虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的城市景觀仿真系統(tǒng)建構(gòu)

李暢　王慧

摘? 要： 為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用中存在的開放性差、技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較大、成本投入較大等技術(shù)弊端，提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建構(gòu)城市景觀仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)新思路。分析系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)，包括三維城市景觀可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提出城市景觀仿真系統(tǒng)建設(shè)總構(gòu)思，并分析景觀三維仿真及其規(guī)劃。建立城市景觀三維模型庫，運(yùn)用OSG渲染、實(shí)現(xiàn)漫游、場(chǎng)景優(yōu)化等技術(shù)，成功構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的城市景觀仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)攝影測(cè)量、GIS、可視化、海量數(shù)據(jù)處理、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等多技術(shù)集成，從而讓用戶能夠設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，更真切地感受空間設(shè)計(jì)的合理性，以及規(guī)劃方案可行性，真正為城市在下一階段的規(guī)劃及可持續(xù)發(fā)展，提供可靠的現(xiàn)代化技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞： 城市景觀; 仿真系統(tǒng); 系統(tǒng)構(gòu)建; 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 三維仿真; 三維建模

中圖分類號(hào)： TN957.52?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）20?0175?04

Construction of urban landscape simulation system under virtual reality technology

LI Chang1， WANG Hui2

（1. Xian University of Architecture and Technology Huaqing College， Xian 710043， China;

2. Xian Innovation College of Yanan University， Xian 710000， China）

Abstract： A new design philosophy of constructing urban landscape simulation system based on virtual reality technology is proposed to solve the technological disadvantages of poor openness， difficulty in technology realization and high cost investment in the traditional system platform application. The key technologies of system construction， including 3D urban landscape visualization and virtual reality technology， are analyzed， the general conception of urban landscape simulation system construction is proposed， and the 3D landscape simulation and planning are analyzed. The 3D model library of urban landscape is established， and the urban landscape simulation system based on virtual reality technology is successfully constructed and implemented by means of the OSG rendering technology， roaming， scene optimization and other technologies. The system can realize multi?technology integration， such as photogrammetry， GIS， visualization， mass data processing and virtual reality technology， which allows user to use the designed system to more real feel the space design rationality and planning feasibility. It provides reliable modern technical support for the next stage of urban planning and sustainable development.

Keywords： urban landscape; simulation system; system construction; virtual reality technology; 3D simulation; 3D modeling

0? 引? 言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）從技術(shù)本質(zhì)來講，作為一個(gè)能夠創(chuàng)造并形成真實(shí)體驗(yàn)感的虛擬世界，主要基于計(jì)算機(jī)技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的一種仿真系統(tǒng)。那么城市虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仿真系統(tǒng)，則需要綜合運(yùn)用遙感、虛擬、仿真等多種先進(jìn)技術(shù)，做到多尺度、高分辨率、多類型、多時(shí)空的完整三維描述，從而做到對(duì)城市地形地貌、建筑、道路、交通等各方面的模擬呈現(xiàn)，也作為對(duì)于城市真實(shí)情況的客觀反映和數(shù)字化認(rèn)知，所以在近年來作為研究界普遍重視的研究課題。除了要求虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以達(dá)到城市的真實(shí)再現(xiàn)，還要求能夠運(yùn)用城市VR詳細(xì)分析不同類別空間信息，能夠?yàn)槌鞘蟹植?、建筑結(jié)構(gòu)、園林設(shè)計(jì)、時(shí)空位置、光照、道路、渲染與噪聲等各方面提供有力決策支撐，實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)、合理的城市管理，從而促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。如今國內(nèi)外有諸多研究探索城市VR仿真系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)，譬如VRML，Creator，WTK，OpenGL等，但是這些都無法真正滿足建構(gòu)城市景觀仿真系統(tǒng)的技術(shù)所需，包括海量數(shù)據(jù)量、開放性、技術(shù)水平、性價(jià)比極高的硬件標(biāo)準(zhǔn)等。因此，文中所展開基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的城市景觀仿真系統(tǒng)構(gòu)建研究意義重大。

1? 關(guān)鍵技術(shù)概述

1.1? 三維城市景觀可視化技術(shù)

