基于虚拟现实技术的公共环境设计系统设计

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　　摘  要： 针对传统城市公共环境系统设计过程中效果差、建模等问题，提出基于虚拟现实技术的城市公共环境设计系统。首先，对虚拟现实技术的系统设计技术进行分析，主要包括几何特征、三维模型、对象几何模型、自动三维建模和立体显示技术等;之后，通过CAD和3ds MAX软件设计基于虚拟现实技术的城市公共环境系统，实现建筑物单体精确建模与场景合并。通过相应比例将城市数据信息融合到虚拟空间坐标系中，从而设计虚拟场景，并且给出城市环境虚拟三维模型。在三维模型创建后，设计人机交互功能和仿真模块，实现交互漫游、自动漫游、自主漫游、实时导航和信息查询。最后，对系统使用的效果进行分析，对比规划方案。表示所设计的城市公共环境系统能够满足实际使用需求，充分展现主要地段建筑物、城市地形地貌和三维轮廓。
　　关键词： 公共环境设计; 系统设计; 虚拟现实技术; 三维建模; 数据融合; 仿真实验
　　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
　　在中国经济不断发展的过程中，人口城市化为不可逆转的趋势。城市市容与市民生活质量和公共环境、道路网络、建筑物外观等设计方案具有密切关系，从而使城市规划和人们生活具有密切关系。其本质是城市发展过程中人们为了维持良好公共环境与秩序，对于生活空间要素的整体考虑、处理和设计，使未来空间安排需求得到满足。所以，通过直观且便于理解的方式充分呈现此意志，对于城市规划方案评估与设计具有重要意义。传统城市规划设计主要是利用实体模型、三维动画与效果图充分展现方案视觉效果与周边环境是否和谐相融。三维动画是在计算机技术发展过程中，逐渐地应用到国内。此表现手段存在部分不足，模型的立体感比较强，但是无法使用户通过正常人视角充分感受建筑空间，无法得到未来城市中人真正的感受。虽然效果图能够表现正常视点视觉效果，但是只是提供静态、局部视觉体验，立体感不如模型。虚拟现实技术创新了传统展示手段局限性，在城市规划过程中，虚拟现实技术能够提供基于真实数据的三维可视化环境，使设计师在此种交互式三维场景中比较、考察与修改规划方案[1]。另外，还能够对城市建设管理人员、公众、规划决策人员展现设计方案，在专业与非专业的人士之间创建桥梁，此优势是其他传统表现手法无法比拟的。
　　1  虚拟现实的技术分析
　　城市规划主要包括分区规划、总体规划、专项规划、详细规划，不管是哪个层次规划设计，路网为不可缺少的元素。所以，以道路对象为例，对关键技术实现细节进行详细的分析。 　　1.1  几何特征分析
　　在进行设计的过程中，设计道路能够实现控制，主要包括道路标高、道路红线、道路板型等控制，不考虑部分的细部特征，比如道路加宽、横坡与超高等。以此，使现实复杂的道路形状根据平面线与竖曲线类型简化成为直线平面型、直线曲面型、曲线平面型、曲线曲面型。图1为平面线框的显示。
　　1.2  三维模型分析
　　对于任何类型道路来说，都能够使其创建成为3D道路面片划分成为图2所示的道路三维模型。
　　行车道路面：道路模型中主导面，通过道路竖曲线与平曲线所决定;
　　人行道路面：和行车道路面走向相关，比行车道面高;
　　垂直缝合面：连接人行道路与车行道路，道路红线与场地垂直封闭。
　　1.3  对象几何模型
　　利用上述所得到的道路特征和道路三维模型分析表示，只是使道路行车道路面几何建模问题解决，在行车道人行道路面依附的建模问题进行解决，研究重点是道路行车道的路面几何构面。
　　几何构建属于通过一个多三角面片拟合生成对象的表面问题，针对直线平面型的道路，通过三角面片能够实现行车道路面生成[2]，详见图3a）。
　　对于直线曲面型道路要能够离散道路中心线，针对每个离散点要通过道路竖曲面收集标高;然后通过中心线离散段数，离散行车道边线实现相同离散点数量的生成，并且赋予和中心线相互对应离散点的标高，最后分段构面，实现生成道路行车道曲面的拟合，详见图3b）。
