鄂州體育中心規(guī)劃設計的計算機三維仿真

陳永紅， 詹 平， 密新武

（1. 鄂州大學建筑工程學院，湖北 鄂州 436000；2. 武漢大學城市設計學院，湖北 武漢 430072）

鄂州體育中心規(guī)劃設計的計算機三維仿真

陳永紅1， 詹 平2， 密新武2

（1. 鄂州大學建筑工程學院，湖北 鄂州 436000；2. 武漢大學城市設計學院，湖北 武漢 430072）

以鄂州體育中心新區(qū)的規(guī)劃設計為研究對象，進行了可視化的計算機三維仿真。利用航空照片取得鄂州體育中心新區(qū)的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)建立三維地面模型；結(jié)合處理后的衛(wèi)星照片正射影像圖作為貼圖附于地形表面，模擬體育中心的地形、地貌。運用建模動畫及后期制作軟件構(gòu)建了體育中心規(guī)劃設計的三維動態(tài)仿真。結(jié)果表明計算機三維仿真在規(guī)劃設計中的運用比傳統(tǒng)圖紙和模型的形式更加適合與公眾進行交流并得到更加真實、直觀的反饋。

規(guī)劃設計；計算機三維仿真；虛擬現(xiàn)實；建筑模型

城市規(guī)劃作為公共政策應以反映公共意志、維護公共利益、促進社會發(fā)展為根本宗旨、這就要求公眾的廣泛參與才能充分體現(xiàn)城市規(guī)劃中人本主義和民主化思想。城市規(guī)劃包羅萬象，涉及到社會的各個領(lǐng)域希望具備各種知識人員的廣泛參與。過去，在城市規(guī)劃領(lǐng)域主要使用圖紙和模型兩種手段與公眾進行交流，但這兩種方法在實際使用中都不盡人意。圖紙所表現(xiàn)的平面或透視關(guān)系和人們現(xiàn)實生活中物體空間關(guān)系仍存在著一定的差距，只有受過良好教育具備一定知識背景的人才可能較好地理解規(guī)劃方案，參與討論，這就局限了公眾參與的范圍。模型雖然能夠解決一些僅使用圖紙所帶來的局限性，由于各種因素的制約，往往不可能完全制作整個規(guī)劃區(qū)域的模型，而只能挑選一些有代表性的建筑來完成模型制作，這就妨礙了參與者了解整個方案的全貌，并容易給他們造成以點代面的錯覺。隨著社會的進步以及科學技術(shù)的飛速發(fā)展，人們教育水平，物質(zhì)文化生活水平都得到了極大的改善和提高。人們越來越重視和關(guān)心自己的生活環(huán)境和生存環(huán)境，越來越愿意參與城市的規(guī)劃管理和建設[1]。正是如此，對于計算機三維動態(tài)仿真技術(shù)在規(guī)劃設計成果表達上的應用研究具有重要意義。

計算機仿真技術(shù)是通過將計算機圖形構(gòu)成的三維數(shù)字模型編制到計算機中產(chǎn)生逼真的虛擬環(huán)境，使用戶在視覺上有一種虛擬環(huán)境的感覺?；窗彩袌@林局顏景[2]討論和比較了靜態(tài)渲染圖、固定路徑的動畫、交互式動態(tài)的景觀仿真、復雜的虛擬現(xiàn)實等幾種設計技術(shù)，分析了計算機仿真技術(shù)在城市規(guī)劃中應用的意義。論文中缺少實際案例來直觀說明如何運用計算機仿真在規(guī)劃設計中應用。深圳市規(guī)劃局黃偉文[3]等論述了城市仿真系統(tǒng)在中心區(qū)規(guī)劃設計實踐中的探索應用，并簡要介紹了中心區(qū)仿真系統(tǒng)的建立和開發(fā)，文章認為中心區(qū)仿真系統(tǒng)為中心區(qū)的規(guī)劃做出重要貢獻。論文中缺少對地形建模的論述和具體的計算機仿真過程。本文將通過詳細的計算機仿真流程在規(guī)劃設計中的實際應用進行實踐研究，提高規(guī)劃設計的真實性、動態(tài)性和公眾參與性。

