基于CityMaker和3Dmax的三維數(shù)字校園系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

賈志豪 努爾麥麥提·艾爾肯

摘要 基于三維建模和開發(fā)平臺，設(shè)計并且實現(xiàn)了新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)主校區(qū)三維數(shù)字校園系統(tǒng)。從系統(tǒng)的設(shè)計、數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、三維模型相關(guān)場景的構(gòu)建、系統(tǒng)展示功能實現(xiàn)等幾個方面出發(fā)，建設(shè)相關(guān)校園三維系統(tǒng)的總體設(shè)計與實施方案和基本流程。為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在校園中的相關(guān)性基礎(chǔ)應(yīng)用提供了相關(guān)技術(shù)的支持，同時也進(jìn)一步服務(wù)校園管理提供了相關(guān)的解決方案。

【關(guān)鍵詞】三維建模 校園模型 虛擬現(xiàn)實

1 引言

近些年來，“數(shù)字城市”、“智慧城市”等概念的提出、研究和實現(xiàn)，對高?！皵?shù)字校園”的研究和系統(tǒng)的實現(xiàn)，越發(fā)的成為了主要的發(fā)展方向?，F(xiàn)階段城市管理系統(tǒng)，校園管理系統(tǒng)大多是二維的，較少部分設(shè)計三維空間信息，大部分仍然從二維系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)管理，在二維系統(tǒng)里，城市內(nèi)的相關(guān)要素投影轉(zhuǎn)換到平面地圖上，很少部分涉及空間信息，在平面地圖可視化效果中，會存在一定的不足，其平面符號、注記與現(xiàn)實世界展示不可避免的存在相關(guān)信息的損失，從而無法正確的直觀反映城市或?qū)W校等的實際情況。

隨著空間GIS技術(shù)和信息技術(shù)的飛躍式發(fā)展，地圖的表達(dá)形式漸漸由二維向三維過渡。二維空間數(shù)據(jù)的組織與管理模式已經(jīng)由文件模式轉(zhuǎn)變到基于空間數(shù)據(jù)引擎的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫模式很好地解決了圖屬一體化存儲管理、高效的數(shù)據(jù)訪問檢索等問題。將三維可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)不斷深入運(yùn)用到城市或者校園領(lǐng)域的在線三維數(shù)字校園宣傳展示、校園生活、校園規(guī)劃等方面，為我國高校建設(shè)事業(yè)提供了嶄新的設(shè)計思維方式和技術(shù)手段。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于校園展示和校園規(guī)模化管理，不僅能給用戶帶來強(qiáng)烈的視覺沖擊感，還可以在虛擬環(huán)境中獲得豐富的信息，為規(guī)劃精細(xì)校園提供了信息支持，大大減小開發(fā)難度和周期。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于三維數(shù)字校園是校園規(guī)劃和展示的核心內(nèi)容。伴隨著西部經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，校園建設(shè)勢頭愈加迅猛。直觀展現(xiàn)交互式三維校園場景，利于校園信息管理與校園規(guī)劃建設(shè)，提高教學(xué)科研管理水平和效率，利于實現(xiàn)信息和資源共享。

2 三維場景建模

用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)校園的逼真三維系統(tǒng)，是“數(shù)字校園”三維空間信息的建設(shè)核心。以數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、建庫、整合、發(fā)布數(shù)據(jù)、發(fā)布三維場景、網(wǎng)絡(luò)瀏覽為主線，通過三維空間屬性一體化來管理三維要素，建立一個二三維結(jié)合且交互式的校園三維展示系統(tǒng)。

場景建模是將虛擬現(xiàn)實空間內(nèi)的對象和場景以相應(yīng)存儲在計算機(jī)內(nèi)部的三維視圖模型顯像的集成，包括二維校園相關(guān)底圖、矢量層和三維模型構(gòu)建。

本研究以CityMaker和3DMax兩款軟件為平臺進(jìn)行場景要素建模。三維建模技術(shù)的核心是根據(jù)研究對象的三維空間信息構(gòu)造立體模型，并利用相關(guān)建模軟件生成該模型的圖形表達(dá)，然后對相關(guān)建筑物、道路、綠化等相關(guān)設(shè)施進(jìn)行整合。建筑物主體元素包括：宿舍樓、教學(xué)樓、實驗樓等，道路面域包括：校園中主體機(jī)動車道和人行道，綠化包括：主體花壇和草地。針對CAD中的建筑物府視基底圖（通過矢量化shp底圖文件轉(zhuǎn)換成相關(guān)CAD數(shù)據(jù)），在3DMax中對模型進(jìn)行擠出和調(diào)整編輯，得到相關(guān)模型，導(dǎo)入的CAD區(qū)劃會遠(yuǎn)離3DMAX的坐標(biāo)中心位置，會出現(xiàn)捕捉不準(zhǔn)，不方便建模的情況。那時可以在保持原始CAD位置不變的情況下，將其復(fù)本移動到3DMAX的坐標(biāo)中心進(jìn)行制作。制作完成后將模型再移動到原始CAD的位置。同理，可實現(xiàn)道路、綠化帶以及相關(guān)設(shè)施的建模，最終實現(xiàn)整個校園場景的精細(xì)化建模。