　　针对曲线平面型、曲线曲面型的道路，要使离散中心点和行车道边线结合实现，不同的就是曲线平面型道路利用道路端点标高中的差值实现离散点标高的生成，曲线曲面图利用道路竖曲面收集离散点标高，详见图3c）。
　　1.4  立体显示技术
　　立体显示技术为虚拟现实技术的重点，假如能够在虚拟场景中立体显示，就要得出满足三维特征的虚拟立体图像树，并且根据传统三维图像生成方法生成左右片。因为左右片图像具有较强的相关性，以此能够利用此特征实现立体片快速算法。
　　假如场景左右片对中的F（x，y，z），成像为P1（x1，y1），pr（xr，yr），以此得出视差d为：
　　式中：D为左右焦点间距;d为两眼的视差;f为焦距。线对左右眼视点向量与矩阵变换计算，并且计算左眼图，保证左右片的真实性。
　　1.5  自动三维建模机制
　　利用上述道路特性分析与创建的构面模型，能够通过系统自动实现道路对象三维建模工作：
　　1） 道路平面线。主要包括两条行车道边线、道路红线，此数据为指定规划总图阶段;
　　2） 道路竖向信息。通过道路端点标高与道路竖曲线，此数据在竖向设计过程中要制定;
　　3） 道路离散间距。通过系统默认值提供，能够更改，图4为道路三维建模的流程。
　　2  基于虚拟现实技术的城市公共环境设计
　　2.1  系统的总体设计流程
　　图5为系统的总体设计流程，充分收集城市建筑物数据与布局信息，利用AutoCAD与3ds MAX软件实现建筑物单体精确建模和场景合并，能够得到满足漫游功能的虚拟城市场景。在实现场景建模之后，设计用户和城市场景交互功能。系统整体交互是利用鍵盘与鼠标进行控制，主要功能包括视点控制直接交互与利用软件界面间接交换[3]。
　　2.2  虚拟场景的设计
　　城市中的数据信息要通过相应的比例在虚拟空间坐标系中融入，以此真实地模拟城市环境。目前，大部分设计都是通过AutoCAD建模软件实现，从而创建城市真实建筑布局与楼盘方位，实现三维建模步骤为：
　　1） 通过AutoCAD建模软件实现城市环境原始模型分类创建，使完成CAD平面图到3ds MAX建模软件的导入，通过3ds MAX软件焊接、修剪，从而实现墙体轮廓线条封闭处理。
　　2） 使用绘图大师SketchUP填充城市建筑虚拟模型，并且对模型进行完善，使模型具有立体化三维特性。在创建城市居民区虚拟模型之后，利用场景绘制技术，使三维模型逼真程度得到提高。
　　3） 城市环境虚拟场景渲染，通过OpenGL文件插件对空间场景进行渲染，提高其逼真效果。一般都是利用城市建筑实现小空间场景的划分，依次地实现场景渲染工作。
　　4） 根据设计方案的不同实现城市虚拟三维模型数据库的创建，并且对比不同的规则方案优劣性，以此选择出最优的设计方案[4]。图6为城市环境虚拟三维模型。
　　2.3  人机交互功能
　　在创建城市环境三维空间模型之后，在可视化交互平台导入虚拟空间场景，使计算机和用户能够实时的交互。本文通过基于文本格式的VRMLPAD三维仿真平台及可视化观看设备、专业化的输入接口，使用户与虚拟现实能够互感交流，以此使体验者利用人体感官感知三维环境。三维仿真平台中具有节点，能够融合城市感应区域中的场景，以此使用户在各个场景中都能够即时的漫游与预览。虚拟现实系统中的自由漫游是通过所设置的城市环境区域漫游路线，通过自身佩戴VR设备使虚拟场景能够自动化的漫游。在漫游实时导航图创建过程中，将场景最大顶点进行合并，然后通过VR?platform能够抓取场景导航图的轮廓[5]。图7为虚拟现实系统中人机交互的步骤。
　　2.4  仿真模块的设计
　　利用一致数据交互接口，仿真模块能够无损接收设计数据，通过渲染引擎仿真三维规划场景，主要功能包括：
　　1） 通过鼠标、键盘的控制实现三维场景自由的漫游，在任何位置、角度都能够观察三维场景，以此动态、实时地开展环境融合分析与定性定量空间分析;
