基于Unity 3D的宿舍管理系統(tǒng)的研究

王一帆　王辰啟　陳翔宇　梁創(chuàng)恒　劉亞萍　高艷平

關(guān)鍵詞：Unity 3D；三維；三維展示；可視化；管理系統(tǒng)

中文分類號(hào)：TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）36-0056-03

1 概述

宿舍是在校期間學(xué)生生活和學(xué)習(xí)的重要場所，是學(xué)校對(duì)學(xué)生開展思想品德教育的第二課堂，是傳播新時(shí)代精神的戰(zhàn)略要地。《中國教育現(xiàn)代化2035》提出如下戰(zhàn)略性要求：建設(shè)智慧高校，結(jié)合生物特征識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、虛擬現(xiàn)實(shí)等方面對(duì)高校科研、教學(xué)、管理、服務(wù)等業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)改造[1]。

現(xiàn)在，很多高校依然采用傳統(tǒng)的人工管理方式管理宿舍，主要依靠學(xué)生工作部門、保衛(wèi)處、后勤以及各學(xué)院的輔導(dǎo)員綜合管理宿舍，這些部門的成員對(duì)于管理宿舍的工作認(rèn)知不盡相同、管理能力參差不齊，在具體到管理的過程中，很難落實(shí)自身的管理職責(zé)，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致管理體系的混亂。這就出現(xiàn)了在實(shí)際管理的過程中，某一板塊無人管理的松散現(xiàn)象，使得學(xué)生宿舍管理工作不能落到實(shí)處、存在漏洞。同時(shí)，當(dāng)宿舍管理出現(xiàn)問題時(shí)，各部門之間容易因?yàn)樨?zé)任落實(shí)得不到位、相互推諉責(zé)任、無法實(shí)際落實(shí)責(zé)任。因此，學(xué)生宿舍管理工作目前體系仍存在較多漏洞，有待改進(jìn)。

根據(jù)《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》[2]的精神指導(dǎo)，“智慧校園”成為現(xiàn)如今高校順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的新方向，以物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)為載體，將校園管理、校園生活以及教育教學(xué)等系統(tǒng)升級(jí)轉(zhuǎn)型是未來一段時(shí)間內(nèi)的迫切需求。新型的智能化系統(tǒng)有著高效、安全、有效等突出優(yōu)勢，正在逐漸替代傳統(tǒng)的管理模式，寢室管理也應(yīng)該加以改進(jìn)，順應(yīng)發(fā)展趨勢。

在此背景下，為提升宿舍管理的效率，對(duì)現(xiàn)代化宿舍管理系統(tǒng)進(jìn)行了假設(shè)和進(jìn)一步驗(yàn)證。系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將宿舍狀態(tài)信息及時(shí)上報(bào)至平臺(tái)，實(shí)時(shí)顯示在數(shù)字大屏上，同時(shí)具有通過上傳圖片，對(duì)地面、桌面進(jìn)行垃圾識(shí)別打分等功能，在加強(qiáng)宿舍管理的同時(shí)，大幅度提高了管理的效率。

2 Unity 3D 宿舍管理系統(tǒng)的開發(fā)流程與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 開發(fā)流程

宿舍管理系統(tǒng)的開發(fā)與通常的軟件開發(fā)有著相同的流程，依次是需求分析、概要分析、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼、測試[3]。系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)為建立一套可交互三維展示宿舍管理系統(tǒng)，因而其開發(fā)流程主要分為兩部分。

2.1.1 創(chuàng)建宿舍場景以及宿舍樓有關(guān)3D模型

本部分主要工作是利用Unity3D構(gòu)建宿舍真實(shí)模型，Unity3D作為現(xiàn)在流行的3D建模軟件有著良好的跨平臺(tái)性，同時(shí)支持資源的導(dǎo)入大大簡化了構(gòu)建模型的流程。

2.1.2 通過編寫C# 腳本，實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境間的互動(dòng)[4]

