三維虛擬校園的場景規(guī)劃與實現(xiàn)

楊芳萍 王鵬飛

摘要：隨著數(shù)字校園的快速發(fā)展，虛擬校園也開始進入人們的眼簾，規(guī)劃虛擬校園已成為高校發(fā)展的必然趨勢;本論述根據(jù)隴東學院的基本情況，采用3dsMax將收集的數(shù)據(jù)、使用CAD繪制的圖紙進行建模，并通過采用支撐多平臺的游戲開發(fā)工具Unity3D的插件實現(xiàn)粒子等效果，完成了學校虛擬場景的創(chuàng)建，使用戶能夠身臨其境的感受到真實場景;采用JSP開發(fā)技術(shù)、使用多維數(shù)據(jù)全組合編碼公式優(yōu)化系統(tǒng)開發(fā)過程中的數(shù)據(jù)分析和存儲技術(shù)，改進多維數(shù)據(jù)存儲方式，解決數(shù)據(jù)信息隱蔽等問題，完成了對樓宇信息、學生信息及師生便捷服務(wù)等管理。

關(guān)鍵詞：三維虛擬校園;場景;虛擬天氣;配色方案;全組合編碼

中圖分類號：TP319

文獻標志碼：A

1概述

伴隨著數(shù)字校園的快速發(fā)展，虛擬校園也開始進入人們的眼簾，人們開始對虛擬校園產(chǎn)生憧憬。隴東學院是一所全日制綜合性省屬普通本科院校，為了讓更多的人們了解學校的辦學條件和辦學水平，更多的有識之士加入到這個大家庭中，加強學校的對外招生宣傳，推廣學校在線辦公等功能，以學校的校園數(shù)據(jù)和景觀圖像為基礎(chǔ)，構(gòu)建比二維平面更直觀形象，更逼近校園實景的三維虛擬校園已勢在必行。傳統(tǒng)的虛擬校園都是建立在二維平面地圖和影像地圖的基礎(chǔ)上，已經(jīng)不能滿足學校對外招生宣傳、校園導(dǎo)航、信息化管理的多元化功能需求。利用最新的計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，產(chǎn)生了最先進的三維虛擬校園技術(shù)，三維比二維平面更直觀形象，更逼近校園的實景[1]。

2三維虛擬校園的場景規(guī)劃與實現(xiàn)

以隴東學院為模型基礎(chǔ)，采用3dsMax三維建模軟件工具將收集的數(shù)據(jù)和通過CAD繪制的圖紙進行建模，并通過采用支撐多平臺的游戲開發(fā)工具Unity3D的插件實現(xiàn)粒子等效果，完成了學校虛擬場景的創(chuàng)建;再使用Unity3D軟件開發(fā)出場景中角色漫游、碰撞檢測等功能，讓使用者能夠身臨其境的感受到真實場景;根據(jù)校園環(huán)境通過編寫腳本實現(xiàn)場景的四季變換等;采用JSP開發(fā)技術(shù)，使用多維數(shù)據(jù)全組合編碼公式實現(xiàn)了樓宇管理系統(tǒng)、學生信息管理系統(tǒng)、便捷服務(wù)等功能。當用戶輸入的用戶名和密碼正確無誤后，進入系統(tǒng)主界面，其系統(tǒng)啟動后的界面如圖1所示。

2.1三維虛擬場景的實現(xiàn)

2.1.1三維虛擬場景系統(tǒng)

將學校管理的對象在三維地圖上進行展示，通過三維地圖的輔助更直觀方便的對各個對象進行管理監(jiān)控，其虛擬場景采用三維虛擬技術(shù)，以圖形操作界面的方式實現(xiàn)。虛擬場景具有四級縮放、任意拖動、快速導(dǎo)航、鷹眼、測距、綜合查詢、地圖調(diào)用、快速信息標注、分享等功能。場景的季節(jié)設(shè)計采用渲染技術(shù)，實現(xiàn)了春、夏、秋、冬、雪、夜場景季節(jié)景色的變化[2]。場景支持互聯(lián)網(wǎng)瀏覽，根據(jù)天氣預(yù)報接口獲取天氣狀況，用戶可以選擇前后7d的氣象信息，并顯示在虛擬場景中，系統(tǒng)能夠根據(jù)時間顯示晝、夜、春、夏、秋、冬、節(jié)日等多種組合場景。虛擬校園場景上配有各類建筑的實景照片，并在一些位置制作全方位實景視頻。同時采用全息數(shù)字展示，最終模擬全息投影顯示的結(jié)果形成真實、立體感強、形象逼真的場景。點擊圖1上方的復(fù)選框場景按鈕，并分別單擊春、夏、秋、冬等按鈕，就實現(xiàn)了四季的不同基本場景，如圖2所示。

