虚拟香港中文大学校园的设计与初步试验.pdf虚拟香港中文大学校园的设计与初步试验.pdf

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第卷第期测绘学报,’年月,/0,1234,/456171’1829,文章编号;;();中图分类号5文献标识码虚拟香港中文大学校园的设计与初步试验龚建华,林珲,谭倩(香港中文大学地球信息科学联合实验室,香港)’,/01’2’3,142506478/’ABC,D1’6C,,’EA(’,/01231’14515,67189181;,,,;,,,71)90’;1A3BFGG2H,I2J2FKAAJJ2L2GJF3H9C32JLH3CMNGCF9OCFAK3B2M2A3PF2HL2HHMB32M3CH2,LAJ4QDR,AJ6,,5GH3MGH33OG2FOF32NF2F39FB2JLMF2F3CJOS3B2BCAKB2K2NGCF,3B2BA2F2TAL2HF3OS6AKUAK,B2LH3CMNGCF2A92FK2KHGBMOJF3H9C32JCF2HF3MAA2M3AJFBH23B2FN2LH3CMNGCFA3B2V29,3ALK323B20LH3CFGM2A(A2H)H23N2,3A32HM3I3B2MB3B2H3BHCKB0L3HFAJ32W39F2J3XAKJKC2,AJ3NG2N2A3J3YC2HOAJ9Z2M3JJ3APH2NL860,B2BA2F2TAL2HF3OS6AKUAK;LH3C2ALHAN2A3F;LH3CCAL2HF3O;LH3CMNGCF;FBH2JLH3CFGM2;H3C423OQJ2AKDAKCK2;L摘要采用客户机P服务器结构,应用L和4QDR开发工具,基于6,,5协议,设计并开发了基于因特网的虚拟校园环境,并以香港中文大学的崇基学院校园为例,建立了系统原型。在中文大学的虚拟校园环境中,用户可进行维空间漫游探索、点坐标量测和地物属性的查询、地物的增加或删除等操作,并可基于维化身和文本对话实现在网络的共享虚拟空间中与其他在线用户的交流和互动。收稿日期;修回日期;基金项目香港特区政府和香港中文大学研究基金资助项目(T6U;P6,T6U\P6,T6U4\R\)作者简介龚建华(;),男,浙江海盐人,香港中文大学地球信息科学联合实验室博士后,;年获北京大学遥感与17研究所博士学位。研究领域为地学可视化、虚拟现实、虚拟地理环境及区域可持续发展等。关键词香港中文大学;虚拟环境;虚拟大学;虚拟校园;共享虚拟空间;虚拟现实建模语言;L引言目前,虚拟大学存在有种定义,并分别带来不同的研究与实践。一种定义是从信息、网络和媒体技术发展角度,虚拟大学被理解为一个以计算机和网络为平台的、远程教学为主的信息主体[,];另一个是从因特网(万维网)、虚拟现实技术、网上虚拟社区(社群)和7技术的发展角度,虚拟大学被定义为对现实大学维景观和教学环境的数字化和虚拟化,是基于现实大学的一个维虚拟环境,用于支持对现实大学的资源管理、环境规划和学校发展。本文主要介绍真实表达和模拟现实香港中文大学校园景观的网上虚拟校园环境系统的设计、开发和初步试验。香港中文大学位于香港的新界,由大学本部、崇基学院、新亚书院、联合书院和逸夫书院组成,其校园总占地公顷,共有个现代建筑物[]。当前,以地理空间坐标为基础框架来建立虚拟校园的方法一般是首先应用’和,图像纹理粘贴,,等技术构建包括地形、地貌、建筑、道路、树木、路灯等地物的维数据库,然后转换成虚拟现实建模语言(/012345230678953;2;12;5,简称47)表达的维场景,放置于服务器上,供客户端计算机用户应用47浏览器下载和显示。在实际应用中,以上述方法建立的虚拟校园,功能上是很简单的,一般仅能提供单用户在维空间中的探索,而不能满足虚拟大学中学生和学生、学生和老师之间的关系互动,即多用户之间的社会交互,以及用户在维世界中基于分布式地学计算的空间分析和地物操作等要求[]。本文将以校园的地理数据为基础,应用客户端服务器结构,47和22语言,A协议等建立网络上运行的多用户互动的维虚拟校园环境。