浙江省美麗鄉(xiāng)村三維虛擬仿真公共服務(wù)平臺教學(xué)研究項目的設(shè)計與開發(fā)

文/趙筱斌

引言

隨著浙江省村鎮(zhèn)建設(shè)2003年開始的“千村示范、萬村整治”工程等教學(xué)研究項目的推進(jìn)，近年來浙江省“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)進(jìn)程的快速推進(jìn)，三維虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于村鎮(zhèn)規(guī)劃信息化的需求迫切起來。

運用虛擬仿真平臺研究開發(fā)出浙江省“美麗鄉(xiāng)村”三維虛擬仿真公共服務(wù)平臺，具備全三維、高度仿真、測量距離、測量面積、顯示數(shù)據(jù)信息等交互功能。通過本系統(tǒng)進(jìn)行三維仿真，形成較完善的美麗鄉(xiāng)村三維虛擬仿真公共服務(wù)平臺的研究雛形，為不同用戶服務(wù)。

1.教學(xué)研究項目平臺設(shè)計與開發(fā)內(nèi)容

本教學(xué)研究項目是通過搭建B/S結(jié)構(gòu)模型平臺，在研究如何經(jīng)濟、高效地制作三維村鎮(zhèn)模型的方法與步驟方面取得了初步成果，一定程度上提升了浙江省村鎮(zhèn)規(guī)劃信息化水平。

1.1 本教學(xué)研究項目依托浙江省典型村鎮(zhèn)三維仿真規(guī)劃信息化平臺模型，實現(xiàn)美麗鄉(xiāng)村仿真場景漫游及規(guī)劃信息化管理。著重研究在教學(xué)研究項目過程中采用的各種紋理建模方面的優(yōu)化方案，包括紋理建模過程和烘焙過程的優(yōu)化，以及開發(fā)軟件平臺自身提供的一些優(yōu)化方案和優(yōu)化技術(shù)。

1.2 教學(xué)研究項目通過本地或者遠(yuǎn)程管理界面，對三維村鎮(zhèn)規(guī)劃信息化平臺場景中的個體信息進(jìn)行交互，做到規(guī)劃信息數(shù)據(jù)實時更新。

2.教學(xué)研究項目平臺的開發(fā)流程

2.1 三維場景模型的構(gòu)建

浙江省美麗鄉(xiāng)村三維虛擬現(xiàn)實教學(xué)研究項目組織與實施及開發(fā)流程的研究。教學(xué)研究項目首先是對單個美麗鄉(xiāng)村模型場景的創(chuàng)建，通過B/S瀏覽方式進(jìn)行整合。平臺的研發(fā)過程具體由以下幾個部分組成:

(1)教學(xué)研究項目的需求分析及相關(guān)數(shù)據(jù)收集與整理。通過課程組成員調(diào)查走訪，合作單位直接提供等方式獲取一手資料，再結(jié)合衛(wèi)星地圖，綜合創(chuàng)建地形地貌。大量的建設(shè)貼圖通過單反相機進(jìn)行實地拍攝。

(2)CAD總平面圖的處理。通過測繪部門或者鄉(xiāng)村相關(guān)職能部門獲取的鄉(xiāng)村CAD總圖信息量大，對模型創(chuàng)建來說需要精簡，然后導(dǎo)入3ds MAX軟件進(jìn)行場景模型的創(chuàng)建。

(3)優(yōu)化創(chuàng)建的模型，通過多種技術(shù)手段，精簡三維模型面數(shù)等信息，確保在平臺運行時的流暢。

(4)村鎮(zhèn)場景模型的烘焙。在目前虛擬現(xiàn)實場景中，通常都是由建筑模型在貼圖、燈光等一系列步驟后進(jìn)行烘焙 (在Unity最新的5.0系統(tǒng)中，可實現(xiàn)實時光影，不一定需要烘焙步驟)輸出到相關(guān)平臺，這樣能獲得的視覺效果更佳。

(5)在3DSMAX環(huán)境中直接導(dǎo)出并合并場景至相關(guān)虛擬仿真平臺，可分為兩種方式進(jìn)行，部分靜態(tài)模型的導(dǎo)出與全部靜態(tài)模型導(dǎo)出，根據(jù)不同需求選擇進(jìn)行。

