三維虛擬校園的場景規劃與實現

楊芳萍 王鵬飛

摘要：隨著數字校園的快速發展，虛擬校園也開始進入人們的眼簾，規劃虛擬校園已成為高校發展的必然趨勢;本論述根據隴東學院的基本情況，采用3dsMax將收集的數據、使用CAD繪制的圖紙進行建模，并通過采用支撐多平臺的游戲開發工具Unity3D的插件實現粒子等效果，完成了學校虛擬場景的創建，使用戶能夠身臨其境的感受到真實場景;采用JSP開發技術、使用多維數據全組合編碼公式優化系統開發過程中的數據分析和存儲技術，改進多維數據存儲方式，解決數據信息隱蔽等問題，完成了對樓宇信息、學生信息及師生便捷服務等管理。

關鍵詞：三維虛擬校園;場景;虛擬天氣;配色方案;全組合編碼

中圖分類號：TP319

文獻標志碼：A

1概述

伴隨著數字校園的快速發展，虛擬校園也開始進入人們的眼簾，人們開始對虛擬校園產生憧憬。隴東學院是一所全日制綜合性省屬普通本科院校，為了讓更多的人們了解學校的辦學條件和辦學水平，更多的有識之士加入到這個大家庭中，加強學校的對外招生宣傳，推廣學校在線辦公等功能，以學校的校園數據和景觀圖像為基礎，構建比二維平面更直觀形象，更逼近校園實景的三維虛擬校園已勢在必行。傳統的虛擬校園都是建立在二維平面地圖和影像地圖的基礎上，已經不能滿足學校對外招生宣傳、校園導航、信息化管理的多元化功能需求。利用最新的計算機虛擬現實技術和網絡技術，產生了最先進的三維虛擬校園技術，三維比二維平面更直觀形象，更逼近校園的實景[1]。

2三維虛擬校園的場景規劃與實現

以隴東學院為模型基礎，采用3dsMax三維建模軟件工具將收集的數據和通過CAD繪制的圖紙進行建模，并通過采用支撐多平臺的游戲開發工具Unity3D的插件實現粒子等效果，完成了學校虛擬場景的創建;再使用Unity3D軟件開發出場景中角色漫游、碰撞檢測等功能，讓使用者能夠身臨其境的感受到真實場景;根據校園環境通過編寫腳本實現場景的四季變換等;采用JSP開發技術，使用多維數據全組合編碼公式實現了樓宇管理系統、學生信息管理系統、便捷服務等功能。當用戶輸入的用戶名和密碼正確無誤后，進入系統主界面，其系統啟動后的界面如圖1所示。

2.1三維虛擬場景的實現

2.1.1三維虛擬場景系統

將學校管理的對象在三維地圖上進行展示，通過三維地圖的輔助更直觀方便的對各個對象進行管理監控，其虛擬場景采用三維虛擬技術，以圖形操作界面的方式實現。虛擬場景具有四級縮放、任意拖動、快速導航、鷹眼、測距、綜合查詢、地圖調用、快速信息標注、分享等功能。場景的季節設計采用渲染技術，實現了春、夏、秋、冬、雪、夜場景季節景色的變化[2]。場景支持互聯網瀏覽，根據天氣預報接口獲取天氣狀況，用戶可以選擇前后7d的氣象信息，并顯示在虛擬場景中，系統能夠根據時間顯示晝、夜、春、夏、秋、冬、節日等多種組合場景。虛擬校園場景上配有各類建筑的實景照片，并在一些位置制作全方位實景視頻。同時采用全息數字展示，最終模擬全息投影顯示的結果形成真實、立體感強、形象逼真的場景。點擊圖1上方的復選框場景按鈕，并分別單擊春、夏、秋、冬等按鈕，就實現了四季的不同基本場景，如圖2所示。

三維虛擬校園場景不僅實現了四季等的基本場景，而且還可根據互聯網天氣預報接口讀取天氣信息，并按照陰、晴、雨、雪、多云的天氣狀況、根據節假日情況增加了節日動態特效，將四季、晝夜、天氣、節日等信息可根據情況任意組合，最多達到了40多種場景的組合，比如夜間雪景場景如圖3所示。

