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                    ASP.NET MVC框架下面向學員學習的船舶漫游系統設計

                    添加時間:2018/07/06
                    使用 ASP. NET MVC 技術開發后臺控制系統;利用 Flash3D 引擎中的 PaperVision3D 引擎完成船舶漫游系統的開發,并設計與漫游管理平臺進行數據交互的接口; 考慮到交互式學習系統后期使用時的可移植性及系統本身輕量級數據的需求.
                      以下為本篇論文正文:

                      摘 要: 船舶漫游系統是一種以真實船舶為視景源,還原船舶真實場景,在球面全視域空間對船舶內部景物瀏覽、游歷的系統,在其基礎上開發的交互學習平臺以漫游熱點為媒介,為學員提供沉浸式的交互學習. 基于 ASP. NET MVC 框架設計,使得后臺數據的處理與前臺界面的顯示完全分離,保證了網站設計的規范性、易于維護,并擴大了培訓的范圍,為后期系統的完善、功能升級與知識點的更新維護提供開發思路.

                      關鍵詞: 場景漫游; ASP. NET MVC; 交互式了

                      近年來,隨著科技現代化、信息化的普及,科學化的教學方式不斷出現,許多船舶專業相關的院校都開展了自己的特色教學課程,船舶類專業的教學也逐漸多樣化. 基于場景再現的船舶漫游交互式學習系統,不僅能使學習人員更加直觀地了解船舶的外觀、結構及各種設備,更能通過其中的交互式熱點達到深層次的學習目的.船舶漫游交互學習平臺是采用 ASP. NETMVC + PaperVision3D( PV3D) 引擎 + Microsoft Ac-cess 數據庫搭建的一套基于網頁的學習系統. 其中,使用 ASP. NET MVC 技術開發后臺控制系統;利用 Flash3D 引擎中的 PaperVision3D 引擎完成船舶漫游系統的開發,并設計與漫游管理平臺進行數據交互的接口; 考慮到交互式學習系統后期使用時的可移植性及系統本身輕量級數據的需求,采用Microsoft Access 搭建后臺數據庫. 該學習平臺兼容所有主流瀏覽器且漫游系統運行流暢,達成初期設計目標. 系統開發流程如圖 1.

                    圖 1 系統開發流程圖
                    圖 1 系統開發流程圖

                      1、船舶漫游系統開發

                      基于 Flash3D 引擎制作的場景再現船舶漫游系統,以真實船舶為視景源,通過 360°全景圖片進行全船場景再現,使用戶可以 100% 真實體驗船舶實景. 這種浸入式的瀏覽方式可以直接將用戶帶入到真實的船舶環境中,使用戶對船舶結構、設備等一目了然. 船舶漫游系統在教學平臺中的使用,將船舶信息立體的呈現在學生面前,幫助學生快速地了解船舶的結構,達到船舶認知、實習的目的. 而交互式熱點的開發應用讓漫游系統更加靈活、功能更加豐富,完全可以達到輔助教學的效果.船舶漫游系統采用 Flash CS6 開發,其中搭載Flash3D 引擎 PaperVision3D[1]完成全景圖形的渲染. 船舶漫游系統開發流程為: 船舶現場素材采集、素材圖片處理、漫游系統開發.

                      1. 1、船舶實景素材采集

                      素材采集是漫游系統開發中最重要的一環. 因為基于視景再現技術的虛擬漫游系統需要使用全景圖片,所以一般的拍攝設備和技術無法滿足要求. 文中船舶實景素材采集使用的主要設備有數碼相機、全景云臺、8 mm 魚眼鏡頭等,裝配如圖 2.

                    圖 2 攝影器材裝配圖
                    圖 2 攝影器材裝配圖

                      全景云臺可以繞三腳架中心軸 360°旋轉,以確保數碼相機取景點在同一平面上. 各組圖片取景的中心點相同,可方便后期圖片的拼接以保證全景圖片的質量. 魚眼鏡頭是一種視角接近 180°的超廣角鏡頭,取景范圍遠超普通平面鏡頭,極大地減少拍攝的工作量,并且為后期圖片的處理提供便利. 本套漫游系統采用 8 mm 圓形魚眼鏡頭,其取景范圍非常廣泛,拍攝的圖片效果見圖 3.

