音乐可视化研究

音乐可视化研究（通用6篇）

音乐可视化研究 篇1

一、引言

音乐可视化 (music visualization) 是一种以视觉为核心, 对音乐表达的一种非主观的解释和判断, 是一种呈现技术为理解、分析、比较音乐的表现力和内部结构提供的。随着世界多元化进程的推动, 音乐可视化已经被广泛的应用在全球范围内, 大至维也纳金色音乐大厅的交响乐表演, 小至中国市民广场的音乐喷泉。音乐属于耳朵, 通过听觉形式来去抒发人们的思想, 但是当音乐的意境高深难以理解的时候, 音乐可视化的出现解决了这样的问题, 这项技术让音乐更加形象生动, 让大众更能够去理解音乐艺术的魅力。作为一种最时尚的艺术语言, 对其的研究显得尤为重要。

二、音乐可视化

音乐可视化最为一种新型的可视化技术, 让“看”音乐成为可能。在传统意义上, 音乐是属于耳朵, 仅仅局限于音乐的频率、音调、音高、节等, 音乐可视化打破了传统音乐的表达方式。音乐可视化让不仅仅局限于耳朵, 而且能够看到, 加强了人的感性体验, 更高层次的与媒体技术的理性运用相结合。这是基于这个“3G”时代信息发展创新中所产生的一种全新的传播方式。

计算机技术让音乐可视化, 对音乐的特征进行提取, 通过图像处理、虚拟技术、数字、多媒体等方面的研究让可视化效果出现多种形式。音乐可视化是一种新兴的技术产业, 涉及到娱乐、教育、艺术和商业等各种领域。听觉作为人们人类感知外部世界最重要的通道之一, 虽然为人们看见和理解的音乐作品提供了诸多方便但还是远远不够的, 视觉与听觉的两重体验, 使音乐更具有深刻性。

在视觉工业时代是音乐视觉化的大背景, 感知阅读过程中提供着潜在的意识形态和特定的世界观, 可视化的出现潜移默化中重塑我们的生活方式。因此对音乐视觉化可以理解为借助计算机图形这一手段和人造数字化影像这一载体通过新媒体技术的运用从而达到音乐作品上的一种视觉直观。而新媒体技术的运用则是音乐视觉化的主要传播途径。更是体现于“视听结合”的日常行为。音乐可视化的体现是以视觉为核心, 以音乐为载体, 以大众为诉求对象, 音乐的感性听觉本位与感性视觉层面在新媒体技术层面获得了更高形态的融合, 符合现代观赏者的身份认同和符号价值。从而让大众更加全面的理解音乐作品的内涵所在。

三、音乐可视化的体验与应用

(一) 音乐可视化的体验

1.沉浸感

音乐可视化艺术创作并不是一种简单的电脑三维动画的制作, 而是真正立体影像在沉浸式虚拟环境的营造。沉浸感, 指观众在欣赏音乐可视化作品时自始至终都存在的身临其境的感觉, 它是以参与者为中心的一种高层次体验。沉浸感, 就如同演员对角色的沉浸, 观众对场景的沉浸, 忘却自己现实角色而融于音乐可视化作品中, 成为作品内容的一部分。音乐可视化艺术所带来的对创作方式的延展, 主要是将沉浸艺术和虚拟技术综合在一起, 融合现代媒体形式, 将图像、声音、影像等各方面综合为一体, 给观众以包围感十足的视听觉沉浸式感受。

音乐的可视化想要营造沉浸感, 必然要去呈现出虚拟环境, 才能给观众高层次体验, 这就需要图像系统与投影系统的结合。音乐可视化离不开情感, 图像最直接的触动人类的感知, 所以图像成为沉浸感产生的核心要素。图像的持续性使可视化作品在用户进行互动维持其实时性, 借助计算机系统进行处理计算营造虚拟环境。技术的发展, 计算机可以模拟出来丰富的特效, 如模拟天气等自然环境, 雨雪、水流、高山、花草树木等;或者逼真的3D重塑的人或物, 再加上音乐的音符、音高和音长形象化的配合, 形成由特定的音乐特征触发角色相应的动作变化使音乐的美感通过视觉与听觉得结合来体现出来, 生动形象的表达出音乐的情感, 在让用户更加真实的融入到作品中。其次, 音乐可视化少不了硬件投影系统技术的支持。高分辨率影像的投影机与投影屏幕是必可少的。诠释音乐作品的立体影像将通过投影机投影到投影屏幕上, 投影屏幕可根据应用的需要组合成各种不同最终投影, 例如带有弧度的巨型环形屏幕, 或直径几十米的大型球幕, 或者各投影屏幕相互垂直构成的立方体屏幕等等。美国学者塞斯·基汀斯 (Seth Giddillgs) 2009年在其《新媒体:评论与介绍》中指出“电影正在从‘叙事电影’向‘景观电影’转变。”这意味着随着数字虚拟技术、立体影像技术在视觉艺术中的大量使用, 影像创作在向“叙事的泛化”“视觉的奇观”迈进。凭借着开拓性的产业发展理念和对当代主流艺术发展趋势的前瞻性把握, 中科新视界团队逐渐探索出一条音乐可视化艺术创作的实践新路, 将音乐可视化艺术向沉浸式的体验美学的方向延展。

