校園三維資訊地圖的研究與開發

文丨陸 欣 麥穎欣 牟 馨

（華中師范大學 信息與新聞傳播學院，武漢 430079）

1 引 言

1.1 概述

數字化校園是我國高校信息化建設的重要組成部分，校園資訊服務是數字化校園應該提供的最基本信息服務之一，有助于教師和學生及時的了解學校各方面的動態?，F有的校園資訊服務平臺主要采用文字承載資訊的內容，按照時間順序以列表的形式展示給用戶，供用戶選擇瀏覽。這種列表形式單調乏味，不能使用戶快速關聯資訊的地點等要素，不便于用戶對資訊信息的檢索與定位。將資訊發布與虛擬現實技術結合，三維資訊地圖不僅以更加直觀、真實的方式向用戶展示校園的面貌，同時方便用戶瀏覽相關新聞資訊，將大大提升三維地圖的實現性與交互性。

1.2 國內外研究發展現狀

近年來，美國大學虛擬校園的建設涉及到了教務科研、圖書館網絡、學校管理和學生日常生活各個方面，取得的成績有目共睹。此外，瑞士聯邦政府早2000到2003年間以特別財政補貼方式，為州立大學撥款3000萬元瑞郎，鼓勵在高等教育領域進行信息化建設，建立“瑞士虛擬校園”。澳大利亞的墨爾本大學、加拿人的多倫多大學等都有了較為完善的三維校園系統。

我國和一些發達國家相比，雖然三維地圖、虛擬校園技術還有一定的差距，但這已引起政府有關部門和研究者們的重視。國內一些重點院校已積極投入這一領域的研究工作。北京航空航天大學研究的“分布式虛擬現實應用系統開發與支撐平臺”獲2002年國家科技進步二等獎。2010年以來，清華大學、上海外國語大學、哈爾濱工業大學等高校相繼發布了校園三維地圖、虛擬漫游系統。

限制于數據格式、環境兼容問題，以及網絡數據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、實景瀏覽以及導航漫游，與用戶的主動交互性并不好。對于校園中建筑的介紹或是過于簡單、內容死板，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用性。

1.3 研究意義及作用

從我國高校三維地圖研究現狀來看，將三維地圖平臺應用于信息發布、交流層面所作的研究較少，仍處于起步階段。隨著網絡的普及和信息技術的發展成熟，用戶對信息獲取要求、信息篩選標準也越來越高。其中，高校學生在對新聞、資訊等數字化信息進行瀏覽時，特別不滿于連篇累牘的文字堆積，希望得到一種資源呈現真實性、關聯感都更強的形式，并且能夠自主發表信息進行交流互動。

構建一個三維的、能實時交互的現實生活中的校園的虛擬三維場景，有著廣泛的應用和發展前景。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，最大程度體現虛擬現實的交互性，用戶自主發布地點信息極大提高資源整合的時效性與吸引力。

1.4 研究內容

研究一個資訊系統，該系統依托三維的虛擬校園模型，有機地結合資源整合系統，構建了一個具有沉浸感的虛擬環境。該虛擬環境是一個人機交互系統，能夠以校園模型中的地點為標簽，發布即時資訊和新聞，促進用戶信息交流。校園三維資訊地圖能夠將校園各類資訊精確直觀地即時呈現在三維校園模型的對應地點上，也能使用戶通過各類網絡平臺，在擬真的校園環境中進行交流。

1.5 技術路線

項目將采用的軟件環境以及技術路線如下圖

2 校園三維資訊地圖總體設計

2.1 系統需求分析

本系統不僅目標于展示校園地理信息的綜合平臺，實現校園的實景瀏覽，更重要的是實現了與校園綜合信息的無縫連接，例如教務、學生、樓宇等信息的整合。一方面用戶可進行已有信息的查閱，另一方面注冊用戶可自行根據地點坐標執行信息發布，并與其他用戶在線交流。本系統的主要功能如下：

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

2.2 系統功能劃分

本系統研究一個校園三維資訊發布系統，基于三維立體的虛擬校園模型，結合資源整合系統，可以以模型中的地點為標簽，完成信息的發布與交流。三維模型為全息模型，可以實現放大縮小、無縫接軌、平滑移動。信息存儲于動態數據庫中，可實現即時更新與交互。具體包括三大系統的建立：

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

項目中具體功能實現細節及模塊設計將在詳細設計階段論述。

3 校園三維資訊地圖的詳細設計與實現

3.1 校園三維模型建立

3.1.1 底圖預處理

整個校園模型建立在真實校園的底圖上，項目采用基于衛星地圖以及數字化地圖的三維建模。地理地圖是華中師范大學數字化地形圖，以及從Google Earth影像上提取的華中師范大學遙感影像。

3.1.2 模型制作過程

通過檔案館、學?；ㄌ幘W站以及Google地圖查詢建筑物的長寬和高度，利用比例尺計算相對長度，將其作為對建筑實體幾何建模的高度基準。按照數據，使用長方體工具建立樓體大致模型，并根據需要設置長寬高的分段數，便于后期制作細節。將模型轉換成可編輯多邊形，在面層級下使用擠壓、切角等操作，配合在點層級、線層級下的移動、縮放等操作調整出建筑物的大致形狀。為了盡量減少內存占用，門窗等細節在模型上省略，通過后期紋理貼圖實現。

