基于VRP的數(shù)字校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(東北石油大學(xué)軟件學(xué)院，黑龍江大慶163318）

近幾年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，校園信息化建設(shè)也快速發(fā)展起來(lái)，數(shù)字校園正是校園信息化建設(shè)的重要組成部分。三維數(shù)字校園是校園信息化建設(shè)的高級(jí)階段，是集展示、學(xué)習(xí)、管理等為一體的新型三維數(shù)字化環(huán)境，是利用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和信息化工具實(shí)現(xiàn)從環(huán)境到資源的三維數(shù)字化場(chǎng)景，從而構(gòu)建一個(gè)真實(shí)數(shù)字校園環(huán)境系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各類信息的收集、存儲(chǔ)、展示、查詢等功能，使現(xiàn)實(shí)的數(shù)字校園在時(shí)間和空間上得到融合，從而真正的提升數(shù)字校園建設(shè)的信息化進(jìn)程。三維虛擬校園作為虛擬城市建設(shè)的一部分，正倍受重視，將校園風(fēng)貌用虛擬仿真實(shí)現(xiàn)，既可以為學(xué)校樹(shù)立良好的形象，提高學(xué)校的知名度，宣傳校園文化，讓來(lái)訪者足不出戶就可瀏覽校園風(fēng)光和有關(guān)介紹信息，體驗(yàn)身臨其境的感受，又可以作為校園規(guī)劃的輔助工具，提高校園管理的現(xiàn)代化水平[1]。下面，筆者以東北石油大學(xué)校園及其周邊為例，采用VR-Platform軟件(VRP，Versatile Routing Platform，通用路由平臺(tái)，北京中視典公司）建立具有自由、自動(dòng)漫游、校園導(dǎo)航、信息管理等功能的數(shù)字化校園。

1 功能設(shè)計(jì)

主要設(shè)計(jì)了校園導(dǎo)航、校園漫游、信息管理、視頻監(jiān)控、智能查詢定位和校園服務(wù)等功能。

1）校園導(dǎo)航 校園導(dǎo)航分為二維地圖導(dǎo)航和三維地圖導(dǎo)航。所謂二維地圖導(dǎo)航就是在傳統(tǒng)的二維地圖的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)點(diǎn)擊地圖上的地點(diǎn)，三維場(chǎng)景立即切換到指定地點(diǎn)。這種導(dǎo)航具有簡(jiǎn)潔清晰的特點(diǎn)。三維地圖導(dǎo)航是指將所做的三維場(chǎng)景進(jìn)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(nèi)容豐富、可視化效果強(qiáng)的特點(diǎn)。

2）校園漫游 這一模塊中的自動(dòng)漫游是指相機(jī)或人物自動(dòng)按某一條路線行走為用戶展示校園；自動(dòng)漫游是指用戶通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤在虛擬校園中根據(jù)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(nèi)的建筑、道路、數(shù)目的一些基本信息存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊、鍵入等互動(dòng)行為在相應(yīng)的位置呼出這些信息。

4）視頻監(jiān)控 視頻監(jiān)控是指系統(tǒng)可以和學(xué)校的監(jiān)控系統(tǒng)集成，在能瀏覽虛擬校園的同時(shí)還能對(duì)校園的真實(shí)情況有所了解，進(jìn)一步方便對(duì)學(xué)校的管理。

5）智能定位系統(tǒng) 一方面，可以在輸入框中輸入要查詢的地點(diǎn)點(diǎn)擊查詢按鈕，三維場(chǎng)景就可以切換到目的場(chǎng)景；另一方面，還可以輸入起始點(diǎn)和終點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)尋找出最短路徑，并計(jì)算出兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離和一般步行時(shí)間等。這個(gè)模塊對(duì)以后打造數(shù)字城市也具有很重要的意義。

