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基于Web3D的異構數(shù)據(jù)存儲及通信研究
【摘 要】針對目前虛擬現(xiàn)實中三維模型和二維屬性關聯(lián)程度低、加載速度慢的情況，本文以湖南省地質博物館為例，采用Unity3D作為開發(fā)平臺，研究了異構數(shù)據(jù)存儲的存儲方式及通信途徑，制定了數(shù)據(jù)庫存儲和文件存儲相結合的數(shù)據(jù)存儲方案，并對Unity3D在Web環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信過程進行了研究。采用異步、分層次加載的方式對異構數(shù)據(jù)進行加載，滿足了參觀者的參觀心理，在保證數(shù)據(jù)一致性的前提下，提高了數(shù)據(jù)的加載速度。
【關鍵詞】異構數(shù)據(jù);存儲;通信;Web3D;虛擬博物館
引言
Web3D，即網(wǎng)絡三維技術，指在虛擬現(xiàn)實的基礎上，將現(xiàn)實世界中的物體通過互聯(lián)網(wǎng)進行虛擬的三維立體展示并提供交互操作的一種虛擬現(xiàn)實技術[1]。目前，Web3D技術得到互聯(lián)網(wǎng)領域的廣泛關注，并已在博物館的虛擬展示方面得到應用，Google與世界多家博物館合作的Google“藝術計劃”、南京市博物館、上海市博物館、敦煌洞窟壁畫博物館等使用Web3D，均已實現(xiàn)博物館的遠程三維瀏覽及互動，但是目前虛擬博物館基本上采用圖片或全景圖進行展示。采用圖片進行展示，實現(xiàn)方式簡單，但三維展示功能普遍較弱，全景圖雖然在該方面有所提高，能很好的現(xiàn)實虛擬效果，但是仍存在三維模型與二維屬性信息關聯(lián)程度低的缺陷，參觀者不能獲得場景及展品的信息，不能對展、藏品進行全方位展示，更談不上對展、藏品的信息化管理。
對展館和展品進行虛擬展示，不僅要在網(wǎng)絡中傳輸結構化的屬性數(shù)據(jù)，還需要傳輸大量的沉重的圖片、模型、音視頻等非結構化數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)，特別是非結構化數(shù)據(jù)的傳輸速度受互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡帶寬和傳輸速度的限制，加載速度慢。為了滿足網(wǎng)絡環(huán)境下參觀者對于加載流暢度的要求，提高三維模型和二維屬性的關聯(lián)程度，實現(xiàn)異構數(shù)據(jù)的一致性存儲，對虛擬博物館進行數(shù)據(jù)存儲和通信方式的研究變得尤為重要。
Unity3D是一個成熟的跨平臺、層次級的虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎，支持JavaScript、C#、Python等多種腳本語言，兼容各種操作系統(tǒng)，可發(fā)布成網(wǎng)頁的方式，用戶不用下載客戶端即可體驗。本文以湖南省地質博物館為例，采用Unity3D作為開發(fā)平臺，根據(jù)地質博物館展/藏品的特點及之間的相互關系，設計了虛擬博物館的數(shù)據(jù)存儲方式，并對網(wǎng)絡環(huán)境中虛擬博物館的數(shù)據(jù)通信過程進行研究。
圖1 系統(tǒng)架構示意圖
1 系統(tǒng)架構
在網(wǎng)絡環(huán)境下，為了保證系統(tǒng)的響應速度和數(shù)據(jù)安全，系統(tǒng)采用B/S三層架構，圖1展示了系統(tǒng)的主要構成，分為表示層、業(yè)務層及數(shù)據(jù)層[2]。
1.1 表示層
表示層采用Unity3D的NGUI插件進行開發(fā)，是虛擬博物館與參觀者進行交互的界面。表示層通過http協(xié)議將交互產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送到業(yè)務層，并對業(yè)務層反饋的數(shù)據(jù)進行可視化顯示。
在表示層中，虛擬瀏覽導航模塊可根據(jù)用戶選擇的瀏覽方式為用戶提供不同的參觀線路，實現(xiàn)用戶在虛擬展館中的參觀移動。展品展示模塊實現(xiàn)展品在虛擬博物館中的加載及圖片、音頻、視頻、三維模型等全方位展示。查詢功能模塊實現(xiàn)用戶對展館及展、藏品的分類查詢查詢和在虛擬博物館中的定位。