3.1.3 紋理處理

利用數碼相機實地拍攝或網上下載圖取得紋理源素材，在拍攝時盡量選用三腳架以便獲取扭曲度更小的紋理。用Photoshop軟件進行處理，紋理采集中無法避免“近景遮擋遠景”這一情況，但墻面紋理具有大量的重復圖案，因此可以利用PS中“仿制圖章”等工具對墻面紋理進行，提取基本紋理并重復消除遮擋。紋理的修正工作還包括光線色彩的修正，修補破損分割圖像，紋理大小的調整。

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，普通墻面選擇blinn材質球默認設置，玻璃材質則將高光部分數值調高，反射值加大，無反射材質則選擇surface材質球。在面層級下對模型進行單面貼圖。由于三維模型最終要導入VRP編輯器當中，這要求事先對紋理進行烘焙處理，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，選取長方體形式，以使材質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。保存當前UV，新建材質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，按照實際情況調整高度。使用面片和透明貼圖建立簡單的樹木模型。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。在插件中將內置樹木替換為制作好的樹木模型，適當調整模型大小和旋轉的隨機值，使生成的樹木錯落有致，更接近真實情況。在地形欄中加載校園地形，以使生成的樹木能夠貼合地形。設置樹木數量，注意，為了避免模型加載時過多占用內存運算，樹木不宜設置過多，點擊生成按鈕。調整或刪除與建筑物模型發生交叉的樹木模型。給3D MAX添加3D MAX TO VRP插件，生成轉換接口。將校園模型轉換為場景文件導入VRP中。

3.2 搭建資訊數據庫

校園三維資訊地圖的設計和使用涉及到了包括地理、房屋、用戶以及即時資訊等大量的信息，為了對所有的數據進行有效的統籌管理，必須對該系統的功能模塊進行合理清晰的劃分。以三維校園資訊地圖用戶為中心，從該系統的實用性出發去分析三維校園資訊地圖擬提供的功能，可以得出兩個基本點，導航和資訊。前者用戶利用導航系統可以快速定位到目的地。后者是通過用戶界面可以進行信息的發布以及實時資訊的獲取。

在對系統用戶需求所作調查與分析的基礎上，將用戶需求劃分為登錄系統、信息管理系統、以及數據庫管理系統三大功能系統，并且將信息系統劃分為信息發布、信息查詢、導航三個主要功能模塊。用戶通過登錄系統進入到場景中進行活動、操作、信息發布或獲取，并且通過實時監控將用戶相關信息記錄在數據庫內；管理員通過操作數據庫數據內容對用戶可以獲取的信息進行控制。如用戶可以在操作界面中獲取到管理員發布的通知、活動、新聞等信息。

其中，數據庫管理系統又是三大功能系統的核心，起到聯系各個系統、協調系統間信息交流、保證系統間信息暢通的功能。校園三維資訊地圖系統的數據庫功能設計分為了5個部分。包括①用戶登錄系統。用戶名、用戶口令等。②信息發布模塊。如后臺信息發布、定點信息發布、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導航模塊。包括列表導航、定點查詢導航、導航圖導航等。⑤數據庫管理系統。用于對信息進行讀取、存儲和管理，視頻等連接地址。

明確了資訊數據庫的功能劃分后，下一步就進行數據的主要表的設計。根據每一個模塊具有的特性設置數據庫基本字段。每個字段由若干按照某種界限劃分的相同數據類型的數據項組成。在每一個記錄包含這行中所有字段的信息。就像在建筑固有信息數據庫中記錄下包括建筑的名稱、路段、三維坐標等全部的信息。

建立了單個表以后，為了提高數據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確的字段值，經常在多個表中進行交互式查詢，即通過在數據庫的規范化中，將多個表用SQL語句連接起來或者把一個表投影分解成多個符合更高級范式的表。同時，出于對數據庫的安全性的考慮，為了保護數據庫信息，并防止不合法的使用所造成的數據泄露、更改或破壞，對不同用戶角色對于服務器的訪問范圍進行控制。在設計數據庫的時候對普通用戶和管理員開放不同的管理權限，并結合用戶口令等措施保護數據安全。

3.3 VRP中整合三維模型與數據庫系統

VRP11是國內第一款自主研發的虛擬現實軟件，特點是適用性強、高度可視化。采用該軟件，一個重要原因正是參與項目的制作人員有比較良好的3DMAX建模和渲染基礎，利用VRPLATFORM平臺提供的多個接口模塊功能可以便捷的實現虛擬場景構建。

模型場景創建和咨詢數據庫搭建完成后，將3DMAX中三維模型場景導入VRP中，觀察整體場景顯示效果，檢查模型是否發現變形及紋理是否正確顯示。在場景中加入燈光，模擬晴天日光環境，在樓房表面形成陰影效果，增加其立體感和真實感。設置攝像機對樓房進行定點觀察。最后利用VRP中數據庫—模型API將模型和咨詢數據庫鏈接起來，使模型上具有數據信息，并且通過表間查詢可以獲取到整個數據庫的數據內容。