1 鄂州體育中心新區(qū)簡介

鄂州體育中心規(guī)劃用地位于鄂州市東部文教體育區(qū)，東臨106國道，西瀕風景秀麗的洋瀾湖，南有大中院校，北接長江大橋的橋頭公園及迎賓廣場，如圖1所示。中心計劃用地46.60公頃，地處城東新區(qū)鄂州新商貿(mào)物流和文化休閑長廊，建成后，將可舉行多項省級，國家的賽事，并擁有集休閑、旅游、會展、商務及體育人才的培養(yǎng)功能。

鄂州體育中心總建筑面積76126平方米，其中，體育場13500平方米，體育館9154平方米，游泳館8620平方米，運動員村7500平方米，運動休閑及綜合服務設施15560平方米，大平臺19550平方米；建筑總占地85910平方米；建筑密度18.7%，容積率0.17，泊車位1033輛（小型），綠化率31.7%。

圖1 鄂州體育中心鳥瞰圖

鄂州體育中心新區(qū)地理屬丘陵與水域相間的環(huán)境，因此，規(guī)劃的重點是要把握好總體規(guī)劃布局，環(huán)境設計與地形的緊密結(jié)合，突出新區(qū)設計依山就水這一特點。鄂州體育中心是鄂州市城區(qū)良性的空間擴展、可持續(xù)發(fā)展的園林式生態(tài)型新區(qū)，可以滿足體育競賽、旅游休閑、會展商務及教學培訓的需要，如圖2所示。

圖2 鄂州體育中心一期規(guī)劃圖

2 規(guī)劃圖的數(shù)字化及二維造型

2.1 地形圖的準備

計算機能識別的地理數(shù)據(jù)為矢量和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，柵格數(shù)據(jù)（掃描圖像或照片）是通過一系列網(wǎng)格單元表達連續(xù)地理特征[4]，如圖3所示，矢量數(shù)據(jù)以點、線、面方式編碼并以（X、Y）坐標串儲存管理，是表現(xiàn)離散空間特征的最佳方式，如圖4所示。鄂州體育中心規(guī)劃采取了柵格和矢量數(shù)據(jù)結(jié)合使用，取長補短。對于柵格數(shù)據(jù)，為了盡量減少在掃描輸入過程中產(chǎn)生的誤差，針對每一張圖紙都采取了通過對地圖4個角點的實際坐標值進行控制，將圖紙根據(jù)實際坐標值進行拉伸、縮放、旋轉(zhuǎn)、將誤差消除在每一張圖中，避免在拼圖過程中產(chǎn)生累計誤差，以最大限度地保證地理數(shù)據(jù)的準確性。2. 2 平面圖的矢量和相對坐標系

圖3 光柵地形圖

圖4 矢量地形圖

在規(guī)劃設計中，房屋的布置不可能總是平行于X軸或Y軸，那么怎樣才能準確地將房屋定位，并能快捷，方便地將房屋落實于圖紙上，且能精確地反映房屋的實際尺寸。使用相對坐標系將原坐標系旋轉(zhuǎn)后生成一新坐標系，兩坐標系相互獨立地存在于同一繪圖環(huán)境中。當布置傾斜角為角的房屋時，即可切換到相對坐標系。同時，計算機將房屋的數(shù)據(jù)值一一對應于坐標系，這樣就做到了即能迅速、方便地矢量化房屋，又能保證兩坐標系之間地理數(shù)據(jù)的一致性、準確性。對于鄂州體育中心新區(qū)路網(wǎng)的每個交叉點、變坡點、拐點定為控制點，利用坐標進行精確定位后由點到線、到面進行矢量化，依據(jù)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對整個方案進行了矢量化。矢量化后的數(shù)據(jù)具備基本空間特征：點定義為空間的一套XYZ坐標；線定義為一系列有順序的空間點；面由一組或多組線圍成的多邊形。從而為下一步生成三維模型提供了準確的位置定位和精確的建筑物基底平面尺寸。

