基于VR技術的建筑景觀特征三維整合仿真系統(tǒng)設計

馬博華

摘? 要： 傳統(tǒng)數(shù)據整合系統(tǒng)存在系統(tǒng)負載能力差、運行效率低等問題，為此，提出并設計了基于VR技術的建筑景觀特征三維整合仿真系統(tǒng)。將系統(tǒng)分為數(shù)據層、虛擬數(shù)據庫層、數(shù)據處理層和應用層4個部分，利用GB信號分配器將建筑景觀信息傳送到顯示器上，通過采集器獲取數(shù)據，以命令碼的形式將數(shù)據發(fā)送至軟件。軟件部分對采集到的數(shù)據進行預處理，利用數(shù)據查詢模塊獲取建筑景觀特征數(shù)據，輸入數(shù)據匹配模塊，計算特征數(shù)據與目標數(shù)據的相似度，獲取最佳匹配特征數(shù)據，構建3D整合模型，完成系統(tǒng)設計。實驗結果表明，該系統(tǒng)的運行時間和服務器吞吐量均能滿足用戶需求，系統(tǒng)負載能力好，且系統(tǒng)運行效率在90%左右，高于傳統(tǒng)方法，驗證了該系統(tǒng)的性能。

關鍵詞： 建筑景觀特征; 三維整合仿真; 系統(tǒng)設計; VR技術; 信息采集; 數(shù)據傳送

中圖分類號： TN911.73?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）20?0153?04

Design of VR technology based 3D integration simulation system for

architectural landscape features

MA Bohua

（Shenyang Ligong University， Shenyang 110000， China）

Abstract： As the traditional data integration system has the problems of poor load capacity and low operation efficiency， a VR technology based 3D integration simulation system of architectural landscape features is proposed and designed. The system is divided into four parts of data layer， virtual database layer， data processing layer and application layer. The GB signal distributor is used to transmit architectural landscape information to the display， and the data is obtained by the collector and sent to the software with the form of command code. In the software part， the obtained data is preprocessed. The architectural landscape feature data is acquired by means of the data query module， and then inputted into the data matching module to calculate the similarity between feature data and target data and obtain the best matching feature data. A 3D integration model is constructed， so that the system design is completed. The experimental results show that the running time and the server throughput of the system can meet the requirements of users， the system load capacity is excellent， and the operation efficiency of the system is about 90%， which is higher than that of the traditional method. It verifies the performance of the system.

Keywords： architectural landscape features; 3D integration simulation; system design; VR technology; information collection; data transfer

0? 引? 言

計算機技術飛速發(fā)展，目前已應用到社會發(fā)展的各個領域，數(shù)字化潮流已成為全球發(fā)展趨勢，尤其是數(shù)字化城市的發(fā)展，大大吸引了人們的關注。融合計算機技術規(guī)劃建筑景觀，不僅能提升整體視覺感受，還能夠充分滿足建筑規(guī)劃中的其他需求，利用虛擬現(xiàn)實仿真技術構造并分析建筑景觀，成為當前研究的熱點[1?2]。

虛擬現(xiàn)實技術融合了計算機圖像處理技術和網絡多媒體等多項技術，通過用戶與計算機的交互，模擬出虛擬環(huán)境，為用戶和操作者提供一個三維實景建筑景觀圖[3]。信息數(shù)據整合是實現(xiàn)資源共享和完整展示的重要方法，能夠有效利用已知資源，幫助人們獲取需要的信息。而建筑景觀是城市規(guī)劃發(fā)展的重點，利用虛擬現(xiàn)實技術對建筑景觀特征整合進行研究，具有重要的現(xiàn)實意義[4]。

