，模型等级根据模型网格数分为三级LOD1 LOD2 LOD3；模型贴图同时分为1024x1024512x512256x256；如果用户视点距离高于10m模型将调用lod3材质贴图将调用256x256大小材质；这样才用网格数低材质小的模型能够更快的加载更多模型；5.三维可视化与应用管理三维可视化与应用管理主要实现虚拟旅游导览展示、基于三维场景的休闲娱乐、旅游景区周边消费服务和信息(文字、图片、视频和三维场景等)动态加载管理；重点解决三维场景和三维模型的快速加载和三维场景漫游等问题；(1)三维模型加载策略三维模型包括几何体信息，连接信息，属性信息，通过对三维模型的几何体及连接的特征提取，采用渐进压缩几何和连接信息的算法，并结合纹理、精度、坐标等的属性压缩算法，对服务器端存储的三维模型数据进行有效的压缩处理；在几何、连接、属性提取的基础上建立三维场景和模型属性标识编码，实现模型快速检索传输；为了确保对每个客户端数据传输的正确性，并防止数据的重复传输，在服务器端对数据进行规格化处理，保证三维场景和模型的快速有效加载；(2)三维漫游借助漫游时间轴，在漫游场景中设置场景加载触发开关，漫游相机一旦触发场景中加载开关，将加载该路线中下个场景的模型，加载完成后不进行渲染；为渲染模型将不占用系统运行内存；在当前场景漫游完毕时碰触渲染触发开关，下个场景进行渲染用户可无需任何等待继续漫游下个场景；三维模型预览：三维模型预览流程，引擎用户后台配置模型预览相关信息并保存至数据库，诸如：模型预览触发途径、预览模型路径等。三维程序初始化时，向后台请求模型预览相关数据，将数据传递至三维引擎进行模型预览相关初始化；用户通过UI操作或鼠标、键盘操作等触发模型预览，三维引擎根据触发事件包含的相关信息初始化模型预览场景、加载预览模型，模型加载完成后将场景返回至三维程序三维程序重复渲染该场景，生成可全方位、多角度预览模型的界面供程序用户预览；区域自动漫游：区域自动漫游流程，引擎用户通过后台配置自动漫游关键点相机位置与该位置时相机的朝向并保存至数据库；三维程序初始化时，从后台获取自动漫游相关数据并初始化自动漫游模块；程序用户通过UI界面发送开始自动漫游请求，三维引擎收到请求后开始自动漫游；优化区域之间切换：区域之间切换流程简介：引擎用户通过后台设置各区域的图片简介与文字介绍等信息并保存至数据库，用户通过UI操作切换区域，向后台请求该区域的相关信息，三维引擎请求模型加载进度并实时展示；模型加载完成，相机跳转至该区域；优化地图切换场景：地图切换至三维场景流程简介：引擎用户通过后台设置景区热门景点的图片简介与文字介绍等相关信息并保存至数据库，用户点击地图上的热门景点，地图模块获取该热门景点信息，反馈至三维程序；三维程序请求该热门景点对应的图片简介、文字介绍和模型数据，模型加载完成，进入该热门景点；6.统一门户系统统一门户包含统一数据中心和统一用户界面，通过WEB/WAP网站展示和发布虚拟旅游系统，并可链接第三方业务平台，统一门户支持Android和iOS系统应用。