安徽師范大學(xué)三維虛擬校園系統(tǒng)建設(shè)研究

吳慶雙，王 楠

(1.安徽師范大學(xué)國(guó)土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241000;2.安徽自然災(zāi)害過程與防控研究省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000;3.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079)

數(shù)字校園是數(shù)字城市的重要組成部分，隨著社會(huì)信息化建設(shè)步伐的加快，很多學(xué)校建立起了各自的校園地理信息系統(tǒng)(GIS)，在學(xué)校的信息化管理中發(fā)揮了一定的作用.但這些系統(tǒng)大都是基于二維的，缺少高程信息，其功能雖然完善，但不能直觀地表達(dá)地物［1］.隨著虛擬地理環(huán)境概念和技術(shù)的提出，虛擬現(xiàn)實(shí)和三維GIS技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于校園地理信息系統(tǒng)建設(shè)中.三維虛擬校園系統(tǒng)可以為數(shù)字校園提供一個(gè)三維平臺(tái)，能生動(dòng)地展現(xiàn)真實(shí)的校園景觀［2］，實(shí)現(xiàn)與用戶的動(dòng)態(tài)交互，從而能讓用戶對(duì)學(xué)校的資源和布局進(jìn)行交互式可視化瀏覽和查詢，具有很好的對(duì)外展示作用和實(shí)用價(jià)值［3］.建設(shè)三維虛擬校園系統(tǒng)己成為數(shù)字校園建設(shè)的新熱點(diǎn)，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義.

本文結(jié)合安徽師范大學(xué)三維虛擬校園建設(shè)的實(shí)際需求，分析三維虛擬校園建設(shè)的主要內(nèi)容和系統(tǒng)的總體架構(gòu)，探討校園三維建模的技術(shù)流程和優(yōu)化方法，并研究系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù).根據(jù)本文所提出的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)路線，制作了安徽師范大學(xué)花津校區(qū)三維校園模型，并基于此模型實(shí)現(xiàn)了安徽師范大學(xué)三維虛擬校園系統(tǒng).

1 建設(shè)內(nèi)容和總體架構(gòu)

1.1 建設(shè)內(nèi)容

三維虛擬校園的建設(shè)主要包含兩個(gè)方面的工作:一是校園三維場(chǎng)景的建模.即根據(jù)校園二維平面圖、地形圖、高程數(shù)據(jù)和紋理貼圖等數(shù)據(jù)源，利用計(jì)算機(jī)三維建模軟件，按實(shí)際的尺寸構(gòu)建三維校園場(chǎng)景模型［4］;二是虛擬校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā).即基于校園三維場(chǎng)景模型，根據(jù)三維虛擬校園系統(tǒng)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體架構(gòu)、功能模塊和程序接口，并選擇合適的平臺(tái)編程實(shí)現(xiàn).

1.2 總體架構(gòu)

針對(duì)三維虛擬校園模型數(shù)據(jù)量大、圖形化操作多的特點(diǎn)，虛擬校園系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式，在服務(wù)器端，使用Oracl數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一存儲(chǔ)三維校園數(shù)據(jù)，在客戶端，通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接模塊訪問服務(wù)器端中的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)三維校園數(shù)據(jù)的集中管理和分布式應(yīng)用.整個(gè)系統(tǒng)從邏輯上可劃分為數(shù)據(jù)層、應(yīng)用服務(wù)層和用戶表現(xiàn)層等3個(gè)層次，各層次之間相互獨(dú)立，便于靈活擴(kuò)展.其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 三維虛擬校園系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)層即在底層基于Oracle數(shù)據(jù)庫軟件建立的三維校園數(shù)據(jù)庫，它按數(shù)據(jù)的類型和用途可分為校園模型庫、校園屬性庫和系統(tǒng)維護(hù)庫等3個(gè)子數(shù)據(jù)庫.其中，校園模型庫主要存儲(chǔ)校園的三維場(chǎng)景模型數(shù)據(jù)、地形圖數(shù)據(jù)、實(shí)景照片等信息，主要用于校園場(chǎng)景的三維顯示，是整個(gè)三維虛擬校園系統(tǒng)的圖形顯示基礎(chǔ).校園屬性庫主要存儲(chǔ)學(xué)校簡(jiǎn)介、學(xué)院簡(jiǎn)介、專業(yè)簡(jiǎn)介、辦公樓簡(jiǎn)介、景點(diǎn)簡(jiǎn)介等校園相關(guān)信息，主要用于相關(guān)的屬性查詢.系統(tǒng)維護(hù)數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)系統(tǒng)的用戶信息、權(quán)限信息、系統(tǒng)參數(shù)、操作日志等與系統(tǒng)自身相關(guān)的信息，主要用于系統(tǒng)的設(shè)置、運(yùn)行、維護(hù)和管理.

