數字校園

“數字校園”發展歷史可追溯到上個世紀，國外數字化校園建設起源於1990年美國克萊蒙特大學教授凱尼斯·格林(Kenneth Green)發起並主持的一項名為“信息化校園計劃”的大型科研項目。我國高等學校大規模的信息化建設大多從20世紀90年代開始，並得到快速發展，在“面向21世紀教育振興行動計劃”中提出並強調了要利用信息技術來推進教育的改革。我國“數字校園”就是在這一教育改革的理念上提出來的。在隨後的數字校園建設實踐過程中，數字校園的理念得到了逐步擴充和完善。

數字化校園是利用計算機技術、網路技術、通訊技術以及科學規範的管理對校園內的教學、科研、管理和生活服務有關的所有信息資源進行整合、集成和全面的數字化，以構成統一的用戶管理、統一的資源管理和統一的許可權控制；通過組織和業務流程再造，推動學校進行制度創新、管理創新，最終實現教育信息化、決策科學化和管理規範化。

以教師、學生、管理人員為主體，以教學、科研、管理活動為主要服務對象，通過校園數字化實現資源高度共享、信息高速流動，建設數字化教學、科研與管理環境。

傳統校園的基礎上，以網路為基礎，從環境、資源、到活動全部數字化，實現網上辦公、網上管理和網上服務。

學校在開展教育、科研和管理及對外通訊工作全過程中運用寬頻、交互性和專業性的區域網路實現數字化教學和學校辦學數字化、信息化和智能化。

數字校園的建設包括校園基礎信息化環境的建設和校園應用系統的建設。校園基礎化環境包括校園網路化環境，基本的信息化終端建設，數字教室的建設。校園應用系統應包括基礎應用系統和功能應用系統。

校園一卡通在學校內也稱為校園卡系統，是數字校園的有機組成部分，校園一卡通工程是數字校園的標誌性工程和前導性工程。校園卡是將廣大師生員工與數字校園有機連接在一起的最有效的媒介，實現了“一卡在手，走遍校園”，校園卡是校園數字化的重要形象和重要標誌之一，所謂“校園一卡通”，即在學校內，凡有現金、票證或需要識別身份的場合均採用卡來完成。此種管理模式代替了傳統的消費及身份識別管理模式，為學校的管理帶來了高效、方便與安全。一卡通系統是數字校園建設的重要組成部分，是為校園信息化提供信息採集的基礎工程之一，具有學校管理決策支持系統的部分功能。

三維虛擬校園系統是數字校園的基礎和平台，開展三維虛擬校園系統及相關課題的研究適應了信息社會發展的趨勢，具有重要的理論意義和現實意義。近年來，"數字城市"和"數字校園"開始湧現並逐步轉變為現實。隨著數字化技術的進一步發展，實現學校管理數字化、智能化是新時期對學校發展提出的新要求。

數字校園系統結合三維可視化技術與虛擬現實技術，再現實際地理環境的真實情況，系統具有動態性和實時交互性的特點。三維虛擬校園系統設計的交互中，主要包括視圖操作（平移、旋轉、渲染、光照、霧化、視點變換）、三維漫遊（繞點漫遊、沿路徑漫遊、自由漫遊）及漫遊控制等功能。用戶可以在系統中通過行走，鳥瞰以及選擇不同的攝像機視圖來多視角觀看校園景觀，以達到全方位認識校園的目的。

平台選擇包括建模平台的選擇和開發平台的選擇。

（1）建模平台的選擇。2013年前三維建模的方法主要有：

①直接利用傳統GIS中的二維線划數據及其相應的高度屬性進行三維建模，各建築物表面可加上相應的紋理，但這種方法只限於平頂建築物的三維建模。

②使用3D軟體，如AutoCAD、3DMAX可直接做出逼真的三維模型，特別是對於那些不規則的建築物（如路燈、涼亭、塔型建築物等）效果較好。

③利用數字攝影測量技術進行三維建模，但採用這種方法過程較複雜，成本高，逼真度不好。基於開發系統成本和條件的考慮，本文利用二維CAD數據、數碼相機實地拍攝的紋理數據、GoogleEarth航拍地圖基礎，使用3DMAX對地物進行三維建模。

（2）開發平台的選擇。2013年前開發平台種類繁多，通過比較，本系統採用深圳中視典數字科技有限公司獨立開發的一款三維虛擬現實平台--VR-Platform（簡稱VRP）三維互動模擬平台。

該軟體特點是可同時支持多個max版本的安裝與使用，支持適時導航圖顯示、視角切換功能，能模擬高效高精度物理碰撞，支持自動漫遊、手動漫遊，可自定義漫遊軌跡，可使用行走相機、飛行相機、繞物旋轉相機等相機，可提供完善的SDK介面。該軟體適用性強、操作簡單、功能強大、高度可視化，真正做到了管理意義上的所見即所得。

場景三維建模是虛擬三維校園漫遊系統主要構成部分，也是工作最為繁重的部分。模型的好壞直接影響模擬的效果和相似度，所以構建的模型一定要遵循建築物的實際形狀。在建模過程中，把獲取的原始工程CAD圖紙導入到3DMAX中，根據CAD圖紙建築物的頂面圖、立面圖創建三維模型。在創建模型時，為方便後期導入到VR-Platform三維互動模擬平台，有幾點需要恪守的建模準則。