在城市地形建模過程中，通過運(yùn)用可視化區(qū)域地形地貌，根據(jù)建模算法完成城市區(qū)域連續(xù)地形變化起伏，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地形的真實(shí)反映。目前以數(shù)學(xué)高程模型最為常用。DTM作為數(shù)字地面模型，通過運(yùn)用數(shù)字形式完成地形地物的信息存儲(chǔ)總和，所表示的地形表面形態(tài)多為信息模型，并且與不同研究領(lǐng)域所需相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)地形、非地形兩類信息特性結(jié)合。建立DTM模型能夠?qū)Φ乇韱卧臻g位置、地形屬性有序集合，并符合具體地理范圍數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。隨著GIS技術(shù)迅速發(fā)展，也促進(jìn)了DTM模型產(chǎn)品的飛速發(fā)展，提供了GIS可以實(shí)現(xiàn)城市空間分析、輔助性決策的操作型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。尤其近年來實(shí)施的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，也創(chuàng)造了GIS技術(shù)的發(fā)展空間。目前地形表面建模主要包括基于點(diǎn)、三角形、網(wǎng)格等三種建模方法，一般集中于基于點(diǎn)的地形建模。

對(duì)于城市來說大規(guī)模地形數(shù)據(jù)通常會(huì)產(chǎn)生幾千兆甚至更多字節(jié)，通過將多層次結(jié)構(gòu)物體用于場(chǎng)景描述，可以采用多模型表達(dá)，關(guān)鍵就是模型所表達(dá)的細(xì)節(jié)程度，即LOD模型繪制算法，能對(duì)繪制效果不影響的前提下，逐一簡(jiǎn)化景物細(xì)節(jié)，降低效果復(fù)雜性，同時(shí)也提高了繪制效率，以及圖像的生成速度。

1.2? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

在基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）城市仿真系統(tǒng)中，作為對(duì)于真實(shí)城市及相關(guān)現(xiàn)象的數(shù)字化統(tǒng)一創(chuàng)新認(rèn)知，可以直觀且全方位為用戶提供具有真實(shí)感的場(chǎng)景現(xiàn)象及具體信息。城市VR仿真系統(tǒng)能夠起到沉浸性、想象力、交互性等多項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)中的城市VR景觀仿真系統(tǒng)作為研究對(duì)象，往往具有大范圍、海量、周期長和技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較大等特點(diǎn)，所以在城市VR景觀仿真系統(tǒng)建設(shè)中，需要遵循圖1所示的技術(shù)流程。

1） 數(shù)據(jù)、資料的準(zhǔn)備更新階段，通過大量收集城市VR仿真系統(tǒng)建設(shè)所需的數(shù)據(jù)、影像、線劃圖、有關(guān)資料及所要更新的數(shù)據(jù)。

2） 結(jié)合系統(tǒng)主要運(yùn)用的GRID，TIN建模方法，能夠生成有利的數(shù)字化高程模型，并形成城市VR系統(tǒng)所需模型圖。

3） 完成地表建模，通過構(gòu)建城市地標(biāo)模型所需的三維建模，可以結(jié)合實(shí)際所需，決定是否可以建設(shè)細(xì)節(jié)層次型建模以及紋理建模技術(shù)方法。

4） 系統(tǒng)合成發(fā)布，通過在城市VR系統(tǒng)中集中發(fā)布景觀地形、地表物體模型，從而完成專業(yè)化開發(fā)及系統(tǒng)性能優(yōu)化。

2? 城市VR景觀仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提出基于OSG三維仿真支撐平臺(tái)，有效拓寬了OSG功能，所提出的二次平臺(tái)開發(fā)仿真系統(tǒng)平臺(tái)，其功能目標(biāo)主要是保證用戶在短時(shí)間內(nèi)，便可成功掌握并相對(duì)容易高效地開發(fā)仿真系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)本次城市VR景觀仿真系統(tǒng)時(shí)，主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)性能包括以下幾個(gè)方面：

1） 作為標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景圖結(jié)構(gòu)，可以支持剪裁景觀視頻，重視景觀建筑結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)度，以及排序延后的可更新狀態(tài)算法，能夠支持快速拓展路徑和數(shù)據(jù)庫仿真優(yōu)化;

2） 能夠?qū)penGL拓展功能充分支持，實(shí)現(xiàn)OpenGL 1.1至OpenGL 2.0功能拓展，合作開發(fā)GLSL語言，并且支持超過34種的標(biāo)準(zhǔn)二維圖像、三維數(shù)據(jù)圖形等文件格式;

3） 可以達(dá)到粒子系統(tǒng)效果并支持True Type字體，無縫支持緩沖區(qū)物體、幀緩沖區(qū)，能夠在多線程系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中載入所有城市景觀二維、三維圖像，并支持用戶可以瀏覽三維大型1 024 GB數(shù)據(jù)庫;