                    圖 3 圓形魚眼圖像
                    圖 3 圓形魚眼圖像

                      為保證照片有足夠的重疊度以方便后期的圖片拼接,文中拍攝全景云臺每旋轉 90°取景一次,取景所得圖片 4 張,滿足 360°全景圖片拼接條件.根據船舶拍攝取景經驗,在船舶機艙、駕駛室等實際環境中,因取景點上方( 天花板) 一般含有較為復雜的管系、線路布置,而取景點下方( 地板) 環境單一,考慮到拍攝時的盲點及后期全景圖片拼接需求,實際拍攝時,鏡頭輕微向上抬起 3° ~5°.

                      1. 2、素材圖片處理

                      為了提高漫游系統開發效率,圖片處理采用軟件 Easypano Panoweaver 進行魚眼圖片的拼接處理. 調整圖片重疊部分的控制點,以達到最佳拼接效果. 得到初期全景圖以后,使用 Photoshop 軟件進行全景圖修補天地操作,以形成最終全景圖. 圖 4為船舶機艙某取景點所得全景圖.

                    圖 4 全景圖
                    圖 4 全景圖

                      1. 3、船舶漫游系統開發

                      基于場景再現的船舶漫游系統,是將制作的船舶實景全景圖通過 Adobe Flash 組織圖片,通過PV3D 引擎渲染圖片并展示給用戶. PV3D 引擎是一款流行的 Flash 3D 動畫引擎,它是一款開源項目,受到國內開發人員的喜愛,因此,基于該引擎的Flash 作品也是層出不窮[2]. 通過 PV3D 引擎制作的船舶漫游系統運行流暢、系統穩定、用戶體驗極佳.PV3D 引擎的開源開發包中包括以下幾個核心類: 視口 Viewport3D、場景 Scene3D、相機 Camera3D、材質 Material、對象 Object3D、渲染引擎 BasicRen-derEngine[3]. PV3D 引擎的場景元素關系如圖 5.

                    圖 5 PV3D 場景基本元素
                    圖 5 PV3D 場景基本元素

                      基于 PV3D 引擎的漫游系統需要經過以下過程: 創建球形容器,將全景圖片作為材質添加到球形容器的內表面; 實例化相機對象并對其進行重要參數初始化,如初始位置、焦距、縮放參數等; 構建ActionScript 文檔類[4],有效組織上述實例化對象,進行漫游系統開發.在漫游系統基本開發完成以后,需要添加船舶漫游交互式熱點的核心功能索引. 因整個系統運行在服務器上,用戶通過訪問網頁的方式進行學習,故系統需要為漫游熱點添加熱點索引,并且為每一個熱點添加執行 JavaScript 代碼的功能,以方便后期數據的讀。

                      用戶對熱點的每一次點擊都會響應一次鼠標單擊事件,為鼠標的熱點單擊事件添加功能函數getHotspotIndex,當點擊事件發生時,該函數將內置的熱點索引“fishery - 81 - ER - ME - 001”響應到系統后臺控制器,后臺將根據熱點索引來確定加載什么類型的窗口,從數據庫中讀取所對應的數據.

                      2、交互式學習平臺開發

                      船舶漫游交互式學習平臺的主要特點是對船舶漫游系統的集成,傳統基于場景再現技術的漫游系統只能在漫游開發時為其添加有限的信息資源,并且一旦系統發布,將無法對其中的信息進行更改,除非重新開發并發布,這無疑增加了額外的維護成本,不利于信息的更新與系統的維護. 而船舶漫游交互式學習平臺,實現了與各種主流數據庫的訪問接口,可以根據需要隨時從數據庫中讀取漫游內的信息. 漫游系統與數據庫數據交互的實現,為系統后期的維護管理提供了非常有利的條件[5],豐富了漫游系統的功能,使學生在交互式學習中獲得更佳的體驗.船舶漫游交互式學習平臺使用 ASP.NETMVC框架技術開發漫游管理系統,使用jQuery EasyUI實現系統的界面設計.

                      2. 1、整體布局

                      考慮到漫游系統與數據庫的交互響應式窗口的彈出以及核心管理功能的需要,界面布局時以漫游系統為主,管理控制區域以可伸縮窗口的方式位于漫游系統的左側,整體布局設計如圖 6.