胡小玲對VR技術的特性進行了分析，利用三維建模、可視化設計、交互設計、三維虛擬等方法，對建筑設計進行了動態(tài)分析，展示了建筑的三維設計效果，但該方法的運行效率相對較低[5];陽小蘭等基于VR技術，設計了三維動態(tài)激光成像方案，并通過數(shù)據準備、場景構建等過程，塑造了三維動態(tài)成像場景，在該場景下，對激光成像的動態(tài)路徑進行調控，完成三維成像系統(tǒng)設計，但該系統(tǒng)的負載能力不高，無法在大量數(shù)據條件下平穩(wěn)運行[6];周波利用虛擬現(xiàn)實技術，構建地物模型與地形模型，通過對2個模型的差異分析，完成多視圖立體視覺特征點提取，重構得到城市三維鄉(xiāng)土景觀[7];謝遷研究了古老建筑三維景觀特征的整合方法，首先提取建筑特征，然后計算三維景觀特征的概率分配函數(shù)和似然函數(shù)，最后采用D?S證據完成特征整合，效果較好，但整合過程較為繁雜，運行效率低[8]。

針對上述研究方法存在的問題，本文提出并設計了一種基于VR技術的建筑景觀特征三維整合仿真系統(tǒng)，實驗結果表明，本文設計系統(tǒng)具有較好的系統(tǒng)負載能力，且系統(tǒng)運行效率較高。

1? 建筑景觀特征三維整合系統(tǒng)框架設計

本文基于VR技術進行建筑景觀特征三維整合系統(tǒng)設計，VR技術應用于建筑景觀的最終目的是為用戶生動、形象地展現(xiàn)建筑景觀場景。因此，在VR技術使用中，應用層與用戶的有效交互是系統(tǒng)設計的最終目標[9]。本文基于VR技術的建筑景觀特征三維整合系統(tǒng)框架主要包含數(shù)據層、虛擬數(shù)據庫層、數(shù)據處理層和應用層4個部分，具體如圖1所示。

數(shù)據層使用采集器來采集建筑景觀數(shù)據，作為數(shù)據源，這些數(shù)據形態(tài)多樣，可以是結構化的數(shù)據，也可以是非結構化的數(shù)據，每一個數(shù)據源放置于系統(tǒng)網頁上的不同站點，使用相應的方式對其進行管理[10?11]。虛擬數(shù)據庫層主要基于VR技術構建虛擬數(shù)據庫，存儲建筑景觀的數(shù)據和用戶信息。數(shù)據處理層負責完成所需建筑景觀特征數(shù)據的處理，該層設置了數(shù)據處理模塊、數(shù)據查詢模塊、匹配模塊，在實現(xiàn)形式上使用Web Service技術，在發(fā)布數(shù)據方面使用標準接口形式，方便系統(tǒng)操作。應用層是整個系統(tǒng)設計的最高層，通過傳感器信息交互，采用建模模塊生成3D整合模型，使用接口直接與用戶連接，顯示建筑景觀特征數(shù)據整合效果。

2? 系統(tǒng)硬件設計

依據上述整體框架設計，基于硬件結構完成信息采集、分配、控制、顯示，以及后臺仿真軟件，通過發(fā)送指令控制系統(tǒng)模擬建筑景觀特征，完成系統(tǒng)設計。給出基于VR技術的建筑景觀特征三維整合系統(tǒng)硬件結構，如圖2所示。

硬件設計過程中，利用RGB信號分配器傳送建筑景觀信息到顯示器上，操作者通過對建筑景觀的全方位測量，和通過信號采集電路獲取特征信息，以命令碼的形式發(fā)送至軟件部分，利用3D模擬裝置生成整合模型[12]。

3? 系統(tǒng)軟件設計

根據系統(tǒng)框架結構，給出建筑景觀特征三維整合處理的過程，具體如下：

1） 應用層的操作者發(fā)起建筑景觀特征數(shù)據整合要求，傳送信號至系統(tǒng)請求具體數(shù)據支持;

2） 數(shù)據整合模塊收到系統(tǒng)傳送信息后，首先在緩存數(shù)據中查詢是否存在整合數(shù)據，若存在，直接傳送至至系統(tǒng)應用層，若不存在，則開展下述操作;

3） 使用采集器采集建筑景觀數(shù)據，并輸入數(shù)據處理模塊，對采集到的數(shù)據進行歸一化、語義轉換等預處理，使其形式統(tǒng)一，方便后續(xù)操作;

4） 數(shù)據查詢模塊依據整合需求，查詢得到建筑景觀的特征信息;

