三维虚拟校园的场景规划与实现

杨芳萍 王鹏飞

摘要：随着数字校园的快速发展，虚拟校园也开始进入人们的眼帘，规划虚拟校园已成为高校发展的必然趋势;本论述根据陇东学院的基本情况，采用3dsMax将收集的数据、使用CAD绘制的图纸进行建模，并通过采用支撑多平台的游戏开发工具Unity3D的插件实现粒子等效果，完成了学校虚拟场景的创建，使用户能够身临其境的感受到真实场景;采用JSP开发技术、使用多维数据全组合编码公式优化系统开发过程中的数据分析和存储技术，改进多维数据存储方式，解决数据信息隐蔽等问题，完成了对楼宇信息、学生信息及师生便捷服务等管理。

关键词：三维虚拟校园;场景;虚拟天气;配色方案;全组合编码

中图分类号：TP319

文献标志码：A

1概述

伴随着数字校园的快速发展，虚拟校园也开始进入人们的眼帘，人们开始对虚拟校园产生憧憬。陇东学院是一所全日制综合性省属普通本科院校，为了让更多的人们了解学校的办学条件和办学水平，更多的有识之士加入到这个大家庭中，加强学校的对外招生宣传，推广学校在线办公等功能，以学校的校园数据和景观图像为基础，构建比二维平面更直观形象，更逼近校园实景的三维虚拟校园已势在必行。传统的虚拟校园都是建立在二维平面地图和影像地图的基础上，已经不能满足学校对外招生宣传、校园导航、信息化管理的多元化功能需求。利用最新的计算机虚拟现实技术和网络技术，产生了最先进的三维虚拟校园技术，三维比二维平面更直观形象，更逼近校园的实景[1]。

2三维虚拟校园的场景规划与实现

以陇东学院为模型基础，采用3dsMax三维建模软件工具将收集的数据和通过CAD绘制的图纸进行建模，并通过采用支撑多平台的游戏开发工具Unity3D的插件实现粒子等效果，完成了学校虚拟场景的创建;再使用Unity3D软件开发出场景中角色漫游、碰撞检测等功能，让使用者能够身临其境的感受到真实场景;根据校园环境通过编写脚本实现场景的四季变换等;采用JSP开发技术，使用多维数据全组合编码公式实现了楼宇管理系统、学生信息管理系统、便捷服务等功能。当用户输入的用户名和密码正确无误后，进入系统主界面，其系统启动后的界面如图1所示。

2.1三维虚拟场景的实现

2.1.1三维虚拟场景系统

将学校管理的对象在三维地图上进行展示，通过三维地图的辅助更直观方便的对各个对象进行管理监控，其虚拟场景采用三维虚拟技术，以图形操作界面的方式实现。虚拟场景具有四级缩放、任意拖动、快速导航、鹰眼、测距、综合查询、地图调用、快速信息标注、分享等功能。场景的季节设计采用渲染技术，实现了春、夏、秋、冬、雪、夜场景季节景色的变化[2]。场景支持互联网浏览，根据天气预报接口获取天气状况，用户可以选择前后7d的气象信息，并显示在虚拟场景中，系统能够根据时间显示昼、夜、春、夏、秋、冬、节日等多种组合场景。虚拟校园场景上配有各类建筑的实景照片，并在一些位置制作全方位实景视频。同时采用全息数字展示，最终模拟全息投影显示的结果形成真实、立体感強、形象逼真的场景。点击图1上方的复选框场景按钮，并分别单击春、夏、秋、冬等按钮，就实现了四季的不同基本场景，如图2所示。

三维虚拟校园场景不仅实现了四季等的基本场景，而且还可根据互联网天气预报接口读取天气信息，并按照阴、晴、雨、雪、多云的天气状况、根据节假日情况增加了节日动态特效，将四季、昼夜、天气、节日等信息可根据情况任意组合，最多达到了40多种场景的组合，比如夜间雪景场景如图3所示。

2.1.2数字化配色方案

对于点、线组成的图，受缩放、斜切、旋转、透视等因素影响较大，容易产生其他图案及纹理;图案和图像缩放受影响不大，受斜切、旋转、透视等不对称拉伸影响变化较大等问题要进行基线误差处理。在图像引用过程中，应考虑因硬件制约，致使原点、线构成的图形（图案）出现清晰的纹理等问题，应尽可能采用误差修正方式，采用近似虚化点线弥补效果不足。因此，在完成三维虚拟场景的图像效果处理过程巾，其程序生成配色方案主要以RGB格式为基础建立的色彩对比模型，有9个小的单元格组成，中间为对比色，周围为背景色[4]，主要从以下几个方面来完成。

（1）对比色R（0.128.255）G（0.128.255）B（0.128.255）采用自由组合的方式产生，即以128为基色值，共有3*3*3=27种。

则设有A为变化值总数：A=3，i为A的变量i=0，1，2，N为对比色的总数：N=3^3=27，L为RGB控制变量L=A^i.count。

对比色的生成为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）当i.count因程序控制变量变化时，i由0到2变化，与基色值相乘得到对比色的RGB值。对比色的基色值为128[3]，见表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）采用自由组合的方式产生，即以64为基色值，共有5*5*5=125种。

对比色的生成为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）当i.count因程序控制变量变化时，i由0到2变化，与基色值相乘得到对比色的RGB值[3]。