6）校園服務(wù) 將學(xué)校機(jī)關(guān)單位和二級(jí)學(xué)院下發(fā)的一些招生信息、重要通知等顯示在虛擬布告欄中。

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

首先采集所需的信息，統(tǒng)計(jì)要?jiǎng)?chuàng)建的建筑、樹(shù)木、道路等物體模型，然后利用3DS MAX建模軟件建模構(gòu)建三維場(chǎng)景[2]，之后對(duì)構(gòu)建好的三維場(chǎng)景進(jìn)行三維互動(dòng)設(shè)計(jì)。筆者采用由北京中視典公司推出的VR-Platform三維互動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。該軟件平臺(tái)能和3DSMAX進(jìn)行無(wú)縫結(jié)合，支持3DSMAX的關(guān)鍵幀動(dòng)畫、變形動(dòng)畫和粒子系統(tǒng)等多種功能[3]。系統(tǒng)的構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 三維數(shù)字校園構(gòu)建流程

3 三維建模

目前，用于數(shù)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(yōu)點(diǎn)。數(shù)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(shù)字校園系統(tǒng)的作用[4]。筆者選用操作相對(duì)簡(jiǎn)單、使用靈活的3DMAX進(jìn)行建模。整個(gè)場(chǎng)景共約120萬(wàn)面，600個(gè)模型，壓縮后文件大小約20Mb。場(chǎng)景中主要模型數(shù)據(jù)如表1。

表1 場(chǎng)景主要模型信息表

VRP場(chǎng)景的總貼圖量是影響VRP運(yùn)行速度的原因之一，因此在場(chǎng)景制作時(shí)貼圖量的優(yōu)化就顯得很重要。在對(duì)VRP場(chǎng)景的模型個(gè)數(shù)和面數(shù)優(yōu)化后，還必須對(duì)場(chǎng)景的貼圖量做一個(gè)很好的折中優(yōu)化。貼圖量的優(yōu)化需要從一開(kāi)始烘焙貼圖時(shí)就要開(kāi)始遵循一個(gè)優(yōu)化原則：貼圖尺寸用2n次方。烘焙尺寸越大，標(biāo)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(shí)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(shè)計(jì)

在完成了三維場(chǎng)景的構(gòu)建之后，利用VRP三維互動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)交互制作。筆者主要設(shè)計(jì)了動(dòng)畫相機(jī)錄制、導(dǎo)航圖制作、數(shù)據(jù)庫(kù)連接、背景音樂(lè)等功能。

1）動(dòng)畫相機(jī)的制作 動(dòng)畫相機(jī)的操作較為簡(jiǎn)單，首先在 “創(chuàng)建對(duì)象”下點(diǎn)擊 “相機(jī)”按鈕，在出現(xiàn)的 “創(chuàng)建相機(jī)”面板下選擇 “動(dòng)畫相機(jī)”，按 “F5”進(jìn)入動(dòng)畫相機(jī)錄制界面，再按 “F11”開(kāi)始錄制。錄制完成，再按一下 “F11”結(jié)束動(dòng)畫錄制，然后在出現(xiàn)的對(duì)話框中為此次動(dòng)畫錄制起名。

