基于VRP的数字校园设计与实现

(东北石油大学软件学院，黑龙江大庆163318）

近几年来随着计算机技术的发展，校园信息化建设也快速发展起来，数字校园正是校园信息化建设的重要组成部分。三维数字校园是校园信息化建设的高级阶段，是集展示、学习、管理等为一体的新型三维数字化环境，是利用先进的虚拟现实技术和信息化工具实现从环境到资源的三维数字化场景，从而构建一个真实数字校园环境系统，实现各类信息的收集、存储、展示、查询等功能，使现实的数字校园在时间和空间上得到融合，从而真正的提升数字校园建设的信息化进程。三维虚拟校园作为虚拟城市建设的一部分，正倍受重视，将校园风貌用虚拟仿真实现，既可以为学校树立良好的形象，提高学校的知名度，宣传校园文化，让来访者足不出户就可浏览校园风光和有关介绍信息，体验身临其境的感受，又可以作为校园规划的辅助工具，提高校园管理的现代化水平[1]。下面，笔者以东北石油大学校园及其周边为例，采用VR-Platform软件(VRP，Versatile Routing Platform，通用路由平台，北京中视典公司）建立具有自由、自动漫游、校园导航、信息管理等功能的数字化校园。

1 功能设计

主要设计了校园导航、校园漫游、信息管理、视频监控、智能查询定位和校园服务等功能。

1）校园导航 校园导航分为二维地图导航和三维地图导航。所谓二维地图导航就是在传统的二维地图的基础上实现鼠标点击地图上的地点，三维场景立即切换到指定地点。这种导航具有简洁清晰的特点。三维地图导航是指将所做的三维场景进行45°截图，虽然也是平面的但能给人一种立体感。这种地图具有内容丰富、可视化效果强的特点。

2）校园漫游 这一模块中的自动漫游是指相机或人物自动按某一条路线行走为用户展示校园；自动漫游是指用户通过鼠标和键盘在虚拟校园中根据自己的兴趣自由的行走观看。

3）信息管理 信息管理是指将校园内的建筑、道路、数目的一些基本信息存放到数据库中，用户可以通过鼠标点击、键入等互动行为在相应的位置呼出这些信息。

4）视频监控 视频监控是指系统可以和学校的监控系统集成，在能浏览虚拟校园的同时还能对校园的真实情况有所了解，进一步方便对学校的管理。

5）智能定位系统 一方面，可以在输入框中输入要查询的地点点击查询按钮，三维场景就可以切换到目的场景；另一方面，还可以输入起始点和终点，系统会自动寻找出最短路径，并计算出两点之间的实际距离和一般步行时间等。这个模块对以后打造数字城市也具有很重要的意义。

6）校园服务 将学校机关单位和二级学院下发的一些招生信息、重要通知等显示在虚拟布告栏中。

2 系统开发流程

首先采集所需的信息，统计要创建的建筑、树木、道路等物体模型，然后利用3DS MAX建模软件建模构建三维场景[2]，之后对构建好的三维场景进行三维互动设计。笔者采用由北京中视典公司推出的VR-Platform三维互动平台进行开发。该软件平台能和3DSMAX进行无缝结合，支持3DSMAX的关键帧动画、变形动画和粒子系统等多种功能[3]。系统的构建流程如图1所示。

图1 三维数字校园构建流程

3 三维建模

目前，用于数字校园三维建模的主要方法有基于AutoCAD、3DSMAX建模、基于MultiGen、ImaGIS建模及SketchUp建模等。这些方法各有优点。数字校园建筑物建模方法的选用，需充分考虑建筑物三维模型在数字校园系统的作用[4]。笔者选用操作相对简单、使用灵活的3DMAX进行建模。整个场景共约120万面，600个模型，压缩后文件大小约20Mb。场景中主要模型数据如表1。

表1 场景主要模型信息表

VRP场景的总贴图量是影响VRP运行速度的原因之一，因此在场景制作时贴图量的优化就显得很重要。在对VRP场景的模型个数和面数优化后，还必须对场景的贴图量做一个很好的折中优化。贴图量的优化需要从一开始烘焙贴图时就要开始遵循一个优化原则：贴图尺寸用2n次方。烘焙尺寸越大，标志性大型建筑的烘焙贴图尺寸可以为1024×1024，一般建筑的烘焙贴图尺寸只要512×512甚至是256×256就可以了，小型实体的烘焙贴图尺寸只需要128×128[5]。完成后的模型如图2所示。