2.“可移动性”

音乐可视化不仅体现在创作过程中, 同时也是作品给观众、参与者欣赏方式的一次经验上的刷新。中科院自动化所科学艺术中心在探索音乐可视化艺术作品呈现的形态时所总结而出的经验是, 诸如《化蝶》和《黄河》两部具有极强典型性的音乐可视化艺术作品的展示方式一定需围绕“可移动性”来设计, 这种沉浸式体验的场馆具有移动性潜质, 以实现在不同城市的轮回播映。场馆内部, 也淋漓尽致地体现出结构的灵活, 与巨型环幕、球幕共同致力于满足观众在球幕或环幕或两者兼具的放映体验过程中的沉浸感营造。

(二) 音乐可视化的应用

音乐可视化渗透在娱乐、教育、艺术和商业等领域, 就比如大家喜爱熟知的3D投影技术就是音乐可视化的体现。如2012年的春晚节目《迎新春3D武术》, 电影《阿凡达》, 《豚鼠特工队》热映都是借助3D技术, 通过音乐感知和情绪感受从而产生的形象联想和理性感悟的审美体验过程。音乐借助3D技术让人们感到身临其境, 2008年北京奥运会的绚丽壮观的开幕式和闭幕式的视觉投影就是音乐借助3D投影技术所产生的高端视觉盛宴。在国外, 1989年“音乐可视化”这一术语就出现在Robertson Card与Mackinlay发表的文章《用于交互性用户界面的认知协处理器》中, 可见国外在这方面也早就取得了一定的成绩。

四、总结

在现代社会, 生活步伐的加快, 科技的快速发展, 促使现代人对精神生活的追求, 数字娱乐等高端科技的需求也越来越大, 数字媒体渐渐的渗透在人们的日常生活的各个方面。随着数字媒体技术的发展、“3G”“4G”时代的到来, 音乐可视化日益得到文化产业与研究机构的关注, 音乐可视化与传统音乐艺术不同同时又与传统的视觉艺术又有差异, 它是时代发展的产物, 同时也提供给现代人一种全新的体验与对问题的全新的理解与认知。但是, 就目前现状而言, 音乐可视化还面临很多问题。例如, 音乐可视化媒介的单一、成本居高、音乐视觉元素的不统一等等, 这些都是亟待解决的问题。

音乐可视化作为新兴技术, 具有现代社会高端科技的特点, 他结合视觉与听觉作为新一代的艺术语言, 给大众带来了新的感性体验, 虽然还存在着诸多为题, 随着科学技术的发展, 音乐可视化的内涵将更加丰富, 期望本文的能够推动该领域有关学者对于音乐视觉化的关注。

摘要：在现代社会, 生活步伐的加快, 科技的快速发展, 数字媒体逐步渗透人类的日常生活的各个方面。随着“3G”的普及, “4G”时代的到来, 音乐可视化成为了研究机构与公司的研究新领域, 音乐和视觉艺术的交叉形成的音乐可视化是传统音乐艺术与视觉艺术的产物, 作为一种新型的可视化技术, 更多地关注音乐和图形、图像的关系, 加强了音乐的可理解性, 体现于“视听结合”的日常行为。同时也提供给现代人一种全新的体验与对问题的全新的理解与认知。

关键词：音乐,新媒体,音乐可视化

参考文献

[1]房婷, 蒋达.音乐可视化研究[J].电影评介, 2013 (05) .

[2]屈天喜, 黄东军.基于情感识别的实时交互式音乐可视化研究[D].硕博学位论文:屈天喜, 2008.

[3]李杰, 彭智烨.浅谈乐音要素的联觉在音乐表现中的作用——以奥涅格的管弦乐作品《太平洋231》为例[J].神州, 2012, (17) .

[4]王非.工程项目管理信息可视化技术研究与实现[D].硕博学位论文:王非, 2006.

音乐可视化研究 篇2

利用计算机图形学中的三维可视化理论和开放的OpenGL技术实现了地球形状的三维动态表达.研究和实现了全球数据组织、数据转换、数字地球三维建模、法向量计算以及矩形格网数据向三角网数据的.快速转换.

