基于VrMap的三維虛擬校園的研究與實現

黃長軍,胡麗敏,周青山,曹元志 (湖南城市學院城市建設系,湖南益陽413000)

目前很多學校已經建立了二維的校園地理信息系統,在學校信息數字化管理等方面發揮了一定的作用[1]。隨著虛擬地理環境的概念及技術的提出,虛擬現實和三維GIS等技術越來越多地應用到校園中。在虛擬現實地理信息系統技術的支持下,構建的校園三維可視化場景漫游管理系統,能實現校園的交互漫游;建立的校園查詢系統,可實現對校園各個建筑物的查詢。虛擬現實生成的逼真三維視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等虛擬感覺世界,通過Internet直接作用于用戶,使之產生身臨其境的效果,尤其是與其中的物體進行實時交互后,使人產生與計算機融為一體的真實感,為大學在網絡上建立三維虛擬校園,宣傳大學形象和校園文化無疑是非常重要的,也是普通網頁所無法比擬的[2]。筆者以湖南城市學院朝陽校區為例,以三維地理信息系統軟件VrMap3.0為開發平臺構建三維虛擬校園管理系統。

1 系統的設計

1.1 系統架構

該系統采用了B/S層結構,包括客戶端、Web服務器、GIS服務器、數據庫服務器。客戶端由VrMAP Brower瀏覽器、標準的HTML瀏覽器、用戶端構件組成。如圖1所示。

Web服務器采用了Sun公司推出的 Tomcat5.0。Web服務器的功能主要是接收客戶端發出的查詢請求,然后向應用服務器發出客戶請求,最后將應用服務器的結果返回客戶端[3]。GIS服務器采用靈圖公司提供的組件式開發工具VrMap SDK與Visual Basic語言自主開發。可實現空間信息查詢、屬性信息查詢、距離測算、最短路徑查詢等空間分析功能。數據庫服務器用于管理虛擬校園的三維地理對象與多用戶有關的數據。

圖1 系統組成結構圖

1.2 系統功能設計方案

基于VRMap軟件平臺構建的三維虛擬校園管理系統,需增強對校園工作管理與決策分析手段:①首先要獲取校園的基礎數據,并對源數據進行整理和數據庫建設;②利用三維虛擬仿真的一些實現技術模擬出校園環境,以三維地圖的形式體現;③建立相應的空間數據庫,并根據用戶需求實現所需方位或地點的查詢功能、漫游功能、最佳路線指明功能;④對校園管理要素與三維空間進行整合,實現三維空間內的要素關系查詢和分析。VrMap3.0是采用COM作為系統架構技術,這使得系統擁有良好的開放性和擴展性,利用這些特性,可以根據用戶的需要,靈活定制與構建個性化的三維解決方案,為決策者進行宏觀的空間決策與動態管理提供科學依據。系統技術路線如圖2所示。

2 三維校園模型的建立

按照先搭建三維仿真場景,后開發系統功能的順序來開發三維虛擬系統 (二維底圖見圖3)。在湖南城市學院朝陽校區的數字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)上,疊加地面紋理、地物模型等。DEM數據顯示校園地形地貌,地物模型反映各個建筑單體的具體方位和結構。

2.1 地形建模

DEM是大范圍三維地形建模的數據基礎,由DEM和DOM(數字正射影像)疊加生成的三維數字地面模型,是構建三維場景的底層數據。DEM數據 (Mapinfo*.mif或ArcView*.shp格式)、DOM數據 (校正好的且帶有地理坐標,*.tif或者*.bmp格式)通過VrMap Terra進行編譯后,轉換成VrMap數據集后才能進行進一步的疊加[4]。

2.2 地物建模

除了地形建模,場景中還包括建筑、道路、樹木等復雜物體的建模 (如圖4),這些物體的建模需要借助于三維建模軟件3DSMAX或Sketch up完成,再導入到VRMap場景中。VrMap還支持紋理映射、凹凸紋理、LOD(Levels of Detail)、公告牌 (Billboard)、透明貼圖等技術,在建模過程中充分利用這些技術,能夠有效提高系統性能。

