虛擬現(xiàn)實技術在城市規(guī)劃中的應用研究

梁智杰　梁照

摘要：當前我國城市規(guī)劃和建筑設計方案審核過程中，主要是采用實體模型、靜態(tài)渲染效果圖或計算機三維動畫來考察其視覺效果和與周圍環(huán)境的協(xié)調關系；該文在分析了上述表現(xiàn)手段不足之處的基礎上，提出了將虛擬現(xiàn)實技術應用于城市規(guī)劃領域的優(yōu)勢及必要性，并以西南科技大學新區(qū)校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)為實例研究了虛擬現(xiàn)實技術在校園規(guī)劃中的具體應用。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術；城市規(guī)劃；場景建模；交互漫游

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）02-0391-06

隨著中國經(jīng)濟的騰飛，人口城市化已經(jīng)成為不可逆轉的趨勢。城市市容及市民的生活質量在很大程度上取決于公共環(huán)境、建筑物的外觀、道路網(wǎng)絡等設計方案，這些使得城市規(guī)劃成為當前與人們生活息息相關的重要工作；其本質是在城市的發(fā)展過程中人們?yōu)榱司S持良好的公共環(huán)境和秩序對生活空間各種要素進行整體的考慮、設計和處理，來滿足對未來空間安排的意志。因此，利用直觀且易于理解的方式將這種意志呈現(xiàn)出來，對城市規(guī)劃的設計、方案評估有著重要的意義。

傳統(tǒng)的城市規(guī)劃設計，主要是通過實體模型、效果圖或三維動畫來表現(xiàn)其方案的視覺效果和與周邊環(huán)境是否和諧相融。其中三維動畫是隨著計算機技術的發(fā)展，從1992年在國內逐步展開應用的[1]。這些表現(xiàn)手段都或多或少存在一些不足：模型具有立體感強的特點，但無法使用戶以正常人的視角來感受建筑空間，無法獲得未來城市中人的真正感受；效果圖雖然能表現(xiàn)正常視點的視覺效果，但只是提供了局部、靜態(tài)的視覺體驗，立體感不如模型；計算機動畫具有較強的三維動態(tài)表現(xiàn)力，但不具備實時的交互性，人是被動的觀察者，且觀察路線的改變和方案細節(jié)的修改這些細微的變動都要重新進行計算，幾天甚至幾周后才能看到其結果[2]。

虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)一舉打破了傳統(tǒng)展示手段的局限性，虛擬現(xiàn)實技術在城市規(guī)劃中的主要功能有：提供一個基于真實數(shù)據(jù)的三維可視化環(huán)境，讓設計師在這種交互式三維場景中考察、比較和修改規(guī)劃方案。同時，向城市建設管理人員、規(guī)劃決策者以及公眾展示其設計方案，在專業(yè)人士和非專業(yè)人士之間架起了一座溝通的橋梁。這些優(yōu)勢是其它傳統(tǒng)表現(xiàn)手段所無法比擬的。

可以想象，虛擬現(xiàn)實技術的加入可以使城市規(guī)劃設計在成果質量和技術手段等方面邁上一個新臺階，但目前虛擬現(xiàn)實技術還處在初期研究階段 ，尚未真正融入到規(guī)劃師的日常工作中去，有許多現(xiàn)實的問題制約著該技術在城市規(guī)劃領域中推廣應用。

1 城市規(guī)劃的現(xiàn)狀及問題

城市規(guī)劃，是一門自古就有的學問。從工匠師一磚一瓦試探性地建造房屋，到后來用手工繪圖來表示建筑的造型和結構。隨著科學技術的不斷發(fā)展和提高，傳統(tǒng)的工程圖紙和沙盤模型逐漸退出了歷史舞臺，取而代之的是計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）。然而，在信息時代下，城市規(guī)劃領域仍然面臨著一系列的問題：

1） 由于城市規(guī)劃的關聯(lián)性和前瞻性要求較高，在規(guī)劃過程中需要考慮各個建筑與周圍的環(huán)境是否和諧相融，只有從總體規(guī)劃到建筑設計，在各個階段以可視化的方式對未來環(huán)境進行描繪，才可以有效保證城市規(guī)劃最終的成功；城市規(guī)劃一直都是對全新可視化技術需求最為迫切的領域之一[3]。

2） 建筑設計人員，特別是設計經(jīng)驗較少的設計師，因為對CAD平面圖認識的局限性，很容易忽視一些空間上的問題，從而導致設計上的失誤。如何使設計階段的問題在設計過程中就暴露出來，使設計過程變得清晰明了一直是設計師們渴望解決的問題。

3） 專業(yè)設計人員和非專業(yè)人士之間存在溝通障礙。建筑市場的競爭激烈是長期的事實，現(xiàn)代建筑工程項目的事實，客戶處于絕對有利的地位。設計師通過CAD或3dsMax工具對建筑物進行詳細地設計和建模，制作出效果圖或三維仿真動畫，客戶可以在觀看過程中針對不足提出修改意見。這種方案雖然具有較強的三維表現(xiàn)力，但卻不具備實時的交互性，客戶很難置身于虛擬環(huán)境中完全體會設計師的意圖。而且由于方案的修改需要重新計算，往往到幾天甚至幾周后才可以看到結果，基本上不能及時輔助規(guī)劃師動態(tài)推敲和調整方案。

