校园三维资讯地图的研究与开发

文丨陆 欣 麦颖欣 牟 馨

（华中师范大学 信息与新闻传播学院，武汉 430079）

1 引 言

1.1 概述

数字化校园是我国高校信息化建设的重要组成部分，校园资讯服务是数字化校园应该提供的最基本信息服务之一，有助于教师和学生及时的了解学校各方面的动态。现有的校园资讯服务平台主要采用文字承载资讯的内容，按照时间顺序以列表的形式展示给用户，供用户选择浏览。这种列表形式单调乏味，不能使用户快速关联资讯的地点等要素，不便于用户对资讯信息的检索与定位。将资讯发布与虚拟现实技术结合，三维资讯地图不仅以更加直观、真实的方式向用户展示校园的面貌，同时方便用户浏览相关新闻资讯，将大大提升三维地图的实现性与交互性。

1.2 国内外研究发展现状

近年来，美国大学虚拟校园的建设涉及到了教务科研、图书馆网络、学校管理和学生日常生活各个方面，取得的成绩有目共睹。此外，瑞士联邦政府早2000到2003年间以特别财政补贴方式，为州立大学拨款3000万元瑞郎，鼓励在高等教育领域进行信息化建设，建立“瑞士虚拟校园”。澳大利亚的墨尔本大学、加拿人的多伦多大学等都有了较为完善的三维校园系统。

我国和一些发达国家相比，虽然三维地图、虚拟校园技术还有一定的差距，但这已引起政府有关部门和研究者们的重视。国内一些重点院校已积极投入这一领域的研究工作。北京航空航天大学研究的“分布式虚拟现实应用系统开发与支撑平台”获2002年国家科技进步二等奖。2010年以来，清华大学、上海外国语大学、哈尔滨工业大学等高校相继发布了校园三维地图、虚拟漫游系统。

限制于数据格式、环境兼容问题，以及网络数据传输速率不足的原因，已有的大部分校园三维地图的功能集中于地理查询、实景浏览以及导航漫游，与用户的主动交互性并不好。对于校园中建筑的介绍或是过于简单、内容死板，或是一成不变，缺少更新，极大程度降低了校园三维地图的实用性。

1.3 研究意义及作用

从我国高校三维地图研究现状来看，将三维地图平台应用于信息发布、交流层面所作的研究较少，仍处于起步阶段。随着网络的普及和信息技术的发展成熟，用户对信息获取要求、信息筛选标准也越来越高。其中，高校学生在对新闻、资讯等数字化信息进行浏览时，特别不满于连篇累牍的文字堆积，希望得到一种资源呈现真实性、关联感都更强的形式，并且能够自主发表信息进行交流互动。

构建一个三维的、能实时交互的现实生活中的校园的虚拟三维场景，有着广泛的应用和发展前景。校园三维资讯地图提供一种崭新的新闻检索模式与用户体验，最大程度体现虚拟现实的交互性，用户自主发布地点信息极大提高资源整合的时效性与吸引力。

1.4 研究内容

研究一个资讯系统，该系统依托三维的虚拟校园模型，有机地结合资源整合系统，构建了一个具有沉浸感的虚拟环境。该虚拟环境是一个人机交互系统，能够以校园模型中的地点为标签，发布即时资讯和新闻，促进用户信息交流。校园三维资讯地图能够将校园各类资讯精确直观地即时呈现在三维校园模型的对应地点上，也能使用户通过各类网络平台，在拟真的校园环境中进行交流。

1.5 技术路线

项目将采用的软件环境以及技术路线如下图

2 校园三维资讯地图总体设计

2.1 系统需求分析

本系统不仅目标于展示校园地理信息的综合平台，实现校园的实景浏览，更重要的是实现了与校园综合信息的无缝连接，例如教务、学生、楼宇等信息的整合。一方面用户可进行已有信息的查阅，另一方面注册用户可自行根据地点坐标执行信息发布，并与其他用户在线交流。本系统的主要功能如下：

（1）校园立体三维地图（2）校园地理信息查询及景观浏览（3）校园新闻资讯发布（4）用户发布信息及在线交流（5）地图与信息的即时更新

2.2 系统功能划分

本系统研究一个校园三维资讯发布系统，基于三维立体的虚拟校园模型，结合资源整合系统，可以以模型中的地点为标签，完成信息的发布与交流。三维模型为全息模型，可以实现放大缩小、无缝接轨、平滑移动。信息存储于动态数据库中，可实现即时更新与交互。具体包括三大系统的建立：

（1）建立校园三维模型（2）建立资讯管理系统（3）有机融合校园三维模型和资讯服务系统

项目中具体功能实现细节及模块设计将在详细设计阶段论述。

3 校园三维资讯地图的详细设计与实现

3.1 校园三维模型建立

3.1.1 底图预处理

整个校园模型建立在真实校园的底图上，项目采用基于卫星地图以及数字化地图的三维建模。地理地图是华中师范大学数字化地形图，以及从Google Earth影像上提取的华中师范大学遥感影像。

3.1.2 模型制作过程

通过档案馆、学校基建处网站以及Google地图查询建筑物的长宽和高度，利用比例尺计算相对长度，将其作为对建筑实体几何建模的高度基准。按照数据，使用长方体工具建立楼体大致模型，并根据需要设置长宽高的分段数，便于后期制作细节。将模型转换成可编辑多边形，在面层级下使用挤压、切角等操作，配合在点层级、线层级下的移动、缩放等操作调整出建筑物的大致形状。为了尽量减少内存占用，门窗等细节在模型上省略，通过后期纹理贴图实现。

