基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的公共環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計

鮑詩度 陳文懿

摘? 要： 針對傳統(tǒng)城市公共環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計過程中效果差、建模等問題，提出基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的城市公共環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)。首先，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)進行分析，主要包括幾何特征、三維模型、對象幾何模型、自動三維建模和立體顯示技術(shù)等;之后，通過CAD和3ds MAX軟件設(shè)計基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的城市公共環(huán)境系統(tǒng)，實現(xiàn)建筑物單體精確建模與場景合并。通過相應(yīng)比例將城市數(shù)據(jù)信息融合到虛擬空間坐標(biāo)系中，從而設(shè)計虛擬場景，并且給出城市環(huán)境虛擬三維模型。在三維模型創(chuàng)建后，設(shè)計人機交互功能和仿真模塊，實現(xiàn)交互漫游、自動漫游、自主漫游、實時導(dǎo)航和信息查詢。最后，對系統(tǒng)使用的效果進行分析，對比規(guī)劃方案。表示所設(shè)計的城市公共環(huán)境系統(tǒng)能夠滿足實際使用需求，充分展現(xiàn)主要地段建筑物、城市地形地貌和三維輪廓。

關(guān)鍵詞： 公共環(huán)境設(shè)計; 系統(tǒng)設(shè)計; 虛擬現(xiàn)實技術(shù); 三維建模; 數(shù)據(jù)融合; 仿真實驗

Abstract： An urban public environment design system based on virtual reality technology is proposed due to the poor effect and needs to solid modeling in the process of traditional urban public environment system design. The system design technology of virtual reality technology is analyzed， including geometric features， 3D model， object geometric model， automatic 3D modeling and 3D display technology and so on. The urban public environment system based on virtual reality technology is designed by means of CAD and 3ds MAX software， and the combination of the precise modeling and scene of single building is realized. The urban data information is integrated into the virtual space coordinate system through the corresponding proportion to design the virtual scene and give the virtual 3D model of urban environment. After the 3D model is created， the road space scene is designed with human?computer interaction function and simulation module to realize interactive roaming， automatic roaming， autonomous roaming， real?time navigation and information query. The using effect of the system is analyzed and the planning scheme is compared. It indicates that the designed urban public environment system can meet the actual needs， and fully display the buildings， urban topography and 3D corridor in the main sections.

Keywords： public environment design; system design; virtual reality technology; 3D modeling; data fusion; simulation experiment

0? 引? 言

在中國經(jīng)濟不斷發(fā)展的過程中，人口城市化為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。城市市容與市民生活質(zhì)量和公共環(huán)境、道路網(wǎng)絡(luò)、建筑物外觀等設(shè)計方案具有密切關(guān)系，從而使城市規(guī)劃和人們生活具有密切關(guān)系。其本質(zhì)是城市發(fā)展過程中人們?yōu)榱司S持良好公共環(huán)境與秩序，對于生活空間要素的整體考慮、處理和設(shè)計，使未來空間安排需求得到滿足。所以，通過直觀且便于理解的方式充分呈現(xiàn)此意志，對于城市規(guī)劃方案評估與設(shè)計具有重要意義。傳統(tǒng)城市規(guī)劃設(shè)計主要是利用實體模型、三維動畫與效果圖充分展現(xiàn)方案視覺效果與周邊環(huán)境是否和諧相融。三維動畫是在計算機技術(shù)發(fā)展過程中，逐漸地應(yīng)用到國內(nèi)。此表現(xiàn)手段存在部分不足，模型的立體感比較強，但是無法使用戶通過正常人視角充分感受建筑空間，無法得到未來城市中人真正的感受。雖然效果圖能夠表現(xiàn)正常視點視覺效果，但是只是提供靜態(tài)、局部視覺體驗，立體感不如模型。虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)新了傳統(tǒng)展示手段局限性，在城市規(guī)劃過程中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠提供基于真實數(shù)據(jù)的三維可視化環(huán)境，使設(shè)計師在此種交互式三維場景中比較、考察與修改規(guī)劃方案[1]。另外，還能夠?qū)Τ鞘薪ㄔO(shè)管理人員、公眾、規(guī)劃決策人員展現(xiàn)設(shè)計方案，在專業(yè)與非專業(yè)的人士之間創(chuàng)建橋梁，此優(yōu)勢是其他傳統(tǒng)表現(xiàn)手法無法比擬的。

