鐵門關(guān)市旅游文化宣傳VR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張暑軍 他國(guó)山

摘要：針對(duì)鐵門關(guān)市當(dāng)前的旅游文化現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與旅游文化宣傳相結(jié)合進(jìn)行研究分析，采用Web 前端技術(shù)以及SpringBoot 后端技術(shù)，綜合實(shí)現(xiàn)了鐵門關(guān)市旅游文化宣傳的管理系統(tǒng)平臺(tái)，構(gòu)建了信息化、數(shù)字化的虛擬旅游系統(tǒng)，從技術(shù)上簡(jiǎn)化了管理人員對(duì)虛擬模型、參數(shù)等動(dòng)態(tài)管理，提高了管理人員的工作效率。此舉提升了鐵門關(guān)市文化宣傳力度，擴(kuò)大了鐵門關(guān)市對(duì)外宣傳廣度，增加了鐵門關(guān)市社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；旅游文化；三維模型；虛擬引擎；瀏覽器

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）06-0071-03

0 引言

鐵門關(guān)市是新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第二師的新建城市，采用師市合一管理體制。其旅游文化涵蓋了絲綢之路、紅色文化等元素，對(duì)于鐵門關(guān)市的旅游文化宣傳具有重要意義。隨著我國(guó)旅游行業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)旅游模式已無(wú)法滿足現(xiàn)階段游客的需求[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)現(xiàn)代化技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)，綜合了計(jì)算機(jī)圖像學(xué)、交互學(xué)、計(jì)算機(jī)遙感等多種學(xué)科及技術(shù)，通過(guò)虛擬體驗(yàn)平臺(tái)和交互設(shè)備，能夠讓用戶沉浸于虛擬環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多感官和多場(chǎng)景的虛擬體驗(yàn)[2]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)其的認(rèn)識(shí)也日益深刻[3]。通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在旅游文化中的應(yīng)用研究分析，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的旅游文化宣傳系統(tǒng)，將旅游文化宣傳工作重心由景區(qū)景色轉(zhuǎn)移到文化內(nèi)涵宣傳。

1 系統(tǒng)需求分析

鐵門關(guān)市旅游文化宣傳是鐵門關(guān)市對(duì)外宣傳的重要途徑之一，通過(guò)對(duì)外進(jìn)行旅游文化宣傳能夠提升鐵門關(guān)市的知名度，增加旅游經(jīng)濟(jì)效益。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化的旅游文化宣傳，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的旅游文化宣傳系統(tǒng)平臺(tái)。該平臺(tái)能夠使旅游文化宣傳的操作更加簡(jiǎn)便，向旅游客戶提供沉浸式的虛擬旅游體驗(yàn)，使用戶能夠身臨其境地感受旅游目的地的風(fēng)景、文化和歷史。系統(tǒng)整合了豐富的文化資源，包括歷史背景、民俗風(fēng)情、傳說(shuō)故事等，使用戶在虛擬旅游中深入了解當(dāng)?shù)氐奈幕厣?。系統(tǒng)支持多種交互方式，如手勢(shì)識(shí)別、語(yǔ)音控制等，使用戶能夠與虛擬環(huán)境進(jìn)行自然交互，從而提升用戶體驗(yàn)。此外，系統(tǒng)還具備導(dǎo)覽功能，幫助旅游客戶更好地了解鐵門關(guān)市的虛擬旅游場(chǎng)景和文化信息，提供個(gè)性化的游覽路線和解說(shuō)服務(wù)。系統(tǒng)應(yīng)具備良好的性能和穩(wěn)定性，能夠處理大量的3D模型和動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)，以保證流暢的虛擬旅游體驗(yàn)。同時(shí)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和安全性也需得到保障，以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和數(shù)據(jù)泄露。

針對(duì)系統(tǒng)管理人員，整個(gè)系統(tǒng)所涵蓋的功能必須包括虛擬場(chǎng)景管理、虛擬對(duì)象管理以及相關(guān)多媒體數(shù)據(jù)的管理，如文字、圖片、視頻、音頻等。這樣可以讓管理人員通過(guò)系統(tǒng)方便地增加、更新虛擬數(shù)據(jù)，使管理更加便利，也使得非計(jì)算機(jī)專業(yè)人士能夠更方便地發(fā)布場(chǎng)景信息。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，管理員管理資源服務(wù)器，而用戶只能通過(guò)Web服務(wù)器訪問(wèn)，查看虛擬場(chǎng)景以及場(chǎng)景中的關(guān)聯(lián)文字、圖片、音視頻等相關(guān)資源。