3.1.3 纹理处理

利用数码相机实地拍摄或网上下载图取得纹理源素材，在拍摄时尽量选用三脚架以便获取扭曲度更小的纹理。用Photoshop软件进行处理，纹理采集中无法避免“近景遮挡远景”这一情况，但墙面纹理具有大量的重复图案，因此可以利用PS中“仿制图章”等工具对墙面纹理进行，提取基本纹理并重复消除遮挡。纹理的修正工作还包括光线色彩的修正，修补破损分割图像，纹理大小的调整。

为了方便纹理处理和后期贴图，纹理贴图皆选择单面墙角度。在3D MAX中贴图时，普通墙面选择blinn材质球默认设置，玻璃材质则将高光部分数值调高，反射值加大，无反射材质则选择surface材质球。在面层级下对模型进行单面贴图。由于三维模型最终要导入VRP编辑器当中，这要求事先对纹理进行烘焙处理，讲分面贴的纹理展开渲染成为整片的纹理贴图。给完成纹理贴图的模型增加UVW贴图修改器，选取长方体形式，以使材质UV贴合模型形状。再给模型添加展开UVW修改器，选择渲染-渲染到纹理，烘焙材质。保存当前UV，新建材质球给模型添加烘焙出的贴图，再次添加展开UVW修改器，加载UV。

3.1.4 修改校园模型

将建立好的建筑物模型按照底图添加到地形模型上面，按照实际情况调整高度。使用面片和透明贴图建立简单的树木模型。为了方便模型的制作，使用3D MAX的第三方树木插件制作校园中的树木。在插件中将内置树木替换为制作好的树木模型，适当调整模型大小和旋转的随机值，使生成的树木错落有致，更接近真实情况。在地形栏中加载校园地形，以使生成的树木能够贴合地形。设置树木数量，注意，为了避免模型加载时过多占用内存运算，树木不宜设置过多，点击生成按钮。调整或删除与建筑物模型发生交叉的树木模型。给3D MAX添加3D MAX TO VRP插件，生成转换接口。将校园模型转换为场景文件导入VRP中。

3.2 搭建资讯数据库

校园三维资讯地图的设计和使用涉及到了包括地理、房屋、用户以及即时资讯等大量的信息，为了对所有的数据进行有效的统筹管理，必须对该系统的功能模块进行合理清晰的划分。以三维校园资讯地图用户为中心，从该系统的实用性出发去分析三维校园资讯地图拟提供的功能，可以得出两个基本点，导航和资讯。前者用户利用导航系统可以快速定位到目的地。后者是通过用户界面可以进行信息的发布以及实时资讯的获取。

在对系统用户需求所作调查与分析的基础上，将用户需求划分为登录系统、信息管理系统、以及数据库管理系统三大功能系统，并且将信息系统划分为信息发布、信息查询、导航三个主要功能模块。用户通过登录系统进入到场景中进行活动、操作、信息发布或获取，并且通过实时监控将用户相关信息记录在数据库内；管理员通过操作数据库数据内容对用户可以获取的信息进行控制。如用户可以在操作界面中获取到管理员发布的通知、活动、新闻等信息。

其中，数据库管理系统又是三大功能系统的核心，起到联系各个系统、协调系统间信息交流、保证系统间信息畅通的功能。校园三维资讯地图系统的数据库功能设计分为了5个部分。包括①用户登录系统。用户名、用户口令等。②信息发布模块。如后台信息发布、定点信息发布、公共聊天室等。③信息查询模块。建筑物固有信息、多媒体信息、通讯信息等。④导航模块。包括列表导航、定点查询导航、导航图导航等。⑤数据库管理系统。用于对信息进行读取、存储和管理，视频等连接地址。

明确了资讯数据库的功能划分后，下一步就进行数据的主要表的设计。根据每一个模块具有的特性设置数据库基本字段。每个字段由若干按照某种界限划分的相同数据类型的数据项组成。在每一个记录包含这行中所有字段的信息。就像在建筑固有信息数据库中记录下包括建筑的名称、路段、三维坐标等全部的信息。

建立了单个表以后，为了提高数据的利用效率以及基于用户需求差异性而要求的获得更加准确的字段值，经常在多个表中进行交互式查询，即通过在数据库的规范化中，将多个表用SQL语句连接起来或者把一个表投影分解成多个符合更高级范式的表。同时，出于对数据库的安全性的考虑，为了保护数据库信息，并防止不合法的使用所造成的数据泄露、更改或破坏，对不同用户角色对于服务器的访问范围进行控制。在设计数据库的时候对普通用户和管理员开放不同的管理权限，并结合用户口令等措施保护数据安全。

3.3 VRP中整合三维模型与数据库系统

VRP11是国内第一款自主研发的虚拟现实软件，特点是适用性强、高度可视化。采用该软件，一个重要原因正是参与项目的制作人员有比较良好的3DMAX建模和渲染基础，利用VRPLATFORM平台提供的多个接口模块功能可以便捷的实现虚拟场景构建。

模型场景创建和咨询数据库搭建完成后，将3DMAX中三维模型场景导入VRP中，观察整体场景显示效果，检查模型是否发现变形及纹理是否正确显示。在场景中加入灯光，模拟晴天日光环境，在楼房表面形成阴影效果，增加其立体感和真实感。设置摄像机对楼房进行定点观察。最后利用VRP中数据库—模型API将模型和咨询数据库链接起来，使模型上具有数据信息，并且通过表间查询可以获取到整个数据库的数据内容。