中文大学虚拟校园系统设计中文大学虚拟校园的构建,涉及个方面,即用户、应用程序和地理数据。根据上述者之间的相互关系,可设计系统结构;考虑用户需求,在客户端,可设计系统功能和用户界面;根据系统功能和特征,在服务器端,设计应用程序服务器;根据中文大学校园的数据维数、类型、大小和特点,设计基于47世界的维地理对象模型和数据流[B]。系统结构虚拟校园采用客户端服务器结构,参见图。在服务器端,包括应用程序服务器和数据库服务器;在客户端,包括维虚拟世界浏览器和应用程序,其中应用程序包括诸如用户对话管理模块、数据量测模块、C维图形显示管理模块等。用户的任务处理,有的在客户机端由应用程序执行,有的在服务器端执行。如果在服务器端,那么服务器接受请求后,会运行服务器端应用程序,待处理完成后,就把结果传回到客户端。我们应用47表达维世界,这样客户端的47世界浏览器就可以从网上免费获取,不用自己开发,从而可以把工作重点放在负责地学数据的准备、建模,以及数据查询、分析的22程序设计上。客户端47世界浏览器与客户端2D2应用程序的相互通信与交互,可采用47EF05/2310G8/;05/H2I5,简称E技术实现。图虚拟校园的客户机服务器结构J;K350L5/5/2/IG05I01/58H/0123I2MN1L人机界面虚拟校园的最终用户主要是学生和老师,所以其人机交互界面,必须以一般大众(而非专家)为其用户对象,以直观、方便、易用为目的。图C表达了虚拟校园的人机界面结构,它同时也说明了系统所具有的功能。图C人机界面结构J;KC’0/1I01/58HG1M2DI8MN105/05/H2I5图C中的“维图区”,用于显示维47世界,用户可以在47世界浏览器选择不同的空间探索方式(如飞行或行走)、行动速度、当事人或第者观察方式、指定路线漫游等;“数据处理与分析区”,可让用户根据因特网的传输速率以及用户计算机的处理能力,选择合适的空间几何分辨率和属性分辨率参数,选择叠加的属性种类,如水系、道路、居民点、植被等,可让用户增加删除编辑地物对象,进行点地理坐标或地物对象属测绘学报第卷性的查询等等;“文本交谈区”,让用户与在线的其他用户进行基于文本的交谈通讯,交换关于虚拟中文大学的各种信息,或进行合作研究等。在线用户的互动还可以通过维化身来实现,维化身,是在线用户在虚拟环境中的身份表达,用维图形表示;“维图区”,用于显示与维世界紧密相连的维图。用户可在维图上选择个点(’,’)和(,)后,即确立了要显示与分析的区域大小窗口。该窗口可以在个方向(上,下,左,右)移动,当移动时,维图也将随之变动。该维图同时可用于导航,即显示用户在维地理世界中漫游(飞行或行走)时的空间位置与路线轨迹。应用程序和数据库服务器虚拟校园的服务器端包括应用程序服务器和数据库服务器。而应用程序服务器是虚拟校园的核心部分,包括世界生成服务器、数据处理和分析服务器和多用户管理服务器等。世界生成服务器该服务器在接到用户的请求后,根据显示范围大小,要求的空间分辨率、属性分辨率,显示范围内地理目标的选择等参数,动态地与数据库服务器连接,把相应的地理对象数据取出并转换成世界模型,供用户浏览与交互。数据处理和分析服务器该服务器执行地理对象的查询、增加删除编辑后的地理对象管理和地理空间计算与分析(如视域计算、最短距离分析)等。数据库服务器是用于管理虚拟校园的维地理对象和与多用户有关的数据,一般可用,/,0121345/22等数据库作服务器。多用户管理服务器,是本文区别于目前其他一般网络地学维虚拟环境的重要特征,具体说明见下一小节。多用户管理服务器在当前网络678和分布式地学虚拟环境研究中,在线用户之间的相互关系和互动一般是不考虑的。但在虚拟校园中,在线的学生与学生、学生与教师的实时交流和互动,对于学生的学习能力、学生的社会活动能力的提高,以及培育对虚拟校园文化和共享虚拟空间、共享社会活动环境的认同感具有重要的意义。所以,本文设计了一个多用户管理服务器,用于专门管理在线用户的相关信息,如用户名、维化身类型与地址、维化身在虚拟校园的位置和朝向及其用户间的通信数据发送等等。