2.2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)功能的設(shè)計，包括虛擬現(xiàn)實引擎和相關(guān)技術(shù)的選擇以及在應(yīng)用中如何提高信息管理水平的研究。

(1)創(chuàng)建相機及相機動畫，在無人交互操作的時候，可以通過動態(tài)相機對美麗鄉(xiāng)村進(jìn)行飛行鳥瞰等預(yù)設(shè)。

(2)虛擬現(xiàn)實場景碰撞屬性的設(shè)置，默認(rèn)可以直接把場景中的所有物體設(shè)置為碰撞體，減少工作量，但在實踐中發(fā)現(xiàn)，這樣會在一定程度上造成系統(tǒng)運算量大，執(zhí)行效率較低，影響最終的運行速度。所以一般都是人為設(shè)置一個較簡單的物體，設(shè)置碰撞后，進(jìn)行隱藏操作。

(3)創(chuàng)建特效與周圍環(huán)境。教學(xué)研究項目可根據(jù)需求，設(shè)置不同季節(jié)及不同氣候條件下的模擬環(huán)境，對表現(xiàn)水景效果、蝴蝶飛舞等特效的制作，動態(tài)效果通過3ds MAX進(jìn)行動作設(shè)定，導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實引擎進(jìn)行后期處理。

(4)村鎮(zhèn)地圖的導(dǎo)航制作。導(dǎo)航圖的制作關(guān)鍵是要在3ds MAX平臺中進(jìn)行坐標(biāo)的定位，確定坐標(biāo)參數(shù)后，在虛擬現(xiàn)實平臺中進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)定。

(5)美麗鄉(xiāng)村數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建。平臺可以支持的數(shù)據(jù)庫豐富，包括ACCESS、Oracle、SQL Server、MySQL等，虛擬對象與數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)操作和數(shù)據(jù)庫查詢功能的實現(xiàn)是平臺實現(xiàn)交互的堅實基礎(chǔ)。

(6)交互功能的實現(xiàn)。平臺支持的交互功能眾多，可能鼠標(biāo)事件、距離、鍵盤等觸發(fā)調(diào)用相應(yīng)的響應(yīng)事件，大量的交互功能還涉及到數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)讀寫，這在本教學(xué)研究項目中是一個非常重要的環(huán)節(jié)。

(7)教學(xué)研究項目發(fā)布。教學(xué)研究項目平臺支持生成EXE可執(zhí)行文件脫離平臺環(huán)境單獨運行，也可以發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行網(wǎng)頁瀏覽交互，本教學(xué)研究項目最終是通過生成單個的網(wǎng)絡(luò)版本，通過WEB樹形目錄，把浙江省的各個村鎮(zhèn)的三維虛擬仿真系統(tǒng)合成到大平臺中。今后的研究中考慮使用跨平臺支持效果更好的Unity3D引擎。

2.3 平臺特點與特色

本平臺采用Photoshop，AutoCAD，3DMAX等圖形圖像軟件結(jié)合虛擬現(xiàn)實平臺完成，腳本引擎功能強大，壓縮率高，真實感強，沉浸感好，可嵌入音頻、flash、視頻、圖片、網(wǎng)頁。

(1)平臺仿真度高，區(qū)別于能流暢實現(xiàn)村鎮(zhèn)的三維漫游功能，部分村鎮(zhèn)信息查詢等功能，滿足決策者對美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃功能的要求。

(2)可以實時把畫面用“虛擬相機”進(jìn)行拍攝出圖，能直觀、精確、更大范圍地展現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計方案，有效地提高規(guī)劃審批決策科學(xué)性。

(3)該系統(tǒng)作為公共服務(wù)平臺，可通過二次開發(fā)，開放接口，擴展到經(jīng)濟、衛(wèi)生、交通、應(yīng)急、消防等領(lǐng)域。