作 者：孙洪君 杜道生 李征航 周勇前 SUN Hongjun DU Daosheng LI Zhenghang ZHOU Yongqian 作者单位：孙洪君,SUN Hongjun(中国航空工业总公司勘测设计研究院测绘处,北京市2411信箱,100086)

杜道生,周勇前,DU Daosheng,ZHOU Yongqian(武汉测绘科技大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉市珞喻路129号,430079)

李征航,LI Zhenghang(武汉测绘科技大学地学测量工程学院,武汉市珞喻路129号,430079)

煤矿巷道三维可视化研究 篇3

关键词：数字矿山；巷道；三维可视化；三维建模

中图分类号：TP391.9

要构建数字矿山，必须实现矿山的三维可视化。在煤矿中，巷道是采矿生产中将煤炭从工作面运送到地面，以及通风、安全输送工人的通道[1]。对整个矿井而言，巷道是其核心部分。因此，巷道的三维可视化是数字矿山的基础之一，要实现巷道的三维可视化，必须研究巷道的数据结构、空间拓扑结构、三维建模算法等内容。

1 巷道的数据结构

1.1 巷道三维建模的数据基础。巷道的数据基础为矿井采掘工程平面图的导线测量点，根据导线点可确定巷道的中线点，连接中线点，可将巷道抽象成一条线，中线点成为建立三维巷道的基础数据，确定了巷道的位置及分布。此外，要构建巷道的形态，必须引入巷道的断面数据。

1.2 组成巷道的基本元素。所有的巷道中线点连接起来构成了巷道网络，利用图论的理论，把巷道网络看作是图，把巷道中线抽象成弧段，把中线点抽象成组成弧段的结点[2]，因此巷道网络中一条巷道有多个连接的弧段组成，巷道网络可看作由以下几个基本元素组成：巷道线、巷道弧、结点。

1.3 巷道的数据结构。基于以上分析，把巷道网络看作图，就可以按照图论的理论来构建数据结构，本文以VC++程序设计语言表示数据结构，用结构体来表示，巷道的数据结构包括：结点结构体NodePoint，巷道弧结构体LanewayArc，巷道线结构体LanewayLine，结点与巷道弧关系结构体NodeLinkArc。

2 单个巷道弧三维建模

巷道弧是整个巷道网络的最小单位，巷道弧的三维建模是整个巷道网络建模的基础。巷道弧的三维建模的思路是，在巷道弧的起始点和结束点建立垂直断面，垂直断面为多边形，连接这两个垂直断面多边形顶点，构成多个包绕巷道的四边形或三角形。

常见的巷道断面形状主要有直壁拱形、梯形、矩形等。为简化建模过程，采用统一的数据结构和算法对直壁拱形、梯形、矩形断面进行建模。直壁拱形断面中的拱形可以用多边形逼近，因此这三种断面都统一看作是多边形，这样就简化了断面的建模。

直壁拱形由下面的矩形和上面的半圆形构成，整个断面可细化为多边形，以巷道底板中心点O为圆心建立OXYZ局部坐标系，XOZ面与断面重合，OY轴垂直于断面，巷道拱顶为半圆弧，巷道高为h，底板宽度为w，将拱形半圆弧均匀分割为8份，其步长为d=π/8，这种分辨率基本可以逼近巷道的曲面拱形，圆弧上分割点为点1，2，3，┅9，顺时针方向旋转，巷道底板两角点为0点和10点。整个断面成为11个頂点的多边形。计算断面边形点顶点坐标的公式不再赘述。

对于梯形巷道的建模，为了使巷道断面的数据结构和处理算法的具备一致性，简化建模过程，梯形巷道断面细化为多边形，梯形巷道断面多边形也取11个顶点，其局部坐标求法非常简单，此处不在赘述。

3 巷道连接结点三维建模算法

对于多巷道建模，为了避免在结点处出现重叠或错切的现象，将结点及附近巷道分离出来，单独进行建模，最后再与非结点处的巷道段进行合并，共同实现完整的多巷道建模。结点处建模，主要是分析多巷道连接处的几何形体特点，采用多个三角面构成整个连接处的巷道曲面。

