基于VRP的數字校園設計與實現

(東北石油大學軟件學院，黑龍江大慶163318）

近幾年來隨著計算機技術的發展，校園信息化建設也快速發展起來，數字校園正是校園信息化建設的重要組成部分。三維數字校園是校園信息化建設的高級階段，是集展示、學習、管理等為一體的新型三維數字化環境，是利用先進的虛擬現實技術和信息化工具實現從環境到資源的三維數字化場景，從而構建一個真實數字校園環境系統，實現各類信息的收集、存儲、展示、查詢等功能，使現實的數字校園在時間和空間上得到融合，從而真正的提升數字校園建設的信息化進程。三維虛擬校園作為虛擬城市建設的一部分，正倍受重視，將校園風貌用虛擬仿真實現，既可以為學校樹立良好的形象，提高學校的知名度，宣傳校園文化，讓來訪者足不出戶就可瀏覽校園風光和有關介紹信息，體驗身臨其境的感受，又可以作為校園規劃的輔助工具，提高校園管理的現代化水平[1]。下面，筆者以東北石油大學校園及其周邊為例，采用VR-Platform軟件(VRP，Versatile Routing Platform，通用路由平臺，北京中視典公司）建立具有自由、自動漫游、校園導航、信息管理等功能的數字化校園。

1 功能設計

主要設計了校園導航、校園漫游、信息管理、視頻監控、智能查詢定位和校園服務等功能。

1）校園導航 校園導航分為二維地圖導航和三維地圖導航。所謂二維地圖導航就是在傳統的二維地圖的基礎上實現鼠標點擊地圖上的地點，三維場景立即切換到指定地點。這種導航具有簡潔清晰的特點。三維地圖導航是指將所做的三維場景進行45°截圖，雖然也是平面的但能給人一種立體感。這種地圖具有內容豐富、可視化效果強的特點。

2）校園漫游 這一模塊中的自動漫游是指相機或人物自動按某一條路線行走為用戶展示校園；自動漫游是指用戶通過鼠標和鍵盤在虛擬校園中根據自己的興趣自由的行走觀看。

3）信息管理 信息管理是指將校園內的建筑、道路、數目的一些基本信息存放到數據庫中，用戶可以通過鼠標點擊、鍵入等互動行為在相應的位置呼出這些信息。

4）視頻監控 視頻監控是指系統可以和學校的監控系統集成，在能瀏覽虛擬校園的同時還能對校園的真實情況有所了解，進一步方便對學校的管理。

5）智能定位系統 一方面，可以在輸入框中輸入要查詢的地點點擊查詢按鈕，三維場景就可以切換到目的場景；另一方面，還可以輸入起始點和終點，系統會自動尋找出最短路徑，并計算出兩點之間的實際距離和一般步行時間等。這個模塊對以后打造數字城市也具有很重要的意義。

6）校園服務 將學校機關單位和二級學院下發的一些招生信息、重要通知等顯示在虛擬布告欄中。

2 系統開發流程

首先采集所需的信息，統計要創建的建筑、樹木、道路等物體模型，然后利用3DS MAX建模軟件建模構建三維場景[2]，之后對構建好的三維場景進行三維互動設計。筆者采用由北京中視典公司推出的VR-Platform三維互動平臺進行開發。該軟件平臺能和3DSMAX進行無縫結合，支持3DSMAX的關鍵幀動畫、變形動畫和粒子系統等多種功能[3]。系統的構建流程如圖1所示。

圖1 三維數字校園構建流程

3 三維建模

目前，用于數字校園三維建模的主要方法有基于AutoCAD、3DSMAX建模、基于MultiGen、ImaGIS建模及SketchUp建模等。這些方法各有優點。數字校園建筑物建模方法的選用，需充分考慮建筑物三維模型在數字校園系統的作用[4]。筆者選用操作相對簡單、使用靈活的3DMAX進行建模。整個場景共約120萬面，600個模型，壓縮后文件大小約20Mb。場景中主要模型數據如表1。

表1 場景主要模型信息表

VRP場景的總貼圖量是影響VRP運行速度的原因之一，因此在場景制作時貼圖量的優化就顯得很重要。在對VRP場景的模型個數和面數優化后，還必須對場景的貼圖量做一個很好的折中優化。貼圖量的優化需要從一開始烘焙貼圖時就要開始遵循一個優化原則：貼圖尺寸用2n次方。烘焙尺寸越大，標志性大型建筑的烘焙貼圖尺寸可以為1024×1024，一般建筑的烘焙貼圖尺寸只要512×512甚至是256×256就可以了，小型實體的烘焙貼圖尺寸只需要128×128[5]。完成后的模型如圖2所示。