（5）在其生成的数字化配色方案中，为了方便制作者的查找使用，在配色方案下附加背景色及对比色的RGB值。在色彩的扩展中，采用红、绿、蓝各自同时扩展，将色彩显示在同一个平面上，每行显示绿扩展，每3个单元为一次，每行5次;蓝扩展采用列扩展，每3个单元为一次，扩展5次;红色采用跳跃扩展，红色不变绿蓝同时扩展，红色扩展后绿蓝再次扩展[3]，完成了配色方案的扩展算法。

2.2楼宇信息管理系统

分别点击图1下方的“楼”“院”“学”“商”“医”等按钮，根据建筑的不同类型可实现不同的系统功能。单击“楼”按钮，进入了“楼宇信息管理系统”，可以浏览到陇东学院所有楼宇的“楼院编号”“楼院名称”“负责人”“联系电话”“地址”“层数”“其他”“操作”等功能，在该页面中可以预览到25条楼宇记录，并且也可单击该页面下方的“首页”（“尾页”）按钮，直接浏览首页（尾页）记录的楼宇信息，也可单击该页面下方的“上一页”（“下一页”）按钮，直接浏览上一页（下一页）记录的楼宇信息;还可通过“操作”功能的“详情”，详细的了解某栋楼宇的所有资料信息信息;通过“修改”按钮，修改某楼宇的“楼宇名称”“负责人”“联系电话”“层数”“地图坐标”“地址”“地图覆盖物”等;修改的“地图坐标”的“X”和“Y”这两个参数，它不是地图覆盖物的地图坐标，而是通过GIS基点换算而来的坐标相对值，其基点在左上方[4];修改的“层数”中的“浏览”参数，它指的是数据采集到并添加楼院照片的文件;修改的“地图覆盖物”中的“浏览”参数，它指的是数据采集到的楼院上面发光的物体标记文件[5];在“楼宇信息修改”对话框中，如果需要确定修改操作，那么需要单击保存“按钮”，否则单击“取消”按钮;在该页面的右上方位置处，通过单击“添加”（“删除”）按钮，也可添加或者删除该楼宇管理系统中楼宇记录，也可通过“查询”按钮，使用“楼宇编号”查询某栋楼宇的相关记录信息。具体操作界面如图4所示。

通过该系统，也可以查看某栋楼宇的基本情况介绍，在图1中点击某栋学生宿舍楼，可以浏览到这栋楼所有宿舍居住学生的基本信息，如图5所示。

2.3学生信息管理系统

在该系统中实现了对陇东学院所有学生通过“学号”“姓名”“性别”“出生年月”“籍贯”“院系”“专业”“民族”“政治面貌”“学籍状态”“联系电话”学生信息管理等功能;也可通过“修改”按钮，修改学生的基本信息;也可在该页面的右上方位置处，通过单击“添加”（“删除”）按钮，添加或者删除该学生新项目管理系统中学生的记录，也可通过“查询”按钮，使用“学号”查询学生的相关记录信息;为了进一步优化系统开发过程中的数据分析和存储技术，运用了基于逻辑运算的全组合编码公式，改进了多维数据存储方式、优化了程序逻辑结构、解决了数据信息隐蔽等问题[6]。

2.3.1全组合编码公式

对多维数组Array n1…nm中任意元素Array a1…am的权重：

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

最终编码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，则：

Code=Code+Arrayk1，k2…km。

（4）

2.3.2判定公式

如果Array k1，k2…km在Array n1，n2…nm中由有到无，则：

Code=Code-Arrayk1，k2…km

（5）

对于任意元素Array k1，k2…km的判断是这样的：

Arrayk1，k2…km L Code

（6）

用以下算法进行判断：

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师生便捷服务系统

采用JSP开发技术，实现了师生在线便捷服务的功能。当不同的用户输入正确的用户名和密码后即可进入便捷服务系统界面。学生可以进行课堂考勤的签到等功能，教师可以通过该系统进行请假、发起课堂考勤、查看自己的课表等功能，具体操作截图界面如图6所示。

3结束语

数字化校园就是通过虚拟三维技术将管理、服务的提供者与每个学生信息相联结，使学校的管理者与学生之间通过网络实现管理、交流、教学等工作。学生可以在任何时间任何地点获得学校信息、相关服务和教学活动，教师可以在线便捷办公，从而营造出了一个“无网而不在”丰富多彩的虚拟学校。

参考文献：

[1]范围华.基于Unity的虚拟校园漫游系统的设计与实现[J].安徽农业科学，2016，44（1）：325-327.

[2]冯新玲.三维虚拟校园交互漫游系统的设计与实现[D].南京：南京理工大学，2018.

[3]李娜.基于全组合算法的数字化配色方案分析[J].电脑知识与技术，2014，10（4）：803-805.

[4]张会霞，马神兵，张亦弛.基于三维GIS的虚拟校园环境研究[J].测绘通报，2017（6）：118-121.

[5]高小六.数字地图的应用现状及前景分析[J].赤子，2015（1）：318.

[6]刘正岐，郭涛.基于逻辑运算的多维数据全组合编码算法研究[J].物联网技术，2011（9）：41-44.

收稿日期：2020-06-08

基金项目：甘肃省自然科学基金项目（项目编号：18JR3RM234）。

作者简介：杨芳萍（1977-），女，汉族，甘肃甘谷人，大学本科，副教授，主要从事计算机教育工作。