2.1.2數字化配色方案

對于點、線組成的圖，受縮放、斜切、旋轉、透視等因素影響較大，容易產生其他圖案及紋理;圖案和圖像縮放受影響不大，受斜切、旋轉、透視等不對稱拉伸影響變化較大等問題要進行基線誤差處理。在圖像引用過程中，應考慮因硬件制約，致使原點、線構成的圖形（圖案）出現清晰的紋理等問題，應盡可能采用誤差修正方式，采用近似虛化點線彌補效果不足。因此，在完成三維虛擬場景的圖像效果處理過程巾，其程序生成配色方案主要以RGB格式為基礎建立的色彩對比模型，有9個小的單元格組成，中間為對比色，周圍為背景色[4]，主要從以下幾個方面來完成。

（1）對比色R（0.128.255）G（0.128.255）B（0.128.255）采用自由組合的方式產生，即以128為基色值，共有3*3*3=27種。

則設有A為變化值總數：A=3，i為A的變量i=0，1，2，N為對比色的總數：N=3^3=27，L為RGB控制變量L=A^i.count。

對比色的生成為RGB（Int（L/（A^i.count）Mod A*基色值），（L/（A^i.count） Mod A*基色值），（L/（A^i.count） Mod A*基色值）。

（2）當i.count因程序控制變量變化時，i由0到2變化，與基色值相乘得到對比色的RGB值。對比色的基色值為128[3]，見表1所列。

（3）背景色R（0.64.128.192.255）G（0.64.128.192.255）B（0.64.128.192.255）采用自由組合的方式產生，即以64為基色值，共有5*5*5=125種。

對比色的生成為RGB（Int（L/（A^i.count）Mod A*基色值），（U（A^i.count） Mod A*基色值），（U（A^i.count） Mod A*基色值）。

（4）當i.count因程序控制變量變化時，i由0到2變化，與基色值相乘得到對比色的RGB值[3]。

（5）在其生成的數字化配色方案中，為了方便制作者的查找使用，在配色方案下附加背景色及對比色的RGB值。在色彩的擴展中，采用紅、綠、藍各自同時擴展，將色彩顯示在同一個平面上，每行顯示綠擴展，每3個單元為一次，每行5次;藍擴展采用列擴展，每3個單元為一次，擴展5次;紅色采用跳躍擴展，紅色不變綠藍同時擴展，紅色擴展后綠藍再次擴展[3]，完成了配色方案的擴展算法。

2.2樓宇信息管理系統

分別點擊圖1下方的“樓”“院”“學”“商”“醫”等按鈕，根據建筑的不同類型可實現不同的系統功能。單擊“樓”按鈕，進入了“樓宇信息管理系統”，可以瀏覽到隴東學院所有樓宇的“樓院編號”“樓院名稱”“負責人”“聯系電話”“地址”“層數”“其他”“操作”等功能，在該頁面中可以預覽到25條樓宇記錄，并且也可單擊該頁面下方的“首頁”（“尾頁”）按鈕，直接瀏覽首頁（尾頁）記錄的樓宇信息，也可單擊該頁面下方的“上一頁”（“下一頁”）按鈕，直接瀏覽上一頁（下一頁）記錄的樓宇信息;還可通過“操作”功能的“詳情”，詳細的了解某棟樓宇的所有資料信息信息;通過“修改”按鈕，修改某樓宇的“樓宇名稱”“負責人”“聯系電話”“層數”“地圖坐標”“地址”“地圖覆蓋物”等;修改的“地圖坐標”的“X”和“Y”這兩個參數，它不是地圖覆蓋物的地圖坐標，而是通過GIS基點換算而來的坐標相對值，其基點在左上方[4];修改的“層數”中的“瀏覽”參數，它指的是數據采集到并添加樓院照片的文件;修改的“地圖覆蓋物”中的“瀏覽”參數，它指的是數據采集到的樓院上面發光的物體標記文件[5];在“樓宇信息修改”對話框中，如果需要確定修改操作，那么需要單擊保存“按鈕”，否則單擊“取消”按鈕;在該頁面的右上方位置處，通過單擊“添加”（“刪除”）按鈕，也可添加或者刪除該樓宇管理系統中樓宇記錄，也可通過“查詢”按鈕，使用“樓宇編號”查詢某棟樓宇的相關記錄信息。具體操作界面如圖4所示。

