基于Web3D的異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及通信研究

　　【摘 要】針對目前虛擬現(xiàn)實(shí)中三維模型和二維屬性關(guān)聯(lián)程度低、加載速度慢的情況，本文以湖南省地質(zhì)博物館為例，采用Unity3D作為開發(fā)平臺(tái)，研究了異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)方式及通信途徑，制定了數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)和文件存儲(chǔ)相結(jié)合的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，并對Unity3D在Web環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信過程進(jìn)行了研究。采用異步、分層次加載的方式對異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)鍵詞】異構(gòu)數(shù)據(jù);存儲(chǔ);通信;Web3D;虛擬博物館

　　引言

　　Web3D，即網(wǎng)絡(luò)三維技術(shù)，指在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)實(shí)世界中的物體通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)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(shí)技術(shù)[1]。目前，Web3D技術(shù)得到互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并已在博物館的虛擬展示方面得到應(yīng)用，Google與世界多家博物館合作的Google“藝術(shù)計(jì)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(shí)現(xiàn)博物館的遠(yuǎn)程三維瀏覽及互動(dòng)，但是目前虛擬博物館基本上采用圖片或全景圖進(jìn)行展示。采用圖片進(jìn)行展示，實(shí)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(shí)虛擬效果，但是仍存在三維模型與二維屬性信息關(guān)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(jìn)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(jìn)行虛擬展示，不僅要在網(wǎng)絡(luò)中傳輸結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)，特別是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的傳輸速度受互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸速度的限制，加載速度慢。為了滿足網(wǎng)絡(luò)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(guān)聯(lián)程度，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的一致性存儲(chǔ)，對虛擬博物館進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信方式的研究變得尤為重要。

　　Unity3D是一個(gè)成熟的跨平臺(tái)、層次級的虛擬現(xiàn)實(shí)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(yàn)。本文以湖南省地質(zhì)博物館為例，采用Unity3D作為開發(fā)平臺(tái)，根據(jù)地質(zhì)博物館展/藏品的特點(diǎn)及之間的相互關(guān)系，設(shè)計(jì)了虛擬博物館的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，并對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中虛擬博物館的數(shù)據(jù)通信過程進(jìn)行研究。

　　圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

　　1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，為了保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)安全，系統(tǒng)采用B/S三層架構(gòu)，圖1展示了系統(tǒng)的主要構(gòu)成，分為表示層、業(yè)務(wù)層及數(shù)據(jù)層[2]。

　　1.1 表示層

　　表示層采用Unity3D的NGUI插件進(jìn)行開發(fā)，是虛擬博物館與參觀者進(jìn)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(wù)層，并對業(yè)務(wù)層反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示。

　　在表示層中，虛擬瀏覽導(dǎo)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(shí)現(xiàn)用戶在虛擬展館中的參觀移動(dòng)。展品展示模塊實(shí)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(shí)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(wù)層

　　業(yè)務(wù)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(dǎo)航輔助模塊提供虛擬展館中參觀的節(jié)點(diǎn)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(jìn)行管理。數(shù)據(jù)控制模塊按照導(dǎo)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(chǔ)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(chǔ)

　　為了對系統(tǒng)中存儲(chǔ)的異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性，同時(shí)，保證數(shù)據(jù)的加載速度，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)和文件存儲(chǔ)相結(jié)合的方式存儲(chǔ)異構(gòu)數(shù)據(jù)，即在文件系統(tǒng)中存儲(chǔ)文件，同時(shí)在數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)文件的路徑和文件相應(yīng)的BLOB字段。系統(tǒng)在進(jìn)行讀取操作時(shí)，可直接讀取文件系統(tǒng)中的文件，在更新數(shù)據(jù)時(shí)，則將數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行更新。

　　2.1 基于心理設(shè)計(jì)存儲(chǔ)層次

　　2.1.1 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)

　　由于參觀者參觀博物館時(shí)首先進(jìn)入博物館主場館，然后按照展館逐個(gè)參觀，并重點(diǎn)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(xí)慣，系統(tǒng)按照湖南省地質(zhì)博物館中展館及展品等實(shí)體的陳列關(guān)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(jìn)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(shí)間。

　　根據(jù)博物館中實(shí)體的層次劃分，系統(tǒng)共設(shè)計(jì)19張表，存儲(chǔ)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(guān)聯(lián)，既能保持各表的關(guān)聯(lián)，同時(shí)保持了各自的獨(dú)立性，便于日后按照需求進(jìn)行擴(kuò)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(jìn)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(jìn)行關(guān)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(jìn)行展示，同時(shí)，將這些信息分表存儲(chǔ)，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(guān)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(jìn)制流[7](EXITEM_MODEL字段)和文件路徑(FILEPATH字段)兩種方式進(jìn)行存儲(chǔ)，既方便和文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，而且二進(jìn)制流在文件系統(tǒng)異常時(shí)可根據(jù)路徑用于文件的恢復(fù)，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(chǔ)

　　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(chǔ)模型的二進(jìn)制流數(shù)據(jù)，還在文件系統(tǒng)中存儲(chǔ)模型文件。文件在系統(tǒng)中的存儲(chǔ)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(chǔ)的文件的網(wǎng)絡(luò)路徑對文件進(jìn)行讀寫。