图2 完成后模型效果图

4 VRP设计

在完成了三维场景的构建之后，利用VRP三维互动平台设计交互制作。笔者主要设计了动画相机录制、导航图制作、数据库连接、背景音乐等功能。

1）动画相机的制作 动画相机的操作较为简单，首先在 “创建对象”下点击 “相机”按钮，在出现的 “创建相机”面板下选择 “动画相机”，按 “F5”进入动画相机录制界面，再按 “F11”开始录制。录制完成，再按一下 “F11”结束动画录制，然后在出现的对话框中为此次动画录制起名。

2）导航图的创建 该系统中使用了二维导航图来引导用户漫游整个校园场景，VRP软件本身提供了导航图功能。在VRP编辑器上单击 “编辑界面”下 “创建新面板”的下拉列表中的 “导航图”选项，创建一个导航图，然后要为导航图添加一张图片，回到 “创建对象”面板下，按住 “G”快捷键进入到“Top”视图中，然后按 “U”快捷键，进入到正交状态下，无透视状态，把图适当的放大一些，通过 “高精度抓图”工具，选择输出图片的路径，点击 “抓图”，输出一张图片，接下来，可以通过Photoshop对图片进行处理，把不需要的部分删除掉，处理完后保存图片，接下来再把这张处理过的图片添加给导航图。在 “编辑界面”上选择刚刚建立好的导航图，在属性面板的 “贴图”属性的 “图片”的 “选择”“从VRP浏览器中”或者 “从Windows文件中”加入需要的图片，添加到导航图上，然后设置其 “平滑模式”为线性，单击 “恢复贴图长宽比”使导航图的比例跟输出的图片的比例是一致的，同时也可以在导航图属性面板中自定义导航图名称，确认名称的修改。最后设置导航坐标，导航坐标是根据Max中场景的坐标而得到的，上坐标是指场景中Y坐标的最大值，下坐标是指场景中Y坐标的最小值，左坐标是指场景中X坐标的最小值，右坐标是指场景中X坐标的最大值，这个需要根据Max中的值来设置。

3）数据库连接设置 在VRP功能面板中选择 “数据库”，在 “连接数据库”面板下，第1步，选择数据库类型，在下拉列表中选择常用的 “Access”数据库；第2步，输入所建数据库的路径，可以通过点击按钮来获取，直接选择数据库文件；第3步，输入用户名跟密码，如果为空的话则直接跳过。点击 “连接数据库”按钮，下面的数据库连接状态会进行更新，显示当前的连接状态。如果连接成功，点击 “显示数据”，可以查看数据库里头的数据记录。接下来是进行 “关联操作”。首先选择1个VRP的模型，然后选择1条数据库的记录，点击 “新建关联”，在下面的列表中会显示当前已经添加的关联，如果要删除的话，可以点击 “删除关联”，可以为不同的模型添加不同数据库的不同的关联。

4）设置背景音乐 在VRP编辑器中，点击 “脚本”，打开 “脚本编辑器”，在系统函数下，单击“新建”按钮，在弹出的对话框中单击 “窗口消息函数”，创建一个初始化函数，在弹出的 “VRP命令行编辑器”中找到 “音乐”，选择 “音乐”下的 “播放音乐”，在 “音乐文件”的加载按钮上点击，打开“音乐设置”，选择要添加的背景文件，可以试听，再设置声道、重复次数，本系统中通过设置了按钮来控制背景音乐的播放设置。一个 “开启按钮”，一个 “停止”按钮，还有对背景音量的控制。

在VRP中设计完成后的三维场景效果如图3所示。

[1]刘燕，秦建波，洪智凤．三维虚拟校园模型构建研究 [J]．数字技术与应用，2011（6）：46-47．

[2]蔡武，陈果，朱志敏，等．基于3DMax和Virtools的矿井虚拟仿真系统设计 [J]．煤炭工程，2011（1）：111-113．

[3]梁智杰，李众立．VR-Platform校园漫游系统研究与实现 [J]．计算机系统应用，2010（9）：124-127．

[4]刘德利，张亚双．数字校园三维景观建模方法的分析与应用 [J]．科技创新导报，2011（5）：73-74．

[5]李芳，肖洪，杨波，等．三维数字校园的设计与实现 [J]．系统仿真技术，2010（1）：71-75．

[6]杨宏艳，史卓，钟艳如．基于虚拟现实的数字化校园漫游系统设计 [J]．桂林电子科技大学学报，2011（8）：287-291．