1.2 業(yè)務層
業(yè)務層采用Unity3D編寫腳本，根據(jù)表示層用戶的交互請求，向數(shù)據(jù)層請求數(shù)據(jù)。
導航輔助模塊提供虛擬展館中參觀的節(jié)點信息，并根據(jù)用戶的位置提供參觀線路。資源管理模塊對客戶端的請求對數(shù)據(jù)控制模塊反饋的數(shù)據(jù)進行管理。數(shù)據(jù)控制模塊按照導航輔助模塊和資源管理模塊的需求向數(shù)據(jù)層請求數(shù)據(jù)。
1.3 數(shù)據(jù)層
數(shù)據(jù)層存儲虛擬博物館的展館及展、藏品的所有信息，包括屬性信息、位置信息、模型、音頻、視頻、圖片等。
2 數(shù)據(jù)存儲
為了對系統(tǒng)中存儲的異構數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，保持數(shù)據(jù)一致性，同時，保證數(shù)據(jù)的加載速度，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫存儲和文件存儲相結合的方式存儲異構數(shù)據(jù)，即在文件系統(tǒng)中存儲文件，同時在數(shù)據(jù)庫中存儲文件的路徑和文件相應的BLOB字段。系統(tǒng)在進行讀取操作時，可直接讀取文件系統(tǒng)中的文件，在更新數(shù)據(jù)時，則將數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同時進行更新。
2.1 基于心理設計存儲層次
2.1.1 數(shù)據(jù)庫存儲
由于參觀者參觀博物館時首先進入博物館主場館，然后按照展館逐個參觀，并重點觀看自己感興趣的展品，考慮到參觀者的參觀心理及參觀習慣，系統(tǒng)按照湖南省地質博物館中展館及展品等實體的陳列關系，將博物館按層次分為展館主體、展廳、展柜、展品四部分，采用分步加載的方式對各層次數(shù)據(jù)進行加載，不僅能夠滿足參觀者的視覺需求，而且減少了單次加載的數(shù)據(jù)量，從而減少參觀者等待數(shù)據(jù)加載的時間。
根據(jù)博物館中實體的層次劃分，系統(tǒng)共設計19張表，存儲各層次主體的基本信息、音頻、視頻、三維模型的信息，各表之間以外鍵關聯(lián)，既能保持各表的關聯(lián)，同時保持了各自的獨立性，便于日后按照需求進行擴充。
以展品為例，根據(jù)系統(tǒng)需求，共包含展品基本信息表(EXITEM_BASEINFO)、展品圖片信息表(EXITEM_PICINFO)、展品模型信息表(EXITEM_MODELINFO)、展品視頻信息表(EXITEM_VIDEOINFO)、展品音頻信息表(EXITEM_AUDIOINFO)、展品類型信息表(EXITEM_TYPEINFO)，在此，主要對展品基本信息表和展品模型信息表進行說明。
表1 展品基本信息表
展品基本信息表中ITEM_ID為主鍵，EXHALL_ID等為外鍵，將展品基本信息表和展廳基本信息表進行關聯(lián)，系統(tǒng)能夠根據(jù)展品ID查詢到其所在展廳、展柜及收藏者信息等，可以從多角度、全方位地對展品進行展示，同時，將這些信息分表存儲，減小了單表的數(shù)據(jù)量，可提高查詢速度，避免數(shù)據(jù)庫更新異常等問題。
表2 模型基本信息表
模型基本信息表中主鍵為MODEL_ID，外鍵為EXITEM_ID，將模型基本信息表和展品基本信息表關聯(lián)，系統(tǒng)可根據(jù)EXITEM_ID獲取到展品的三維模型。展品模型按照二進制流[7](EXITEM_MODEL字段)和文件路徑(FILEPATH字段)兩種方式進行存儲，既方便和文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，而且二進制流在文件系統(tǒng)異常時可根據(jù)路徑用于文件的恢復，在有數(shù)據(jù)冗余的情況下，可提高系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的安全性能。
2.1.2 文件存儲
由于直接加載文件比從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)加載速度快，系統(tǒng)除在數(shù)據(jù)庫中存儲模型的二進制流數(shù)據(jù)，還在文件系統(tǒng)中存儲模型文件。文件在系統(tǒng)中的存儲層次與數(shù)據(jù)庫中各主體的層次劃分一致，系統(tǒng)依照數(shù)據(jù)庫中存儲的文件的網(wǎng)絡路徑對文件進行讀寫。