1? 虛擬現(xiàn)實的技術(shù)分析

城市規(guī)劃主要包括分區(qū)規(guī)劃、總體規(guī)劃、專項規(guī)劃、詳細(xì)規(guī)劃，不管是哪個層次規(guī)劃設(shè)計，路網(wǎng)為不可缺少的元素。所以，以道路對象為例，對關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)細(xì)節(jié)進行詳細(xì)的分析。

1.1? 幾何特征分析

在進行設(shè)計的過程中，設(shè)計道路能夠?qū)崿F(xiàn)控制，主要包括道路標(biāo)高、道路紅線、道路板型等控制，不考慮部分的細(xì)部特征，比如道路加寬、橫坡與超高等。以此，使現(xiàn)實復(fù)雜的道路形狀根據(jù)平面線與豎曲線類型簡化成為直線平面型、直線曲面型、曲線平面型、曲線曲面型。圖1為平面線框的顯示。

1.2? 三維模型分析

對于任何類型道路來說，都能夠使其創(chuàng)建成為3D道路面片劃分成為圖2所示的道路三維模型。

行車道路面：道路模型中主導(dǎo)面，通過道路豎曲線與平曲線所決定;

人行道路面：和行車道路面走向相關(guān)，比行車道面高;

垂直縫合面：連接人行道路與車行道路，道路紅線與場地垂直封閉。

1.3? 對象幾何模型

利用上述所得到的道路特征和道路三維模型分析表示，只是使道路行車道路面幾何建模問題解決，在行車道人行道路面依附的建模問題進行解決，研究重點是道路行車道的路面幾何構(gòu)面。

幾何構(gòu)建屬于通過一個多三角面片擬合生成對象的表面問題，針對直線平面型的道路，通過三角面片能夠?qū)崿F(xiàn)行車道路面生成[2]，詳見圖3a）。

對于直線曲面型道路要能夠離散道路中心線，針對每個離散點要通過道路豎曲面收集標(biāo)高;然后通過中心線離散段數(shù)，離散行車道邊線實現(xiàn)相同離散點數(shù)量的生成，并且賦予和中心線相互對應(yīng)離散點的標(biāo)高，最后分段構(gòu)面，實現(xiàn)生成道路行車道曲面的擬合，詳見圖3b）。

針對曲線平面型、曲線曲面型的道路，要使離散中心點和行車道邊線結(jié)合實現(xiàn)，不同的就是曲線平面型道路利用道路端點標(biāo)高中的差值實現(xiàn)離散點標(biāo)高的生成，曲線曲面圖利用道路豎曲面收集離散點標(biāo)高，詳見圖3c）。

1.4? 立體顯示技術(shù)

立體顯示技術(shù)為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重點，假如能夠在虛擬場景中立體顯示，就要得出滿足三維特征的虛擬立體圖像樹，并且根據(jù)傳統(tǒng)三維圖像生成方法生成左右片。因為左右片圖像具有較強的相關(guān)性，以此能夠利用此特征實現(xiàn)立體片快速算法。

假如場景左右片對中的F（x，y，z），成像為P1（x1，y1），pr（xr，yr），以此得出視差d為：

式中：D為左右焦點間距;d為兩眼的視差;f為焦距。線對左右眼視點向量與矩陣變換計算，并且計算左眼圖，保證左右片的真實性。

1.5? 自動三維建模機制

利用上述道路特性分析與創(chuàng)建的構(gòu)面模型，能夠通過系統(tǒng)自動實現(xiàn)道路對象三維建模工作：

1） 道路平面線。主要包括兩條行車道邊線、道路紅線，此數(shù)據(jù)為指定規(guī)劃總圖階段;

2） 道路豎向信息。通過道路端點標(biāo)高與道路豎曲線，此數(shù)據(jù)在豎向設(shè)計過程中要制定;

3） 道路離散間距。通過系統(tǒng)默認(rèn)值提供，能夠更改，圖4為道路三維建模的流程。

2? 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的城市公共環(huán)境設(shè)計

2.1? 系統(tǒng)的總體設(shè)計流程

圖5為系統(tǒng)的總體設(shè)計流程，充分收集城市建筑物數(shù)據(jù)與布局信息，利用AutoCAD與3ds MAX軟件實現(xiàn)建筑物單體精確建模和場景合并，能夠得到滿足漫游功能的虛擬城市場景。在實現(xiàn)場景建模之后，設(shè)計用戶和城市場景交互功能。系統(tǒng)整體交互是利用鍵盤與鼠標(biāo)進行控制，主要功能包括視點控制直接交互與利用軟件界面間接交換[3]。

