基于VR技術(shù)的城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘" 要： 以呈現(xiàn)可視化、高還原度的城市規(guī)劃效果為目標(biāo)，基于VR技術(shù)開發(fā)一套嶄新的城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)。構(gòu)建MongoDB數(shù)據(jù)庫，安全存儲城市規(guī)劃實(shí)測數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù);三維設(shè)計(jì)模塊基于Open GL類模塊構(gòu)建城市場景三維模型，采用數(shù)字高程模型與數(shù)字正射影像解決大坡度地形的城市規(guī)劃問題;VR仿真設(shè)計(jì)模塊計(jì)算城市景觀頂點(diǎn)法線、頂點(diǎn)坐標(biāo)、紋理坐標(biāo)呈現(xiàn)虛擬規(guī)劃效果，根據(jù)代碼指令進(jìn)行模型遍歷渲染，通過交互控制指令旋轉(zhuǎn)和平移攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃動態(tài)景觀仿真交互漫游。仿真測試結(jié)果表明，系統(tǒng)三維建模相對誤差在0.08～0.16之間，設(shè)計(jì)的城市規(guī)劃方案交互性、實(shí)時性以及仿真效果突出。

關(guān)鍵詞： VR技術(shù); 城市規(guī)劃; 三維建模; 渲染; 交互漫游; 仿真設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN911.1?34; TP391.72" " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2019）21?0145?05

Abstract： A new urban planning three?dimensional simulation design system is developed based on VR technology to present visualized and highly reductive urban planning effects. The MongoDB database is built to securely store the measured urban planning data" and the data generated in the design process. The three?dimensional model of urban scene is built by using three?dimensional design module based on Open GL module. The digital elevation model and digital orthoimage are used to conduct the urban planning design of large slope terrain. The VR simulation design module is used to calculate the vertex normal， vertex coordinate and texture coordinate of urban landscape to present virtual planning effect. The model traversal and rendering are carried out according to the code instruction， and interactive roaming of urban planning dynamic landscape simulation is realized by rotating and shifting the camera by interactive control instruction. The simulation testing result shows that the relative error of the system′s three?dimensional modeling is between 0.08 and 0.16， and the interactive， real?time and simulation effects of the urban planning scheme are outstanding.

Keywords： VR technology; urban planning; three?dimensional modeling; rendering; interaction roaming; simulation design

0" 引" 言

信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)水平高速發(fā)展，不斷改變?nèi)祟惿罘绞?。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）的產(chǎn)生是信息管理數(shù)字化與模型化的重要表現(xiàn)，并逐漸應(yīng)用在社會各領(lǐng)域[1]。計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)、電子集成技術(shù)、傳感技術(shù)等多種計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)聯(lián)合使用形成完整的VR技術(shù)。該技術(shù)以硬件操作面板為中介，實(shí)現(xiàn)用戶與計(jì)算機(jī)之間的交互，用戶可從中體驗(yàn)到一種虛擬的真實(shí)感受[2]。用戶體驗(yàn)VR技術(shù)過程中，可主動操作與控制虛擬場景界面，得到不同的反饋體驗(yàn)[3]。三維動態(tài)建模、虛擬圖形生成和三維動態(tài)顯示是虛擬現(xiàn)實(shí)表達(dá)的關(guān)鍵性技術(shù)。

隨著城市化進(jìn)程的加快，如何進(jìn)行高效、可靠的城市規(guī)劃成為需要迫切解決的問題。將VR技術(shù)應(yīng)用在城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)。因此，本文基于VR技術(shù)設(shè)計(jì)城市規(guī)劃三維仿真系統(tǒng)，構(gòu)建MongoDB數(shù)據(jù)庫作為城市三維規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)城市實(shí)地采集數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)過程中數(shù)據(jù)的安全存儲;在系統(tǒng)三維模塊中完成城市要素三維建模;在VR仿真設(shè)計(jì)模塊中呈現(xiàn)城市規(guī)劃虛擬場景、實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃動態(tài)景觀交互漫游，讓用戶擁有沉浸式的虛擬體驗(yàn)。