                    圖 6 系統布局圖
                    圖 6 系統布局圖

                      2. 2、窗口設計

                      船舶漫游交互式學習平臺設計了 3 種窗口類型: 信息提示型、圖文信息型、題目測試型. 信息提示型窗口負責各類設備、儀器等的文字信息顯示;圖文信息型窗口提供與熱點相對應的設備的相關圖片及文本信息; 題目測試型窗口顯示相關的測試題目. 窗口的實際應用如圖 7 ~9.

                    圖 7 信息型窗口
                    圖 7 信息型窗口

                    圖 8 圖文信息型窗口
                    圖 8 圖文信息型窗口

                    圖 9 題目測試型窗口
                    圖 9 題目測試型窗口

                      2. 3、功能模塊設計

                      系統設計 3 種角色類型: 超級管理員、教師、學生. 其中,超級管理員可以訪問和修改任何信息,可以對教師和學生角色進行管理; 教師角色可以對學生用戶進行管理,并對船舶數據庫操作的權限; 學生角色無管理權限.用戶角色的設計主要是為了滿足不同的用戶群使用不同的功能,教師可以對漫游熱點數據庫進行讀寫操作,根據自己所教課程的實際情況對熱點內容,圖片、視頻、文檔等都可以自定義添加,以應對不同的教學場合,并且可以為自己的學生添加賬戶; 學生可以完成教師指定的測試題目,并將測試結果返回到教師用戶以便于其統計分析,同時瀏覽船舶漫游的所有功能,且向教師角色提交建議.

                      2. 4、數據庫設計

                      數據庫是船舶漫游交互式學習平臺中最重要的部分,它將各個部分有機的組織起來,完成角色管理、熱點管理等數據存儲任務. 整套系統集成了多種不同類型的船舶漫游系統,為方便對每艘船舶信息的管理,每條船舶將單獨創建各自的數據庫.因為每艘船舶的熱點信息數目有限,屬于輕量級小型數據庫,同時考慮到系統后期的可移植性,文中系統采用 Microsoft Access 數據庫.系統將創建一個公共的數據庫,用來進行角色管理以及存儲一些公共的信息. 公共數據庫將用于存儲用戶注冊信息、用戶權限信息、船舶熱點匯總信息等一些重要信息并對各船舶數據庫進行統一管理.

                      3、系統實現

                      整個船舶漫游交互式學習系統的實現需要將上述各系統通過數據庫有效的組織起來. 為了將船舶漫游系統完整地嵌入到交互式學習平臺,使用內聯框架 < iframe > … < /iframe > 在網頁中新建一個窗口區域,將漫游放入到這個新的窗口區域,不僅便于系統的整體布局,而且不會影響到船舶漫游系統的穩定性.系統中對熱點做出響應的關鍵是將內置在船舶漫游系統的熱點索引取出來并發送到后臺控制器,由后臺控制器完成對數據庫的訪問,并將需要的數據取出返回到前臺頁面顯示,系統訪問的流程如圖10.熱點索引的獲取 使用漫游系統開發時內置的JavaScript 功能函數 getHotspotIndex 來獲。

                    圖 10 系統熱點訪問流程圖
                    圖 10 系統熱點訪問流程圖

                      船舶漫游交互式學習平臺發布到 IIS 服務器后的實際運行狀況如圖 11、12.

                    圖 11 船舶漫游交互式學習平臺首頁
                    圖 11 船舶漫游交互式學習平臺首頁

                    圖 12 船舶漫游交互式學習平臺操作頁面
                    圖 12 船舶漫游交互式學習平臺操作頁面

                      4、結論

                      通過 ASP. NET MVC + jQuery EasyUI + PV3D引擎 + Access 數據庫搭建基于船舶場景漫游的交互式學習平臺,具有良好的可維護性和可擴展性[8],不僅方便教師教學使用,更利于學員自主學習. 基于真實船舶視景建立的漫游系統,讓未接觸過船舶或較少機會接觸船舶的學生以浸入式的瀏覽方式身臨其境地感受其內部空間的各種設備與系統. 與此同時,多套不同船型的船舶場景、交互式的操作界面、沉浸式的瀏覽體驗,使得船舶的認知學習不再枯燥乏味,具有實際的推廣與應用價值.

                      參考文獻
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