本部分主要工作是在Unity3D中編寫操作有關(guān)腳本，實(shí)現(xiàn)實(shí)際功能與3D模型的結(jié)合，使得構(gòu)建的3D模型具有交互功能。系統(tǒng)的開發(fā)流程包括編寫后端功能，構(gòu)建3D模型，導(dǎo)入3D模型，編寫交互腳本，實(shí)際測試等5部分，具體流程如圖1所示。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)即把所有物品通過射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理的系統(tǒng)[5]。5G時(shí)代的到來使得設(shè)備間通信更加高速、便捷，智能化家居也是如火如荼地發(fā)展，許多設(shè)備都支持了互聯(lián)網(wǎng)的管理與互動(dòng)。宿舍作為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，宿舍智能化是有現(xiàn)實(shí)意義的。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用各種感測系統(tǒng)（如溫感、煙感、門禁觸感、氣感、防盜探測器等）以及防盜報(bào)警、消防報(bào)警、求救求助等報(bào)警系統(tǒng)組成學(xué)生宿舍智能防盜防火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)宿舍狀態(tài)的實(shí)時(shí)更新，可以降低人工成本、提高工作效率。

2.2.2 Unity3D構(gòu)建模型

Unity 3D也稱Unity，是由Unity Technologies公司開發(fā)的實(shí)時(shí)3D互動(dòng)內(nèi)容創(chuàng)作和運(yùn)營平臺(tái)[6]，可用于創(chuàng)作、運(yùn)營和變現(xiàn)任何實(shí)時(shí)互動(dòng)的2D和3D內(nèi)容，支持平臺(tái)包括平板電腦、手機(jī)、PC、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備[7]。

通過Unity3D，可以實(shí)時(shí)地渲染并實(shí)現(xiàn)各種AR和VR互動(dòng)體驗(yàn)。不同于市面上相似的管理系統(tǒng)，基于Unity3D的宿舍管理系統(tǒng)突出在三維展示上。本項(xiàng)目利用3D建模把宿舍的各個(gè)場景通過Unity3D這一平臺(tái)部署在大屏上可視化顯示，使得管理人員可以很直觀地檢查各宿舍的狀況，同時(shí)，得益于Unity3D的跨平臺(tái)性，可以將管理系統(tǒng)的3D模型便捷地部署在各種移動(dòng)設(shè)備上。

2.2.3 基于Unity 3D的3D交互

Unity3D引擎支持多種語言作為腳本語言，其中C#語言使用最為廣泛，也最為貼近于面向?qū)ο蟮木幊趟枷隱8]。本研究中使用C#作為交互動(dòng)作開發(fā)語言，實(shí)現(xiàn)宿舍管理過程中的3D交互。

三維宿舍管理系統(tǒng)是宿舍管理場景的真實(shí)再現(xiàn)，為管理人員提供三維的信息展示、宿舍瀏覽和虛擬交互等功能。在Unity3D平臺(tái)中，以上功能的實(shí)現(xiàn)依賴3D拾取、碰撞檢測以及攝影機(jī)的運(yùn)動(dòng)等技術(shù)。

管理人員可以通過簡單地勾選對(duì)相應(yīng)宿舍進(jìn)行管理操作，選中宿舍樓層后可以通過控制攝像機(jī)在場景中的移動(dòng)，進(jìn)行視角的調(diào)整從而更加直觀地觀察樓層各宿舍的門窗狀態(tài)。

通過給攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)控制腳本，實(shí)現(xiàn)視角的移動(dòng)，代碼內(nèi)容如下：

void Update（）{……

if（Input.GetKey（KeyCode.UpArrow））{

move=move-Speed*Time.deltaTime；

transform.Translate（new Vector3（0，0，move））；

}

//相關(guān)操作

}

2.2.4 Microsoft Azure Face API 人臉識(shí)別服務(wù)

Azure 人臉服務(wù)提供用于檢測、識(shí)別和分析圖像中人臉的AI 算法。人臉識(shí)別軟件在許多不同情形中都十分重要，例如身份驗(yàn)證、無接觸訪問控制和實(shí)現(xiàn)隱私的人臉模糊[9]。

利用微軟的人臉認(rèn)知服務(wù)能夠便捷地比對(duì)人臉信息并返回相似置信度。在宿舍的人員管理中宿舍門禁一直存在管理松散的問題，大多數(shù)高校依然采用一卡通識(shí)別的方式，存在典型的認(rèn)卡不認(rèn)人的情況。通過人臉識(shí)別，可以有效加強(qiáng)宿舍人員進(jìn)出的管理，杜絕外來人員進(jìn)入帶來的隱患。

