基于虚拟现实技术的校园三维仿真管理系统的研究

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　　摘 要：本文主要研究虚拟现实技术在校园管理系统中的应用，同时阐述了具体的开发细节。在当今国际国内经济和社会各方面都高速发展的现状下，大众化是21世纪初中国高等教育的一个发展方向。但是高校教育安全存在着严重不足，也导致很多校园事故的发生。由于各种原因导致摄像头不能十分准确的还原现场，为了更加准确的摄取现场场景和意外状况预警，本文采用虚拟现实技术结合图像处理技术开发了一个虚拟现实系统，能够精确还原事故现场和给出精确场景模拟和意外预警，该综合管理仿真系统是三维技术生产生活中应用的具体体现。
　　关键词：高校安全 虚拟现实 仿真 预警
　　
　　一、引言
　　伴随着计算机虚拟现实技术的发展，其应用范围越来越广。早期的应用领域多是有雄厚经济支持的行业，在生活中应用较少。如今中国的高等教育规模宏大，并且大部分年轻人都聚集在此。
　　虚拟仿真技术的发展为计算机行业带来新的锲机，虚拟仿真技术在生产生活中应用中，常见的开发工具有vega、Creator、EON Studio。面对校园安全这一问题，我们研究了这一管理系统。
　　
　　二、问题提出
　　本系统是在虚拟现实的基础上根据现实生活中的很多不精确因素而开发，采用的虚拟现实技术涉及到多媒体图形图像技术。虚拟现实技术是如今计算机发展的新高度和新阶段。
　　在一定的环境因素下，校园监控系统不能精确的反馈现场，比如晚上灯光黑暗、大雾天气等。随着高等教育事业大众化的发展，学校规模不断扩大，学生高密度集中，学校的开放程度也越来越高，摄像头只能给出现实场景，功能单一，为了更精确的体现现场，给现实管理带来方便，本文运用虚拟现实技术将现实场景通过三维仿真技术进行模仿。研究了从模糊视频到精确仿真的设计方案。同时体现在综合三维立体反馈功能上。
　　
　　三、需求分析
　　为了保证校园师生的合法权益和社会的和谐稳定，该系统将在摄像头模糊不清的情况下提取关键数据进行图形图像的精确分析，通过提取的关键数据给出三维场景及对象动作的描述。在当今社会校园突发事件十分常见，并且自然灾害、人为破坏等情况下，该系统可以根据摄像头的采集信息给出预警，可以以三维仿真的形式给人们以警示。
　　功能需求一：通过摄像头视频中逐帧画面的关键数据提取，生成三维仿真场景，包括对象的动作。
　　功能需求二：通过非常镜头激活预警系统。根据现状模拟场景向大家预警。如提供建议逃生避险的最佳途径。
　　
　　四、系统设计
　　本文是在研究了系统设计的基础上形成，具体的设计都是在参考国内外先进案例的基础上研究的个人的设计方法。系统功能是监控器功能的延长和弥补。
　　
　　五、设计策略
　　本系统应用针对性比较强，我们是针对高校安全这一目前现状来设计此课题，涉及到整个校园安全问题，所以系统需要实现的功能会非常多，由于我们是在监控的基础上研究的，则对系统性能我们设计策略如下：
　　策略一：根据监控画面能实时警戒高校校园硬件设施安全问题（比如自然灾害、水管泄露、校园打架斗殴等）。
　　策略二：模拟高校校园生活场景和普通二维软件一样从应用的角度出发，该系统由硬件、软件、数据、人员和方法五部分组成。
　　
　　六、关键数据和问题解决
　　系统数据来源是截取的监控器视频图像。同时系统中设计了三维仿真数据库用来存储三维模型数据。图形图像处理技术在于分析图像的内容，通过图像提取数据进行模拟则涉及到图像的关键数据；通过关键数据利用虚拟模块组件空间数据模型进行虚拟场景的生成，虚拟模块组件先后扩展出了曲面模型、气象场节点、水流场、等节点。系统的关键数据分析如下：
　　1、曲面描述：虚拟地图模块组件利用曲面描述方法来描述DEM和矢量面，直接支持建模工具制作的模型数据。
