校園三維資訊地圖的研究與開發(fā)

文丨陸 欣 麥穎欣 牟 馨

（華中師范大學(xué) 信息與新聞傳播學(xué)院，武漢 430079）

1 引 言

1.1 概述

數(shù)字化校園是我國(guó)高校信息化建設(shè)的重要組成部分，校園資訊服務(wù)是數(shù)字化校園應(yīng)該提供的最基本信息服務(wù)之一，有助于教師和學(xué)生及時(shí)的了解學(xué)校各方面的動(dòng)態(tài)。現(xiàn)有的校園資訊服務(wù)平臺(tái)主要采用文字承載資訊的內(nèi)容，按照時(shí)間順序以列表的形式展示給用戶，供用戶選擇瀏覽。這種列表形式單調(diào)乏味，不能使用戶快速關(guān)聯(lián)資訊的地點(diǎn)等要素，不便于用戶對(duì)資訊信息的檢索與定位。將資訊發(fā)布與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，三維資訊地圖不僅以更加直觀、真實(shí)的方式向用戶展示校園的面貌，同時(shí)方便用戶瀏覽相關(guān)新聞資訊，將大大提升三維地圖的實(shí)現(xiàn)性與交互性。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，美國(guó)大學(xué)虛擬校園的建設(shè)涉及到了教務(wù)科研、圖書館網(wǎng)絡(luò)、學(xué)校管理和學(xué)生日常生活各個(gè)方面，取得的成績(jī)有目共睹。此外，瑞士聯(lián)邦政府早2000到2003年間以特別財(cái)政補(bǔ)貼方式，為州立大學(xué)撥款3000萬(wàn)元瑞郎，鼓勵(lì)在高等教育領(lǐng)域進(jìn)行信息化建設(shè)，建立“瑞士虛擬校園”。澳大利亞的墨爾本大學(xué)、加拿人的多倫多大學(xué)等都有了較為完善的三維校園系統(tǒng)。

我國(guó)和一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，雖然三維地圖、虛擬校園技術(shù)還有一定的差距，但這已引起政府有關(guān)部門和研究者們的重視。國(guó)內(nèi)一些重點(diǎn)院校已積極投入這一領(lǐng)域的研究工作。北京航空航天大學(xué)研究的“分布式虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)與支撐平臺(tái)”獲2002年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。2010年以來(lái)，清華大學(xué)、上海外國(guó)語(yǔ)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校相繼發(fā)布了校園三維地圖、虛擬漫游系統(tǒng)。

限制于數(shù)據(jù)格式、環(huán)境兼容問(wèn)題，以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率不足的原因，已有的大部分校園三維地圖的功能集中于地理查詢、實(shí)景瀏覽以及導(dǎo)航漫游，與用戶的主動(dòng)交互性并不好。對(duì)于校園中建筑的介紹或是過(guò)于簡(jiǎn)單、內(nèi)容死板，或是一成不變，缺少更新，極大程度降低了校園三維地圖的實(shí)用性。

1.3 研究意義及作用

從我國(guó)高校三維地圖研究現(xiàn)狀來(lái)看，將三維地圖平臺(tái)應(yīng)用于信息發(fā)布、交流層面所作的研究較少，仍處于起步階段。隨著網(wǎng)絡(luò)的普及和信息技術(shù)的發(fā)展成熟，用戶對(duì)信息獲取要求、信息篩選標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越高。其中，高校學(xué)生在對(duì)新聞、資訊等數(shù)字化信息進(jìn)行瀏覽時(shí)，特別不滿于連篇累牘的文字堆積，希望得到一種資源呈現(xiàn)真實(shí)性、關(guān)聯(lián)感都更強(qiáng)的形式，并且能夠自主發(fā)表信息進(jìn)行交流互動(dòng)。

構(gòu)建一個(gè)三維的、能實(shí)時(shí)交互的現(xiàn)實(shí)生活中的校園的虛擬三維場(chǎng)景，有著廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。校園三維資訊地圖提供一種嶄新的新聞檢索模式與用戶體驗(yàn)，最大程度體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性，用戶自主發(fā)布地點(diǎn)信息極大提高資源整合的時(shí)效性與吸引力。