1" VR技術(shù)在城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1.1" 總體架構(gòu)

基于VR技術(shù)設(shè)計(jì)城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)包含三維設(shè)計(jì)與VR仿真設(shè)計(jì)兩部分，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示?；贠pen GL類模塊進(jìn)行城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，VR仿真設(shè)計(jì)模塊的功能是模型遍歷渲染與城市規(guī)劃場景交互漫游，VR仿真模塊與三維設(shè)計(jì)模型依靠相同的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行通信。

1.2" MongoDB數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

采用測量的城市實(shí)地規(guī)劃數(shù)據(jù)構(gòu)建MongoDB數(shù)據(jù)庫，保障數(shù)據(jù)安全。構(gòu)建三維模型、圖形貼圖、渲染等設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均存儲在MongoDB數(shù)據(jù)庫中。MongoDB數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點(diǎn)是存儲空間大，滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲的需求;同時，具備資源數(shù)據(jù)共享的功能，二維軟件向三維軟件傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)資源共享發(fā)揮關(guān)鍵作用[4]。非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的高性能產(chǎn)物，使用頻率較高，MongoDB數(shù)據(jù)庫屬于非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。非關(guān)系型MongoDB數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢在于易擴(kuò)展，處理數(shù)據(jù)靈活，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理性能。

MongoDB數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)格式為BSON格式，是數(shù)據(jù)傳輸與存儲的主要形式。BSON格式是一種二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲格式，數(shù)據(jù)對象與內(nèi)嵌式文檔對象在BSON格式下均能良好運(yùn)行。

1.3" 三維設(shè)計(jì)模塊

1.3.1" Open GL類模塊

城市規(guī)劃三維建模從數(shù)據(jù)庫中獲取城市規(guī)劃實(shí)測數(shù)據(jù)，三維設(shè)計(jì)模塊基于Open GL類模塊構(gòu)建城市場景三維模型，Open GL類模塊處理數(shù)據(jù)示意圖如圖2所示。

由圖2能夠看出，Open GL類模塊處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的頂端是處理函數(shù)，進(jìn)行多次管道式的操作步驟，如城市規(guī)劃元素三維模型的像素操作、頂點(diǎn)操作等。Open GL類模塊下達(dá)部分指令繪制城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)的幾何物體，同時可下達(dá)處理不同操作階段城市規(guī)劃要素的命令。由Open GL類模塊管道運(yùn)行模式中得到Open GL的狀態(tài)要素。

創(chuàng)建Open GL類模塊后，將還原Open GL的工作與Open GL管道關(guān)鍵要素保存在Open GL類模塊中，據(jù)此，即可采用Open GL類模塊進(jìn)行城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)。

1.3.2" 城市規(guī)劃三維建模實(shí)現(xiàn)

構(gòu)建城市三維模型可實(shí)現(xiàn)城市真實(shí)地理空間重現(xiàn)，重現(xiàn)對象包含城市建筑、地貌、生態(tài)景觀等元素[5]。構(gòu)建城市三維模型為基于VR技術(shù)進(jìn)行城市仿真提供基礎(chǔ)空間環(huán)境，三維模型中的建筑、景觀等攜帶真實(shí)坐標(biāo)信息[6]。大中城市的建筑物與人口密集，產(chǎn)生的測量數(shù)據(jù)規(guī)模極大，為保障數(shù)據(jù)測量的精確度，使用高性能的數(shù)字立體采集系統(tǒng)實(shí)地獲取城市規(guī)劃數(shù)據(jù)，存儲在MongoDB數(shù)據(jù)庫中。