2.2 一致性保持
由于系統(tǒng)中的異構數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和文件系統(tǒng)中分別進行存儲，需要對其進行一致性維護。
數(shù)據(jù)一致性指關聯(lián)數(shù)據(jù)之間的關系是否完整和正確，一方面指物理上的一致，即同一個事實的數(shù)據(jù)應該相同，如數(shù)據(jù)庫中存儲的幾個表都涉及到同一個數(shù)據(jù)項，這些數(shù)據(jù)應該保持相同的值，另一方面，數(shù)據(jù)一致性指邏輯上的一致，即不同數(shù)據(jù)之間業(yè)務邏輯的一致。本系統(tǒng)主要對數(shù)據(jù)的物理一致性保持進行維護。
由于數(shù)據(jù)庫中存儲異構數(shù)據(jù)主要的作用是數(shù)據(jù)備份，主要數(shù)據(jù)源是文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，兩者之間有較為明顯的主從關系，系統(tǒng)采用基于主從的事務控制方法來維護數(shù)據(jù)的一致性。
系統(tǒng)中異構數(shù)據(jù)的更新操作以事務的方式提交給系統(tǒng)，事務先對文件系統(tǒng)的文件進行更新操作，若操作成功則對其在數(shù)據(jù)庫中進行備份，若備份失敗則進行事務的回滾。以數(shù)據(jù)更新為例，其流程如圖2：
圖2 數(shù)據(jù)更新流程圖
有些異常情況，如突然斷電、數(shù)據(jù)庫發(fā)生遷移、誤刪文件等會造成數(shù)據(jù)的不一致，這種情況依靠事務控制機制無法處理的。因此，系統(tǒng)針對這些異常情況產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不一致進行了分類并對其進行一致性維護。
(1)誤刪文件或數(shù)據(jù)庫遷移造成文件系統(tǒng)中文件缺失。若系統(tǒng)依照路徑查找文件失敗，則按照數(shù)據(jù)庫中存儲的文件路徑和BLOB數(shù)據(jù)對文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行恢復。
(2)突然斷電導致數(shù)據(jù)庫中文件路徑或BLOB數(shù)據(jù)未更新。若文件路徑更新完畢，則依照存儲的文件路徑查找該文件，并以BLOB的格式存儲在數(shù)據(jù)庫中。若文件路徑也未更新，則根據(jù)文件所對應實體(如展品或展館)以及文件類型(音頻或視頻)，根據(jù)文件系統(tǒng)存儲的層級結構查找該文件并進行備份。
3 數(shù)據(jù)通信
由于該系統(tǒng)基于Unity進行開發(fā)，參觀者要想使用瀏覽器對虛擬博物館進行參觀，首先需要安裝Unity WebPlayer插件。但是由于安全沙盒的限制，Unity WebPalyer不能直接與數(shù)據(jù)庫連接并且從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)。因此，本系統(tǒng)采用圖3的方式實現(xiàn)客戶端與數(shù)據(jù)庫的通信。首先，客戶端獲取參觀者在頁面的請求，并將請求和數(shù)據(jù)通過http協(xié)議發(fā)送給服務端，服務端的php通過url獲取用戶的請求和數(shù)據(jù)，執(zhí)行腳本進行數(shù)據(jù)庫操作，最后，將結果數(shù)據(jù)組織為Json格式反饋給客戶端，Unity WebPlayer讀取并解析網(wǎng)頁中的JSON數(shù)據(jù)，將其進行可視化并在客戶端進行展示。
圖3 客戶端與數(shù)據(jù)庫通信方式
本文以展品信息查詢?yōu)槔�，展示W(wǎng)eb環(huán)境下Unity的通信過程。從系統(tǒng)的整體結構(圖1)可知，要執(zhí)行展品信息的查詢，首先觸發(fā)客戶端的查詢功能模塊，然后查詢功能模塊對查詢請求進行分類處理，并提交給資源管理模塊，資源管理模塊對現(xiàn)有資源進行查詢，如果沒有則進一步向數(shù)據(jù)控制模塊請求數(shù)據(jù)，下文將主要講述數(shù)據(jù)控制模塊從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)反饋給表示層進行顯示的過程。
