徐杰 孫大洋 胡怡

摘 ?要：隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)、新業(yè)務(wù)的發(fā)展，各行各業(yè)都在以互聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)進(jìn)行融合創(chuàng)新，進(jìn)入了“互聯(lián)網(wǎng)+”快速發(fā)展的時(shí)代。文章以“云校園”為出發(fā)點(diǎn)著手研究虛擬校園項(xiàng)目，以還原校園真實(shí)場(chǎng)景為目標(biāo)，致力于為學(xué)校開發(fā)一套基于Context Capture傾斜攝影建模和Unity 3D引擎的虛擬校園。模型貼合校園中的真實(shí)建筑，項(xiàng)目注重場(chǎng)景還原和互動(dòng)式第一人稱導(dǎo)游的沉浸感，既能為熟悉校園的同學(xué)提供全新的觀感，更能讓校外所有想了解校園，接觸校園的用戶獲得對(duì)校園最真實(shí)的感受。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；Unity；虛擬校園

中圖分類號(hào)：TP391.4；P231 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）16-0039-06

Design and Implementation of Virtual Campus Based on Oblique Photography Modeling and Unity Engine

XU Jie， SUN Dayang， HU Yi

（Southeast University Chengxian College， Nanjing ?210088， China）

Abstract： With the development of new technologies and new businesses such as big data， cloud computing and Artificial Intelligence， all industries are integrating and innovating on the internet platform， entering the era of rapid development of “Internet plus”. This paper starts with “cloud campus” as the starting point to study the virtual campus project， aiming at restoring the real campus scene， and it is committed to developing a set of virtual campus based on Context Capture oblique photography modeling and Unity 3D engine for the school. The model fits the real buildings in the campus. The project focuses on the scene restoration and the immersion of the interactive first-person guide. It can not only provide a new look and feel for students who are familiar with the campus， but also let all users outside the campus who want to know about the campus and contact the campus get the most real feeling of the campus.

Keywords： oblique photography; Unity; virtual campus

0 ?引 ?言

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，通過(guò)在一飛行平臺(tái)上搭載傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。垂直地面角度拍攝獲取的影像稱為正片，鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的影像稱為斜片（四組影像）。

Unity 3D是虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）開發(fā)重要的一種開發(fā)引擎，它具有完善的技術(shù)和豐富的個(gè)性化功能，具有跨平臺(tái)的部署能力，能兼顧在PC、Mac、Linux、iOS、Android和Web端等平臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目發(fā)布和部署，從而降低了項(xiàng)目開發(fā)人員的要求，可以是一次開發(fā)多端使用。

對(duì)于學(xué)校來(lái)說(shuō)，如果將以傾斜攝影構(gòu)造出來(lái)模型應(yīng)用到Unity引擎上，實(shí)現(xiàn)漫游交互功能的“虛擬校園”，不僅能夠增加熟悉校園的途徑，提高學(xué)校的知名度，增強(qiáng)學(xué)校的影響力，設(shè)計(jì)者們更能夠方便系統(tǒng)地對(duì)學(xué)校結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)，作出合理的布局規(guī)劃。同樣的技術(shù)若應(yīng)用到其他行業(yè)中更能大放異彩。

1 ?研究背景

1.1 ?國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

近年來(lái)，越來(lái)越多的領(lǐng)域和BIM接壤，也有越來(lái)越多的公司開發(fā)了BIM相關(guān)的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)的行業(yè)先鋒們不滿足于常規(guī)建模軟件的交互展示功能，把目光投向了Unity這樣的產(chǎn)品，開始研究游戲引擎的非游戲應(yīng)用。

Unity 3D是由Unity Technologies開發(fā)的一款綜合游戲引擎，人們通過(guò)它可以在PC 手機(jī)等平臺(tái)創(chuàng)建三維游戲，建筑可視化，實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等互動(dòng)內(nèi)容，但利用Unity也可以開發(fā)許多非游戲應(yīng)用，比如地產(chǎn)項(xiàng)目VR、虛擬施工、消防模擬等應(yīng)用。這些應(yīng)用的本質(zhì)都是開發(fā)一個(gè)游戲，所以其交互界面的自由度幾乎就是無(wú)限大的，這樣，對(duì)項(xiàng)目后期的開發(fā)有著強(qiáng)力的后勁。

2019年，Las Vegas的Autodesk University大會(huì)上，Unity公布了與Autodesk的合作計(jì)劃，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)Unity與Autodesk產(chǎn)品之間的完全數(shù)據(jù)互通，Unity Reflect就在這樣的背景下誕生了。