三維空間坐標(biāo)確定是城市規(guī)劃仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，自動構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型、提取建筑紋理、粘貼替換紋理為城市規(guī)劃仿真設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟[7]。系統(tǒng)具備構(gòu)建數(shù)字高程模型與數(shù)字正射影像的功能，可解決大坡度城市地形的規(guī)劃問題。疊加數(shù)字高程模型與數(shù)字正射影像得到城市三維地形景觀。融合城市三維地形景觀與城市建筑三維模型得到整體城市三維數(shù)字模型。

利用城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行城市規(guī)劃設(shè)計(jì)時，城市景觀的頂點(diǎn)緩沖采用CreateVertexBuffer（）構(gòu)建，依據(jù)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)與索引數(shù)據(jù)整理城市景觀的頂點(diǎn)，整理完成的城市景觀頂點(diǎn)以三角形帶的形式存在，并保存在頂點(diǎn)緩沖內(nèi)。景觀頂點(diǎn)的法線均值根據(jù)相鄰面獲取，景觀的紋理坐標(biāo)可依據(jù)紋理坐標(biāo)比例、紋理偏移量、旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)求取。

2） 實(shí)時渲染

利用城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行城市規(guī)劃過程中，通過遍歷渲染全部對象完成實(shí)時循環(huán)渲染[8]。以城市規(guī)劃中的道路為例，不同類型的道路材質(zhì)和紋理存在差異，通過劃分城市道路為三個子對象的方式迅速完成三維模型實(shí)時渲染，總結(jié)車輛行駛道路實(shí)時渲染代碼如下：

1.4.2" 城市規(guī)劃動態(tài)景觀仿真交互漫游

動態(tài)景觀漫游功能可隨時查看城市規(guī)劃內(nèi)容，并進(jìn)行三維可視化瀏覽[9]。通過瀏覽城市規(guī)劃方案總結(jié)設(shè)計(jì)存在的漏洞，并及時修改和優(yōu)化，有助于提升城市規(guī)劃效率、改善城市規(guī)劃效果。審查方可通過瀏覽動態(tài)景觀漫游完成方案審查與評估。

交互式是基于VR技術(shù)設(shè)計(jì)的城市規(guī)劃三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的突出優(yōu)勢，通過交互控制實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃動態(tài)景觀交互漫游。系統(tǒng)設(shè)置自由視角漫游、拾取物體、控制物體等功能，完成人機(jī)交互漫游[10]。用戶在城市規(guī)劃場景中漫游時，可仔細(xì)查看城市建筑、道路、地貌、景觀的細(xì)節(jié)，采用鍵盤和鼠標(biāo)控制攝像機(jī)角度，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)與后退等視角的變換。

點(diǎn)擊“Switch On Key”命令得到用戶操作鍵盤窗口;設(shè)置待控制攝像機(jī)時點(diǎn)擊“Set As Active Camera”命令;結(jié)合使用“Translate”“Per Second”“Rotate”命令實(shí)現(xiàn)攝相機(jī)的旋轉(zhuǎn)和平移操作。系統(tǒng)設(shè)置旋轉(zhuǎn)和平移攝像機(jī)的快捷鍵如下：Page Up，Page Down表示向上移動、向下移動虛擬城市規(guī)劃場景;Home，End分別表示向上與向下旋轉(zhuǎn)城市規(guī)劃虛擬場景;鍵盤的上箭頭與下箭頭分別表示逼近城市規(guī)劃場景與遠(yuǎn)離城市規(guī)劃場景;鍵盤的左箭頭與右箭頭分別表示城市規(guī)劃場景呈逆時針與順時針方向旋轉(zhuǎn)。

城市規(guī)劃動態(tài)景觀自由交互漫游讓用戶真正得到身臨其境的虛擬與現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，也是三維虛擬場景設(shè)計(jì)的強(qiáng)大之處。

2" 實(shí)驗(yàn)分析

以某城市為例，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)測試，為突出本文系統(tǒng)進(jìn)行城市規(guī)劃的優(yōu)勢，采用C/S城市規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)、OSG城市規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)展開對比測試。