2）導(dǎo)航圖的創(chuàng)建 該系統(tǒng)中使用了二維導(dǎo)航圖來(lái)引導(dǎo)用戶漫游整個(gè)校園場(chǎng)景，VRP軟件本身提供了導(dǎo)航圖功能。在VRP編輯器上單擊 “編輯界面”下 “創(chuàng)建新面板”的下拉列表中的 “導(dǎo)航圖”選項(xiàng)，創(chuàng)建一個(gè)導(dǎo)航圖，然后要為導(dǎo)航圖添加一張圖片，回到 “創(chuàng)建對(duì)象”面板下，按住 “G”快捷鍵進(jìn)入到“Top”視圖中，然后按 “U”快捷鍵，進(jìn)入到正交狀態(tài)下，無(wú)透視狀態(tài)，把圖適當(dāng)?shù)姆糯笠恍?，通過(guò) “高精度抓圖”工具，選擇輸出圖片的路徑，點(diǎn)擊 “抓圖”，輸出一張圖片，接下來(lái)，可以通過(guò)Photoshop對(duì)圖片進(jìn)行處理，把不需要的部分刪除掉，處理完后保存圖片，接下來(lái)再把這張?zhí)幚磉^(guò)的圖片添加給導(dǎo)航圖。在 “編輯界面”上選擇剛剛建立好的導(dǎo)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(dǎo)航圖上，然后設(shè)置其 “平滑模式”為線性，單擊 “恢復(fù)貼圖長(zhǎng)寬比”使導(dǎo)航圖的比例跟輸出的圖片的比例是一致的，同時(shí)也可以在導(dǎo)航圖屬性面板中自定義導(dǎo)航圖名稱，確認(rèn)名稱的修改。最后設(shè)置導(dǎo)航坐標(biāo)，導(dǎo)航坐標(biāo)是根據(jù)Max中場(chǎng)景的坐標(biāo)而得到的，上坐標(biāo)是指場(chǎng)景中Y坐標(biāo)的最大值，下坐標(biāo)是指場(chǎng)景中Y坐標(biāo)的最小值，左坐標(biāo)是指場(chǎng)景中X坐標(biāo)的最小值，右坐標(biāo)是指場(chǎng)景中X坐標(biāo)的最大值，這個(gè)需要根據(jù)Max中的值來(lái)設(shè)置。

3）數(shù)據(jù)庫(kù)連接設(shè)置 在VRP功能面板中選擇 “數(shù)據(jù)庫(kù)”，在 “連接數(shù)據(jù)庫(kù)”面板下，第1步，選擇數(shù)據(jù)庫(kù)類型，在下拉列表中選擇常用的 “Access”數(shù)據(jù)庫(kù)；第2步，輸入所建數(shù)據(jù)庫(kù)的路徑，可以通過(guò)點(diǎn)擊按鈕來(lái)獲取，直接選擇數(shù)據(jù)庫(kù)文件；第3步，輸入用戶名跟密碼，如果為空的話則直接跳過(guò)。點(diǎn)擊 “連接數(shù)據(jù)庫(kù)”按鈕，下面的數(shù)據(jù)庫(kù)連接狀態(tài)會(huì)進(jìn)行更新，顯示當(dāng)前的連接狀態(tài)。如果連接成功，點(diǎn)擊 “顯示數(shù)據(jù)”，可以查看數(shù)據(jù)庫(kù)里頭的數(shù)據(jù)記錄。接下來(lái)是進(jìn)行 “關(guān)聯(lián)操作”。首先選擇1個(gè)VRP的模型，然后選擇1條數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄，點(diǎn)擊 “新建關(guān)聯(lián)”，在下面的列表中會(huì)顯示當(dāng)前已經(jīng)添加的關(guān)聯(lián)，如果要?jiǎng)h除的話，可以點(diǎn)擊 “刪除關(guān)聯(lián)”，可以為不同的模型添加不同數(shù)據(jù)庫(kù)的不同的關(guān)聯(lián)。

4）設(shè)置背景音樂(lè) 在VRP編輯器中，點(diǎn)擊 “腳本”，打開(kāi) “腳本編輯器”，在系統(tǒng)函數(shù)下，單擊“新建”按鈕，在彈出的對(duì)話框中單擊 “窗口消息函數(shù)”，創(chuàng)建一個(gè)初始化函數(shù)，在彈出的 “VRP命令行編輯器”中找到 “音樂(lè)”，選擇 “音樂(lè)”下的 “播放音樂(lè)”，在 “音樂(lè)文件”的加載按鈕上點(diǎn)擊，打開(kāi)“音樂(lè)設(shè)置”，選擇要添加的背景文件，可以試聽(tīng)，再設(shè)置聲道、重復(fù)次數(shù)，本系統(tǒng)中通過(guò)設(shè)置了按鈕來(lái)控制背景音樂(lè)的播放設(shè)置。一個(gè) “開(kāi)啟按鈕”，一個(gè) “停止”按鈕，還有對(duì)背景音量的控制。

在VRP中設(shè)計(jì)完成后的三維場(chǎng)景效果如圖3所示。

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