SHoP Architects是一家位于紐約市曼哈頓下城的建筑公司，其項(xiàng)目遍布五大洲，為住宅，商業(yè)建筑，學(xué)校和文化機(jī)構(gòu)以及大型總體規(guī)劃提供服務(wù)。美國(guó)的全球大使館和Uber洛杉磯總部都出于他們的設(shè)計(jì)。他們通過(guò)Reflect和Unity編輯器，創(chuàng)造了各種定制AR和VR應(yīng)用，把設(shè)計(jì)和施工更好地結(jié)合到一起，施工人員把iPad對(duì)準(zhǔn)需要安裝柱子的位置，屏幕上就會(huì)顯示柱子的虛擬模型，點(diǎn)擊屏幕就可以看到它的參數(shù)和安裝說(shuō)明，安裝人員不需要去翻閱紙質(zhì)文件，就能隨時(shí)查看安裝要求。

1.2 ?研究意義

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景，通過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實(shí)效果和測(cè)繪級(jí)精度提供保證。傾斜攝影建模效率高，效果好，可大大縮短開發(fā)過(guò)程中建模階段的時(shí)間，為Unity或其他引擎進(jìn)行后續(xù)開發(fā)加快了速度。

1）智慧城市的規(guī)劃建設(shè)過(guò)程中，體量規(guī)模非常龐大，利用人工建模的方法非常浪費(fèi)人力和時(shí)間，采用傾斜攝影實(shí)景建模，可以快速獲取大面積區(qū)域的真實(shí)城市模型。

2）區(qū)域高層違建排查，很多高層很難從地面上觀測(cè)到。而使用無(wú)人機(jī)完成空中的傾斜攝影，可以快速地排查出違建建筑。

3）景區(qū)三維導(dǎo)覽和平面布置圖，可以快速進(jìn)行景區(qū)導(dǎo)覽路線和場(chǎng)景的布置，方便游客快速了解景點(diǎn)布置和安全路線選擇。

4）使用傾斜攝影對(duì)于古建筑和文物的保護(hù)、數(shù)字化留存有重大意義，模型精度可達(dá)到毫米級(jí)，可以使用實(shí)景模型，對(duì)古建筑進(jìn)行修復(fù)，還能制作數(shù)字版高端文物展示品。

5）大面積的測(cè)繪放點(diǎn)，這些工作特別耗費(fèi)人工，還不一定滿足精度要求。這時(shí)候可以使用傾斜攝影的放大功能，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行航拍，快速獲取該區(qū)域的高程信息和村落的分布，為路線設(shè)計(jì)、選線方案提供良好的數(shù)字信息。

6）施工前期做場(chǎng)地規(guī)劃，施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)基坑的施工狀態(tài)等現(xiàn)場(chǎng)工作場(chǎng)景，也可以通過(guò)傾斜攝影把實(shí)景模型快速建立出來(lái)，無(wú)論是開會(huì)還是匯報(bào)都能起到很好的指導(dǎo)作用。

2 ?總體方案設(shè)計(jì)

總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示，相較于其他軟件的開發(fā)，使用Unity3D引擎進(jìn)行游戲的開發(fā)難度更大，周期更長(zhǎng)，對(duì)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)基礎(chǔ)和合作分工要求更高。本項(xiàng)目的開發(fā)流程主要包括2個(gè)階段：

1）利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影，通過(guò)ContextCapture

建模軟件對(duì)拍攝的實(shí)景進(jìn)行3mx模型的建立，再對(duì)模型進(jìn)行裁剪，拼接等設(shè)計(jì)工作。

2）將完成的3mx模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity引擎，在模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)虛擬校園的多種功能，功能包括：場(chǎng)景交互，語(yǔ)音講解等。

3 ?軟件的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)過(guò)程嚴(yán)格按照預(yù)定流程進(jìn)行，分為：傾斜攝影建模、虛擬校園設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。

3.1 ?傾斜攝影建模

傾斜攝影建模分為兩個(gè)步驟：對(duì)目標(biāo)建筑進(jìn)行傾斜攝影和將拍攝照片導(dǎo)入實(shí)景建模軟件ContextCapture。

3.1.1 ?無(wú)人機(jī)的選擇

傾斜攝影三維模型的質(zhì)量主要取決于兩個(gè)因素：一是影像質(zhì)量，二是照片數(shù)量。從實(shí)際建模效果來(lái)看，要想獲得完整清晰、可供高精度量測(cè)的三維模型，建筑區(qū)傾斜影像的分辨率要達(dá)到2～3厘米、一般地區(qū)要達(dá)到5～6厘米，照片的平均覆蓋度要達(dá)到70度重疊以上。因此，多旋翼無(wú)人機(jī)是進(jìn)行建筑區(qū)傾斜攝影的首選，一般地區(qū)的傾斜攝影則可選擇小型電動(dòng)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)。