三維虛擬校園場景不僅實現(xiàn)了四季等的基本場景，而且還可根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)天氣預(yù)報接口讀取天氣信息，并按照陰、晴、雨、雪、多云的天氣狀況、根據(jù)節(jié)假日情況增加了節(jié)日動態(tài)特效，將四季、晝夜、天氣、節(jié)日等信息可根據(jù)情況任意組合，最多達到了40多種場景的組合，比如夜間雪景場景如圖3所示。

2.1.2數(shù)字化配色方案

對于點、線組成的圖，受縮放、斜切、旋轉(zhuǎn)、透視等因素影響較大，容易產(chǎn)生其他圖案及紋理;圖案和圖像縮放受影響不大，受斜切、旋轉(zhuǎn)、透視等不對稱拉伸影響變化較大等問題要進行基線誤差處理。在圖像引用過程中，應(yīng)考慮因硬件制約，致使原點、線構(gòu)成的圖形（圖案）出現(xiàn)清晰的紋理等問題，應(yīng)盡可能采用誤差修正方式，采用近似虛化點線彌補效果不足。因此，在完成三維虛擬場景的圖像效果處理過程巾，其程序生成配色方案主要以RGB格式為基礎(chǔ)建立的色彩對比模型，有9個小的單元格組成，中間為對比色，周圍為背景色[4]，主要從以下幾個方面來完成。

（1）對比色R（0.128.255）G（0.128.255）B（0.128.255）采用自由組合的方式產(chǎn)生，即以128為基色值，共有3*3*3=27種。

則設(shè)有A為變化值總數(shù)：A=3，i為A的變量i=0，1，2，N為對比色的總數(shù)：N=3^3=27，L為RGB控制變量L=A^i.count。

對比色的生成為RGB（Int（L/（A^i.count）Mod A*基色值），（L/（A^i.count） Mod A*基色值），（L/（A^i.count） Mod A*基色值）。

（2）當i.count因程序控制變量變化時，i由0到2變化，與基色值相乘得到對比色的RGB值。對比色的基色值為128[3]，見表1所列。

（3）背景色R（0.64.128.192.255）G（0.64.128.192.255）B（0.64.128.192.255）采用自由組合的方式產(chǎn)生，即以64為基色值，共有5*5*5=125種。

對比色的生成為RGB（Int（L/（A^i.count）Mod A*基色值），（U（A^i.count） Mod A*基色值），（U（A^i.count） Mod A*基色值）。

（4）當i.count因程序控制變量變化時，i由0到2變化，與基色值相乘得到對比色的RGB值[3]。

（5）在其生成的數(shù)字化配色方案中，為了方便制作者的查找使用，在配色方案下附加背景色及對比色的RGB值。在色彩的擴展中，采用紅、綠、藍各自同時擴展，將色彩顯示在同一個平面上，每行顯示綠擴展，每3個單元為一次，每行5次;藍擴展采用列擴展，每3個單元為一次，擴展5次;紅色采用跳躍擴展，紅色不變綠藍同時擴展，紅色擴展后綠藍再次擴展[3]，完成了配色方案的擴展算法。

2.2樓宇信息管理系統(tǒng)

分別點擊圖1下方的“樓”“院”“學”“商”“醫(yī)”等按鈕，根據(jù)建筑的不同類型可實現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能。單擊“樓”按鈕，進入了“樓宇信息管理系統(tǒng)”，可以瀏覽到隴東學院所有樓宇的“樓院編號”“樓院名稱”“負責人”“聯(lián)系電話”“地址”“層數(shù)”“其他”“操作”等功能，在該頁面中可以預(yù)覽到25條樓宇記錄，并且也可單擊該頁面下方的“首頁”（“尾頁”）按鈕，直接瀏覽首頁（尾頁）記錄的樓宇信息，也可單擊該頁面下方的“上一頁”（“下一頁”）按鈕，直接瀏覽上一頁（下一頁）記錄的樓宇信息;還可通過“操作”功能的“詳情”，詳細的了解某棟樓宇的所有資料信息信息;通過“修改”按鈕，修改某樓宇的“樓宇名稱”“負責人”“聯(lián)系電話”“層數(shù)”“地圖坐標”“地址”“地圖覆蓋物”等;修改的“地圖坐標”的“X”和“Y”這兩個參數(shù)，它不是地圖覆蓋物的地圖坐標，而是通過GIS基點換算而來的坐標相對值，其基點在左上方[4];修改的“層數(shù)”中的“瀏覽”參數(shù)，它指的是數(shù)據(jù)采集到并添加樓院照片的文件;修改的“地圖覆蓋物”中的“瀏覽”參數(shù)，它指的是數(shù)據(jù)采集到的樓院上面發(fā)光的物體標記文件[5];在“樓宇信息修改”對話框中，如果需要確定修改操作，那么需要單擊保存“按鈕”，否則單擊“取消”按鈕;在該頁面的右上方位置處，通過單擊“添加”（“刪除”）按鈕，也可添加或者刪除該樓宇管理系統(tǒng)中樓宇記錄，也可通過“查詢”按鈕，使用“樓宇編號”查詢某棟樓宇的相關(guān)記錄信息。具體操作界面如圖4所示。