3.教學(xué)研究項目平臺的經(jīng)濟與社會效益

浙江省村鎮(zhèn)共有1500多個，教學(xué)研究項目建成后，為浙江省美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃信息化水平提升做出明顯成效，也為浙江省鄉(xiāng)村建筑數(shù)字化程度的提升做出重大貢獻(xiàn)。研究成果專注于虛擬現(xiàn)實與三維可視化技術(shù)在浙江省美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃領(lǐng)域中研發(fā)和推廣，目標(biāo)是國內(nèi)領(lǐng)先的村鎮(zhèn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)解決方案。教學(xué)研究項目能滿足不同數(shù)字規(guī)劃管理領(lǐng)域，不同層次決策者對數(shù)字仿真的需求。

4.平臺的保障力量

4.1 人員保障

教學(xué)研究項目分別由高校、企業(yè)與政府職能機構(gòu)等三部分技術(shù)力量組成:教學(xué)研究項目主持單位高職院校在教學(xué)研究項目實施過程中，采集村鎮(zhèn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用研究小組學(xué)生在暑期社會實踐中調(diào)查數(shù)據(jù)、采集可視化資料及到鄉(xiāng)村管理部門查詢資料，也為教學(xué)研究項目的完成打下堅實基礎(chǔ)。本科院校為本教學(xué)研究項目提供理論支撐，在校的虛擬現(xiàn)實方面的碩士研究生，也參與到教學(xué)研究項目中，為教學(xué)研究項目提供了技術(shù)保障。

4.2 資料保障

規(guī)劃設(shè)計院作為合作企業(yè)單位，負(fù)責(zé)提供浙江省典型美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃圖紙。企業(yè)內(nèi)部有較多的規(guī)劃專家，可以對教學(xué)研究項目進(jìn)行深度研究。提供一手資料，研究中的浙江省溪口美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃方案就由他們提供，為該教學(xué)研究項目的順利進(jìn)行起到了重要的保障作用。

4.3 政策保障

浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技委村鎮(zhèn)建設(shè)專業(yè)委員會，對教學(xué)研究項目的推廣提供政策上的扶持，所在的村鎮(zhèn)建設(shè)專業(yè)委員會在教學(xué)研究項目研究中還負(fù)責(zé)對村鎮(zhèn)管理者規(guī)劃信息化方面進(jìn)行指導(dǎo)。每年都會對浙江省村鎮(zhèn)優(yōu)秀規(guī)劃方案進(jìn)行匯編、獲獎教學(xué)研究項目的收集整理，具有非常豐富的參考資源，對建設(shè)系統(tǒng)相關(guān)職能部門具有良好的溝通協(xié)調(diào)能力，便于教學(xué)研究項目具體實施過路中的運行與推廣。

5.結(jié)束語

相關(guān)研究案例在多次研討會上得到相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业暮迷u，對于用于浙江省美麗鄉(xiāng)村建設(shè)過程所起到的推動作用是肯定的。教學(xué)研究項目的研究成果專注于虛擬現(xiàn)實與三維可視化技術(shù)在數(shù)字鄉(xiāng)村規(guī)劃領(lǐng)域中研發(fā)和推廣，是國內(nèi)領(lǐng)先的美麗鄉(xiāng)村虛擬現(xiàn)實技術(shù)解決方案。

由于教學(xué)研究項目研究周期較短，后續(xù)會通過虛擬現(xiàn)實引擎自生的更新及教學(xué)研究項目研究的深入，進(jìn)一步提升虛擬仿真制作水平。

本平臺是數(shù)字鄉(xiāng)村規(guī)劃、建設(shè)、管理與服務(wù)數(shù)字化工程的重要組成部分，它綜合運用GIS、遙感、網(wǎng)絡(luò)、多媒體及虛擬現(xiàn)實仿真等高科技技術(shù)，為浙江省美麗鄉(xiāng)村數(shù)字化提供三維可視化管理和規(guī)劃輔助決策支持功能。該教學(xué)研究項目也能在建設(shè)“兩美”浙江中做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

［1］趙筱斌，虛擬現(xiàn)實技術(shù)及應(yīng)用研究——在建筑行業(yè)中的應(yīng)用［J］.北京:中國水利水電出版社，2014.

［2］唐中祥.安吉“中國美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)情況匯報——中國美麗鄉(xiāng)村論壇交流發(fā)言材料.2011

［3］浙江省農(nóng)業(yè)和農(nóng)村工作辦公室.中國鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè) ［J］.浙江省美麗鄉(xiāng)村建筑行動計劃.2011