4） 封裝整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)核，成功實(shí)現(xiàn)全部編程語言均經(jīng)統(tǒng)一系統(tǒng)訪問接口并存取至內(nèi)核類型，可以滿足大規(guī)模城市VR仿真與高性能CPU;

5） 可以在Windows系統(tǒng)、iOS系統(tǒng)、SGI IRIX系統(tǒng)、Free BSD系統(tǒng)中均實(shí)現(xiàn)操作。

2.2? 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

圖2為本次設(shè)計(jì)的城市VR景觀仿真系統(tǒng)平臺(tái)。

2.3? 系統(tǒng)各功能模塊實(shí)現(xiàn)

1） 在運(yùn)用3ds MAX建模及輸出、Maya及輸出等模塊，完成本次系統(tǒng)仿真時(shí)，需要明確具體需求計(jì)劃，并構(gòu)架仿真場(chǎng)景，完成動(dòng)畫建模軟件修改，導(dǎo)出至場(chǎng)景編輯器中，即可成功實(shí)現(xiàn)各類景觀仿真所需屬性。

2） 場(chǎng)景編輯器模塊中，經(jīng)該模塊能夠構(gòu)建城市景觀仿真場(chǎng)景，賦予本來單一的城市景觀擁有仿真屬性，如Switch節(jié)點(diǎn)、LOD、物理屬性、碰撞等工作流程，如圖3所示。

3） 仿真核心工作模塊中，主要作為基于OSG的仿真三維工作核心，負(fù)責(zé)完成部分內(nèi)核仿真任務(wù)調(diào)度，完成核心圖形工作，從而實(shí)現(xiàn)外圍仿真模塊協(xié)同工作。

4） 仿真數(shù)據(jù)庫管理模塊，作為密切關(guān)聯(lián)仿真系統(tǒng)的重要組成，需要經(jīng)該模塊完成仿真數(shù)據(jù)的讀取和保存。通過連接硬盤能夠是吸納物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存之間的動(dòng)態(tài)化交換功能。

5） 仿真算法模塊，能夠提供目前在仿真技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)尤為常見且應(yīng)用頻率較高的算法。通過設(shè)計(jì)該功能模塊可以滿足系統(tǒng)開發(fā)者和用戶，無需自己重復(fù)編寫算法，只需調(diào)用程序函數(shù)即可完成。

6） 大規(guī)模地形模塊。目前大規(guī)模地形及數(shù)據(jù)處理面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，可以通過建立OSG三維仿真平臺(tái)，建立塊狀地形分割及降解模塊，并實(shí)現(xiàn)地形為處理單位量，所提供的數(shù)值精度處理方式。

7） 各類仿真特效模塊。對(duì)于自然界所存在的各類下雨、下雪、太陽、燈光等不同天氣和光斑的情況下城市景觀仿真效果模塊，為用戶創(chuàng)造更生動(dòng)的系統(tǒng)仿真效果。

8） 集群仿真及網(wǎng)絡(luò)通信模塊，該模塊能夠直接連接HLA主機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地分布，或運(yùn)用所在協(xié)議局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)仿真。不僅可以大幅度延展虛擬仿真的計(jì)算綜合能力，還能夠創(chuàng)造更可靠的虛擬環(huán)境，以及實(shí)現(xiàn)高效快捷的網(wǎng)絡(luò)通信。

9） 多通道視覺仿真模塊，主要為了能夠充分提升系統(tǒng)平臺(tái)仿真效果，創(chuàng)造更開闊的用戶操作視野而設(shè)計(jì)。通過運(yùn)用高端顯示360°立體環(huán)幕技術(shù)，運(yùn)用了雙通道、三通道仿真，模擬性價(jià)比較高，再加上VR技術(shù)互動(dòng)，能夠真正給用戶帶來沉浸式體驗(yàn)，并且該模塊還具備了多軟件邊緣融合功能。

