學(xué)院三維地圖和三維全景圖的實(shí)現(xiàn)

張銳　張振宇　袁金堂　陳恩娜

學(xué)院三維地圖和三維全景圖的實(shí)現(xiàn)是虛擬校園建設(shè)中的重要組成部分。結(jié)合已有的新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)興新職業(yè)技術(shù)學(xué)院三維地圖和三維全景圖的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，解析了學(xué)院三維地圖和三維全景圖的實(shí)現(xiàn)過程，分享了在校園三維建模及全景圖制作過程中獲得的經(jīng)驗(yàn)和心得。

研究背景

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和數(shù)字校園技術(shù)的應(yīng)用與普及，虛擬校園成為校園信息化建設(shè)中一個(gè)新的發(fā)展趨勢。學(xué)院三維地圖和三維全景圖的實(shí)現(xiàn)是虛擬校園建設(shè)中的重要組成部分。本文中搭建學(xué)院三維地圖和三維全景圖網(wǎng)絡(luò)平臺采用HTML5編輯方式，支持移動端瀏覽器訪問，同時(shí)對平臺的性能和功能進(jìn)行了測試。

研究理論依據(jù)

虛擬校園基于三維全景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（實(shí)景虛擬），通過對校園內(nèi)實(shí)體進(jìn)行數(shù)字建模，并通過三維實(shí)景模擬的表現(xiàn)方式，使瀏覽者能身臨其境感受優(yōu)美的校園風(fēng)光、良好的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)資源，也可以隨意選擇校園中的景點(diǎn)和參觀路線。因此開展三維虛擬校園系統(tǒng)及相關(guān)課題的研究適應(yīng)信息社會的發(fā)展趨勢，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

建立在二維平面和影像地圖基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)虛擬校園，無法滿足學(xué)院對外招生宣傳、校園展示及信息多元化的功能需求。三維地圖和三維全景圖的實(shí)現(xiàn)可更加形象直觀地對校園進(jìn)行多種方式查看，讓人們更真實(shí)地了解學(xué)院的建筑構(gòu)造，感受校園環(huán)境。

研究實(shí)施過程

三維地圖和三維全景圖的實(shí)現(xiàn)，首先依據(jù)衛(wèi)星地圖繪制校園平面圖，以平面圖為依據(jù)進(jìn)行三維建模，渲染成全景圖進(jìn)行交互式設(shè)計(jì)。

制作工藝

1.繪制校園平面圖

通過百度地圖的衛(wèi)星地圖定位到學(xué)院，以衛(wèi)星地圖為參照繪制校園平面圖。

2.建模數(shù)據(jù)采集

通過專業(yè)的數(shù)碼相機(jī)或手機(jī)多方位多角度地拍攝校園場景，為建模校園提供數(shù)據(jù)參照。

3.三維建模

通過三維建模軟件對校園內(nèi)場景進(jìn)行三維建模，渲染成全景圖。

4.數(shù)據(jù)整合

利用PANO2VR工具強(qiáng)大的3D環(huán)境虛擬實(shí)景編輯功能，設(shè)計(jì)和開發(fā)互動三維場景系統(tǒng)。

三維地圖及三維全景圖主要實(shí)現(xiàn)功能包括：

全景圖自動旋轉(zhuǎn)查看功能;

鼠標(biāo)點(diǎn)擊拖拽環(huán)繞查看模式;

三維地圖導(dǎo)航功能;

導(dǎo)航定位查看校園全景圖;

路徑漫游，鼠標(biāo)點(diǎn)擊設(shè)置好的路徑進(jìn)行漫游查看;

縮略圖導(dǎo)航功能。

主要技術(shù)方法

課題研究主要分三維地圖的實(shí)現(xiàn)和三維全景圖的實(shí)現(xiàn)。

首先是三維地圖的實(shí)現(xiàn)，三維地圖主要是對校園實(shí)體的三維數(shù)字建模，可選用的工具有3DS MAX、SKETCHUP等三維建模軟件，根據(jù)日常教學(xué)活動中熟悉的3DS MAX軟件進(jìn)行校園三維建模。

打開百度地圖中找到學(xué)院所在位置，選擇衛(wèi)星地圖模式查看，百度地圖工具箱中有測距工具。通過衛(wèi)星影像圖定位，確定各個(gè)樓宇所在地，用CAD繪制完成校園平面圖。

將CAD圖導(dǎo)入到3DSMAX中為底圖，3DSMAX中系統(tǒng)單位和顯示單位設(shè)置為毫米，分別使用樣條線繪制各個(gè)樓房平面，通過擠出命令輸入樓房高度，轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形，然后對樓房進(jìn)行逐個(gè)建模。