圖3 二維底圖

圖4 紋理映射前三維建筑建模

場景中除了建筑之外還有很多植被,如果簡單的用建模來表現它們,不但達不到理想的效果,而且還要消耗巨大的系統資源。筆者采用Billboard技術,與透明貼圖技術結合逼真的構建樹木、行人、電線桿等模型,來實現用貼圖表現模型細節的目標[5]。另外,利用VrMap3.0的LOD功能,在場景中為每個復雜且需要精細表現的建筑單體做3個不同精細度的模型,為它們設置不同的可視距離,根據視點的遠近,自動調節看到的模型的詳細程度,來提高系統性能。

2.3 建模優化

影響三維模型瀏覽速度的重要因素之一是窗體視野內的三角面數或三角面密度,而三角面數是由3DSMAX或Sketch up建模的時候確定的[5]。因此在建模之初,須在最節省或比較節省三角面的基礎上做出與實際物體很接近的模型。建模的段數設置要精簡,在保證模型結構正確的情況下盡量優化。例如對于弧形的屋頂裝飾,直徑0.5m以內的小于半圓的弧形,段數為3或4,更大的 (如半圓陽臺或頂棚)為5段。如遇2模型相接的情況,如水平相接或地面相接等,將看不見的接觸面刪除;在建立模型時如必須用布爾、形體合并或切面時,要將邊緣多出的線條合并或去除;模型制作完畢后執行Smooth命令,以確保模型的結構面光滑。圖5是經過優化后的湖南城市學院第二教學樓的三維模型。

2.4 紋理映射

紋理映射數據是三維實體的表面所呈現的紋理信息。為了使得建筑模型更加逼真,大部分的紋理映射是通過現場拍攝取得的,但并非建筑物的每一個細節都需拍攝下來。例如窗戶和陽臺,整棟建筑物只需挑選2、3個雜物 (衣服,花盆,防盜網)較少的對象拍攝,將其處理后選擇最完美的一張作為該棟建筑物所有窗戶和陽臺的紋理底圖。通常為了減少后期紋理圖片處理的時間,在拍攝的過程中需注意:①選擇光線好的天氣拍攝,但要避免陽光直射;②盡量保證紋理照片在水平方向拍攝;③紋理映射的像素數量宜為2n,正方形排列,如128×128、256×256,512×512等;④剛貼上的圖片有些面是很不規則的,所以需要給這些面添加UVW貼圖坐標修改器,在這個修改器中修改貼圖的重復值、貼圖的投影方式,保證相鄰2個面的貼圖的窗縫、門縫、磚縫等對[6]。圖5為紋理映射后的湖南城市學院第二教學樓效果圖。

圖5 湖南城市學院第二教學樓優化效果

圖6 湖南城市學院第二教學樓紋理映射效果

3 虛擬校園的開發與實現

3.1 開發方式

VrMap3.0基于全組件式體系結構,具有良好的開放性和擴展性。湖南城市學院三維虛擬校園瀏覽系統基于B/S結構,在三維軟件平臺VrMap下利用VrMap IMS發布三維場景,利用VrMap3.0企業版自帶的VrMap3.0 SDK組件包進行開發,VrMap3.0 SDK將所有核心層的接口全部開放,甚至可以進行驅動層的開發。利用VrMap3.0提供的三維GIS組件,選用Visual Basic6.0組件開發的編譯器進行開發,構建自己的應用系統[7]。圖7為系統的主界面。

3.2 系統功能

目前,基于VrMAP與VB6.0建設的虛擬校園系統其功能多集中于以下幾個方面:

1)三維場景展示與導航 通過瀏覽工具的放大、縮小、移動和旋轉等常規操作,全面地反映校園地理信息的現狀,包括各類建筑物的空間位置、分布及其相互關系,以及校園整體的三維全景演示。另外,可以實現導航圖實時定位主圖,導航圖與主圖間進行快速切換。通過鷹眼圖的點擊進行快速定位。還可以選擇不同的瀏覽視角,主視角瀏覽和場景瀏覽的差別在于視角中心點不同。