應(yīng)用服務(wù)層為系統(tǒng)的中間層，為構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)應(yīng)用功能模塊，主要包括三維文件、三維瀏覽、圖層控制、三維查詢、動(dòng)畫錄制、場(chǎng)景設(shè)置、二三維交互、系統(tǒng)維護(hù)和數(shù)據(jù)庫存取等模塊.它們是在Visual Studio2008環(huán)境下用C++語言，采用插件式技術(shù)，基于OpenGL類庫和.NET類庫開發(fā)而成，其中涉及到三維圖形的模塊基于OpenGL類庫開發(fā)，其它通用功能模塊基于.NET類庫開發(fā).各個(gè)功能模塊相對(duì)獨(dú)立，可相互調(diào)用，靈活組合，共同構(gòu)成三維虛擬校園系統(tǒng).

用戶表現(xiàn)層是系統(tǒng)架構(gòu)的最頂層，為用戶提供各種應(yīng)用工作的平臺(tái).本系統(tǒng)的用戶可分為一般用戶和系統(tǒng)管理員用戶兩類，對(duì)于不同類別的用戶，賦予不同的功能權(quán)限.一般用戶主要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行瀏覽和查詢，可以使用三維瀏覽、圖層控制、三維查詢、動(dòng)畫錄制、場(chǎng)景設(shè)置等模塊，但沒有系統(tǒng)維護(hù)模塊的使用權(quán)限，不能對(duì)系統(tǒng)的功能權(quán)限和數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置和維護(hù).系統(tǒng)管理員主要對(duì)系統(tǒng)用戶、功能和數(shù)據(jù)等進(jìn)行管理和維護(hù)，不僅具有一般用戶的所有權(quán)限，還能使用系統(tǒng)維護(hù)模塊，能對(duì)用戶的功能權(quán)限進(jìn)行設(shè)置和對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新、維護(hù)和備份等工作.

2 校園三維建模

校園三維場(chǎng)景模型是三維虛擬校園系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其質(zhì)量好壞直接影響到場(chǎng)景的逼真度和系統(tǒng)的運(yùn)行效率.綜合考慮各三維建模軟件的性能和校園三維建模的特點(diǎn)，我們采用3DMAX軟件進(jìn)行校園三維場(chǎng)景的構(gòu)建.3DMAX是一款功能強(qiáng)大的三維模型制作與渲染軟件，它的操作雖然相對(duì)復(fù)雜，但制作出來的三維模型場(chǎng)景細(xì)膩、真實(shí)感強(qiáng)，特別適合學(xué)校這種小區(qū)域的精細(xì)建模.3DMAX與AutoCAD都是AutoDesk公司的產(chǎn)品，它們二者之間的坐標(biāo)系能精確擬合，數(shù)據(jù)能夠相互正確快速地轉(zhuǎn)換［5］，由于 AutoCAD格式的校園施工設(shè)計(jì)圖是校園三維建模的主要數(shù)據(jù)源，使用3DMAX進(jìn)行三維建?？梢詫?shí)現(xiàn)與AutoCAD格式的校園建模數(shù)據(jù)源的無縫融合，從而準(zhǔn)確快速地建立起校園三維場(chǎng)景模型.

2.1 建模數(shù)據(jù)源

以安徽師范大學(xué)花津校區(qū)為建模研究區(qū)域，主要數(shù)據(jù)源包括校園二維平面圖、校園遙感地形圖、建筑物高程數(shù)據(jù)、實(shí)景照片等.其中，校園二維平面圖主要采用校區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)的CAD施工設(shè)計(jì)圖，如圖2(a)所示，它是校園三維建模的主要數(shù)據(jù)源;校園遙感地形圖來源于Google Earth上的衛(wèi)星影像，如圖2(b)所示，可以作為校園三維場(chǎng)景的地形底圖;建筑物高程數(shù)據(jù)采用GPS設(shè)備采集得到，主要用于建筑物三維建模時(shí)的高程拉升;實(shí)景照片采用數(shù)碼相機(jī)拍攝于校區(qū)內(nèi)，主要作為建筑物、綠地、道路等校園三維模型的紋理貼圖.