2.1" 城市三維規(guī)劃效果分析

本文系統(tǒng)規(guī)劃城市過程中，設(shè)計(jì)的綠植景觀如圖3a）所示，城市規(guī)劃結(jié)果如圖3b）所示。

由圖3a）可知，本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綠植景觀完整地還原樹木葉脈、樹木枝干紋理，樹葉枝干層次表達(dá)分明，地面處的陰影表達(dá)準(zhǔn)確，提升景觀設(shè)計(jì)的逼真與可視化程度。由圖3b）能夠清晰地看到城市道路與建筑的規(guī)劃結(jié)果，本文系統(tǒng)將城市局部規(guī)劃成A，B，C三個建筑群，建筑群由道路分割，布局清晰，改變以往城市混亂布局的狀態(tài)。因此，本文系統(tǒng)呈現(xiàn)的城市三維仿真規(guī)劃結(jié)果較優(yōu)。

2.2" 三維建模誤差分析

以城市行車道路為例，測試本文系統(tǒng)的建模誤差，對比本文設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際模型坐標(biāo)數(shù)據(jù)，得到建模相對誤差如圖4所示。

由圖4可知，本文系統(tǒng)建模的相對誤差集中在0.08～0.16之間，誤差值較小并且在合理范圍內(nèi)，不影響整體城市規(guī)劃效果;另外本文系統(tǒng)建模誤差波動幅度較小，建模效果可靠。

2.3" 城市規(guī)劃成本分析

城市規(guī)劃的成本是衡量城市規(guī)劃系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，得到三種系統(tǒng)城市規(guī)劃的時間成本與規(guī)劃費(fèi)用成本結(jié)果如表1，表2所示。

由表1可知，本文系統(tǒng)規(guī)劃城市建筑群花費(fèi)6天時間，道路規(guī)劃與生態(tài)景觀規(guī)劃分別花費(fèi)4天、3天時間，C/S城市規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)、OSG城市規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)規(guī)劃時間約為本文系統(tǒng)的3倍。

由表2可知，本文系統(tǒng)進(jìn)行城市規(guī)劃費(fèi)用均低于C/S城市規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)、OSG城市規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在城市群規(guī)劃中差異顯著。本文系統(tǒng)規(guī)劃建筑群花費(fèi)2.12萬元，比C/S城市規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)節(jié)約2.13萬元，比OSG城市規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)節(jié)約2.83萬元;規(guī)劃城市道路與景觀的費(fèi)用差距相對較小。

綜上可知，本文系統(tǒng)規(guī)劃城市建設(shè)過程中，有效縮短了工期、降低了城市規(guī)劃設(shè)計(jì)成本，優(yōu)勢突出，在城市規(guī)劃與建設(shè)中的應(yīng)用前景廣闊。

2.4" 城市規(guī)劃系統(tǒng)性能評估

采用交互性、還原度、仿真程度等信息描述城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的性能，采用優(yōu)、良、差三個等級評估系統(tǒng)性能。選取案例城市中10處區(qū)域，采用三種系統(tǒng)進(jìn)行城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)，得到三種系統(tǒng)的評估結(jié)果如表3所示。

表3數(shù)據(jù)表明，本文系統(tǒng)城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)效果突出，交互性、還原度、實(shí)時性、仿真程度和規(guī)劃合理性均為優(yōu)秀;而C/S城市規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)僅在交互性方面表現(xiàn)優(yōu)秀，在實(shí)時性與仿真程度方面表現(xiàn)較差;OSG城市規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)在還原度與交互性方面表現(xiàn)優(yōu)異，但規(guī)劃結(jié)果合理性較低、實(shí)時性差。

3" 結(jié)" 論

本文將VR技術(shù)應(yīng)用在城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)中，取得較優(yōu)的城市規(guī)劃三維仿真設(shè)計(jì)結(jié)果?；赩R技術(shù)進(jìn)行城市規(guī)劃主要分為數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、三維建模、模型渲染、場景交互漫游等步驟，最終構(gòu)建一種還原度高、可視化效果強(qiáng)的數(shù)字規(guī)劃方案。VR技術(shù)在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨成熟，必定發(fā)展成一種使用范圍廣、頻率高的城市規(guī)劃手段。

參考文獻(xiàn)

[1] 于振中，蔡楷倜.六軸工業(yè)機(jī)器人三維仿真系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2017，38（9）：2489?2493.