圖2 完成后模型效果圖

4 VRP設計

在完成了三維場景的構建之后，利用VRP三維互動平臺設計交互制作。筆者主要設計了動畫相機錄制、導航圖制作、數據庫連接、背景音樂等功能。

1）動畫相機的制作 動畫相機的操作較為簡單，首先在 “創建對象”下點擊 “相機”按鈕，在出現的 “創建相機”面板下選擇 “動畫相機”，按 “F5”進入動畫相機錄制界面，再按 “F11”開始錄制。錄制完成，再按一下 “F11”結束動畫錄制，然后在出現的對話框中為此次動畫錄制起名。

2）導航圖的創建 該系統中使用了二維導航圖來引導用戶漫游整個校園場景，VRP軟件本身提供了導航圖功能。在VRP編輯器上單擊 “編輯界面”下 “創建新面板”的下拉列表中的 “導航圖”選項，創建一個導航圖，然后要為導航圖添加一張圖片，回到 “創建對象”面板下，按住 “G”快捷鍵進入到“Top”視圖中，然后按 “U”快捷鍵，進入到正交狀態下，無透視狀態，把圖適當的放大一些，通過 “高精度抓圖”工具，選擇輸出圖片的路徑，點擊 “抓圖”，輸出一張圖片，接下來，可以通過Photoshop對圖片進行處理，把不需要的部分刪除掉，處理完后保存圖片，接下來再把這張處理過的圖片添加給導航圖。在 “編輯界面”上選擇剛剛建立好的導航圖，在屬性面板的 “貼圖”屬性的 “圖片”的 “選擇”“從VRP瀏覽器中”或者 “從Windows文件中”加入需要的圖片，添加到導航圖上，然后設置其 “平滑模式”為線性，單擊 “恢復貼圖長寬比”使導航圖的比例跟輸出的圖片的比例是一致的，同時也可以在導航圖屬性面板中自定義導航圖名稱，確認名稱的修改。最后設置導航坐標，導航坐標是根據Max中場景的坐標而得到的，上坐標是指場景中Y坐標的最大值，下坐標是指場景中Y坐標的最小值，左坐標是指場景中X坐標的最小值，右坐標是指場景中X坐標的最大值，這個需要根據Max中的值來設置。

3）數據庫連接設置 在VRP功能面板中選擇 “數據庫”，在 “連接數據庫”面板下，第1步，選擇數據庫類型，在下拉列表中選擇常用的 “Access”數據庫；第2步，輸入所建數據庫的路徑，可以通過點擊按鈕來獲取，直接選擇數據庫文件；第3步，輸入用戶名跟密碼，如果為空的話則直接跳過。點擊 “連接數據庫”按鈕，下面的數據庫連接狀態會進行更新，顯示當前的連接狀態。如果連接成功，點擊 “顯示數據”，可以查看數據庫里頭的數據記錄。接下來是進行 “關聯操作”。首先選擇1個VRP的模型，然后選擇1條數據庫的記錄，點擊 “新建關聯”，在下面的列表中會顯示當前已經添加的關聯，如果要刪除的話，可以點擊 “刪除關聯”，可以為不同的模型添加不同數據庫的不同的關聯。

4）設置背景音樂 在VRP編輯器中，點擊 “腳本”，打開 “腳本編輯器”，在系統函數下，單擊“新建”按鈕，在彈出的對話框中單擊 “窗口消息函數”，創建一個初始化函數，在彈出的 “VRP命令行編輯器”中找到 “音樂”，選擇 “音樂”下的 “播放音樂”，在 “音樂文件”的加載按鈕上點擊，打開“音樂設置”，選擇要添加的背景文件，可以試聽，再設置聲道、重復次數，本系統中通過設置了按鈕來控制背景音樂的播放設置。一個 “開啟按鈕”，一個 “停止”按鈕，還有對背景音量的控制。

在VRP中設計完成后的三維場景效果如圖3所示。

[1]劉燕，秦建波，洪智鳳．三維虛擬校園模型構建研究 [J]．數字技術與應用，2011（6）：46-47．

[2]蔡武，陳果，朱志敏，等．基于3DMax和Virtools的礦井虛擬仿真系統設計 [J]．煤炭工程，2011（1）：111-113．

[3]梁智杰，李眾立．VR-Platform校園漫游系統研究與實現 [J]．計算機系統應用，2010（9）：124-127．

[4]劉德利，張亞雙．數字校園三維景觀建模方法的分析與應用 [J]．科技創新導報，2011（5）：73-74．

[5]李芳，肖洪，楊波，等．三維數字校園的設計與實現 [J]．系統仿真技術，2010（1）：71-75．

[6]楊宏艷，史卓，鐘艷如．基于虛擬現實的數字化校園漫游系統設計 [J]．桂林電子科技大學學報，2011（8）：287-291．