2.2 3DMAX里的校園三維建模

校園三維建模的對(duì)象主要可分為三類:建筑物等面狀要素，道路、河流等線狀要素，樹木、路燈、指示牌等點(diǎn)狀要素.其中，建筑物是校園三維建模的主體，可以把校園CAD施工設(shè)計(jì)圖中的各類對(duì)象導(dǎo)入到3DMAX軟件里進(jìn)行三維建模，以高程數(shù)據(jù)對(duì)它們進(jìn)行拉升，并貼上相應(yīng)的紋理圖片，整個(gè)建模流程如圖3所示.

圖2 安徽師范大學(xué)花津校區(qū)三維建模數(shù)據(jù)源

圖3 基于3DMAX的校園三維建模流程

根據(jù)本文所提出的校園三維建模方法，所得到的部分安徽師范大學(xué)花津校區(qū)三維場(chǎng)景模型如圖4所示.

圖4 安徽師范大學(xué)花津校區(qū)三維虛擬校園場(chǎng)景

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 基于OpenGL的三維校園模型加載、顯示與漫游

OpenGL是繪制高真實(shí)感三維圖形、實(shí)現(xiàn)交互式視景仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)的高性能軟件開發(fā)包，它集成了圖形建模、顏色模式設(shè)置、光照和材質(zhì)設(shè)置、紋理映射、位圖顯示、圖像增強(qiáng)、圖形變換和雙緩存動(dòng)畫等復(fù)雜的圖形算法［6］，使用簡(jiǎn)便、效率高，是一種通用的三維圖像開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺(tái)間移植.在3DMAX中創(chuàng)建的校園三維模型可通過OpenGL編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加載，并利用OpenGL渲染場(chǎng)景，設(shè)計(jì)交互動(dòng)作，從而高效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的三維漫游、場(chǎng)景輸出和視點(diǎn)控制等三維功能.

基于OpenGL導(dǎo)入3DMAX三維模型的過程分為兩部分，首先將3DMAX格式文件中的內(nèi)容讀入OpenGL環(huán)境中，然后將讀入的模型數(shù)據(jù)重新整理，并生成處理對(duì)象列表，在OpenGL中重新繪制并顯示出來.

由于三維場(chǎng)景的數(shù)據(jù)量比較大，場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示是一件費(fèi)時(shí)的事.為解決一定精度下大范圍校園環(huán)境的實(shí)時(shí)仿真問題，采用將地形數(shù)據(jù)分塊的策略，即將參與顯示的整塊地形細(xì)分成一定大小的等大數(shù)據(jù)塊.當(dāng)進(jìn)行三維校園漫游時(shí)，所有校園三維場(chǎng)景模型并不全部參與顯示，而是根據(jù)視點(diǎn)所在位置，每次只取視場(chǎng)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行交互式實(shí)時(shí)渲染.同時(shí)根據(jù)視點(diǎn)的遠(yuǎn)近，場(chǎng)景顯示的細(xì)節(jié)詳細(xì)程度也動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)視點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，顯示的視場(chǎng)范圍較大但場(chǎng)景細(xì)節(jié)信息越少，當(dāng)視點(diǎn)較近時(shí)，顯示的視場(chǎng)范圍較小但場(chǎng)景細(xì)節(jié)信息較豐富.

在三維漫游的動(dòng)態(tài)渲染過程中，隨著視點(diǎn)的移動(dòng)，當(dāng)前內(nèi)存數(shù)據(jù)頁中的三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)需要不斷地更新，而從硬盤中讀入新的三維數(shù)據(jù)并繪制渲染會(huì)消耗一定的時(shí)間，這會(huì)帶來視覺上的“延遲”現(xiàn)象.OpenGL所特有的雙緩存機(jī)制為解決這個(gè)問題提供了有力的技術(shù)保障.在雙緩存機(jī)制中，對(duì)于所創(chuàng)建的三維場(chǎng)景實(shí)際上可以獲得兩種存儲(chǔ)區(qū)域:前臺(tái)緩沖區(qū)和后臺(tái)緩沖區(qū).前臺(tái)緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的三維顯示，存儲(chǔ)當(dāng)前視場(chǎng)范圍內(nèi)顯示的三維場(chǎng)景信息.后臺(tái)緩沖區(qū)則對(duì)應(yīng)于三維數(shù)據(jù)庫，在幕后進(jìn)行圖形繪制和渲染工作，從而減少?gòu)挠脖P讀取數(shù)據(jù)并繪制的時(shí)間［7］.采用多線程技術(shù)解決數(shù)據(jù)頁緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)更新問題，通過判斷當(dāng)前視點(diǎn)位置與數(shù)據(jù)頁幾何中心之間的平面位置關(guān)系，進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)頁的實(shí)時(shí)更新，從而實(shí)現(xiàn)大范圍三維校園場(chǎng)景的任意實(shí)時(shí)漫游.