通過該系統(tǒng)，也可以查看某棟樓宇的基本情況介紹，在圖1中點擊某棟學生宿舍樓，可以瀏覽到這棟樓所有宿舍居住學生的基本信息，如圖5所示。

2.3學生信息管理系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中實現(xiàn)了對隴東學院所有學生通過“學號”“姓名”“性別”“出生年月”“籍貫”“院系”“專業(yè)”“民族”“政治面貌”“學籍狀態(tài)”“聯(lián)系電話”學生信息管理等功能;也可通過“修改”按鈕，修改學生的基本信息;也可在該頁面的右上方位置處，通過單擊“添加”（“刪除”）按鈕，添加或者刪除該學生新項目管理系統(tǒng)中學生的記錄，也可通過“查詢”按鈕，使用“學號”查詢學生的相關(guān)記錄信息;為了進一步優(yōu)化系統(tǒng)開發(fā)過程中的數(shù)據(jù)分析和存儲技術(shù)，運用了基于邏輯運算的全組合編碼公式，改進了多維數(shù)據(jù)存儲方式、優(yōu)化了程序邏輯結(jié)構(gòu)、解決了數(shù)據(jù)信息隱蔽等問題[6]。

2.3.1全組合編碼公式

對多維數(shù)組Array n1…nm中任意元素Array a1…am的權(quán)重：

Arraya1…am=Array a1…am×R1a1-1…Rmam-1（1）

最終編碼Code：

Code=∑……∑∑Arraya1…am

（2）

R1>=MAX{Array n1，n2，…nm）+1

（3）

Rh>=R 且Rh∈{2i|i>=1），1

如果Array k1，k2…km在Array n1，n2…nm中由無到有，則：

Code=Code+Arrayk1，k2…km。

（4）

2.3.2判定公式

如果Array k1，k2…km在Array n1，n2…nm中由有到無，則：

Code=Code-Arrayk1，k2…km

（5）

對于任意元素Array k1，k2…km的判斷是這樣的：

Arrayk1，k2…km L Code

（6）

用以下算法進行判斷：

If Jud=Arrayk1，k2…km Then

Arrayk1，k2…km存在于Code中

Else

Array k1，k2…km不存在于Code中

End If。

2.4師生便捷服務(wù)系統(tǒng)

采用JSP開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了師生在線便捷服務(wù)的功能。當不同的用戶輸入正確的用戶名和密碼后即可進入便捷服務(wù)系統(tǒng)界面。學生可以進行課堂考勤的簽到等功能，教師可以通過該系統(tǒng)進行請假、發(fā)起課堂考勤、查看自己的課表等功能，具體操作截圖界面如圖6所示。

3結(jié)束語

數(shù)字化校園就是通過虛擬三維技術(shù)將管理、服務(wù)的提供者與每個學生信息相聯(lián)結(jié)，使學校的管理者與學生之間通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)管理、交流、教學等工作。學生可以在任何時間任何地點獲得學校信息、相關(guān)服務(wù)和教學活動，教師可以在線便捷辦公，從而營造出了一個“無網(wǎng)而不在”豐富多彩的虛擬學校。

參考文獻：

[1]范圍華.基于Unity的虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2016，44（1）：325-327.

[2]馮新玲.三維虛擬校園交互漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京理工大學，2018.

[3]李娜.基于全組合算法的數(shù)字化配色方案分析[J].電腦知識與技術(shù)，2014，10（4）：803-805.

[4]張會霞，馬神兵，張亦弛.基于三維GIS的虛擬校園環(huán)境研究[J].測繪通報，2017（6）：118-121.

[5]高小六.數(shù)字地圖的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析[J].赤子，2015（1）：318.

[6]劉正岐，郭濤.基于邏輯運算的多維數(shù)據(jù)全組合編碼算法研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2011（9）：41-44.

收稿日期：2020-06-08

基金項目：甘肅省自然科學基金項目（項目編號：18JR3RM234）。

作者簡介：楊芳萍（1977-），女，漢族，甘肅甘谷人，大學本科，副教授，主要從事計算機教育工作。