(1)统一门户系统统一门户采用SOA架构，按四层结构设计，包括数据层、平台层、服务层和应用层；A、数据层：包括四类数据基础地理信息数据：包括旅游景区地理位置、总体布局、景区规划以及景点分布等信息所必需的多尺度地理信息数据，既包含以矢量格式存储的景点区划、游览道路等地理要素数据，也包含以栅格格式存储的遥感影像、数字地面模型等数据；三维模型数据：三维模型数据主要包括虚拟旅游景区三维场景、景区景点、各类设施等几何模型和纹理数据，其中，几何模型支持3ds、Obj、OSG和IVE等多种商用或通用数据格式，纹理则支持BMP、JPG、PNG和TGA等多种通用图像数据格式；多媒体数据：包括对旅游景区进行详细介绍的各种多媒体数据，除上述通用图像数据格式外，还支持WMA、WAV、AVI、FLA等视音频文件格式和HTML等网页数据格式；旅游景区信息：包括内部管理应用数据，对外服务的景区详细介绍的各种多媒体数据，包括通用图像、视音频以及网页格式；B、平台层：平台层是系统实现的核心，包括数据引擎、数据代理、视景管理、视点控制、三维渲染引擎以及多媒体显示等6个功能模块；数据引擎：主要实现各类数据的输入输出，通过对数据引擎的扩展，可以使系统支持更多类型的数据；数据代理：是系统数据调度、管理的核心模块，为视景管理、三维渲染等模块提供数据支持，包括数据搜索、调用、查询和统计等功能；当视景管理、三维渲染等模块需要使用某一数据时，通过接口向数据代理提交数据申请，数据代理模块首先在其维护的数据池中进行搜索，如数据已经装载在内存中，则立刻向提出数据申请的模块反馈相关数据；如数据尚未装载，则调用数据引的数据输入功能，加载相关数据至数据池中并反馈；同时，数据代理模块对数据池(数据缓存)进行维护，当某一数据不再使用时，则有数据代理模块释放以回收内存；数据代理模块采用多线程方法，有效地提高了数据装载、维护的效率；视景管理：用于构建、维护三维场景的逻辑关系；视景管理模块通过解析三维场景配置文件，采用树状结构构建三维场景，并根据场景配置关系、视点位置等多种因素，判断场景显示关系，既哪些场景显示、哪些场景不显示以及场景显示的细节程度；同时，视景管理模块还维护三维场景与多媒体信息数据之间的关联关系，根据用户操作，判断是否需要加载、显示多媒体信息，并通知应用层的多媒体信息显示模块进行显示处理；视点/交互控制：支持多点触控交互，具有用户手势进行识别功能，可将多点触控手势识别、转换为对视点的操作或其它交互操作、控制命令，以避免不同操作系统和多点触控设备所带来的交互数据差异，从而提高了系统对不同应用环境的适应能力；三维渲染引擎：主要用于绘制三维场景的真实感图像；在本系统设计中，三维渲染引擎与视景管理、视点控制分离，实际上是实现数据与绘制方法的分离，因此三维渲染引擎可以根据需求，在满足接口和数据标准的情况下，采用OpenGL、D3D等不同3D API进行开发，以适应不同的应用环境；多媒体显示：提供各类多媒体资料、数据的显示和交互功能，支持对通用图像、视频以及网页的显示；C、服务层：服务层对平台层所提供的功能进行封装，以服务形式为各类应用系统提供支撑，其中主要包括三类服务：可视化服务、数据服务和交互控制服务；D、应用层：应用层包括三维导览展示平台和管理与应用服务平台两个模块；三维导览展示平台：主要提供基于三维虚拟的文化古迹和旅游景区的虚拟仿真数字化互动服务，结合地理信息技术以全新导览方式，将景区的主题文化、优美环境，特色优势真实形象的深度展现出来；管理与应用服务平台：面向系统管理人员，提供系统数据的管理功能，主要包括：景区的相关信息录入、修改和备份等数据管理功能，地理信息、三维模型数据的管理功能，数据关联关系编辑功能，以及系统元数据可视化分析功能等；(2)移动应用平台基于自主研发的三维仿真引擎和“在无线智能终端设备上加载三维模型的方法及系统”技术，解决了各类三维模型精度高、数据量大，在手机移动终端上使用效率不高的问题，实现了移动智能终端的大规模三维场景输出转换和对外发布；网络虚拟旅游服务系统移动用户端具有热点推介、路线规划、导览导航、VR体验和服务指南等功能。