3.2 二三維動(dòng)態(tài)交互

三維虛擬場(chǎng)景雖然有逼真的視覺效果，但也存在一些缺陷，其中一個(gè)重要方面是在三維虛擬場(chǎng)景漫游時(shí)容易產(chǎn)生迷失感，用戶在漫游時(shí)只能看到視野范圍中的物體，從而缺乏整體感，容易迷失方向.同時(shí)三維GIS的應(yīng)用模型也還不夠成熟，其功能不如二維GIS完善［8］.而二維GIS雖然缺乏有效的三維可視化表達(dá)能力，但它具有強(qiáng)大的空間分析能力，如緩沖區(qū)分析、最短路徑分析、拓?fù)浞治龅?，在功能上更為完善，同時(shí)使用起來也更為便捷.因此有必要將二維與三維進(jìn)行聯(lián)動(dòng)開發(fā)，在同一框架下充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，既具有強(qiáng)有力的三維沉浸感，同時(shí)還需要清晰的二維平面圖提供全局的定位，以實(shí)現(xiàn)二三維顯示的聯(lián)動(dòng)和二維空間分析結(jié)果的三維同視功能.

二三維動(dòng)態(tài)交互的基本原理是:基于二維地圖和三維虛擬場(chǎng)景所具有的統(tǒng)一坐標(biāo)系，通過彼此之間的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)二三維的聯(lián)動(dòng)，并通過交互時(shí)的事件觸發(fā)機(jī)制保持其變化時(shí)的同步［9］.

在二三維聯(lián)動(dòng)模式中，二維地圖主要以鷹眼窗口的方式提供.用戶在三維漫游時(shí)，在鷹眼圖中顯示當(dāng)前的視野和位置，當(dāng)三維場(chǎng)景中的視點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，鷹眼中的焦點(diǎn)框也隨之變動(dòng)，可通過點(diǎn)擊鷹眼圖中某區(qū)域，來直接定位到三維虛擬場(chǎng)景中相應(yīng)的區(qū)域，也可在鷹眼圖中指定一條路徑，并在三維虛擬場(chǎng)景中按這條指定路徑進(jìn)行飛行漫游.同時(shí)，二三維的交互還可以以雙屏對(duì)比的方式提供.3.3 基于插件技術(shù)的集成應(yīng)用框架平臺(tái)

插件技術(shù)是一種能實(shí)現(xiàn)較高層次代碼復(fù)用的軟件架構(gòu)技術(shù)，它把程序功能分散到各個(gè)可以動(dòng)態(tài)插入或移除的插件中完成，非常適應(yīng)需求多變的GIS應(yīng)用軟件開發(fā)［10］.鑒于三維虛擬校園系統(tǒng)是數(shù)字校園的三維基礎(chǔ)平臺(tái)，對(duì)軟件的復(fù)用性、可擴(kuò)展性和可配置性的要求高，整個(gè)系統(tǒng)采用插件式集成應(yīng)用框架進(jìn)行構(gòu)建.

使用插件式集成應(yīng)用框架，系統(tǒng)采用“集成框架+功能插件”的模式進(jìn)行開發(fā).系統(tǒng)建設(shè)首先開發(fā)集成框架，集成框架設(shè)計(jì)成插件容器，負(fù)責(zé)在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)加載可用的插件，根據(jù)插件配置文件生成交互界面，并提供一套消息流轉(zhuǎn)和解析機(jī)制來保障插件間的協(xié)同工作.各功能模塊按照嚴(yán)格的規(guī)范化插件接口實(shí)現(xiàn)功能插件，在插件容器中“即插即用”.插件的結(jié)構(gòu)采用“程序集+插件清單”的形式，程序集是插件的可執(zhí)行部分，它以二進(jìn)制程序集(dll)的形式提供.插件清單是插件的描述信息，它以XML形式記錄插件標(biāo)識(shí)、插件運(yùn)行依賴項(xiàng)、插件接口界面、插件制作背景等信息［11］.各插件如有調(diào)用關(guān)系，則需在開發(fā)初期約定好接口調(diào)用描述文件，依賴雙方可以在互不影響的情況下各自開發(fā).