2.2? 虛擬場景的設(shè)計

城市中的數(shù)據(jù)信息要通過相應(yīng)的比例在虛擬空間坐標(biāo)系中融入，以此真實地模擬城市環(huán)境。目前，大部分設(shè)計都是通過AutoCAD建模軟件實現(xiàn)，從而創(chuàng)建城市真實建筑布局與樓盤方位，實現(xiàn)三維建模步驟為：

1） 通過AutoCAD建模軟件實現(xiàn)城市環(huán)境原始模型分類創(chuàng)建，使完成CAD平面圖到3ds MAX建模軟件的導(dǎo)入，通過3ds MAX軟件焊接、修剪，從而實現(xiàn)墻體輪廓線條封閉處理。

2） 使用繪圖大師SketchUP填充城市建筑虛擬模型，并且對模型進行完善，使模型具有立體化三維特性。在創(chuàng)建城市居民區(qū)虛擬模型之后，利用場景繪制技術(shù)，使三維模型逼真程度得到提高。

3） 城市環(huán)境虛擬場景渲染，通過OpenGL文件插件對空間場景進行渲染，提高其逼真效果。一般都是利用城市建筑實現(xiàn)小空間場景的劃分，依次地實現(xiàn)場景渲染工作。

4） 根據(jù)設(shè)計方案的不同實現(xiàn)城市虛擬三維模型數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建，并且對比不同的規(guī)則方案優(yōu)劣性，以此選擇出最優(yōu)的設(shè)計方案[4]。圖6為城市環(huán)境虛擬三維模型。

2.3? 人機交互功能

在創(chuàng)建城市環(huán)境三維空間模型之后，在可視化交互平臺導(dǎo)入虛擬空間場景，使計算機和用戶能夠?qū)崟r的交互。本文通過基于文本格式的VRMLPAD三維仿真平臺及可視化觀看設(shè)備、專業(yè)化的輸入接口，使用戶與虛擬現(xiàn)實能夠互感交流，以此使體驗者利用人體感官感知三維環(huán)境。三維仿真平臺中具有節(jié)點，能夠融合城市感應(yīng)區(qū)域中的場景，以此使用戶在各個場景中都能夠即時的漫游與預(yù)覽。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的自由漫游是通過所設(shè)置的城市環(huán)境區(qū)域漫游路線，通過自身佩戴VR設(shè)備使虛擬場景能夠自動化的漫游。在漫游實時導(dǎo)航圖創(chuàng)建過程中，將場景最大頂點進行合并，然后通過VR?platform能夠抓取場景導(dǎo)航圖的輪廓[5]。圖7為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中人機交互的步驟。

2.4? 仿真模塊的設(shè)計

利用一致數(shù)據(jù)交互接口，仿真模塊能夠無損接收設(shè)計數(shù)據(jù)，通過渲染引擎仿真三維規(guī)劃場景，主要功能包括：

1） 通過鼠標(biāo)、鍵盤的控制實現(xiàn)三維場景自由的漫游，在任何位置、角度都能夠觀察三維場景，以此動態(tài)、實時地開展環(huán)境融合分析與定性定量空間分析;

2） 通過太陽光、環(huán)境光到對象紋理貼圖、幾何圖形與顏色材質(zhì)，全部系統(tǒng)級與對象級的屬性都能夠?qū)崿F(xiàn)編輯修改;

3） 利用高效剔除算法、合理LOD層級設(shè)置、同類聚集算法實現(xiàn)渲染引擎;

4） 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三維動畫的效果圖、視頻輸出等，將設(shè)計意圖充分的展現(xiàn)出來[6]。

2.5? 交互漫游功能

為了無縫對接3ds MAX軟件，使用VR?Platform三維互動仿真平臺[7]。

2.5.1? 自動漫游

在VRP中利用動畫相機開展自動漫游，在VRP中導(dǎo)入場景，以預(yù)先設(shè)計路線作為系統(tǒng)錄制城市場景的介紹動畫，從而開展自動化的漫游。利用動畫相機進行自動漫游。

實現(xiàn)汽車行駛路徑約束動畫的制作。創(chuàng)建跟隨相機，將其作為用戶視點在車身中綁定，此相機跟著汽車路徑觀察。自動漫游能夠避免用戶操作的干擾，便于對城市場景進行觀察。因為預(yù)先設(shè)置此漫游路徑，限制用戶的位置改變，所以靈活度比較弱[8]。