3? 城市VR景觀仿真三維數(shù)據(jù)庫

3.1? 建立地形模型

結(jié)合現(xiàn)有三維數(shù)據(jù)庫軟件，在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選定了Multigen Greator與3ds MAX技術(shù)結(jié)合建模。那么在城市地形建模過程中，可以結(jié)合不同地理對(duì)象空間分布特點(diǎn)，劃分為以樹木、道路、建筑等為主的離散實(shí)體特征;與城市地形地貌場(chǎng)景基礎(chǔ)的連續(xù)性特征。選擇Multigen Greator建模工具，首先完成Openflight地形文件制作之后，轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)高程數(shù)據(jù)，形成Cerator數(shù)字高程數(shù)據(jù)格式，并且與城市地形地貌、面積、精細(xì)化程度、運(yùn)用范圍和硬件配置等，結(jié)合多因素選擇地形轉(zhuǎn)換算法，合理設(shè)置參數(shù)并完成地形創(chuàng)建處理。

3.2? 三維建模

在三維建模過程中主要包括兩大組成部分，分別為景觀建筑群模型庫、紋理模型庫。本小節(jié)主要對(duì)景觀建筑群模型庫進(jìn)行重點(diǎn)探討，包括建筑物構(gòu)建、交通、公共設(shè)施、建筑物、植物等三維模型符號(hào)與綠地、水體、建筑材料和道路等材質(zhì)構(gòu)成的三維符號(hào)庫，共同組合形成了三維模型。對(duì)于實(shí)際城市中存在的多數(shù)不規(guī)則體，通過運(yùn)用透明紋理映射技術(shù)，能夠經(jīng)紋理、融合兩種技術(shù)，獲得透明、半透明式不規(guī)則區(qū)域，如圖4所示。

3.3? 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

如今系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理主要包括了SQL Server，Oracle，DB2等，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用了SQL Server技術(shù)，成功建立城市VR仿真系統(tǒng)三維空間數(shù)據(jù)庫。為了能夠提高用戶的模型查看等待時(shí)間，并滿足實(shí)時(shí)顯示技術(shù)需求，分開顯示三維仿真模型的幾何、紋理數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行幾何數(shù)據(jù)傳輸并渲染，之后選擇紋理數(shù)據(jù)，并且還可以對(duì)于兩類數(shù)據(jù)完成分開建立表格文件進(jìn)行存儲(chǔ)。接下來以該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的代碼用例展示如下：

CREATE TABLE ′NewTable′ （

′id′ int NOT NULL AUTO_INCREMENT ，

′name′ varchar（10） CHARACTER SET utf8 NOT NULL ，

′age′ decimal（6，4） NOT NULL ，

′img′ blob NULL ，

PRIMARY KEY （′id′）

DEFAULT CHARACTER SET=utf8

DESC? NewTable;

——修改表元素

ALTER TABLE NewTable

MODIFY COLUMN ′name′ varchar（30），

MODIFY COLUMN ′name′ DECIMAL（6，3）;

——修改列名

ALTER? TABLE ′user1′

CHANGE dept deptId? VARCHAR（10）

——添加行

ALTER TABLE NewTable

ADD COLUMN ′sexId′ CHAR（1） not NULL;

——?jiǎng)h除行

ALTER TABLE NewTable

DROP COLUMN′sexId′;

——?jiǎng)h除表結(jié)構(gòu)

drop table′USER1′;

select CURDATE（） from DUAL;

DESC newtable

select*from′newtable′

3.4? 數(shù)據(jù)庫調(diào)用

對(duì)于用戶處于較高視點(diǎn)位置的情況，一般會(huì)形成模糊觀察物，那么隨著逐漸降低視點(diǎn)，則可以形成逐漸清晰的觀察體。在建構(gòu)本次VR景觀仿真系統(tǒng)時(shí)，需要保證選擇合適的視點(diǎn)高度閾值，并提高三維繪制速度。對(duì)于觀察視域具體范圍加以確定后，可以經(jīng)數(shù)據(jù)庫對(duì)條件模型ID進(jìn)行檢索，并根據(jù)相應(yīng)的ID號(hào)完成數(shù)據(jù)下載。由于存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小數(shù)據(jù)局限，所以需要完成部分?jǐn)?shù)據(jù)讀取后，直接顯示給用戶縮減時(shí)間。

4? 結(jié)? 語

建立城市VR景觀仿真系統(tǒng)，作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市VR的關(guān)鍵組成部分，同樣也作為一項(xiàng)需要不斷為之努力的復(fù)雜工作。本次研究運(yùn)用OSG渲染、實(shí)現(xiàn)漫游、場(chǎng)景優(yōu)化等技術(shù)，成功構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的城市景觀仿真系統(tǒng)，能夠真正為用戶提供生動(dòng)、直觀、真實(shí)的城市景觀，豐富用戶體驗(yàn)。

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