3 三維建模

由全數(shù)字攝影測量技術(shù)得到地面高程的數(shù)據(jù)生成仿真地形網(wǎng)絡曲面進行全真復制，真實摸擬鄂州體育中心新區(qū)46.6公頃的三維地形、地貌。

3.1 地形數(shù)據(jù)的采集

航片讀取是一種最靈活快捷的方法。其原理是將所需地域的航片，如圖5所示，經(jīng)航片判讀儀器判讀，解析后即可獲得完整滿足多種要求的（x、y、z）坐標。利用這個方法得到了約76000組數(shù)據(jù)（比例1:10000、縱、橫間隔5米、高程分辨率0.01米）完全能夠滿足動畫模擬要求。

3.2 三維地面模型的生成

圖5 體育中心航拍圖片

為得到精確的地型三維結(jié)點數(shù)據(jù)庫，采取了鄂州體育中心一期0.47平方公里的航片數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為：每組201×201個結(jié)點，每個結(jié)點間格5米，構(gòu)成201×201矩陣，即0.25平方公里共有1.88×(201×201)=7.6萬個結(jié)點數(shù)據(jù)。利用CAD技術(shù)創(chuàng)建不規(guī)則網(wǎng)格曲面，生成三維地面網(wǎng)格模型[5]，如圖6所示。

圖6 三維地形網(wǎng)格圖

使用二維技術(shù)，在整個設計中圖紙不斷地被重新解釋，而在三維環(huán)境中，三維模型則成為主要元素。圖紙只是描述模型的一種方式，三維模型則可直接用于形象化設計者意圖和作進一步的分析。在3D MAX渲染中，材料的設定是根據(jù)圖形屬性來區(qū)分的，不同材料在三維建模時以不同的屬性分別定義。在3D MAX中相同屬性的圖素就是一個物體中的元素。AutoCAD將繪出的平面圖形變成三維圖形。

布爾建模能利用交集、聯(lián)集、差集使組合成的物體更具變化，可以省略許多煩瑣的建模過程。但布爾運算是一種邏輯運算，不同造型軟件的算法有所不同，所有的軟件算法都存在一定的局限性，經(jīng)常會碰到布爾運算執(zhí)行不下去的情況，究其原因都是原始數(shù)據(jù)經(jīng)過程序的某個算法處理后產(chǎn)生了數(shù)值溢出。當布爾運算執(zhí)行不下去或達不到所希望的效果時，只能通過降低模型精度來實現(xiàn)布爾運算操作。對于動畫來說，看上去正確的東西就是正確的，誤差在一定范圍之內(nèi)是可接受的，段動畫中的模型有零點幾個單位的誤差可忽略不計。

4 鄂州體育中心新區(qū)三維動畫仿真

三維動畫仿真著眼于具體建筑形體的仿真設計，注重城市輪廓線以及新區(qū)環(huán)境、體量、群體組合、標志性建筑物及標志物等方面突出不同功能區(qū)的使用特征。使得設計意圖的可視圖像活動起來，產(chǎn)生直觀逼真的真實感受。

控制性詳規(guī)突出對體育中心重點區(qū)段的控制，利用虛擬體育中心新區(qū)優(yōu)美的自然環(huán)境，體現(xiàn)規(guī)劃中體育中心以自然景觀為主，以人文景觀與自然景觀相結(jié)合的特色，如圖7所示。

圖7 鄂州體育中心

動畫的演示路徑重點表現(xiàn)規(guī)劃意圖，以比賽區(qū)、休閑娛樂區(qū)為動畫模擬對象。用道路、環(huán)境等串連起來并結(jié)合空中鳥瞰漫游，使觀者有身臨其境，體驗未來新區(qū)的感覺。