维地理对象建模在地理景观系统中,地理对象根据空间维上的分布特性,可分为大类一类是以场为基础的对象,如地形、土壤种类分布等,这类对象在空间上连续分布,称为地形景观对象;另一类是以离散实体为特性的对象,如建筑物、树、电话亭、路灯等,这类对象以独立的个体而存在,称为地物对象。地形景观的维几何空间数据是维地理世界构模的基础数据,并且其大数据量(如大量的角形数或栅格单元数)是维地形景观实时图形处理的瓶颈。所以,地形景观对象的建模是虚拟校园建立的一个关键部分。在本文中,我们采用用不同层次(不同分辨率)的几何和属性数据表达地形景观对象,即用不同三角形个数的三角网表达地形景观对象的不同层次的几何分辨率,用不同大小的纹理图像表达属性分辨率。对于离散的地物对象,一般可用95模型、分形模型、人工生命技术等维处理与表达,然后,根据地物在实际校园中的地理位置坐标、地物实际大小、地物朝向和纹理结构等,建立可构成虚拟校园环境的维地物对象库。虚拟校园环境的地物对象从存在角度看,有类一类是目前存在的地物对象;另一类是虚拟校园环境运行时由用户加入的,但现实中未存在的物体。这类地物,在数据库对象管理时应区别对待。在虚拟校园环境中,离散实体地理对象一般数目很多,所以,为了实现快速的图形计算与显示,也必须应用多层次表达法建立每一个对象的多层次空间与属性模型。系统构建数据流虚拟校园环境建立的数据流是从维源数据,到维地理对象,到世界的过程。下面分别进行说明维源数据维地理数据的采集,可以通过地面野外测量、地形图数字化、数字摄影测量等方法获取。一般应用678和95等技术获取。但用这些系统表达的维源数据,由于主要考虑表达地理景观的完备性,而对数据的维显示与处理效率与效果考虑较少,所以较难通过直接转换应用于世界的构建。维地理对象我们应用面向对象的方法,根据维源数据,建立维地理对象模型。维地理对象的建立,必须考虑世界的实时可视’第’期龚建华等虚拟香港中文大学校园的设计与初步试验与分析,即需考虑观察者的存在与实时感觉,一般要应用多层次(多分辨率)法表达。维地理对象,由数据库服务器存储和管理。世界世界是根据用户的参数选择要求,由维地理对象模型转换形成的。由于维地理对象模型的建立,考虑了用户(观察者)的不同需求以及实际应用效果,所以,用户可根据网络传输速率和用户计算机处理能力,选择特定的参数。初步试验及系统原型在本文的初步试验中,我们选择香港中文大学的崇基学院校园作为试验区,建立虚拟中文大学虚拟校园环境原型。在试验中,我们以校园地形’数据为基础,根据实际地形和地貌的情况,在大脑中先进行地形建模,并在’数据基础上,手工加密可以反映实际地形的等高线和高程点,然后应用’,/进行地形及地物的数字化和编辑。在得到以01234564文件格式存储的7维、维矢量数据及行列形式存放的栅格数据后,应用88语言自行开发的数据模型转换系统,把上述各类数据合成,并转换成可直接用于构建世界的维地理对象库。对于地形景观对象的数字高程模型,采用个层次的不规则三角网表达。应用与数字高程模型配准好的09;遥感影像图像数据作为纹理图像,也由不同分辨率的个层次来表达。对于离散地物对象如房屋、道路和湖等,我们分别用表达每一个对象,并分别存储和管理。关于地物与地形的空间匹配关系,是通过等高线、等高点和离散地物底面周边线一起生成数字高程模型;,来处理的。根据前面所述的分布式虚拟校园环境系统设计,我们应用22语言进行了服务器端和客户端的应用程序编码和调试(其中多用户管理应用程序的开发,主要基于04314的工作[]),建立了虚拟校园原型系统。图表示有7个人在线的虚拟校园环境用户交互界面。7个在线用户选择的维化身分别是人头化身和机器人化身。用户选择的空间几何分辨率和属性分辨率层次分别为A,属性是遥感图像(在本试验是默认设置的)。在维虚拟空间中,用户既可以以鸟瞰、客观方式,观看整个维场景,也可以以参与者主观体验方式。多用户之间的实时通信和交互,通过化身的位置和朝向及文本对话框来实现。用户除了作维空间探索外,还可以进行其他的操作,例如,点坐标量测、地物属性查询和地物增加删除。在图的右上角窗口中,显示的地理坐标如(BCDD7ECF,BGBBEFF,HEFHHD7),表示维场景中用户鼠标所指的某一点坐标。