1.4 研究?jī)?nèi)容

研究一個(gè)資訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)依托三維的虛擬校園模型，有機(jī)地結(jié)合資源整合系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)具有沉浸感的虛擬環(huán)境。該虛擬環(huán)境是一個(gè)人機(jī)交互系統(tǒng)，能夠以校園模型中的地點(diǎn)為標(biāo)簽，發(fā)布即時(shí)資訊和新聞，促進(jìn)用戶信息交流。校園三維資訊地圖能夠?qū)⑿@各類資訊精確直觀地即時(shí)呈現(xiàn)在三維校園模型的對(duì)應(yīng)地點(diǎn)上，也能使用戶通過(guò)各類網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在擬真的校園環(huán)境中進(jìn)行交流。

1.5 技術(shù)路線

項(xiàng)目將采用的軟件環(huán)境以及技術(shù)路線如下圖

2 校園三維資訊地圖總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)不僅目標(biāo)于展示校園地理信息的綜合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)校園的實(shí)景瀏覽，更重要的是實(shí)現(xiàn)了與校園綜合信息的無(wú)縫連接，例如教務(wù)、學(xué)生、樓宇等信息的整合。一方面用戶可進(jìn)行已有信息的查閱，另一方面注冊(cè)用戶可自行根據(jù)地點(diǎn)坐標(biāo)執(zhí)行信息發(fā)布，并與其他用戶在線交流。本系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）校園立體三維地圖（2）校園地理信息查詢及景觀瀏覽（3）校園新聞資訊發(fā)布（4）用戶發(fā)布信息及在線交流（5）地圖與信息的即時(shí)更新

2.2 系統(tǒng)功能劃分

本系統(tǒng)研究一個(gè)校園三維資訊發(fā)布系統(tǒng)，基于三維立體的虛擬校園模型，結(jié)合資源整合系統(tǒng)，可以以模型中的地點(diǎn)為標(biāo)簽，完成信息的發(fā)布與交流。三維模型為全息模型，可以實(shí)現(xiàn)放大縮小、無(wú)縫接軌、平滑移動(dòng)。信息存儲(chǔ)于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中，可實(shí)現(xiàn)即時(shí)更新與交互。具體包括三大系統(tǒng)的建立：

（1）建立校園三維模型（2）建立資訊管理系統(tǒng)（3）有機(jī)融合校園三維模型和資訊服務(wù)系統(tǒng)

項(xiàng)目中具體功能實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)及模塊設(shè)計(jì)將在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段論述。

3 校園三維資訊地圖的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 校園三維模型建立

3.1.1 底圖預(yù)處理

整個(gè)校園模型建立在真實(shí)校園的底圖上，項(xiàng)目采用基于衛(wèi)星地圖以及數(shù)字化地圖的三維建模。地理地圖是華中師范大學(xué)數(shù)字化地形圖，以及從Google Earth影像上提取的華中師范大學(xué)遙感影像。

3.1.2 模型制作過(guò)程

通過(guò)檔案館、學(xué)校基建處網(wǎng)站以及Google地圖查詢建筑物的長(zhǎng)寬和高度，利用比例尺計(jì)算相對(duì)長(zhǎng)度，將其作為對(duì)建筑實(shí)體幾何建模的高度基準(zhǔn)。按照數(shù)據(jù)，使用長(zhǎng)方體工具建立樓體大致模型，并根據(jù)需要設(shè)置長(zhǎng)寬高的分段數(shù)，便于后期制作細(xì)節(jié)。將模型轉(zhuǎn)換成可編輯多邊形，在面層級(jí)下使用擠壓、切角等操作，配合在點(diǎn)層級(jí)、線層級(jí)下的移動(dòng)、縮放等操作調(diào)整出建筑物的大致形狀。為了盡量減少內(nèi)存占用，門窗等細(xì)節(jié)在模型上省略，通過(guò)后期紋理貼圖實(shí)現(xiàn)。