在插件式集成應(yīng)用框架結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)的主程序只負(fù)責(zé)激活集成框架，功能簡(jiǎn)單明確，從而有利于減少系統(tǒng)啟動(dòng)等待時(shí)間并方便軟件的部署與更新.系統(tǒng)的其它各項(xiàng)功能，如三維瀏覽、圖層控制、三維查詢、二三維交互等，都以插件的形式實(shí)現(xiàn)并根據(jù)配置文件動(dòng)態(tài)引入系統(tǒng).用戶如要新增或修改功能，只需按照系統(tǒng)規(guī)定的插件接口規(guī)范去新增或修改新的插件即可，而不需要對(duì)集成框架和現(xiàn)有插件做任何改動(dòng).在這種模式下，整個(gè)三維虛擬校園系統(tǒng)在軟件架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)功能模塊的高內(nèi)聚、低耦合和高復(fù)用性，系統(tǒng)配置靈活，維護(hù)方便，擴(kuò)展性強(qiáng).

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)本文所提出的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)路線，以安徽師范大學(xué)花津校區(qū)為示范區(qū)，采用3DMAX建模軟件制作了校園三維模型，并以O(shè)racle為數(shù)據(jù)庫軟件建立起三維校園數(shù)據(jù)庫.以三維校園數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在Visual Studio 2008里用C++語言，基于OpenGL和.NET類庫，采用插件式開發(fā)方法編程實(shí)現(xiàn)了虛擬校園系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊，建立了安徽師范大學(xué)三維虛擬校園原型系統(tǒng).部分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面如圖5所示.其中圖5(a)為系統(tǒng)啟動(dòng)界面，圖5(b)為系統(tǒng)運(yùn)行主界面，圖5(c)為校園實(shí)時(shí)漫游時(shí)的場(chǎng)景圖，圖5(d)為二三維交互操作界面.

圖5 安徽師范大學(xué)三維虛擬校園系統(tǒng)

系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試在配置有Intel Core 2 T6670 CPU、2G內(nèi)存、nVIDIA GeForce 310M顯卡的筆記本上可達(dá)到每秒30幀以上的運(yùn)行速率，完全滿足在普通電腦上實(shí)時(shí)漫游的需要.實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的三維虛擬校園系統(tǒng)建設(shè)方案合理、技術(shù)先進(jìn)，所構(gòu)建的三維系統(tǒng)效果逼真，獨(dú)立性強(qiáng)，具有較好的實(shí)用性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性.

5 結(jié)論

三維虛擬校園的建設(shè)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，本文研究了三維校園建模及系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了安徽師范大學(xué)三維虛擬校園原型系統(tǒng)，取得較好的試驗(yàn)效果，但由于時(shí)間和技術(shù)的限制，所做的工作還有待進(jìn)一步完善，三維虛擬校園系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展和完善還可以做以下工作.

1)改進(jìn)校園三維模型的精細(xì)程度，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)三維查詢與漫游.由于時(shí)間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)過程中沒有對(duì)建筑物內(nèi)部進(jìn)行建模，而校園建筑物是學(xué)校學(xué)習(xí)、辦公、科研的主要場(chǎng)所，今后可進(jìn)一步對(duì)主要建筑物內(nèi)部進(jìn)行三維精細(xì)建模，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的三維漫游與查詢.

2)與現(xiàn)有數(shù)字校園的信息化功能進(jìn)行整合.研究在三維虛擬校園系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，與現(xiàn)有校園信息系統(tǒng)，如資產(chǎn)管理系統(tǒng)、教務(wù)管理系統(tǒng)等進(jìn)行集成，更好地服務(wù)于學(xué)校師生，從而提升學(xué)校的學(xué)習(xí)、工作和管理效率，實(shí)現(xiàn)教育過程的可視化及信息化.

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