如果用户要查询地物属性,则既可以用关键词,也可以在维场景中在要查询的地物上点击鼠标右键7种方式,查询的结果会显示在虚拟环境界面的右上角窗图中文大学虚拟校园原型界面I5JE,424/145K262L3KM/14154M4N54M5O/P/JQ/J7F测绘学报第A卷口。在图的左上角维窗口中显示的树木,是用户应用系统的“地物增加删除”功能实现的。增加的地物及其属性,将由数据库服务器存储和管理,同时多用户管理服务器会把该地物信息发送到所有在线的其他用户。所以,虚拟校园环境是一个空间共享、地物对象多用户管理和共享的,可进行分布式合作学习、研究和工作的网上系统。结论与进一步工作维虚拟校园环境是分布式虚拟环境在教育和学习方面的应用。本文从系统结构、用户界面、应用程序和数据库服务器、地理对象构模、数据流方面,讨论了分布式虚拟校园环境的系统设计,并以香港中文大学的崇基学院校园为例,作了初步试验。虚拟校园环境是为最终建立可用于虚拟教育和学习的虚拟香港中文大学的第一步,所以未来的工作除了进一步完善维虚拟校园环境外,还应开展与虚拟学生社区、远程教学有关的项目,具体来说,可包括建设包括香港中文大学其他个书院、大学本部及其他校区的整个虚拟校园,建立建筑物表面纹理数据库、维地物数据库以及可分布式计算的模型库,集成包括声音、照片、实时视像的多媒体信息[],设计和构建与现实香港中文大学校园景观没有对应关系的、可用于建立虚拟社区和远程教学的虚拟校园,建立与维虚拟校园密切结合的远程上课教学环境等等。参考文献[]’,/01234567819/213;[],;/2;A6AB;CD/591A2,EFFF,()GH,[E]I’,’7J’,7819/213;E8K83/B253/LML4531A8;3/N[],K83/28531A856O/2/319/A8/6/ML4531A858L0123456P/52818BM8912A8N/83[],D42618B3A8B53/O46118BAN58;,EFFF,FGG,[]7’,A433/7819/213;[MDQP],33RRR,4S,/L4,S12A5A435A43,3N6,EFFEF,[T]UDKI,JM’VI,/012345634L/837/2MNAL1N/83180123456P/52818BM8912A8N/83[],K83/28531A856O/2/319/A8/6/ML4531A858L0123456P/52818BM8912A8N/83[],D42618B3A8B53/O46118BAN58;,EFFF,EWW,[W]JQJ15845,PK’41,0123456J/AB251M8912A8N/83J/AB251O/2/319/A8Q8618/0123456/5613;[I],D/1X18B’1BML4531A8O2/,EFF,(1818//)[H]MO’MY,0M[MDQP],3392N6,N1818BA,ANN46314/218L/ZE,3N,GGGFHFE,[]V\M,IQQM,YQQV,0123456M8912A8N/83A234L/83U1/6LRA2S718B/3RA2SANA8/83[],K83/28531A856A42856AJ/AB25156K8A2N531A81/8/,GGG,(T)GTH,启事为适应我国信息化建设需要,扩大作者学术交流渠道,本刊已加入中国学术期刊(光盘版)和“万方数据数字化期刊群”,提供网络信息服务。作者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。如作者不同意将文章编入该数据库,请在来稿时声明,本刊将做适当处理。本刊电子版网址为33RRR,18518A,8,8/3/21AL156Z欢迎读者进入18518A系统免费查询检索本刊内容,欢迎各界朋友对本刊提出宝贵意见和建议并通过电子信箱向本刊投稿(MN516Z461,31,5,8)。测绘学报编辑部T第期龚建华等虚拟香港中文大学校园的设计与初步试验
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