2 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)

整個(gè)系統(tǒng)采用B/S模式，分為Web前端開(kāi)發(fā)技術(shù)和后端開(kāi)發(fā)技術(shù)。對(duì)于Web前端開(kāi)發(fā)使用Vue.js漸進(jìn)式框架，包括HTML5、CSS3、JavaScript等技術(shù)，后端管理系統(tǒng)則通過(guò)SpringBoot、Spring MVC、Spring DataJPA、Spring Security等Java技術(shù)提供API接口，實(shí)現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)交互。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，需要構(gòu)建逼真、沉浸式的虛擬旅游場(chǎng)景。涉及場(chǎng)景建模、光照渲染、環(huán)境音效等方面的技術(shù)。通過(guò)高精度的3D模型和逼真的光照效果，營(yíng)造出具有真實(shí)感的虛擬環(huán)境。

2.1 Vue.js 介紹

Vue.js是基于JavaScript、HTML和CSS開(kāi)發(fā)的漸進(jìn)式Web前端框架。應(yīng)用Vue.js框架可以根據(jù)系統(tǒng)需求選擇部分或全部采用，使開(kāi)發(fā)人員更加靈活地掌握前端開(kāi)發(fā)。

2.2 SpringBoot 體系

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，Spring在Java領(lǐng)域的輕量級(jí)開(kāi)發(fā)中扮演重要角色[4]。后端API 接口開(kāi)發(fā)采用了SpringBoot技術(shù)體系，它是一個(gè)輕量級(jí)的企業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)框架，可整合Spring體系和其他第三方相關(guān)框架，實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)。SpringBoot通過(guò)starter將各種依賴整合在一起，使開(kāi)發(fā)人員無(wú)須關(guān)注依賴的細(xì)節(jié)。

2.3 建模

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)三維建模工具。建模是通過(guò)三維制作軟件在虛擬三維空間中構(gòu)建具有三維數(shù)據(jù)的模型。流行的建模工具包括3Ds Max、Ma?ya、C4D等，用戶可通過(guò)這些工具軟件實(shí)現(xiàn)逼真效果的三維場(chǎng)景和物體虛擬設(shè)計(jì)。

2.4 虛擬引擎

設(shè)計(jì)好的三維模型只具備基本的動(dòng)畫(huà)展示，要實(shí)現(xiàn)交互功能還需要虛擬引擎工具。當(dāng)前流行的虛擬引擎工具包括Unity 3D、Unreal Engine、IdeaVR等，它們利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算和圖形處理能力，將三維模型設(shè)計(jì)工具創(chuàng)建的場(chǎng)景、模型以及相關(guān)邏輯轉(zhuǎn)化為用戶可以感知和交互的虛擬世界。

2.5 WebGL（Web Graphics Library）

WebGL是一種基于JavaScript的交互式3D圖形處理API接口，使三維虛擬場(chǎng)景能夠在Web瀏覽器中實(shí)現(xiàn)與用戶的交互。WebGL 基于OpenGL ES （OpenGL for Embedded Systems）標(biāo)準(zhǔn)，在瀏覽器中展示三維效果，開(kāi)發(fā)人員可以使用底層的硬件加速進(jìn)行圖形渲染。它可以直接與HTML5標(biāo)簽Canvas進(jìn)行集成，并通過(guò)GPU執(zhí)行高性能圖形計(jì)算。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了豐富虛擬旅游的文化內(nèi)涵，需要將各種文化資源整合到系統(tǒng)中，包括歷史背景、民俗風(fēng)情、傳說(shuō)故事等內(nèi)容。通過(guò)合理地組織這些資源，使游客在虛擬旅游中能夠深入了解當(dāng)?shù)氐奈幕厣?/p>

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮的幾個(gè)方面

1）系統(tǒng)與用戶的交互功能是提高用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵，因此，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一系列的交互方式，包括基本的鍵盤(pán)、鼠標(biāo)交互以及更高級(jí)的手勢(shì)識(shí)別、語(yǔ)音控制等，從而實(shí)現(xiàn)用戶在虛擬環(huán)境中的沉浸式交互體驗(yàn)。同時(shí)，提供場(chǎng)景導(dǎo)覽功能，幫助用戶更好地了解虛擬旅游場(chǎng)景和文化信息。