　　2、三维矢量场数据：矢量场主要用于描述运动体，其具有位置、方向等特征。
　　3、二维标量场数据：用于表现二维空间分布的浓度场、气温场等特性，提供二维空间栅格方式的描述方法。
　　4、三维标量场数据：用于表现三维空间分布的浓度场、气温场等特性，提供三维空间栅格方式的描述方法。
　　以上数据是在系统设计中用到的关键数据量，图形图像处理技术是本文用到的核心技术，主程序模块对视频图像进行分析提取以上关键数据，将综合数据分析结果传给后台，后台将图像分析后的结果传给三维仿真单元，而三维数据库中存放的是校园实景仿真场景案例。通过将图像反馈的参数传递到三维仿真单元，此时将根据这些参数产生相应的模拟三维动画。
　　系统算法步骤：
　　根据摄像头视频截取图像进行分析；
　　通过图像内容分析给出高清还原场景模拟，给工作人员以直观的反映；
　　通过设定阈值判断是否是自然灾害或者突发事件，比如烟雾大、动摇等，给出预警信号；
　　循环执行，或转到第一步。
　　
　　七、仿真技术设计
　　本文中提出了模型对象的概念，就是给模型增加了属性并存放在数据库中，在一个仿真系统中，模型不可能单独作为一个固定的对象来被调用，本系统中我们给模型赋予属性，使模型不再是简单的数据而是有着属性的对象这样就构成了模型数据结构。
　　模型的属性是通过表格来添加的，具体字段有：name、modno、place、rol、naber等属性来表示一个模型的名称、编号、位置、角度、联动模型等。
　　Class Model ／／模型的基础类
　　{Private：String name；
　　Public：
　　Model（*）
　　Ask（int a，int b，int c，int rol）
　　{ database.connect（db）；／／连接数据库
　　db.read（name）{}；／／读取模型属性
　　db.write（name）{}；／／将更新数据……
　　
　　八、程序封装及数学模型
　　程序是一个系统的灵魂，系统运行的过程也是文件不断相互访问的过程，本系统中程序部分通过将问题设计为面向对象的问题模型，模型对象是基础，我们设计相应的功能并将功能封装成类，封装好的类进一步定义成文件。调用基层的模型对象从而形成了仿真系统的主体。主要语言是VC++，在MFC下形成一个完整的整体。
　　根据系统功能需要建立数学模型：
　　第一，系统通过设计的基本函数Fun1（n）可以调用Load（n）、Save（n）、Del（n）完成最基本的添加、保存、删除功能。当基本功能完成后需要动作功能函数。
　　第二，功能操作函数Fun2（m）可以调用MN（m）ALARM（m）完成模拟和预警功能。
　　根据功能的衔接要求，我们以一个模型为对象，功能实现为特例，两个模块结合就构成了系统的框架，建立数学逻辑模型。通过程序封装设计，整个系统将逐步实现其功能。
　　
　　九、实验及结果分析
　　系统的开发是一个漫长的过程，本文经过耐心研究，效果图如下所示：
　　该效果图显示：在晚上监控拍到一群人在操场上，经过分析我们可以看到三维模拟场景，是学生在善意聚集。这样可以给安保安保人员或者校园管理负责人快捷的反馈结果，使得校园安全在整体上提高了效率和准确率。
　　根据系统效果，我们达到了预期的开发目的也体现了研究价值，虚拟现实技术是当今IT界的新的研究热点。虚拟现实技术和现实生活相结合是本文重点研究内容。同时界面包技术的应用也是本系统的一个亮点。
　　
　　十、结束语
　　本文的创新点是利用图形图像处理技术分析视频中的画面根据提取的关键数据点来创建三维仿真场景。由于时间和精力的限制，本文在开发这款软件的基础上只研究了部分关键知识。笔者下一步要加入更先进的算法，对系统进行优化，提高效率。这些将接下来研究内容。
　　
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