YU Zhenzhong， CAI Kaiti. Three?dimensional simulation system of six axis industrial robot [J]. Computer engineering and design， 2017， 38（9）： 2489?2493.

[2] 萬隆君，涂婉麗，徐軼群，等.基于VR技術(shù)的船舶管路裝配虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國造船，2017，58（1）：186?192.

WAN Longjun， TU Wanli， XU Yiqun， et al. Virtual assembly of ship piping system based on VR technology [J]. Shipbuilding of China， 2017， 58（1）： 186?192.

[3] 杜福光.面向服務(wù)架構(gòu)的城市三維規(guī)劃決策平臺構(gòu)建[J].測繪科學(xué)，2016，41（10）：78?81.

DU Fuguang. Design and realization of urban three?dimensional planning decision platform based on SOA [J]. Science of surveying and mapping， 2016， 41（10）： 78?81.

[4] SOUZAKI R， KINOSHITA Y， IEIRI S， et al. Preoperative surgical simulation of laparoscopic adrenalectomy for neuroblastoma using a three?dimensional printed model based on preoperative CT images [J]. Journal of pediatric surgery， 2015， 50（12）： 2112?2115.

[5] 閆文珠，劉成，李磊民，等.基于VR技術(shù)的機(jī)器人核事故訓(xùn)練平臺研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2015，32（9）：395?399.

YAN Wenzhu， LIU Chen， LI Leimin， et al. Research on training platform of robot in nuclear accident based on VR technology [J]. Computer simulation， 2015， 32（9）： 395?399.

[6] 盧浩然，張宇，牛苗苗，等.基于Leap motion的三維文物虛擬拼接方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2015，27（12）：3006?3011.

LU Haoran， ZHANG Yu， NIU Miaomiao， et al. Three?dimensional virtual reassembling for broken artifact fragments based on Leap Motion [J]. Journal of system simulation， 2015， 27（12）： 3006?3011.

[7] 汪應(yīng)，羅元成.基于Java3D和VRML技術(shù)的采摘機(jī)械手運(yùn)動仿真研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017，39（12）：210?214.

WANG Ying， LUO Yuancheng. Motion simulation of picking manipulator based on Java 3D and VRML technology [J]. Journal of agricultural mechanization research， 2017， 39（12）： 210?214.

[8] 邱紹楊，任鴻翔，尹金崗.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的自由降落式救生艇培訓(xùn)系統(tǒng)[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，43（3）：14?18.

QIU Shaoyang， REN Hongxiang， YIN Jingang. A free fall lifeboat training system based on virtual reality technology [J]. Journal of Dalian Maritime University， 2017， 43（3）： 14?18.

[9] 王記彩.采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煤礦虛擬液壓支架運(yùn)動狀況仿真[J].煤炭技術(shù)，2017，36（10）：259?261.

WANG Jicai. Simulation of coal mine virtual hydraulic support based on virtual reality technology [J]. Coal technology， 2017， 36（10）： 259?261.

[10] 王浚羽，程斌，王川，等.數(shù)字地球下三維飛行仿真系統(tǒng)的可視化研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2015，27（8）：1824?1830.

WANG Junyu， CHENG Bin， WANG Chuan， et al. 3D Flight simulation system visualization and study of Google earth [J]. Journal of system simulation， 2015， 27（8）： 1824?1830.