为了实现结点处建模，要改进前文中的巷道数据结构，加入巷道结点处理巷道交叉的信息，如在结构体NodeLinkArc中加入以下信息：

typedef struct //结点与巷道关系

{

（省略与前面相同的内容）

Point3D Cross[5]；//相邻关联巷道弧外侧线的交点

Point3D*Cross1；//相邻关联巷道弧外侧线的交点平移后产生两个新交点

}NodeLinkArc；

根据矿井巷道分布情况，一般来说，连接点上的关联巷道数量不会超过5，使用如下多个动态数组存放所有结点、所有巷道弧、所有结点关联的巷道弧、所有巷道线。

NodePoint*allNodePoints；//所有结点

LanewayArc*allLanewayArc；//所有结点巷道弧

NodeLinkArc*allNodeLinkArc；//所有结点关联的巷道弧

LanewayLine*allLanewayLine；//所有巷道线

下面以四巷道交叉为例，对结点处建模算法进行说明：

步骤1：从数据库中获取数据，产生所有结点allNodePoints，所有巷道弧allLanewayArc，所有巷道线allLanewayLine。

步骤2：产生结点关联的巷道弧allNodeLinkArc，每个结点关联的巷道数LinkCount，关联的巷道弧的的索引数组LinkArc[5]，关联的巷道弧的方向LinkArcIn[5]，并根据巷道弧的在水平面的方位角由小到大排序。

步骤3：水平面投影图上，求相邻关联巷道弧外侧线的交点，存储在数组Cross[5]，交点数等于结点关联的巷道数。如图1所示，图中结点O处关联四段巷道OA，OB，OC，OD，外侧线的交点为O1、O2、O3、、O4。

图1 步骤3求交点

步骤4：将关联巷道弧外侧线的交点O1、O2、O3、O4沿巷道方向OA，OB，OC，OD移动，产生8个新交点OA1-OA8，存储到Cross1指针指向的数组中，假设巷道宽为w，移动距离w/x，经实践证明x取值为2到4之间时，相邻巷道连接较为平滑，如图2所示。

图2 步骤4求交点

步骤5：对每段关联巷道弧，在新的交点处加载巷道弧断面，对OA巷道弧，在交点OA1和OA2处加载巷道断面，并生成巷道断面细化点代替交叉处理前的巷道断面细化点，每段巷道弧仍由前面的单巷道弧建模算法进行建模。

步骤6：由相邻关联巷道弧外侧线的新交点OA1-OA8围成了交叉结点处三维建模区域，在水平面投影图上就是一个8个顶点的多边形，此区域单独进行三维建模，对此区域内的顶面、侧面、底面分别进行建模，分解成若干个三角面片。建模的原理是连接相邻巷道的断面细化多边形顶点形成多个三角形。

4 结束语

基于本文研究的巷道三维建模算法，基于VC++和OpenGL技术实现了巷道三维可视化和巷道三维漫游，效果良好，证明了巷道三维建模的可行性。

参考文献：

[1]石奉华.巷道三维可视化建模技术[D].山东科技大学，2007.

[2]葛永慧，王建民.矿井三维巷道建模方法的研究[J].工程勘查，2006（10）：46-49.

作者简介：董林（1971-），男，讲师，研究方向：计算机应用技术。

泰山玉皇顶三维可视化系统研究 篇4

数字化技术的应用研究是当今时代的热点之一,如何将数字化技术应用于旅游业是目前旅游业研究的前沿.泰安市是一个旅游资源较为丰富的城市,如何运用数字化技术充分挖掘泰安旅游资源的潜力,提升旅游管理和服务水平,吸引更多的国内外游客,从而促进泰安市旅游业的.发展是一个值得研究的课题. 本文首先探讨了国内外研究现状,分析了数字泰山玉皇顶中运用的关键技术.然后针对泰山旅游业中目前存在的问题进行了深层次的需求分析和模块设计.在此基础上,运用已有的地形图、遥感图像、文字资料等各种空间和属性数据,运用多种数据处理技术和三维建模软件,构建了三维展示与查询系统,为“数字泰山”的实现做了一次有意义的探索.

作 者：厉彦玲 梁勇 高志宏 LI Yan-ling LIANG Yong GAO Zhi-hong 作者单位：厉彦玲,梁勇,LI Yan-ling,LIANG Yong(山东农业大学信息科学与工程学院,山东泰安,271018)

高志宏,GAO Zhi-hong(测绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉,430079)

高中物理可视化教学策略研究 篇5

电子技术和信息技术的发展为学科教学带来了新的理念，教师在物理学科教学设计中，利用各种技术手段辅助物理教学，将物理实验、物理知识和规律、思维的过程以及学生的学习反馈形象地、及时地展示出来，形成可视化的教学呈现方式与物理学科教学的整合。

物理学科是一门以实验为基础的自然学科，以实验探究和逻辑推理发展学生的思维能力。许多学生都反映物理学科太抽象、难学，现行的教学和考试模式也较多地让学生关注抽象的物理知识，缺乏对实验的过程和知识获得的思维过程的关注。其实，物理学科并不是冰冷的，而是我们对物理知识抽象的呈现方式给了人这种感觉。电子技术和信息技术的发展为学科教学带来了新的理念，教师在物理学科教学设计中，利用各种技术手段将物理实验、物理知识、物理规律、思维的过程以及学生的学习反馈形象地、及时地展示出来，形成可视化的教学与物理学科教学的整合。学生借助可视化教学能直观地观察、体验、利用这些生动形象的物理实验和模型等，透过生动形象的物理现象，探索本质，形象地建立起物理知识和规律。