3.1 數(shù)據(jù)控制模塊
數(shù)據(jù)控制模塊主要根據(jù)不同的查詢需求請求數(shù)據(jù)。要實現(xiàn)對展品信息的查詢，數(shù)據(jù)控制模塊根據(jù)表示層的請求，不僅需要從數(shù)據(jù)層獲取展品的名稱、編號、位置、鑒定特性等基本的屬性信息，為了對展品進行多方面的展示，還需獲取圖片、音頻、視頻、模型等文件。 對于數(shù)據(jù)庫中存儲的文本信息，系統(tǒng)采用php腳本連接數(shù)據(jù)庫并讀取數(shù)據(jù)。由于JSON具有數(shù)據(jù)量小、易解析的特點，系統(tǒng)選用其作為數(shù)據(jù)控制模塊和數(shù)據(jù)層的交換格式。系統(tǒng)將php腳本讀取的屬性數(shù)據(jù)按照JSON的格式要求進行組織并反饋給資源管理模塊(如圖4)。
圖4 展品屬性數(shù)據(jù)(JSON格式)
對于圖片、模型等文件的獲取，系統(tǒng)將其路徑作為屬性數(shù)據(jù)的一部分反饋給資源管理模塊，客戶端可直接從服務器端對發(fā)布的文件進行讀取，而不受Unity WebPlayer對數(shù)據(jù)庫的通信限制。
3.2 資源管理模塊
資源管理模塊接收表示層的查詢請求，并對數(shù)據(jù)控制模塊的數(shù)據(jù)進行管理。根據(jù)表示層的查詢請求，資源管理模塊首先判定請求的數(shù)據(jù)是否包含在場景的預置文件或者緩存中，有則直接反饋到表示層進行顯示，如果沒有，則向數(shù)據(jù)控制模塊發(fā)送數(shù)據(jù)請求，并接收數(shù)據(jù)控制模塊反饋的數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)接收完畢，則反饋給表示層，對其進行進一步解析和顯示。主要代碼如下：
if(!Resourses.Load(model)){
WWW www = WWW.LoadFromCacheOrDownload(address，version);
}
3.3 展品展示模塊
由于展品的屬性數(shù)據(jù)量小，而圖片的數(shù)據(jù)量大，因此，資源管理模塊接收到數(shù)據(jù)控制模塊反饋的JSON數(shù)據(jù)之后，則通知展品展示模塊首先對屬性數(shù)據(jù)進行顯示。由于JSON格式的數(shù)據(jù)在客戶端容易解析，系統(tǒng)使用LitJSON先將JSON數(shù)據(jù)轉換成對象，通過訪問對象的屬性值直接獲取屬性數(shù)據(jù)并在NGUI界面上顯示(如圖5)。
對于圖片、模型等信息，系統(tǒng)則根據(jù)經(jīng)過JSON處理后得到的路徑直接向服務端請求文件。采用屬性信息和圖片信息分開分布加載，不僅能夠滿足Web環(huán)境下的通信要求，而且屬性數(shù)據(jù)的優(yōu)先加載使用戶體驗得到提升。盡管采用了屬性信息和圖片信息分布加載的方式，但是由于圖片、三維模型等文件和屬性數(shù)據(jù)存在數(shù)量級的差異，系統(tǒng)采用異步加載的方式對模型進行加載。系統(tǒng)進行異步加載的主要代碼如下：
yield return bundle;
yield return Instantiate(bundle.assetBundle.mainAsset);
bundle.assetBundle.Unload(false);
圖5 展品查詢結果
4 結語
依照參觀者的參觀習慣對博物館的實體進行層次存儲，不僅保證了數(shù)據(jù)的一致性，而且可有效減少單次加載數(shù)據(jù)量和加載時間。在Web環(huán)境下采用JSON格式進行數(shù)據(jù)交互，減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，同時，采用分層次、異步加載的方式進行加載，使模型的加載能夠在后臺進行，減少了用戶等待時間，極大地提升了用戶的參觀體驗。由于地質博物館的模型更為復雜和精細，數(shù)據(jù)量大，需要消耗更大的網(wǎng)絡帶寬和加載時間，因此，下一步的主要工作是對三維模型的數(shù)據(jù)量進行精簡。
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