首先要盡量做簡模。虛擬現實中的運行畫面每一幀都是靠顯卡和CPU實時計算出來的，如果面數太多，會導致運行速度急劇降低，甚至無法運行；模型面數的過多，還會導致文件容量增大，在網路上發布也會導致下載時間增加。

第二點要注意模型的三角網格面盡量為等邊三角形，不要出現長條型，因為長條形的面不利於實時渲染，還會出現鋸齒、紋理模糊等現象。

第三點模型的數量不要太多。如果場景中的模型數量太多會給後面的工序帶來很多麻煩，如會增加烘焙物體的數量和時間，降低運行速度等，因此，一個完整場景中的模型數量控制在2000個以內（根據個人機器配置）。

第四點合理分佈模型的密度。在VRP中，所有模型的面與面之間的距離不要太近。推薦最小間距為當前場景最大尺度的二千分之一。在製作場景長（或寬）為1km的室外場景時，物體的面與面之間距離不要小於20cm。如果物體的面與面之間貼得太近，在運行該VR場景時，會出現兩個面交替出現的閃爍現象。另外還需要注意在表現細長條的物體時，盡量不用模型而用貼圖的方式表現；相同材質的模型，遠距離的不要合併；保持模型面與面之間的距離；刪除看不見的面；用面片表現複雜造型等準則。

要生成具有真實感的校園三維景觀，就需要在校園地形以及建築物表面粘貼真實的紋理影像。地物紋理主要通過數碼相機來獲取的獲取之後對紋理影像進行處理，使用的軟體是Photoshop CS2，處理工作包括傾斜度的調整、障礙物的擦除、顏色的調整等。對改正過的照片，再在3DMAX的環境下，調用"貼紋理"命令在相應的建築物模型上貼上相應的紋理。

場景貼圖完成後，要進行烘焙，再導入VR-Platform平台中製作交互，這就要注意在3DMAX環境下正常的材質貼圖，是否能在VR-Platform平台中正常顯示。因此，在製作VRP場景時盡量使用Advanced Lighting、Architecturd、Lightscape Mtl、Stan-dard的材質類型。

如果在VRP場景中使用了多維材質，需要更改為手動展UV的貼圖方式，否則將不能正常顯示。最好VRP場景中每一個模型都賦上相應的材質，如果模型有明確的紋理屬性，可以根據紋理屬性給模型賦上相應的貼圖；如果模型沒有紋理屬性，就是一個顏色的，則需要製作一張色系貼圖。如果沒有給模型賦上貼圖，在對其進行烘焙完之後，導入到VRP編輯器中會發現該模型光感很平、過亮等效果。另外可以添加一些片面物體製作人物，體現場景的真實性。為了讓VR場景的氣氛表現的更好一些，在VR校園場景內的湖面上添加一個流水的atx動畫用於模擬水波紋等。

當校園場景建模和烘焙完成後，通過VRP-3DMAX插件，導入到VR-Platform軟體中製作交互動作。本系統採用的是VRP12.0版本，在場景設置了行走相機、旋轉相機和飛行相機，用戶可以自由漫遊，繞點漫遊以及從空中鳥瞰整個校園，實現虛擬數字校園。調整好VRP場景之後，可以將該場景打包成單機版可執行EXE文件，便於在其他機器上演示。另外還可以輸出為可網路發布的VRPIE文件，將發布后的文件地址提供給其他用戶，其他用戶就可以在IE中瀏覽發布的VRP-DEMO。該數字校園系統設計為在IE中瀏覽。

系統現實了校園三維景觀的可視化模擬，是基於現實校園的三維虛擬環境與傳統的二維校園圖形相比更加直觀、生動、逼真。該系統可通過瀏覽器訪問，操作方便，能選擇不同的攝像機任意進行平移、視點變換、角度旋轉等。同時實時渲染速度快，能迅速重建和還原地形、地貌，而且整個系統開發成本較低。

通過VRP平台建設數字校園，得出以下注意點：

（1）模型個數優化。模型個數的多少直接影響到VRP演示DEMO啟動時的速度，在製作VRP項目時儘可能的把同種材質的模型合併成一個物體（以達到減少模型個數目的）。製作后地整個場景中的模型個數控制在3000～5000個以內（包括了全部模型）。

（2）模型面數優化。面數優化主要是把看不到和不需要的面刪掉，只留看的到的面。為了在後期瀏覽順暢，整個場景中的模型面數應控制在300萬～500萬面以內。

（3）場景貼圖量優化。貼圖量的優化需要從一開始烘焙貼圖時就要開始遵循一個優化原則：即重點建築，其烘焙貼圖尺寸可以為1024×1024，相對於重點建築小一些的模型，其烘焙貼圖尺寸可以為512×512，比較小的模型，其烘焙貼圖尺寸可以為256×256或者128×128。另外儘可能的重複利用已有的貼圖，以減少貼圖量。

數字校園系統以VRP技術為平台，初步構建了一個具有漫遊等功能的網路信息系統，瀏覽者僅需計算機必備的外設（如滑鼠、鍵盤）即可實現的虛擬現實效果。