通過該系統，也可以查看某棟樓宇的基本情況介紹，在圖1中點擊某棟學生宿舍樓，可以瀏覽到這棟樓所有宿舍居住學生的基本信息，如圖5所示。

2.3學生信息管理系統

在該系統中實現了對隴東學院所有學生通過“學號”“姓名”“性別”“出生年月”“籍貫”“院系”“專業”“民族”“政治面貌”“學籍狀態”“聯系電話”學生信息管理等功能;也可通過“修改”按鈕，修改學生的基本信息;也可在該頁面的右上方位置處，通過單擊“添加”（“刪除”）按鈕，添加或者刪除該學生新項目管理系統中學生的記錄，也可通過“查詢”按鈕，使用“學號”查詢學生的相關記錄信息;為了進一步優化系統開發過程中的數據分析和存儲技術，運用了基于邏輯運算的全組合編碼公式，改進了多維數據存儲方式、優化了程序邏輯結構、解決了數據信息隱蔽等問題[6]。

2.3.1全組合編碼公式

對多維數組Array n1…nm中任意元素Array a1…am的權重：

Arraya1…am=Array a1…am×R1a1-1…Rmam-1（1）

最終編碼Code：

Code=∑……∑∑Arraya1…am

（2）

R1>=MAX{Array n1，n2，…nm）+1

（3）

Rh>=R 且Rh∈{2i|i>=1），1

如果Array k1，k2…km在Array n1，n2…nm中由無到有，則：

Code=Code+Arrayk1，k2…km。

（4）

2.3.2判定公式

如果Array k1，k2…km在Array n1，n2…nm中由有到無，則：

Code=Code-Arrayk1，k2…km

（5）

對于任意元素Array k1，k2…km的判斷是這樣的：

Arrayk1，k2…km L Code

（6）

用以下算法進行判斷：

If Jud=Arrayk1，k2…km Then

Arrayk1，k2…km存在于Code中

Else

Array k1，k2…km不存在于Code中

End If。

2.4師生便捷服務系統

采用JSP開發技術，實現了師生在線便捷服務的功能。當不同的用戶輸入正確的用戶名和密碼后即可進入便捷服務系統界面。學生可以進行課堂考勤的簽到等功能，教師可以通過該系統進行請假、發起課堂考勤、查看自己的課表等功能，具體操作截圖界面如圖6所示。

3結束語

數字化校園就是通過虛擬三維技術將管理、服務的提供者與每個學生信息相聯結，使學校的管理者與學生之間通過網絡實現管理、交流、教學等工作。學生可以在任何時間任何地點獲得學校信息、相關服務和教學活動，教師可以在線便捷辦公，從而營造出了一個“無網而不在”豐富多彩的虛擬學校。

參考文獻：

[1]范圍華.基于Unity的虛擬校園漫游系統的設計與實現[J].安徽農業科學，2016，44（1）：325-327.

[2]馮新玲.三維虛擬校園交互漫游系統的設計與實現[D].南京：南京理工大學，2018.

[3]李娜.基于全組合算法的數字化配色方案分析[J].電腦知識與技術，2014，10（4）：803-805.

[4]張會霞，馬神兵，張亦弛.基于三維GIS的虛擬校園環境研究[J].測繪通報，2017（6）：118-121.

[5]高小六.數字地圖的應用現狀及前景分析[J].赤子，2015（1）：318.

[6]劉正岐，郭濤.基于邏輯運算的多維數據全組合編碼算法研究[J].物聯網技術，2011（9）：41-44.

收稿日期：2020-06-08

基金項目：甘肅省自然科學基金項目（項目編號：18JR3RM234）。

作者簡介：楊芳萍（1977-），女，漢族，甘肅甘谷人，大學本科，副教授，主要從事計算機教育工作。