3.1.3 紋理處理

利用數(shù)碼相機(jī)實(shí)地拍攝或網(wǎng)上下載圖取得紋理源素材，在拍攝時(shí)盡量選用三腳架以便獲取扭曲度更小的紋理。用Photoshop軟件進(jìn)行處理，紋理采集中無(wú)法避免“近景遮擋遠(yuǎn)景”這一情況，但墻面紋理具有大量的重復(fù)圖案，因此可以利用PS中“仿制圖章”等工具對(duì)墻面紋理進(jìn)行，提取基本紋理并重復(fù)消除遮擋。紋理的修正工作還包括光線色彩的修正，修補(bǔ)破損分割圖像，紋理大小的調(diào)整。

為了方便紋理處理和后期貼圖，紋理貼圖皆選擇單面墻角度。在3D MAX中貼圖時(shí)，普通墻面選擇blinn材質(zhì)球默認(rèn)設(shè)置，玻璃材質(zhì)則將高光部分?jǐn)?shù)值調(diào)高，反射值加大，無(wú)反射材質(zhì)則選擇surface材質(zhì)球。在面層級(jí)下對(duì)模型進(jìn)行單面貼圖。由于三維模型最終要導(dǎo)入VRP編輯器當(dāng)中，這要求事先對(duì)紋理進(jìn)行烘焙處理，講分面貼的紋理展開渲染成為整片的紋理貼圖。給完成紋理貼圖的模型增加UVW貼圖修改器，選取長(zhǎng)方體形式，以使材質(zhì)UV貼合模型形狀。再給模型添加展開UVW修改器，選擇渲染-渲染到紋理，烘焙材質(zhì)。保存當(dāng)前UV，新建材質(zhì)球給模型添加烘焙出的貼圖，再次添加展開UVW修改器，加載UV。

3.1.4 修改校園模型

將建立好的建筑物模型按照底圖添加到地形模型上面，按照實(shí)際情況調(diào)整高度。使用面片和透明貼圖建立簡(jiǎn)單的樹木模型。為了方便模型的制作，使用3D MAX的第三方樹木插件制作校園中的樹木。在插件中將內(nèi)置樹木替換為制作好的樹木模型，適當(dāng)調(diào)整模型大小和旋轉(zhuǎn)的隨機(jī)值，使生成的樹木錯(cuò)落有致，更接近真實(shí)情況。在地形欄中加載校園地形，以使生成的樹木能夠貼合地形。設(shè)置樹木數(shù)量，注意，為了避免模型加載時(shí)過(guò)多占用內(nèi)存運(yùn)算，樹木不宜設(shè)置過(guò)多，點(diǎn)擊生成按鈕。調(diào)整或刪除與建筑物模型發(fā)生交叉的樹木模型。給3D MAX添加3D MAX TO VRP插件，生成轉(zhuǎn)換接口。將校園模型轉(zhuǎn)換為場(chǎng)景文件導(dǎo)入VRP中。

3.2 搭建資訊數(shù)據(jù)庫(kù)

校園三維資訊地圖的設(shè)計(jì)和使用涉及到了包括地理、房屋、用戶以及即時(shí)資訊等大量的信息，為了對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的統(tǒng)籌管理，必須對(duì)該系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行合理清晰的劃分。以三維校園資訊地圖用戶為中心，從該系統(tǒng)的實(shí)用性出發(fā)去分析三維校園資訊地圖擬提供的功能，可以得出兩個(gè)基本點(diǎn)，導(dǎo)航和資訊。前者用戶利用導(dǎo)航系統(tǒng)可以快速定位到目的地。后者是通過(guò)用戶界面可以進(jìn)行信息的發(fā)布以及實(shí)時(shí)資訊的獲取。