檢索人臉鼻子和瞳孔的位置特征確定人臉位置，分析人臉特征，最后返回人臉特征結(jié)果，代碼如下。

foreach （var face in faces3）

{

var attributes = face.FaceAttributes;

var age = attributes.Age;

var gender = attributes.Gender;

var smile = attributes.Smile;

var facialHair = attributes.FacialHair;

var headPose = attributes.HeadPose;

var glasses = attributes.Glasses;

var emotion = attributes.Emotion;

}

利用返回的人臉特征可以很容易地實(shí)現(xiàn)兩張圖片的對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別，具體效果如圖2。

2.2.5 Computer Vision API 處理圖像

計(jì)算機(jī)視覺圖像分析服務(wù)可以從圖像中提取各種視覺特征。例如，該服務(wù)可以確定圖像是否包含成人內(nèi)容、查找特定的品牌或?qū)ο螅虿檎胰四榌9]。

在本研究中，宿舍整潔程度的量化考核以往需要宿管的人工評(píng)分，不僅耗時(shí)耗力，而且存在評(píng)分不夠客觀的情況。通過計(jì)算機(jī)視覺服務(wù)，讓計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)并識(shí)別圖片，可以大幅度減少類似的重復(fù)性人工工作。

學(xué)生上傳宿舍實(shí)時(shí)照片，系統(tǒng)根據(jù)圖片中的垃圾等物品進(jìn)行識(shí)別并打分，算作宿舍考核中的一項(xiàng)內(nèi)容，可以有效減少人工成本的同時(shí)督促到宿舍的衛(wèi)生，垃圾識(shí)別效果如圖3。

2.3 項(xiàng)目優(yōu)勢

三維可視化宿舍管理系統(tǒng)主要優(yōu)勢在于物聯(lián)網(wǎng)和三維可視化。通過將物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用到宿舍中去，有效解決了傳統(tǒng)管理模式中的信息量龐大且復(fù)雜、統(tǒng)計(jì)信息過程繁瑣等問題；而三維可視化更是符合人體工程學(xué)的預(yù)期，將數(shù)字的東西通過實(shí)體化的方式展示，更符合人們的認(rèn)知，能夠更加直觀地將宿舍狀態(tài)實(shí)時(shí)展現(xiàn)給管理者，大大簡化了宿舍管理工作，同時(shí)降低了管理成本、提升了管理效率。

此外，在系統(tǒng)中，還運(yùn)用到了人臉識(shí)別、圖像處理等AI技術(shù)。與人工管理方式相比，計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)沒有主觀意識(shí)的局限性而擁有更高的準(zhǔn)確性。因此，在宿舍安全、宿舍環(huán)境量化評(píng)比中，能夠營造更加安全、公平、可靠的機(jī)制。

3 結(jié)束語

三維可視化宿舍管理系統(tǒng)是在《國家新一代人工智能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》指導(dǎo)下的新時(shí)代產(chǎn)物。根據(jù)黨中央的精神指導(dǎo)，未來將按照“統(tǒng)籌規(guī)劃，分類施策，市場驅(qū)動(dòng)，急用先行，跨界融合，協(xié)同推進(jìn)，自主創(chuàng)新，開放合作”等原則，立足國內(nèi)需求，兼顧國際，建立國家新一代人工智能標(biāo)準(zhǔn)體系，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)頂層設(shè)計(jì)與宏觀指導(dǎo)[10]。

智慧校園的發(fā)展在路上，未來的宿舍管理是智慧校園的發(fā)展目標(biāo)，也是現(xiàn)階段宿舍管理發(fā)展的必然趨勢。三維可視化宿舍管理系統(tǒng)與現(xiàn)有的管理系統(tǒng)相比較有著更加直觀的數(shù)據(jù)展示，針對(duì)傳統(tǒng)管理的費(fèi)時(shí)費(fèi)力等狀況，提出了新穎的、符合未來發(fā)展趨勢的三維管理模型，對(duì)減少管理成本、提高宿舍管理效率、杜絕風(fēng)險(xiǎn)隱患等有重要的意義。