研究表明人脑的80%的功能都是用于处理视觉信息的。教师通过应用可视化教学策略，帮助学生减少认知负担，使学生全身心的投入到解决问题的过程中，从而培养学生成功解决问题的能力，提高和拓展学生的认知能力和创新能力。教师在进行教学设计时可以从以下几个方面入手，提高教学的可视化程度。

1物理实验的可视化策略

物理实验是物理教学中的一个重要环节，无论是教师演示实验还是学生分组实验都是花了大量的教学时间，但教学效果大多不是很理想。例如在教师在做演示实验时，大部分学生离讲台的距离太远，学生不能清晰地看到演示的操作细节、实验的过程和结果，演示实验的效果大打折扣。学生难以从全方位看清、看懂老师的实验演示过程，学生分组实验时，学生在完成实验时就很难正确地操作仪器设备，高效地完成实验。教师在教学设计时应该考虑怎样将实验的效果提高，通过什么样的手段将实验的细节变得可视化。在实验教学中，教师可以利用实物展示台、摄像头、相机甚至手机的电子设备，实现实验的细节可视化目的。例如，利用洛伦兹力演示仪观察带电粒子在磁场中的运动的实验中，演示器材离学生距离远，同时里面充有稀薄气体的玻璃罩反光特别厉害，很难看清玻璃罩中带电粒子运动路径上稀薄气体发出的辉光。实验中教师可以利用摄像头或数码相机的实时取景功能对实验进行实时展示，通过数据线连接到电脑和投影机，可以在大屏幕上看到实验的细节；利用一块不透明的遮光布就可以解决玻璃罩的反光问题，摄影头或相机在遮光布里面可以拍到非常清晰的实验效果。例如在研究的弹簧中力的瞬时性问题，可以利用相机或手机拍摄下小球在弹簧的作用下，剪断细线的瞬间，小球运动和弹簧的形变情况，在电脑上利用播放器慢速播放，将极短时间内眼睛难以观察的实验现象在屏幕上可视化，学生在慢速镜头下看到的实验效果对弹簧中的力不能瞬时突变的理解有着巨大的帮助，亲眼所见一次比别人讲许多遍的效果都要好。现在有的手机本身就带有慢动作的拍摄功能，在很多物理实验中都可以派上用场。在演示微小的实验时，可以利用数码相机的实时取景功能，在实时取景下相机的对焦点可以放大×1倍、×5倍、×10倍，微小的实验细节都可以放大可视化。随着电子技术的发展，手机、相机、电脑等电子产品基本人人都有，开发这些电子产品的教学功能，需要教师们开动脑筋和学习借鉴。

2物理情景的可视化策略

物理规律的获得和应用都离不开物理情景，能够建立的清晰的物理情景和物理模型，物理问题的解决工作已经完成了一半。高中物理中一部分物理情景来源于生活、来源于实验，这些情景是可以通过图片、视频和实验操作展示给学生。例如课本上大量的演示实验和学生实验，如验证小球下落时机械能守恒，带电粒子在磁场中的偏转，在气垫导轨上演示两滑块的几种碰撞情景等。实验教学能够调动学生学习物理的兴趣，帮助学生建立物理情景和物理模型，提高学生的物理素养和解决物理问题的能力。物理教师要开足实验课，不能因为怕麻烦，不去做实验。学生做实验和听实验是有区别的，亲身经历过的事情有些是终生难忘的。高中物理教学中还有很多物理情景因为设备，资金等客观原因无法展现给学生，教师可以借助多媒体技术和信息技术展现给学生。例如回旋加速器中带电粒子的运动情况和交变电压的周期变化情况在flash制作的动画中能够非常直观地观察到带电粒子的运动情景。卫星的发射与回收也可以观看相应的动画，帮助学生建立物理情景。几何画板是一种数形结合的工具，利用它不仅能够展示物理情景，还能反映数量关系，在小船过河的教学中，利用几何画板制作的动画能够很好地展现小船过河的三种情景。教师在教学之余，经常地收集一些与物理教学相关的动画、视频等，在需要的时候够能为物理教学服务。