2.5.2? 自主漫游

自主漫游是指利用用戶對鍵盤、鼠標(biāo)進行操作，以自身的興趣和需求對第一人稱視點控制開展漫游，交互性與靈活性比較強。此種漫游方式就是利用視線方式改變與移動視點位置所出現(xiàn)的三維動畫過程，系統(tǒng)通過用戶輸入控制信息改變參數(shù)，實現(xiàn)場景的重新繪制。

VRP坐標(biāo)系和3ds MAX一樣，使用z軸向上的左手坐標(biāo)系，并且具備八種不同類型運動方式[9]。

2.5.3? 實時導(dǎo)航

交互漫游能夠使用戶隨意地在虛擬場景中自由行走，使漫游盲目性有所提高，使用戶沉浸在場景細(xì)節(jié)中，能夠抓住場景的重點，使漫游效率得到提高。以此，將實時導(dǎo)航圖設(shè)置到系統(tǒng)中，使用戶精準(zhǔn)掌握自身位置，通過二維、三維信息聯(lián)動瀏覽方式，全面認(rèn)知城市景觀規(guī)劃的情況[10]。在三維場景中實現(xiàn)實時導(dǎo)航圖的創(chuàng)建，利用3ds MAX對場景最大和最小的頂點坐標(biāo)進行創(chuàng)建，利用VRP高精度抓圖功能對場景頂視圖截圖作為導(dǎo)航圖輪廓。通過試驗表明，導(dǎo)航圖能夠精準(zhǔn)實時地將用戶的方位展現(xiàn)出來，用戶對導(dǎo)航圖中任意一點的位置進行單擊，實現(xiàn)相應(yīng)地理位置的快速切換，提高漫游效率，增強虛擬城市系統(tǒng)的交互性[11]。

2.5.4? 信息查詢

信息查詢能夠?qū)崿F(xiàn)城市的擴展，真實三維模型能夠創(chuàng)新用戶的感官體驗，便于虛擬校園操作系統(tǒng)的操作?；谪?fù)載三維場景進行交互式空間信息的查詢，以此為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)利用展示功能朝著實用功能轉(zhuǎn)變提供基礎(chǔ)。實用功能基于三維可視化城市規(guī)劃的管理系統(tǒng)，要求具備城市建筑和規(guī)劃的設(shè)計信息管理，比如創(chuàng)建屬性、信息的動態(tài)查詢等[12]。真實三維數(shù)字模型重建之后，能夠以規(guī)劃設(shè)計區(qū)域區(qū)塊，逐一對城市建筑物實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建。通過建筑物模型屬性數(shù)據(jù)庫的添加，能夠?qū)崿F(xiàn)空間信息的查詢，在用戶漫游在場景中，選擇任意建筑物能夠通過數(shù)據(jù)庫查詢相應(yīng)文字性的介紹，比如建筑特點、用途等，并且介紹部分的標(biāo)志性建筑，提高用戶對于建筑物的真實認(rèn)知，使漫游過程與周圍的環(huán)境交互得到提高[13]。

3? 系統(tǒng)的使用效果

在實踐過程中，因為虛擬現(xiàn)實技術(shù)復(fù)雜性與對于軟件、硬件的要求，最終創(chuàng)建系統(tǒng)主要功能，重點為直觀顯示與查詢處理，沒有達到沉浸式漫游。顯示功能包括旋轉(zhuǎn)、縮小、放大、動畫等。系統(tǒng)查詢功能在屬性數(shù)據(jù)查詢方面展現(xiàn)，以數(shù)據(jù)庫信息查詢選中目標(biāo)信息，比如建筑名稱、面積、建成時間等[14]。

就展示的效果來說，此系統(tǒng)能夠?qū)⒊鞘械匦蔚孛?、主要地段建筑物、城市空間的三維輪廓充分展現(xiàn)出來，將城市面貌充分的顯示，幫助使用者對城市視覺效果評估。另外，還能夠?qū)Ρ纫?guī)劃方案[15]。城市二維導(dǎo)航如圖8所示。屬性數(shù)據(jù)的查詢?nèi)鐖D9所示。

4? 結(jié)? 語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到城市公共環(huán)境規(guī)劃與設(shè)計中，能夠使城市規(guī)劃水平得到提高，促進數(shù)字城市建設(shè)。在GIS技術(shù)、VR技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計算機技術(shù)不斷發(fā)展的同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)為了保證城市規(guī)劃和發(fā)揮設(shè)計科學(xué)性具有重要作用。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，還有部分問題需要解決。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)規(guī)劃領(lǐng)域中使用并不深入。所以，就要盡快地創(chuàng)建數(shù)據(jù)處理與信息管理虛擬現(xiàn)實技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)。

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