5） 將特征信息輸入數(shù)據匹配模塊中，與預設的目標數(shù)據進行比對，通過統(tǒng)計多個匹配器的匹配結果，計算得出各特征數(shù)據與目標數(shù)據之間的相似度，依據相似度大小建立映射關系，挑選出匹配度較高的數(shù)據，完成建筑景觀特征匹配[13];

6） 對匹配完成的特征數(shù)據進行三維建模分析，構建3D整合模型，完成系統(tǒng)軟件設計。

本系統(tǒng)軟件設計中，為有效提高系統(tǒng)的運行效率，對每個模塊中的有效數(shù)據進行緩存，方便直接使用。使用流程圖來描述整個建筑景觀特征三維整合仿真流程，如圖3所示。

4? 實驗結果與分析

為了驗證本文所設計整合系統(tǒng)的性能，進行實驗分析，本實驗采用美國MultiGen—Paradigm公司推出的Vega軟件，該軟件包括完整的C語言程序接口和清晰的圖像顯示界面，可應用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的視景仿真及可視化，能夠很好地支持虛擬現(xiàn)實技術。

實驗步驟如下：

1） 以某建筑景觀為研究對象，采集特征數(shù)據，并對采集得到的數(shù)據進行預處理;

2） 根據采集得到的建筑景觀特征數(shù)據，使用Google SketchUp建立靜態(tài)模型;

3） 利用Vega軟件中的可視化界面設置場景，生成應用程序文件，再利用VC++.NET進行程序開發(fā)，整合建筑景觀特征數(shù)據。實驗環(huán)境設置如表1所示。

在上述實驗環(huán)境設置下，以系統(tǒng)負載能力、系統(tǒng)運行效率為指標測試本文系統(tǒng)，具體如下：

在用戶量或數(shù)據量過大的情況下，系統(tǒng)有可能會出現(xiàn)崩潰的現(xiàn)象，因此對系統(tǒng)負載能力測試非常重要。主要通過測試系統(tǒng)運行時間和服務器吞吐量來實現(xiàn)，結果如表2所示。

根據表2可以看出，在不同系統(tǒng)并發(fā)數(shù)條件下，本文系統(tǒng)的運行時間均較短，能在10 s以內快速完成系統(tǒng)運行，且服務器對事務吞吐量也能夠滿足用戶需求，由此驗證了本文系統(tǒng)具有很好的負載能力，能夠滿足實際需求。

將本文系統(tǒng)的運行效率與文獻[5]、文獻[6]進行對比，結果如圖4所示。

分析圖4可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，本文系統(tǒng)的運行效率始終處于90%左右，且波動較小，文獻[6]系統(tǒng)的運行效率相對較高，在80%左右，運行效率最低的是文獻[5]系統(tǒng)。在系統(tǒng)運行10 s的時候，文獻[5]系統(tǒng)的運行效率高于文獻[6]，但其他時間內文獻[5]系統(tǒng)的運行效率最低，平均在60%左右，且波動幅度較大，運行不穩(wěn)定。

根據上述分析可以看出，本文系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定，且運行效率高，這是因為本文系統(tǒng)設計過程中，對每個模塊中的有效數(shù)據均有緩存，這樣在系統(tǒng)需求發(fā)送后，若存在滿足系統(tǒng)需求的數(shù)據，則無需進行新一輪的數(shù)據采集和計算，由此大大提高了系統(tǒng)運行效率。

5? 結? 論

虛擬現(xiàn)實是借助人工手段，通過計算機建模和計算，模擬出一個虛擬環(huán)境，從而使人感受真實場景的技術。虛擬現(xiàn)實技術在現(xiàn)代建筑景觀建設中發(fā)揮著重要的作用。本文提出并設計了基于VR技術的建筑景觀特征三維整合仿真系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)硬件結構和軟件結構設計方法，通過建筑景觀數(shù)據采集、數(shù)據處理、特征查詢、匹配和整合，完成了系統(tǒng)設計。實驗結果表明，本文設計系統(tǒng)具有較好的負載能力和運行效率，能夠滿足實際需求，具有較好的性能。

然而，本文研究仍舊存在一些不足，對建筑景觀特征的定義不夠具體，在接下來的研究中，還需要針對特征進行更為詳細的分析，以獲取更加精準的結果。

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