3.1.2 ?傾斜攝影相機(jī)

固定式五鏡頭傾斜攝影相機(jī)是目前在無(wú)人機(jī)傾斜攝影中普遍使用的設(shè)備之一，它延續(xù)的是原來(lái)用在有人駕駛飛機(jī)上使用的傳統(tǒng)的五相機(jī)結(jié)構(gòu)。

3.1.3 ?航線設(shè)計(jì)

1）航攝分區(qū)盡量為矩形，航線沿矩形區(qū)域長(zhǎng)邊方向敷設(shè)，實(shí)際飛行范圍應(yīng)超出任務(wù)范圍1個(gè)航高，分區(qū)內(nèi)地形高差小于1/2航高，圖2和圖3分別為環(huán)繞式航線和矩形航線。

2）航線數(shù)量為雙數(shù)且不少于6條，單航線最大長(zhǎng)度按無(wú)人機(jī)有效續(xù)航里程的40%計(jì)算。

3）相對(duì)航高平均按100米設(shè)計(jì)，當(dāng)航攝分區(qū)內(nèi)有超過(guò)30米的建筑物時(shí)，最小相對(duì)航高應(yīng)按100 米加上建筑物高度計(jì)算。

4）航向重疊度大于80%，旁向重疊度大于80%。

3.1.4 ?進(jìn)行建模

傾斜攝影完成后，即可把拍攝的照片導(dǎo)入ContextCapture實(shí)景建模軟件進(jìn)行建模。

第一步，新建項(xiàng)目，將包含照片的文件夾導(dǎo)入，軟件會(huì)自動(dòng)采集照片的可用狀態(tài)、照相機(jī)、感應(yīng)器尺寸、焦距、GPS點(diǎn)位等信息，如圖4所示。

第二步，提交空中三角測(cè)量計(jì)算。在概要界面，點(diǎn)擊提交空中三角測(cè)量計(jì)算，選擇Process with CaptureContext Engine，并打開CaptureContext Engine軟件，使其在后臺(tái)計(jì)算。計(jì)算空三不需要設(shè)置，直接提交，如圖5所示。

第三步，重建項(xiàng)目。完成空三計(jì)算后，點(diǎn)擊右下角新建重建項(xiàng)目按鈕，選擇3D reconstruction。如圖6所示，界面便提示可進(jìn)行生產(chǎn)，選擇空間框架，便可在此頁(yè)面進(jìn)行模型大小的調(diào)整，模型分區(qū)設(shè)置。模型的分塊數(shù)量取決于電腦內(nèi)存，若模型較小，整個(gè)模型進(jìn)行生產(chǎn)所需內(nèi)存低于電腦內(nèi)存，可直接進(jìn)行生產(chǎn)，否則需要對(duì)模型進(jìn)行切塊，保證每塊模型生產(chǎn)所需內(nèi)存都低于電腦內(nèi)存，不然任務(wù)會(huì)失敗。

設(shè)置完成后，返回概要界面，點(diǎn)擊右下角提交新的生產(chǎn)項(xiàng)目，選擇Process with CaptureContext Engine，并打開CaptureContext Engine軟件，使其在后臺(tái)計(jì)算。如圖7所示，在生產(chǎn)項(xiàng)目定義界面，確認(rèn)模型格式為3mx，紋理貼圖的JPEG質(zhì)量為100%，確認(rèn)好路徑，則可提交生產(chǎn)。

最后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的等待后，模型生產(chǎn)完成，如圖8所示。

3.2 ?虛擬校園設(shè)計(jì)

虛擬校園的結(jié)構(gòu)主要有三層，分別是：

1）視圖層。這一層的主要內(nèi)容是加入場(chǎng)景中的各種標(biāo)識(shí)，主要功能是能提供指示，將虛擬校園的可互動(dòng)內(nèi)容提供給用戶。

2）控制層。將腳本組件加入主攝像機(jī)、空對(duì)象和UI界面中。這層可實(shí)現(xiàn)用戶與場(chǎng)景的交互。

3）模型層。包含所有連接到3mx模型的空對(duì)象和渲染對(duì)象中加入的邏輯腳本組件，這些腳本對(duì)校園模型進(jìn)行邏輯處理，便于更好的管理導(dǎo)入的3mx模型。