在對(duì)系統(tǒng)用戶需求所作調(diào)查與分析的基礎(chǔ)上，將用戶需求劃分為登錄系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)三大功能系統(tǒng)，并且將信息系統(tǒng)劃分為信息發(fā)布、信息查詢、導(dǎo)航三個(gè)主要功能模塊。用戶通過(guò)登錄系統(tǒng)進(jìn)入到場(chǎng)景中進(jìn)行活動(dòng)、操作、信息發(fā)布或獲取，并且通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控將用戶相關(guān)信息記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)；管理員通過(guò)操作數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)內(nèi)容對(duì)用戶可以獲取的信息進(jìn)行控制。如用戶可以在操作界面中獲取到管理員發(fā)布的通知、活動(dòng)、新聞等信息。

其中，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)又是三大功能系統(tǒng)的核心，起到聯(lián)系各個(gè)系統(tǒng)、協(xié)調(diào)系統(tǒng)間信息交流、保證系統(tǒng)間信息暢通的功能。校園三維資訊地圖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)功能設(shè)計(jì)分為了5個(gè)部分。包括①用戶登錄系統(tǒng)。用戶名、用戶口令等。②信息發(fā)布模塊。如后臺(tái)信息發(fā)布、定點(diǎn)信息發(fā)布、公共聊天室等。③信息查詢模塊。建筑物固有信息、多媒體信息、通訊信息等。④導(dǎo)航模塊。包括列表導(dǎo)航、定點(diǎn)查詢導(dǎo)航、導(dǎo)航圖導(dǎo)航等。⑤數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。用于對(duì)信息進(jìn)行讀取、存儲(chǔ)和管理，視頻等連接地址。

明確了資訊數(shù)據(jù)庫(kù)的功能劃分后，下一步就進(jìn)行數(shù)據(jù)的主要表的設(shè)計(jì)。根據(jù)每一個(gè)模塊具有的特性設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)基本字段。每個(gè)字段由若干按照某種界限劃分的相同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)項(xiàng)組成。在每一個(gè)記錄包含這行中所有字段的信息。就像在建筑固有信息數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄下包括建筑的名稱、路段、三維坐標(biāo)等全部的信息。

建立了單個(gè)表以后，為了提高數(shù)據(jù)的利用效率以及基于用戶需求差異性而要求的獲得更加準(zhǔn)確的字段值，經(jīng)常在多個(gè)表中進(jìn)行交互式查詢，即通過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)范化中，將多個(gè)表用SQL語(yǔ)句連接起來(lái)或者把一個(gè)表投影分解成多個(gè)符合更高級(jí)范式的表。同時(shí)，出于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性的考慮，為了保護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)信息，并防止不合法的使用所造成的數(shù)據(jù)泄露、更改或破壞，對(duì)不同用戶角色對(duì)于服務(wù)器的訪問(wèn)范圍進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)候?qū)ζ胀ㄓ脩艉凸芾韱T開放不同的管理權(quán)限，并結(jié)合用戶口令等措施保護(hù)數(shù)據(jù)安全。

3.3 VRP中整合三維模型與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

VRP11是國(guó)內(nèi)第一款自主研發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，特點(diǎn)是適用性強(qiáng)、高度可視化。采用該軟件，一個(gè)重要原因正是參與項(xiàng)目的制作人員有比較良好的3DMAX建模和渲染基礎(chǔ)，利用VRPLATFORM平臺(tái)提供的多個(gè)接口模塊功能可以便捷的實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景構(gòu)建。

模型場(chǎng)景創(chuàng)建和咨詢數(shù)據(jù)庫(kù)搭建完成后，將3DMAX中三維模型場(chǎng)景導(dǎo)入VRP中，觀察整體場(chǎng)景顯示效果，檢查模型是否發(fā)現(xiàn)變形及紋理是否正確顯示。在場(chǎng)景中加入燈光，模擬晴天日光環(huán)境，在樓房表面形成陰影效果，增加其立體感和真實(shí)感。設(shè)置攝像機(jī)對(duì)樓房進(jìn)行定點(diǎn)觀察。最后利用VRP中數(shù)據(jù)庫(kù)—模型API將模型和咨詢數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接起來(lái)，使模型上具有數(shù)據(jù)信息，并且通過(guò)表間查詢可以獲取到整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。