3物理知识的可视化

有些学生认为高中物理知识点和公式太多，太难记忆；他们利用机械地方式背公式，孤立地学习物理知识，记忆效果较差、容易遗忘。物理是一门有着自身知识系统和方法论的学科，知识问的联系极其紧密，纵横交错、环环相扣。物理学科知识就像是一颗知识之树，有主干，有分支，有细叶。就拿力和运动的知识模块来说吧，两条处理动力学的思路是力和能量，方法分别是牛顿运动定律和动能定理，而动能定理的推导就是在牛顿第二定律和运动学公式的基础上推导出来的，可以说高中物理的动力学问题就是一个牛顿第二定律。教师教学的关键就是帮助学生建立知识间的联系，将知识形成可视化的网络及图像。教师在学科教学的设计是就应当考虑到物理知识的可视化和学科教学的整合，利用如MindMapper等思维导图软件，可以将物理知识网络化、可视化，帮助学生形成物理命题网络、物理图式等系统化的知识网络记忆结构。教师既要教授系统化的物理知识，也要教组织知识的方法——如列表、结构图、逻辑关系以及综合运用等。当学生有了一定的组织知识的经验时，完全可以由学生完成列表格或画知识结构图等组织知识的任务，并在课上交流；其他学生评判知识间的关系是否真实、清晰，及时补充。如图为学生利用知识结构图示画出的机械能的知识网络结构，将知识形成可视化的图式结构，有利于在问题解决的过程中及时地在记忆中提取相关知识。

4学习反馈的可视化

学生对物理知识的掌握的程度如何，在课堂上必须有一个及时的反馈。学生用粉笔在黑板上板演、板画是课堂七传统的教学效果的反馈方式；实物投影也可以用来展示学生的学习成果。交互式电子白板的出现，真正实现了白板与计算机、演示者与听众之间的双向互动。教师或学生直接用感应笔或手指在白板上操作（相当于传统教学中师生用粉笔在黑板上操作）：写字或调用各种软件，然后通过电磁感应反馈到计算机中并迅速通过投影仪投射到电子白板上，学生可以将解题的过程和思路，及时地展示到电子白板上。学习结果反馈的可视化，可以帮助教师迅速的调整教学的进度和难度，也可以帮助学生借鉴其他同学的学习中的得失对自己的学习进行反思。近些年信息技术在辅助教学中的发展为大规模的学生学习结果的反馈提供了可能。点阵数码笔是最近刚刚兴起的一种学习辅助工具，它通过在普通纸张上印刷一层不可见的点阵图案，简称为点阵纸：在笔的前端的高速摄像头随时捕捉笔尖的运动轨迹，同时压力传感器将压力数据传回数据处理器，最终将信息通过蓝牙或者USB线向外传输的新型书写工具。多人用点阵数码笔在纸上书写的同时，他们的书写结果会同步到电脑中，老师可以实时掌握每个人在纸上的书写内容，可以随机在大屏幕上点取任何一个学生的答题内容进行展示，突破了现有的交流模式，节约了时间，使教师在课堂上关注每一位学生的学习情况成为可能。但是点阵笔价格昂贵，给每位学生配置一支点阵笔，普通学校经济难以承受。教师还可以用一个比较经济简单的方法实现每个学生的学习结果反馈可视化：利用在同一个网络中的智能手机和电脑，利用一个叫做苹果录屏大师的小软件，可以将手机屏幕上的内容在电脑屏幕和投影上产生镜像，利用手机拍摄学生完成的成果就可以实时地展示在大屏幕上，分析学生的学习掌握情况。这种经济可行的教学辅助手段能够实现学生学习结果反馈的可视化，能够帮助教师对教学效果进行诊断，及时调整教学的策略。

校园光缆资源的可视化管理研究 篇6

摘 要：针对高校校园网光缆资源管理需求，采用百度地图应用服务接口和Ajax与jQuery技术，在Apache+PHP+MySQL的开发环境下，设计并开发了一款校园光缆资源的可视化管理系统。实现了光缆资源与光缆部署信息查询，光缆段端点标注，光缆段端点的增、删、改等可视化管理，为建设基于地理信息系统的各类管理平台提供了借鉴。

关键词：百度地图API；光缆资源；可视化

中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2016）09-0064-04

一、引言

高校光缆资源是高校校园网基础设施的重要组成部分。[1]随着高校校园网快速发展，光缆的数量不断增加、铺设年代不同、标识复杂，特别是光缆大都埋在地下，给管理者带来了很大的困难。如何全面地掌握校园网光缆分布、准确定位校园光缆走向位置和了解校园网光缆资源的利用率，以便调配光缆资源、为持续建设提供依据，是当前急需解决的管理问题。

电子地图的发展已经成熟，使为高校建立一个可视化的光缆资源管理系统成为可能。利用百度地图API，设计实现校园光缆资源可视化管理，不仅能准确地定位校园光缆的物理位置和建筑物的距离关系，突破传统纸质资料管理的局限性，也是推进智慧校园建设，提供智能感知和智能服务的有效途径。[2]