　　2） 通过太阳光、环境光到对象纹理贴图、几何图形与颜色材质，全部系统级与对象级的属性都能够实现编辑修改; 　　3） 利用高效剔除算法、合理LOD层级设置、同类聚集算法实现渲染引擎;
　　4） 系统能够实现三维动画的效果图、视频输出等，将设计意图充分的展现出来[6]。
　　2.5  交互漫游功能
　　为了无缝对接3ds MAX软件，使用VR?Platform三维互动仿真平台[7]。
　　2.5.1  自动漫游
　　在VRP中利用动画相机开展自动漫游，在VRP中导入场景，以预先设计路线作为系统录制城市场景的介绍动画，从而开展自动化的漫游。利用动画相机进行自动漫游。
　　实现汽车行驶路径约束动画的制作。创建跟随相机，将其作为用户视点在车身中绑定，此相机跟着汽车路径观察。自动漫游能够避免用户操作的干扰，便于对城市场景进行观察。因为预先设置此漫游路径，限制用户的位置改变，所以灵活度比较弱[8]。
　　2.5.2  自主漫游
　　自主漫游是指利用用户对键盘、鼠标进行操作，以自身的兴趣和需求对第一人称视点控制开展漫游，交互性与灵活性比较强。此种漫游方式就是利用视线方式改变与移动视点位置所出现的三维动画过程，系统通过用户输入控制信息改变参数，实现场景的重新绘制。
　　VRP坐标系和3ds MAX一样，使用z轴向上的左手坐标系，并且具备八种不同类型运动方式[9]。
　　2.5.3  实时导航
　　交互漫游能够使用户随意地在虚拟场景中自由行走，使漫游盲目性有所提高，使用户沉浸在场景细节中，能够抓住场景的重点，使漫游效率得到提高。以此，将实时导航图设置到系统中，使用户精准掌握自身位置，通过二维、三维信息联动浏览方式，全面认知城市景观规划的情况[10]。在三维场景中实现实时导航图的创建，利用3ds MAX对场景最大和最小的顶点坐标进行创建，利用VRP高精度抓图功能对场景顶视图截图作为导航图轮廓。通过试验表明，导航图能够精准实时地将用户的方位展现出来，用户对导航图中任意一点的位置进行单击，实现相应地理位置的快速切换，提高漫游效率，增强虚拟城市系统的交互性[11]。
　　2.5.4  信息查询
　　信息查询能够实现城市的扩展，真实三维模型能够创新用户的感官体验，便于虚拟校园操作系统的操作。基于负载三维场景进行交互式空间信息的查询，以此为虚拟现实系统利用展示功能朝着实用功能转变提供基础。实用功能基于三维可视化城市规划的管理系统，要求具备城市建筑和规划的设计信息管理，比如创建属性、信息的动态查询等[12]。真实三维数字模型重建之后，能够以规划设计区域区块，逐一对城市建筑物实现属性数据库的创建。通过建筑物模型属性数据库的添加，能够实现空间信息的查询，在用户漫游在场景中，选择任意建筑物能够通过数据库查询相应文字性的介绍，比如建筑特点、用途等，并且介绍部分的标志性建筑，提高用户对于建筑物的真实认知，使漫游过程与周围的环境交互得到提高[13]。
　　3  系统的使用效果
　　在实践过程中，因为虚拟现实技术复杂性与对于软件、硬件的要求，最终创建系统主要功能，重点为直观显示与查询处理，没有达到沉浸式漫游。显示功能包括旋转、缩小、放大、动画等。系统查询功能在属性数据查询方面展现，以数据库信息查询选中目标信息，比如建筑名称、面积、建成时间等[14]。
　　就展示的效果来说，此系统能够将城市地形地貌、主要地段建筑物、城市空间的三维轮廓充分展现出来，将城市面貌充分的显示，帮助使用者对城市视觉效果评估。另外，还能够对比规划方案[15]。城市二维导航如图8所示。属性数据的查询如图9所示。
　　4  结  语
　　虛拟现实技术应用到城市公共环境规划与设计中，能够使城市规划水平得到提高，促进数字城市建设。在GIS技术、VR技术、网络技术与计算机技术不断发展的同时，虚拟现实技术为了保证城市规划和发挥设计科学性具有重要作用。在虚拟现实技术不断发展的过程中，还有部分问题需要解决。目前，虚拟现实技术在国内规划领域中使用并不深入。所以，就要尽快地创建数据处理与信息管理虚拟现实技术体系标准。
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