4.1 材質(zhì)編輯貼圖

進行材質(zhì)編輯及貼圖前需要在文件中設置一個攝像機和一個簡單光源，對貼圖效果進行粗略預覽。設置了燈光和攝像機后，就可以給模型賦以材料，以使其看起來更加生動形象。在3dmax中，可以通過材料特性模擬表面的顏色、紋理、投影性、甚至反射率、粗糙度或者凸凹度等。使用的許多材料都采用圖像或“位圖”來模擬具有大理石、木材以及磚塊等材質(zhì)的表面。例如，對洋瀾大橋表面的處理即采用了此種位圖，如圖8所示。

圖8 洋瀾湖大橋

構(gòu)建一個場景時，除了地形、建筑、還必須考慮一些植物作為配景，如果直接按照植物的形態(tài)來建模，則構(gòu)成物體的面太多，這就需要用到阻光圖來對樹的渲染進行以假亂真。首先要有一張反映樹的真實形態(tài)的位圖圖像（即紋理圖），接著再制作一張阻光圖—在一張灰度圖上構(gòu)畫出樹的輪廓，將輪廓范圍內(nèi)部分變?yōu)楹谏?，輪廓范圍外部分變?yōu)榘咨贛aterials Editor中對這兩張圖進行疊加成一種新材料，由于阻光圖的黑色將變?yōu)閺氐淄该?，而白色則變?yōu)閺氐锥炔煌该?，這樣新材料將僅顯示出樹，而多余部分則被隱藏掉。然后再利用3D Editor中的BOX選項生成一個盡可能薄的盒子，如果盒子太厚，將會與視圖中的其它實體產(chǎn)生干涉。然后再用 Surface—Material—Assign—Object將此材料賦與盒子的正反兩面，這樣就在三維場景中生成了一顆樹，如圖9所示。實際應用證明采用這種方法生成的樹可以達到以假亂真的效果，同時減少了渲染的時間，增加了渲染的效率。4.2 添加光源和控制光源的屬性

圖9 采用阻光圖的實體

在3dmax中，Spotlight是一種直射光源，其作用類似于手電筒，也是唯一能產(chǎn)生陰影的光源?？梢钥刂芐potlight的強度和傳播方向，可以將光線聚焦成類似汽車前燈的狹長光柱，或者將其發(fā)散為類似臺燈的光線。將R、G、B的值均設置為180，并打開光源產(chǎn)生陰影選項，然后，還需要對造型的陰影選項進行設置。先選中Global Shadow Control對話框，其中Map bias可控制陰影偏移，一般選擇 0.5，如果要增加陰影的強度，則需要調(diào)整 Map Size和 Map Sample Range這兩個值。Map Size可控制3D Studio陰影圖的分辨率。陰影圖是由模型中的實體產(chǎn)生出來的陰影和位置。如Map Size小，邊界附近產(chǎn)生的陰影將很粗糙，如同一個分辨率很低繪制圖，而一個大尺寸的陰影圖將產(chǎn)生一個更為細致的陰影，但由于尺寸大，它將占用更大的內(nèi)存和花費更多的繪制時間。一般將其設為800配合Map size，一個強烈的陰影采用一個較小的 Map Sample值，一般將其設為3。在個別標志性建筑物（如體育館）的場景中，希望能模擬驕陽普照的天氣，以通過強烈的陰影來突出表現(xiàn)建筑物，這時就可以選用Ray Trace選項，程序?qū)⒑雎訫ap Size和Map Sample的設置而繪出一個具有明顯陰影邊界的繪制圖像，如圖10所示。

圖10 強光下的體育館

5 后期合成制作

鄂州體育中心三維動畫仿真最后一道程序為動畫的后期合成制作，就是將動畫轉(zhuǎn)換為視頻圖像。因為在此項目中，最終成果要能轉(zhuǎn)換為DVD光盤，便于在各種場合播放以擴大鄂州體育中心新區(qū)的影響。