二、关键技术

本系统基于百度地图API构建地理信息平台，采用JavaScript语言，结合Ajax技术和jQuery框架实现系统页面对本地数据的无刷新请求。系统页面利用Ajax向服务器发出Get/Post请求，服务器返回JSON格式的字符串，页面收到后利用jQuery处理JSON格式的字符串，再反馈给用户。采用Ajax和jQuery能有效解决平台间数据通信的效率问题，并能将应用层与数据层分离。

1.百度地图API介绍

百度地图API是百度公司为开发者提供的一套由JavaScript脚本语言编写的地图应用接口，[3]它将开发平台与地理信息数据捆绑，把复杂的GIS底层逻辑信息进行封装，[4]用一种可视化的方式提供地图服务，帮助开发者在网站中构建功能丰富、交互性强的地图应用程序，而不必了解地图开发细节，降低了开发地理信息系统的难度。其API中包含多种开发工具与服务，如地图、控件、事件和覆盖层等，能够提供地图展示、定位、搜索、路径导航、云存储等功能服务，满足了相关地图信息开发者的需要。

本系统采用百度地图JavaScript API v2.0，与之前版本相比，只需要申请密钥就可以无限制使用。在嵌入了百度地图的网页中，通过API接口调用存储在本地数据库中的校园地理信息和光缆资源信息，完成光缆资源管理等操作。

2.Ajax、JQuery简介

Ajax是在不重新加载网页的情况下，服务器与后台数据库进行少量数据交换，实现网页异步更新的一种WEB应用技术。[5]将Ajax和HTTP的GET/POST请求相结合，使用户操作与服务器响应之间具有相对的独立性，页面显示流畅，用户体验好。

jQurey是轻量级的JS库，有很多成熟的插件可以使用，为网页开发提供了功能强大的动画效果。[6]本系统采用jQuery UI插件，使前台页面具备任务分层列表的可视化功能。用户第一次访问网站之后再次访问时，会在缓存cookie中加载jQuery，这样可减少页面加载时间，提高访问速度。

三、校园光缆资源分析

光缆施工图纸及建设合同中包含了光缆铺设中的重要信息，详细记载了光缆的类型、数量、长度、芯数、用途及施工时间等。因此，光缆施工合同及竣工图纸是获取光缆原始信息的主要途径。与光缆资源相关联的还有通信井、电线杆、相邻建筑物等，这些是光缆段的端点或者经过的节点，是光缆资源管理中必不可少的重要信息。汇聚点、熔接点、电线杆、通信井、拐点、光缆终端统称为光缆段端点。光缆段端点之间的光缆链路组成光缆段，光缆是由光缆段组成的，每条光缆包括一定数量的光缆段。表1是某校园网光缆资源的汇总情况。

明确了光缆的汇聚点、熔接点、拐点等位置信息后，利用坐标拾取工具API获得对应光缆段端点位置的实际经纬度坐标，连同光缆段端点详细信息一起存储到数据库中。用户查看某一物理位置的光缆时，服务器调用数据库中该光缆段端点的经纬度坐标，并把此值作为Polyline方法的参数传送给百度地图API，将光缆以直观的方式显示在百度地图上。

四、系统设计

本文立足校园网络中心运行室的工作需求，设计开发一款校园光缆资源可视化管理信息系统，满足管理者掌握校园光缆资源信息的需要。

1.系统架构

本系统采用B/S体系结构。通过HTML+CSS技术展示可视化查询界面，可以直接进行地图浏览和光缆资源综合查询。利用Think PHP框架和jQuery DWZ的UI框架实现光缆资源管理功能，管理员登录成功后可以进行用户和光缆资源管理。系统整体结构如图1所示。

2.系统功能设计

校园网光缆资源管理系统的功能设计必须围绕校园网日常维护工作内容展开。如图2所示的系统功能模块，整个系统的功能主要概括为以下三个方面。

（1）用户管理。用户管理采用基于角色的用户权限管理模式。系统管理员具有用户信息管理、角色分配、指定分组权限。普通用户具有登录、修改密码权限、信息查询。

（2）光缆管理。光缆管理分为光缆段管理和光缆段端点管理两大功能模块。

光缆段管理功能实现光缆段的信息修改、添加、删除等操作，并在地图上显示和查询光缆段铺设情况。当用户首次新增某两个端点之间的光缆段时，必须要同时添加这两个端点之间的邻接关系且保证数据库中存在这两个端点，否则需要新增两个端点的信息才能新增光缆段。

光缆段端点管理是指光缆段端点在地图上的经纬度标注及信息查询，包括光缆段端点信息的增、删、改操作。如果要删除某一光缆段端点信息，系统检查该端点是否有对应的光缆段存在，若存在，需要删除所对应的光缆段后才能删除该端点信息。只有管理员拥有光缆资源信息的写操作权限。