2）用戶界面和導(dǎo)航設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的易用性和用戶體驗(yàn)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮簡(jiǎn)潔直觀的操作界面和友好的導(dǎo)航方式，使用戶能夠輕松地瀏覽和探索虛擬旅游場(chǎng)景。

3）為了提高虛擬環(huán)境的真實(shí)感，需要制作高精度的3D模型和動(dòng)畫(huà)。這涉及角色建模、動(dòng)畫(huà)制作、特效渲染等方面的技術(shù)。通過(guò)精細(xì)的模型和流暢的動(dòng)畫(huà)，使虛擬旅游場(chǎng)景更加生動(dòng)和有趣。

4）聲音和特效是增強(qiáng)虛擬旅游體驗(yàn)的重要手段。需要將環(huán)境音效、背景音樂(lè)以及特效整合到虛擬環(huán)境中，營(yíng)造出更加逼真的場(chǎng)景氛圍。同時(shí)，注意控制特效的使用，避免對(duì)用戶體驗(yàn)產(chǎn)生負(fù)面影響。

系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其整體研究利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)設(shè)備，達(dá)到呈現(xiàn)智慧化旅游景區(qū)深層次文化信息的效果[5]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括了自動(dòng)導(dǎo)航，默認(rèn)情況下順著設(shè)計(jì)好的路線進(jìn)行漫游[6]。根據(jù)需求分析將整個(gè)系統(tǒng)模塊劃分成多個(gè)子模塊，包括基本功能的用戶身份認(rèn)證、三維資源管理、三維場(chǎng)景管理、三維模型所關(guān)聯(lián)的文字、圖像、音視頻內(nèi)容管理等，如圖2所示。

3.2 每個(gè)子模塊實(shí)現(xiàn)的具體功能

1）用戶身份認(rèn)證模塊：負(fù)責(zé)對(duì)來(lái)訪用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證。對(duì)于不同身份的用戶可考慮提供不同的訪問(wèn)機(jī)制，系統(tǒng)同時(shí)提供匿名用戶的訪問(wèn)，方便新用戶快速了解旅游概況。

2）三維場(chǎng)景管理模塊：旨在方便系統(tǒng)管理員和內(nèi)容管理員發(fā)布新的場(chǎng)景和虛擬物品。該模塊允許管理人員在后端系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)添加需要展示的旅游場(chǎng)景。系統(tǒng)通過(guò)管理員對(duì)場(chǎng)景的設(shè)置，在Web瀏覽器端利用WebGL技術(shù)展示場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)與用戶的交互。

3）三維資源管理：虛擬場(chǎng)景中需要放置供用戶參觀瀏覽的物件，這些虛擬物件可通過(guò)管理員后臺(tái)動(dòng)態(tài)布局和添加，無(wú)須對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行編輯修改，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景布局。

4）基于WebGL技術(shù)的場(chǎng)景展示模塊：通過(guò)Unity3D、Unreal Engine等三維交互引擎設(shè)計(jì)和處理場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)瀏覽器端的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景展示和虛擬物體布局。

5）文字、圖像、音視頻資源管理模塊：針對(duì)虛擬模型展示的虛擬物體提供相關(guān)介紹內(nèi)容，包括文字性、圖片、音頻、視頻等，豐富用戶的游覽體驗(yàn)，增進(jìn)對(duì)每個(gè)場(chǎng)景、物體背后歷史文化的了解。

6）系統(tǒng)訪問(wèn)日志采集模塊：負(fù)責(zé)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中采集用戶的習(xí)慣性數(shù)據(jù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)分析用戶特點(diǎn)，形成用戶畫(huà)像，使系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的興趣愛(ài)好有針對(duì)性地提供服務(wù)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心組件

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，明確了系統(tǒng)中包含的模塊。針對(duì)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及未來(lái)運(yùn)行的環(huán)境，搭建了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境，將Web前端與后端分開(kāi)實(shí)施，并依據(jù)設(shè)計(jì)中的統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互接口實(shí)現(xiàn)了Web前端與后端的連接。虛擬場(chǎng)景交互開(kāi)發(fā)使用了Unity 3D，并將運(yùn)行平臺(tái)切換為Web瀏覽器平臺(tái)，以確保Unity生成的場(chǎng)景能夠在瀏覽器中流暢運(yùn)行。