2)數據管理及輸出 由于系統的空間信息和屬性信息都實現了數據庫管理,可以生成用戶所需的各種數字化產品,同時可按各種條件生成和輸出各種圖表和報表。

3)線路定制飛行 可以在三維場景的目標區內繪制線路 ,瀏覽三維場景。該線路可以保存,便于以后調出瀏覽。瀏覽時可以設置速度、循環瀏覽和反向瀏覽。圖8為線路飛行界面。

4)屬性查詢 快速準確地進行建筑物、管網信息的檢索查詢和定位,進行各種統計分析和空間分析,為管理和設計規劃提供準確而詳細的數據,這種檢索查詢是雙向的,既可以根據圖形查屬性,又可以根據屬性顯示相應的圖形,圖9為查詢結果界面。

圖7 三維虛擬校園瀏覽系統主界面

圖8 線路飛行界面

5)圖層管理 系統將建筑模型、地名標注等信息進行分層管理,瀏覽該系統時可以通過控制圖層來進行多種規劃方案管理比選。

6)空間分析 基于VrMAP的虛擬校園不僅具有一般的瀏覽、屬性查詢,還可以進行空間分析,如緩沖區分析、疊置分析、網絡分析等。在此基礎上,系統提供了多種GIS分析,包括水平測距、垂直測距、空間量測、水平測面、兩點通視分析等功能。如建立緊急事故處理系統:當災害發生時,通過信息的快速查詢和空間分析功能,動態顯示受影響的范圍,快速制定搶救方案,如應封鎖哪些區域等。

7)打印出圖 系統提供了雨、雪、霧等天氣設置功能,在多種天氣情況下瀏覽三維場景,可以展示校園規劃的不同效果。系統可以把當前的窗口的三維場景打印出圖。

圖9 瀏覽系統查詢結果界面

3.3 系統的發布與運行

建好的三維地圖通過VrMAP IMS進行網絡發布,客戶端通過客戶端瀏覽器 (VrMap Browser)后即可進行瀏覽、查詢;還可以進行空間操作以及各種空間分析。

4 結 語

該系統把虛擬現實技術和GIS技術相結合,基于三維地理信息系統平臺軟件VrMap3.0,以現有的二維GIS數據為基礎,構建了直觀的三維虛擬場景,為實現校園規劃管理現代化提供了一種有效的手段。校園三維景觀可視化為校園規劃設計提供了一種最直觀的表現形式。基于全景圖像的虛擬現實技術有助于校園房產管理,同時將基于全景圖像的虛擬現實界面應用到校園網網頁設計中[8],可以改變傳統的單純基于文本和圖形的用戶界面設計,使得通過計算機網絡查詢和訪問校園信息更為方便。隨著虛擬現實技術與虛擬地理環境學科的逐漸成熟,虛擬校園將增添更加豐富的內容,如網上虛擬課堂、虛擬實驗室、虛擬社團等。虛擬校園必將成為數字校園的主要表現形式。

[1]黃長軍,趙吉先.IMAGIS在校園三維可視化中的應用 [J].水利科技與經濟,2005,(11):574～575.

[2]曲巨寶,梁洪濤.基于VRM L的三維虛擬校園漫游系統研究 [J].現代計算機,2007,(3):99～101

[3]吳丹,陳春來.虛擬華東師范大學系統設計與實現 [J].電腦開發與應用,2006,(4):17～19.

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[5]羅敏.基于VrMap與Sketch up的城市三維模型構建 [J].福州大學學報,2009,(37):353～356.

[6]孫春生,吳軍,陳丹清.三維城市建模中的建筑墻面紋理快速獲取 [J].武漢大學學報,2005,30(9):766～768.

[7]吳闖,仲偉政.基于B/S結構的濟南市三維影像瀏覽系統設計與實現 [J].城市勘測,2008,(4):21～23.

[8]江輝仙,張文開.基于VRGIS的虛擬校園三維仿真技術應用 [J].福建師范大學學報 (自然科學版),2006,(2):109～113.