（3）光缆资源综合查询。光缆资源的查询分为光缆段端点查询和光缆铺设路径查询。光缆段端点查询是查询单个或单类型的光缆段端点信息，用户通过菜单点击选择所要查询的单个或者单类型光缆段端点名称，查询其在地图上的具体地理位置和相应属性信息。

光缆铺设路径查询是通过点击菜单选择任意两个光缆段端点查询校园网中的光缆资源，在地图中显示所要查询的光缆走向情况，包括光缆链路经过的光缆段端点情况。用户可看到每条链路上有哪些类型的光缆、多少跳接点、何种光缆段端点等信息。

3.数据库设计

数据库设计主要分为用户数据库表设计和光缆资源数据库表设计。

系统用户管理模块是基于角色的用户权限管理，在数据库中创建用户表、角色表、权限表、节点表和角色-用户表。为了系统的安全性，不同角色的用户具有不同权限，通过角色的分配来控制权限，使用起来方便灵活。根据各个表之间的关系设计出用户数据库表，其表关系如图3所示。

每条光缆段都具有两个不同位置的端点，因此要准确定位光缆段，就需要确定光缆段的两个端点位置及其类型。而对光缆的查询，也需要明确光缆段端点的信息。当首次添加新的光缆段时，需要在下拉菜单中选择光缆段起点和光缆段终点，若下拉选项中没有符合要求的起点和终点，则要在系统中添加光缆段端点信息；当用户要删除某一光缆段端点信息时，系统会检查该光缆段端点是否仍有对应的光缆段存在，若存在，要解除该光缆段后再进行删除操作。

因此本系统需要在数据库中创建光缆段端点表、光缆段端点分类表、光缆段表、光缆类型分类表，其表关系情况如图4所示。

五、系统实现

本小结简单展示并说明光缆资源的可视化管理系统的功能，以光缆管理功能和光缆综合查询功能为例，展示系统功能的实现界面。

1.光缆管理功能

光缆管理分为光缆段端点管理和光缆管理。光缆段端点管理功能实现了光缆段端点的新增、删除、修改、导出光缆段端点excel表和光缆段端点类型的新增、删除、修改，图5为新增光缆段端点信息的实现界面；光缆管理功能实现了光缆的新增、删除、修改、导出光缆段excel表和光缆类型的新增、删除、修改功能，图6为光缆段管理界面。

2.光缆综合查询功能

（1）光缆段端点查询的实现

光缆段端点查询分为单点查询和单类型查询。单点查询如图7左侧所示，选择浏览器左侧导航栏的光缆段端点分类中的某一类，查询相应的光缆段端点具体信息，则会在地图上显示该光缆段端点的地理位置和相关信息；单类型查询如图7右侧所示，选择某一类型查询相应所有光缆段端点分布情况，在地图上用鼠标点击相应光缆段端点则会显示该端点的信息窗口。

（2）光缆路径查询的实现

光缆路径查询是系统的重要功能，按照实际的光缆铺设情况，我们可以将校园网中的光缆拓扑结构抽象为一个无向连通图。其中无向连通图的节点为光缆段端点，光缆段则对应无向连通图的边。

该无向连通图是光缆路径查询的基础。采用邻接表的方式存储相关联的信息，从数据库中将起点的所有相邻节点遍历出来，若在遍历中发现其有的相邻点均不存在到达终点的路径或者有环路现象存在，则返回到原来的节点继续遍历，直到发现到达终点的路径后停止遍历，将当前已经寻到的路径保存到栈里，每寻到一条光缆段路径，则进行转存，作为结果进行输出。

根据以上查找，可以得出起点到终点的所有路径及每条路径经过的节点，并利用百度地图API的地图覆盖物的Market（标注）、Polyline（折线）和InfoWindow（信息框），从而在百度地图上展示出从起点到终点的路径集合，实现光缆路径可视化查询功能。

该功能的实现界面如图8所示，例如查询从学生十楼到北门光缆接入点之间的光缆，该条路径包含了途经所有的光缆段及光缆段端点，在地图上使用不同光缆段的类型用不同颜色的线表示。光缆路径查询功能能够帮助校园网管理人员获得校园网光缆信息及铺设情况，通过可视化的方式精确掌握光缆使用情况，避免传统方式下查询繁琐、效率低的弊端，从而减轻工作量，提高工作效率。

结束语

本系统基于百度地图API，使用PHP、JavaScript语言，结合Ajax与jQuery开发了光缆资源可视化管理信息系统。该系统针对光缆资源地理信息的特殊性，以实际需求为导向对系统功能、数据库表进行设计，通过可视化的方式实现了光缆管理与光缆资源综合查询功能。

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