3.2.1 ?場(chǎng)景搭建與模型導(dǎo)入

創(chuàng)建一個(gè)新的工程和場(chǎng)景，在場(chǎng)景中創(chuàng)建空對(duì)象，添加可將3mx模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity的Unity3mxComponent腳本，組件連接3mx模型的路徑，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)模型的導(dǎo)入，模型即使在項(xiàng)目文件夾之外也可被引用到，如圖9所示。Bentley公司的ContextCapture實(shí)景建模軟件生成的模型為3mx格式，而不是常見(jiàn)的obj或者fbx格式，放入U(xiǎn)nity可天然地實(shí)現(xiàn)Level of Details技術(shù)。LOD技術(shù)根據(jù)模型的節(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置（Screen Size）和重要度，來(lái)決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)數(shù)，從而獲得高效率的渲染計(jì)算，而obj模型要想實(shí)現(xiàn)LOD技術(shù)卻需要大量的后期處理。

3.2.2 ?攝像機(jī)控制設(shè)計(jì)

編寫腳本，使主攝像頭可隨著鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）按住鼠標(biāo)右鍵：攝像機(jī)不動(dòng)，視角隨著鼠標(biāo)移動(dòng)。

2）按住鼠標(biāo)中鍵：以一點(diǎn)為準(zhǔn)心，移動(dòng)攝像機(jī)。

3）滾輪向前滑動(dòng)，視角向前；向后滑動(dòng)，視角向后。

4）W、S、A、D：控制攝像機(jī)前進(jìn)、后退、左右平移。

3.2.3 ?功能設(shè)計(jì)

1）在每個(gè)建筑中放置一個(gè)立方體，將其隱藏，編寫點(diǎn)擊立方體便可使鏡頭移動(dòng)到立方體處的腳本。再新建畫布，在畫布中為每個(gè)隱形立方體都添加指示箭頭和指示框。這樣便可實(shí)現(xiàn)用戶可從界面觀察到建筑所在位置并可將鏡頭移動(dòng)至建筑處的功能。

2）設(shè)置四個(gè)互斥選擇框和一個(gè)下拉框，四個(gè)選擇框?yàn)樗姆N建筑類型，共用一個(gè)下拉框，選擇一種類型，下拉框便可連接到對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)。而每個(gè)選項(xiàng)再對(duì)應(yīng)第一個(gè)設(shè)計(jì)里的每個(gè)建筑，再為下拉框添加已經(jīng)設(shè)計(jì)好的鏡頭移動(dòng)到立方體處的腳本。這樣，用戶便可通過(guò)選擇下拉框中的選項(xiàng)，將鏡頭拉到每座建筑。

3）編寫使主攝像機(jī)圍繞目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的腳本，并將目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)與第一個(gè)設(shè)計(jì)里的隱藏立方體坐標(biāo)關(guān)聯(lián)，將腳本添加進(jìn)一個(gè)按鈕中。這樣，用戶便可通過(guò)點(diǎn)擊按鈕，實(shí)現(xiàn)主攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)建筑的環(huán)繞，達(dá)到環(huán)繞觀看效果。

4）新建一個(gè)平面，將其貼圖材料更換為使用無(wú)人機(jī)從校園上空拍攝的校園全境圖，并將平面放置于建筑模型之下。新建另外一個(gè)攝影機(jī)，其X軸位置和Z軸位置與主攝影機(jī)相關(guān)聯(lián)，Y軸置于主攝影機(jī)之上。再新建一個(gè)畫布，中央放置一個(gè)固定箭頭，將畫布設(shè)計(jì)成圓形，置于主畫布的右下角，關(guān)閉副攝影機(jī)中的模型顯示，這樣，副攝像機(jī)只會(huì)顯示到平面圖案，又因?yàn)楦睌z像機(jī)的位置與主攝像機(jī)相關(guān)聯(lián)，這樣便可實(shí)現(xiàn)右下角圓形畫布實(shí)時(shí)播放副攝影機(jī)的畫面，以達(dá)到小地圖的效果。

5）再設(shè)置若干按鈕，分別實(shí)現(xiàn)開啟/關(guān)閉音樂(lè)、開啟/關(guān)閉指示標(biāo)識(shí)、跳轉(zhuǎn)官網(wǎng)和顯示操作界面的功能。

6）UI設(shè)計(jì)。UI界面整體以灰色半透明圖片為主。上側(cè)是東南大學(xué)成賢學(xué)院的Logo，下拉框和視角環(huán)繞按鈕放入左側(cè)導(dǎo)航欄，四種建筑選項(xiàng)放于底部菜單欄，功能按鈕置于界面左右下角。UI界面和畫布表示可被隱藏。