在3DMax中建立好的模型，有兩種導(dǎo)入CityMaker的方式，第一種，單獨導(dǎo)入：在3DMax中將模型以單一元素逐一轉(zhuǎn)換，使模型逐個導(dǎo)入CityMaker中;第二種，批量導(dǎo)入：在3DMax中運(yùn)行相關(guān)腳本文件，將所有整合過的模型集體導(dǎo)出，并在CityMaker中直接加載新要素類文件（NewFeatureClass.XML），即可批量導(dǎo)入。其中相關(guān)模型的貼圖必須以*.dds格式才可導(dǎo)出。

通過CityMaker繼續(xù)進(jìn)行模型整合，存入CityMaker定義的地理特征數(shù)據(jù)庫（FDBFeature Database）中（已建好的模型和屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入sql server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行空間二三維數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一體化存儲和管理）。FDB建立是以大文件形式整體化管理三維空間地理信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以統(tǒng)一管理三維地理特征數(shù)據(jù)、三維模型、屬性數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、編輯、存儲。經(jīng)過精細(xì)化三維建模，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的校園展示系統(tǒng)，服務(wù)校園的相關(guān)管理與規(guī)劃。（FDB為三層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)源 數(shù)據(jù)集 要素類）

屬性數(shù)據(jù)是三維場景中各個模型的相關(guān)屬性，屬性數(shù)據(jù)可以從二維數(shù)據(jù)中得到或者自己錄入，包括模型所屬類型、名稱等相關(guān)信息，通過CityMaker可以實現(xiàn)三維地物屬性的直接錄入。

3 三維模型服務(wù)發(fā)布

場景服務(wù)則是對所建立的校園三維場景進(jìn)行發(fā)布與啟動，把建好的三維模型通過CityMaker提供的CityMaker Server三維場景服務(wù)器，對三維模型場景進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的發(fā)布，提供給客戶端使用。

3.1 校園三維空間信息服務(wù)的設(shè)計

通過CityMaker Server發(fā)布三維服務(wù)，用戶使用這些三維資源，只需要通過訪問服務(wù)地址加載工程配置文件。該文件記錄了一個三維場景加載的各種三維場景數(shù)據(jù)層及屬性、特定場景等。調(diào)用服務(wù)并在此基礎(chǔ)上搭建自己的三維應(yīng)用系統(tǒng)。

3.2 信息服務(wù)的集成

方便快捷的管理三維空間數(shù)據(jù)服務(wù)，其中包括：地形、影像、三維模型、矢量等相關(guān)空間位置的信息數(shù)據(jù)。

3.3 三維校園信息服務(wù)的發(fā)布

通過訪問IP服務(wù)地址即可瀏覽發(fā)布的三維模型。

4 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本文選用VisualStudi02010為開發(fā)環(huán)境，通過ASP.Net+CityMakerSDK進(jìn)行校園系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)。系統(tǒng)體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.1 系統(tǒng)構(gòu)架

本系統(tǒng)以B/S架構(gòu)。該架構(gòu)減少了用戶端的數(shù)據(jù)處理量，降低了用戶承擔(dān)的負(fù)載，方便快捷的進(jìn)行三維場景的瀏覽。系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖2所示。

4.2 功能設(shè)計與實現(xiàn)

校園三維展示系統(tǒng)是以CityMaker SDKCOM庫為底層，CityMakerSDK是采用組件技術(shù)封裝的二次開發(fā)接口，提供COM控件、JS類庫兩種版本，支持VB、VC++、MicrosoftVisualStudio以及Delphi等開發(fā)環(huán)境。該系統(tǒng)將校園內(nèi)各類設(shè)施，建筑物等以三維集成化的數(shù)字形式和手段表示出來，為學(xué)校管理展示提供了豐富的三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.3 場景編輯

加載數(shù)據(jù)庫，并且進(jìn)行初始化。示例代碼如下：

var c -___g.new_Connectionlnfo;

c.connecrionType=3;

c.database=”e：＼＼c.fdb”：

var ds=

g.dataSourceFactory.openDataSource（c）;

在該系統(tǒng)中用戶可以根據(jù)自己的喜好，切換天氣和天空背景盒子等天氣模式。

4.4 模型瀏覽

在系統(tǒng)中可以用鼠標(biāo)、鍵盤、快捷鍵或任意組合的方式來控制三維模型的縮放、高度、漫游和視角等。用戶以動態(tài)交互的方式，快捷的對校園內(nèi)的建筑物區(qū)域等做身臨其境、全方位的瀏覽。

4.5 動畫導(dǎo)航

用戶可以自定義XML動畫路徑，在CityMaker SDK開發(fā)工具中，可以通過調(diào)用XMLPath訪問動畫路徑并通過doc.load（）進(jìn)行動畫的加載。

4.6 拍照截圖

針對校園內(nèi)建設(shè)規(guī)劃，通過拍照截圖截取相關(guān)模型的圖片，進(jìn)行模型錯誤發(fā)現(xiàn)，校園模型規(guī)劃等進(jìn)行截圖反饋。

5 結(jié)語

本文采用CityMaker結(jié)合3DMax，有效利用Web GIS的分布式部署特點，實現(xiàn)了基于WeoGIS的三維數(shù)字校園查詢系統(tǒng)?？傮w上該系統(tǒng)有良好的三維渲染效果和用戶體驗，校園三維展示系統(tǒng)利用數(shù)字三維，將校園內(nèi)的設(shè)施、建筑等信息展現(xiàn)給了用戶。系統(tǒng)在宣傳校園建設(shè)、提升校園形象發(fā)揮了積極的作用，為今后的校園精細(xì)化管理尊定了基礎(chǔ)。

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