　　2.2 一致性保持

　　由于系統(tǒng)中的異構(gòu)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和文件系統(tǒng)中分別進(jìn)行存儲(chǔ)，需要對其進(jìn)行一致性維護(hù)。

　　數(shù)據(jù)一致性指關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系是否完整和正確，一方面指物理上的一致，即同一個(gè)事實(shí)的數(shù)據(jù)應(yīng)該相同，如數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的幾個(gè)表都涉及到同一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，這些數(shù)據(jù)應(yīng)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(wù)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(jìn)行維護(hù)。

　　由于數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)異構(gòu)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(guān)系，系統(tǒng)采用基于主從的事務(wù)控制方法來維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性。

　　系統(tǒng)中異構(gòu)數(shù)據(jù)的更新操作以事務(wù)的方式提交給系統(tǒng)，事務(wù)先對文件系統(tǒng)的文件進(jìn)行更新操作，若操作成功則對其在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行備份，若備份失敗則進(jìn)行事務(wù)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(huì)造成數(shù)據(jù)的不一致，這種情況依靠事務(wù)控制機(jī)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(jìn)行了分類并對其進(jìn)行一致性維護(hù)。

　　(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(chǔ)的文件路徑和BLOB數(shù)據(jù)對文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。

　　(2)突然斷電導(dǎo)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(chǔ)的文件路徑查找該文件，并以BLOB的格式存儲(chǔ)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(yīng)實(shí)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(chǔ)的層級結(jié)構(gòu)查找該文件并進(jìn)行備份。

　　3 數(shù)據(jù)通信

　　由于該系統(tǒng)基于Unity進(jìn)行開發(fā)，參觀者要想使用瀏覽器對虛擬博物館進(jìn)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(shí)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(wù)端，服務(wù)端的php通過url獲取用戶的請求和數(shù)據(jù)，執(zhí)行腳本進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作，最后，將結(jié)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(jìn)行可視化并在客戶端進(jìn)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(jié)構(gòu)(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(jìn)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(jìn)行查詢，如果沒有則進(jìn)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(chǔ)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(diǎn)，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J(rèn)SON的格式要求進(jìn)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(wù)器端對發(fā)布的文件進(jìn)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(jìn)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(yù)置文件或者緩存中，有則直接反饋到表示層進(jìn)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(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢，則反饋給表示層，對其進(jìn)行進(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)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(wù)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(yàn)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(jìn)行加載。系統(tǒng)進(jìn)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(jié)果

　　4 結(jié)語

　　依照參觀者的參觀習(xí)慣對博物館的實(shí)體進(jìn)行層次存儲(chǔ)，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(shí)間。在Web環(huán)境下采用JSON格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，同時(shí)，采用分層次、異步加載的方式進(jìn)行加載，使模型的加載能夠在后臺(tái)進(jìn)行，減少了用戶等待時(shí)間，極大地提升了用戶的參觀體驗(yàn)。由于地質(zhì)博物館的模型更為復(fù)雜和精細(xì)，數(shù)據(jù)量大，需要消耗更大的網(wǎng)絡(luò)帶寬和加載時(shí)間，因此，下一步的主要工作是對三維模型的數(shù)據(jù)量進(jìn)行精簡。

　　【參考文獻(xiàn)】

　　[1]黃健.面向通用性的Web3D虛擬展覽館的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2012：34-47.

　　[2]任國棟，陳林華，陶學(xué)鋒，方先行.基于Unity3D的虛擬博物館信息可視化系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013，22(9)：86-90.

　　[3]韓桂明.基于Unity3d房間仿真的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].理論與算法，2014(8)：41-43.

　　[4]張延，余紅英，戚藝雪，萬吉.基于Unity3D_3DMAX的導(dǎo)彈視景仿真系統(tǒng)[J].科技視界，2014(9)：151-152.

　　[5]張典華，陳一民，李磊.基于Unity3D的多平臺(tái)三維空戰(zhàn)游戲的開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2014，24(1)：192-195.

　　[6]張利利，李仁義，李曉京，馬進(jìn)，惠鐸鐸.Unity3D與數(shù)據(jù)庫通信方法的研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2014，24(3)：229-232.

　　[7]胡逢愷，趙剛，程旭.基于SQL Server數(shù)據(jù)庫的三維模型存取研究與實(shí)現(xiàn)[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，23(2)：212-215.

　　[8]朱惠娟.基于Unity3D的虛擬漫游系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2012，20(10)：36-39.

【基于Web3D的異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及通信研究】相關(guān)文章：

基于SDO的異構(gòu)服務(wù)數(shù)據(jù)模型研究03-28

對數(shù)據(jù)通信技術(shù)的研究03-19

基于GPS的船舶數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)的研究03-07

基于OFDM的UWB無線通信系統(tǒng)的研究03-07

一種基于鐵電存儲(chǔ)器的雙機(jī)串行通信技術(shù)03-18

基于愛好的電子商務(wù)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的研究12-08

基于盲源分離的無線視頻通信研究與仿真03-07

基于閃存的星載大容量存儲(chǔ)器的研究和實(shí)現(xiàn)03-18

基于FPGA的TS201 linkport數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)03-30