4 ?虛擬校園效果展示

本項(xiàng)目主要面向校園。虛擬校園系統(tǒng)以真實(shí)校園為整體藍(lán)本，包括校園布局設(shè)計(jì)、交通、景觀、教學(xué)及生活環(huán)境、建筑物人文等，讓訪問(wèn)者在無(wú)法親身體驗(yàn)的情況下能夠身臨其境體驗(yàn)校園，走遍校園，系統(tǒng)部分界面如圖10至圖12所示。

1）軟件啟動(dòng)后進(jìn)入初始化界面，界面包括“自由游覽”“校園導(dǎo)覽”和“退出”三個(gè)選項(xiàng)。

2）自由游覽模式中，用戶界面只包含操作提示按鈕、背景音樂(lè)按鈕、返回主界面按鈕和小地圖這四個(gè)元素，界面簡(jiǎn)潔，將畫面中的元素控制到最少以減少元素過(guò)多給用戶帶來(lái)的干擾，增強(qiáng)用戶自己探索的趣味性。用戶可通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤來(lái)控制攝像機(jī)的移動(dòng)，可自由穿梭在校園之中，熟悉校園建筑。

3）校園導(dǎo)覽模式是在自由游覽的基礎(chǔ)上，添加了建筑導(dǎo)航和互動(dòng)功能，用戶仍然可以像在自由游覽模式中自由控制攝像機(jī)的移動(dòng)。

底部菜單欄包括“公共服務(wù)”“教學(xué)樓列表”“宿舍樓列表”和“餐廳列表”四種選項(xiàng)，選中任一即可在左側(cè)顯示導(dǎo)航欄，鏡頭也會(huì)自動(dòng)移動(dòng)到目標(biāo)類建筑處。菜單欄上方的小三角可以隱藏界面上各類按鈕，使界面更加清晰可觀。

左側(cè)導(dǎo)航欄包含下拉框和“視角環(huán)繞”按鈕。下拉框中顯示列表包含的各建筑，點(diǎn)擊任一建筑，視角移動(dòng)至選中建筑處，建筑呈現(xiàn)在界面中間。導(dǎo)航欄可點(diǎn)擊右上方箭頭按鈕隱藏，再點(diǎn)擊下方菜單欄中的選項(xiàng)可喚出導(dǎo)航欄。

選中下拉框中的選項(xiàng)，點(diǎn)擊下方“視角環(huán)繞”，視角圍繞該建筑旋轉(zhuǎn)，可“取消環(huán)繞”停止環(huán)繞。

點(diǎn)擊目標(biāo)建筑上對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)框，可查看建筑介紹，介紹界面的右下角可開啟/關(guān)閉語(yǔ)音講解。

校園導(dǎo)覽界面除了包含自由游覽模式中的三個(gè)按鈕外，還有圖標(biāo)按鈕和跳轉(zhuǎn)官網(wǎng)按鈕。點(diǎn)擊圖標(biāo)按鈕可開啟/關(guān)閉界面中的建筑圖標(biāo)，跳轉(zhuǎn)官網(wǎng)按鈕可跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)建筑的官方頁(yè)面。

界面右下角顯示小地圖，可以看到主攝像機(jī)目前所在位置。小地圖下方“返回主界面”，點(diǎn)擊返回最初菜單界面。

4）點(diǎn)擊“退出”，退出軟件。

5 ?結(jié) ?論

利用ContextCapture實(shí)景建模軟件，能生產(chǎn)出精度很高的建筑模型，速度快，效率高，大大縮短了開發(fā)周期。在建筑模型的基礎(chǔ)上再依托Unity 游戲引擎的強(qiáng)大功能，模擬真實(shí)的校園，實(shí)現(xiàn)虛擬校園，不僅可為用戶提供快速、便捷的“云游校園”服務(wù)，增加了解學(xué)校的途徑，更能為校園設(shè)計(jì)者們方便系統(tǒng)地對(duì)學(xué)校結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為日后的布局作出合理的規(guī)劃。傾斜攝影建模和Unity引擎的結(jié)合一定也可在其他行業(yè)大放異彩。

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作者簡(jiǎn)介：徐杰（2002—），男，漢族，江蘇鹽城人，本科在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)；孫大洋（2002—），男，漢族，江蘇宿遷人，本科在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)；胡怡（2001—），女，漢族，江蘇無(wú)錫人，本科在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。