將建模好的樓宇建筑按照CAD底圖的位置擺放好，完成校園運(yùn)動場、籃球場、健身器材、道路和綠植裝飾等的建模并擺放好位置，添加燈光攝像機(jī)，攝像機(jī)位置以衛(wèi)星地圖為參照，但可適當(dāng)降低高度以便達(dá)到更佳的觀賞效果，渲染出圖得到校園三維地圖數(shù)據(jù)。

其次是三維全景圖的實(shí)現(xiàn)。三維地圖只是校園全景的整體概述，無法充分地展現(xiàn)出校園的具體面貌，三維全景圖的實(shí)現(xiàn)正好可以填補(bǔ)三維地圖的不足之處。

三維全景效果圖，可以通過架設(shè)三腳支架固定相機(jī)機(jī)位，運(yùn)用數(shù)碼相機(jī)廣角鏡頭對校園場景進(jìn)行多角度實(shí)景拍攝，拍攝得到的照片進(jìn)行拼接得到三維全景圖。根據(jù)拍攝方式的不同，三維全景圖又可分為柱狀全景和球型360。全景。

基于三維地圖的實(shí)現(xiàn)，校園已經(jīng)有了具體的三維模型數(shù)據(jù)，三維全景圖可通過三維模型渲染輸出來。選取校園主要場景，如學(xué)院大門、運(yùn)動場、學(xué)生宿舍樓前、學(xué)生食堂樓前、主要教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓以及行政樓等場景。在3DS MAX軟件渲染設(shè)置中選擇Vary渲染器，只有在Vary渲染器中才可以選擇360全景相機(jī)渲染全景圖，全景圖的寬高比為2：1。

三維地圖和三維全景圖的實(shí)現(xiàn)，將全景圖素材導(dǎo)人到360全景效果圖制作軟件中，本文選用的是PANO2VR軟件，在PAN02VR中對三維全景圖校園場景的預(yù)覽，通過設(shè)置皮膚的方式完成場景的交互和地圖預(yù)覽功能。搭建校園三維地圖和三維全景圖服務(wù)器平臺，通過網(wǎng)址訪問查看校園全景，PANO2VR中采用HTML5編碼方式，能更好地支持在移動設(shè)備上瀏覽。

研究意義及推廣價(jià)值

三維地圖和三維全景圖的實(shí)現(xiàn)有利于提升學(xué)院的知名度。三維地圖和三維全景圖可作為學(xué)院數(shù)字化校園建設(shè)的一部分，有效宣傳學(xué)院，提升學(xué)院的整體形象。

三維地圖和三維全景圖的實(shí)現(xiàn)有利于提高教師的科研探索精神。通過課題的研究，鞏固了教師對軟件的操作能力，同時(shí)還可將知識和技能轉(zhuǎn)化為教學(xué)成果和科研成功。

三維地圖和三維全景圖也可以使用方便學(xué)生的HTML5編碼方式，讓學(xué)生在手機(jī)上就可以快速對校園風(fēng)景和校園面貌進(jìn)行瀏覽，對于新生入學(xué)及時(shí)直觀地了解學(xué)院起到了積極的作用。

學(xué)院三維地圖和三維全景圖的實(shí)現(xiàn)，還可以不斷完善和擴(kuò)充功能模塊。地圖的標(biāo)注、添加文字介紹以及多媒體展示等功能的實(shí)現(xiàn)，能充分發(fā)揮三維地圖和全景圖對校園信息的管理

研究中存在的問題

以衛(wèi)星地圖為參照，應(yīng)用百度地圖中測距工具在地圖中測量出的數(shù)據(jù)與真實(shí)場景有一定誤差。另外對于樓房高度的測量因?yàn)闆]有專業(yè)測量工具均采用估算，所以校園三維地圖和三維全景圖的建模數(shù)據(jù)與真實(shí)的校園場景存在一定誤差。

通過相機(jī)拍攝校園中建筑物和各個(gè)運(yùn)動器械的外觀和構(gòu)造，作為校園三維數(shù)據(jù)建模的主要依據(jù)。因要表現(xiàn)出建筑物的各個(gè)方位和具體構(gòu)造以及校園中建模元素較多，故要采集的數(shù)據(jù)照片數(shù)據(jù)量大，有時(shí)在建模的同時(shí)還需返回校園重新拍攝素材。

三維數(shù)據(jù)建模工作量龐大，要求對3DS MAX軟件熟練操作，對計(jì)算機(jī)配置也有一定的要求。在完成三維數(shù)據(jù)建模后，渲染出圖因要選擇高品質(zhì)的效果圖，故渲染出圖時(shí)間較長，通常一張效果圖的渲染出圖時(shí)間都在1～2 h左右。

此外，三維地圖和三維全景圖的實(shí)現(xiàn)，滿足了校園全景面貌的展示，但與通過自由漫游的方式觀察校園還存在一定的差距，這也是今后課題研究的方向之一。