在Unity 3D中實(shí)現(xiàn)了多個(gè)組件，以便虛擬場(chǎng)景能夠根據(jù)管理員提供的相關(guān)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)布局場(chǎng)景中的元素，具體包括：

1）天空盒動(dòng)態(tài)加載組件：負(fù)責(zé)根據(jù)管理員設(shè)置動(dòng)態(tài)變更場(chǎng)景中的天空效果，目前采用了6張圖片構(gòu)建天空盒。

2）三維模型加載組件：每個(gè)場(chǎng)景中包含大量的三維模型，其中既包括靜態(tài)模型，也包括動(dòng)態(tài)模型。管理員可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)改變，用戶每次瀏覽場(chǎng)景時(shí)都會(huì)根據(jù)管理員的設(shè)置加載新的模型以及相關(guān)介紹內(nèi)容。

3）三維模型基本參數(shù)設(shè)置組件：每個(gè)模型帶有大量的參數(shù)需要配置。參數(shù)組件根據(jù)三維模型動(dòng)態(tài)加載相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，以設(shè)置模型的相關(guān)信息，包括模型的紋理數(shù)據(jù)、位置、尺寸、動(dòng)畫(huà)等，這需要WebGL進(jìn)行更多的計(jì)算。

4）場(chǎng)景交互組件：針對(duì)不同的模型，可以加載不同的文字、圖片、音視頻資源。交互過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)資源預(yù)加載功能及流式資源加載。交互主要采取鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、語(yǔ)音、手勢(shì)等方式，系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的交互接口，方便后期交互模式的擴(kuò)展。

5）評(píng)分系統(tǒng)組件：用戶瀏覽場(chǎng)景并獲取有關(guān)場(chǎng)景中的文化知識(shí)。通過(guò)在三維場(chǎng)景中構(gòu)建評(píng)分系統(tǒng)組件，讓用戶參與知識(shí)問(wèn)答游戲，從而更深入地了解場(chǎng)景所展示的歷史文化。根據(jù)評(píng)分平臺(tái)的情況，可以給予用戶獎(jiǎng)勵(lì)，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)及成就感。

6）導(dǎo)覽組件：為了讓新用戶進(jìn)入系統(tǒng)后快速掌握每個(gè)場(chǎng)景的概況，系統(tǒng)提供基本的導(dǎo)覽組件。整個(gè)系統(tǒng)所展示出來(lái)的場(chǎng)景按照行政區(qū)劃分，并提供默認(rèn)的瀏覽引導(dǎo)。用戶可以按照引導(dǎo)有順序地了解景區(qū)歷史文化。同時(shí)，提供自由瀏覽模式，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析用戶的瀏覽模式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)推薦瀏覽引導(dǎo)。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，按照需求分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試和優(yōu)化工作。通過(guò)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景以及用戶的行為模擬，找出并修復(fù)系統(tǒng)中存在的潛在問(wèn)題。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，從而提升系統(tǒng)性能和響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。針對(duì)系統(tǒng)的整體使用及維護(hù)，編寫(xiě)用戶手冊(cè)并向管理人員提供培訓(xùn)服務(wù)。系統(tǒng)提供的使用手冊(cè)詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的使用方法和操作步驟，集中培訓(xùn)能夠幫助用戶更好地掌握系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)。為了保持系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行和滿足用戶不斷變化的需求，后期需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和更新工作，并建立有效的維護(hù)機(jī)制和技術(shù)支持體系，及時(shí)解決用戶反饋的問(wèn)題，并不斷優(yōu)化和升級(jí)系統(tǒng)功能，以保持系統(tǒng)的領(lǐng)先性和競(jìng)爭(zhēng)力。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的旅游文化宣傳系統(tǒng)從鐵門市整體特性出發(fā)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與旅游景區(qū)、歷史文化相結(jié)合，探索了鐵門關(guān)市旅游宣傳的數(shù)字化、信息化、虛擬化發(fā)展新模式。通過(guò)數(shù)字化和信息化技術(shù)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)展示了旅游文化的相關(guān)內(nèi)容，使用戶能夠隨時(shí)隨地了解鐵門關(guān)市的旅游景點(diǎn)和歷史文化。同時(shí)，通過(guò)在線管理，景區(qū)管理部門減少了技術(shù)依賴，管理員能夠根據(jù)需要對(duì)景區(qū)布局在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行更新，使景區(qū)文化的變化和發(fā)展及時(shí)得到宣傳和推廣。

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