分步幀錄制(Step-frame recording)的方法將一次放置一幅動畫幀，如同是電影膠片，將每個單獨圖片沿膠片長度排列起來。分步幀錄制實質(zhì)上就是采用一種類似的順序?qū)赢嬩浀戒浵駧?，由計算機提供要錄制的視頻圖像，并控制視頻錄制設備。將計算機動畫轉(zhuǎn)錄成視頻，其支持格式常用的達8種之多，其中Beta cam SP格式是一種模擬信號，高分辨率格式，播放質(zhì)量可達到廣播級要求，其真正含義是指產(chǎn)生的視頻信號符合NTSC標準。而視頻原始信號符合NTSC標準，便可確保編輯后的最終產(chǎn)品與原始情況盡可能接近，否則，編輯后的圖像可能相差甚遠。

6 結(jié)論與展望

城市規(guī)劃領(lǐng)域已經(jīng)開始普遍使用計算機模型和信息系統(tǒng)，在建筑設計領(lǐng)域已廣泛使用CAD和計算機繪圖軟件，虛擬現(xiàn)實將更多地進入城市規(guī)劃設計領(lǐng)域，使得虛擬環(huán)境能滿足人們的漫游需要，也即是將GIS系統(tǒng)整合入VR系統(tǒng)[6]。在虛擬世界中，規(guī)劃人員除了能將自己的設計意圖轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵨矬w，還能根據(jù)需要查詢物體的屬性（房屋間距、道路寬度、某一地塊的建筑密度、容積率、進行日照分析等）從而最終形成一個專家決策系統(tǒng)，這勢必將引發(fā)城市規(guī)劃手段的革新。

[1] 王 磊. 三維可視化在城市規(guī)劃輔助設計管理中的應用[J]. 工程設計CAD與軟件應用, 2003, (5): 32-36.

[2] 顏景旸. 城市規(guī)劃設計中的計算機仿真技術(shù)及其應用[J]. 金陵科技學院學報, 2006, 22(3): 38-41.

[3] 黃偉文, 郭永明. 計算機仿真技術(shù)在深圳中心區(qū)規(guī)劃設計中的探索應用[J]. 世界建筑, 2004,(6):78-79.

[4] 王 昌, 滕艷輝. 矢量柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設計與應用[J]. 計算機工程, 2010, 36(20): 88-89.

[5] 尤紅建, 蘇 林, 劉 彤, 等. 城市三維遙感信息的快速獲取與數(shù)據(jù)處理[J]. 測繪科學, 2002, 27(3): 86-89.

[6] 曾潤國, 聶志鋒, 盧建剛, 等. 數(shù)碼校園 GIS 中的三維建模[J]. 工程勘察, 2002(3): 73-75.

Three-dimensional Computer Simulation of Sports Center Planning Design in Ezhou

Chen Yonghong1, Zhan Ping2, Mi Xinwu2
( 1. School of Architecture Engineering Ezhou University, Ezhou Hubei 436000, China; 2. School of Urban Design Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China )

A visual three-dimensional computer simulation is conducted for the planning design of the new sports center in Ezhou. Ezhou Sports Center New digital elevation model data is obtained using aerial photographs to establish three-dimensional terrain model. The sports center topography is simulated by combing processed orthographic map of satellite photos as the map attached to the terrain surface. Modeling and post-production softwares are used to establish three-dimensional dynamic simulation of the planning design of the sports center. The results show that three-dimensional computer simulation used in the planning design is more suitable to communicate with the public and get more real, intuitive feedback than the traditional form of drawings and models.

planning design; three-dimensional computer simulation; virtual reality; architectural models

TP 31

A

2095-302X (2013)05-0030-05

2013-05-21；定稿日期：2013-08-23

武漢大學2013年開放實驗項目資助

陳永紅（1973-），男，湖北鄂州人，講師，主要研究方向為室內(nèi)設計技術(shù)。E-mail：535008031@qq.com

詹 平（1965-），男，湖南常寧人，副教授，主要研究方向為計算機輔助設計、虛擬現(xiàn)實技術(shù)。E-mail：pzhany@163.com密新武（1951-），男，湖北武漢人，教授，主要研究方向為計算機圖形學。E-mail：mixinwu@126.com