基于以上原因，城市規(guī)劃領域急需一項新技術的加入來解決這一系列問題。這項技術正是虛擬現(xiàn)實。

2 虛擬現(xiàn)實技術與其它展示方式的比較

當前城市規(guī)劃行業(yè)中應用較多的有三維動畫技術、沙盤模型和渲染效果圖等方式，以下逐一進行比較分析。

2.1 三維動畫技術

近年來，隨著CAD技術的普及，使得城市規(guī)劃可以利用計算機進行三維模擬。特別是3dsMax軟件的廣泛應用，城市的三維空間可以用效果圖和三維動畫表示。然而，效果圖只能提供局部空間的靜態(tài)視覺體驗，三維動畫雖然具有較強的動態(tài)表現(xiàn)力，卻不具備實時交互性。

2） 面向公眾的方案展示。一個城市規(guī)劃設計方案最終的確定是受多方面影響的，采用計算機生成可實時交互的三維環(huán)境，使項目設計人員、施工人員、政府的規(guī)劃部門甚至公眾通過統(tǒng)一的仿真環(huán)境進行意見交流，在專業(yè)人員和非專業(yè)人員之間架起一座溝通的橋梁，使公眾更加詳細地了解城市規(guī)劃者的設計思路；同時還可以在各個部門之間達成共識來解決設計中存在的缺陷，更好地驗證設計的科學性和可行性。

3） 三維空間信息交流。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在帶給用戶逼真、強烈視覺沖擊的同時，可以通過與數(shù)據(jù)庫連接實現(xiàn)信息查詢功能。城市規(guī)劃過程中，設計師在三維環(huán)境中獲取項目的數(shù)據(jù)信息，可在大型復雜工程項目的設計規(guī)劃、投標、施工管理過程中獲得極大的便利。同時，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)還可借助Internet，利用GIS技術建立虛擬城市，實現(xiàn)三維空間的遠程控制。

3 基于虛擬現(xiàn)實技術的城市規(guī)劃應用實例開發(fā)

“虛擬西科大”是將平面校園規(guī)劃圖拓展為三維空間，對校園中已經(jīng)建成和待建的場館、景觀進行模擬。系統(tǒng)可以逼真、形象地展示校園環(huán)境和自然文化風貌，來訪者可以按既定路線參觀校園和在場景中隨意走動，碰到物體會有碰撞感應。為了能夠真實地反映校園狀況，最終虛擬校園系統(tǒng)在功能上應達到以下要求：

1） 具有真實感。構建一個真實的反映西南科技大學校園風貌的真實場景，要求能對整個新區(qū)進行鳥瞰，訪問者可以通過鼠標、鍵盤改變視點位置，隨意選擇參觀校園景觀的漫游路線；也可以按照設定的路線自動進行場景漫游；同時也要表現(xiàn)出校園生活中生機盎然的一面，比如添加行駛的汽車、交談的人群來增強校園場景的真實氛圍。

2） 碰撞檢測。系統(tǒng)應具有真實的力學特性，杜絕行人漂浮在空中或陷入地下、“穿墻而過”這類違反現(xiàn)實世界的情況發(fā)生。

3） 具有一定的實時交互性。在創(chuàng)建好虛擬校園場景的基礎之上添加用戶與場景的交互功能，讓來訪者更加真實地融入到這一虛擬場景之中，達到“以人為本”的總體設計要求。用戶可以通過控制場景中的虛擬人物實現(xiàn)部分功能。

4） 具有信息查詢功能。從系統(tǒng)的未來的功能擴展方面考慮，虛擬校園系統(tǒng)還應該具備信息查詢功能。虛擬校園是數(shù)字化校園的虛擬空間，除了要具備展示校園風貌的功能外，還應該為學校的校園規(guī)劃、科研、教學管理、生活服務等相關信息資源的整合和歸類提供技術支撐，這是未來虛擬校園發(fā)展的趨勢[5]。

3.1系統(tǒng)總體設計流程

根據(jù)系統(tǒng)的實現(xiàn)目標，總體設計分為兩大步驟：

3.1.1三維場景的創(chuàng)建

在充分收集校園建筑物數(shù)據(jù)和布局信息的基礎上，使用AutoCAD和3dsMax軟件進行建筑物單體的精確建模與場景合并，可以得到滿足漫游功能的西科大虛擬校園場景。

3.1.2交互漫游功能設計

完成校園場景建模后，設計用戶與校園場景的交互功能。系統(tǒng)整體的交互是通過鍵盤和鼠標的控制來實現(xiàn)；其功能可以歸結為兩個方面：通過視點控制的直接交互和通過軟件界面的間接交互。圖4為系統(tǒng)總體設計流程圖。

3.2 校園場景建模

西南科技大學校園占地面積4088畝，校舍建筑面積近100萬平方米，新區(qū)規(guī)劃呈東西走向，屬于建筑物比較集中的大規(guī)模校園。如圖5是西南科技大學校園總體規(guī)劃平面圖。

校園場景建模的主要工作內容分為信息收集與處理、三維實體建模、紋理映射及優(yōu)化處理。這些工作是構建虛擬校園系統(tǒng)的基石，也是整個系統(tǒng)開發(fā)過程中工作量最大的一部分，為了創(chuàng)建一個能讓用戶產(chǎn)生沉浸感的虛擬環(huán)境，需要盡可能細化場景來達到逼真的效果，但如果場景中的模型過于精細，尤其是比較復雜的場景，數(shù)據(jù)量將十分龐大，會給虛擬校園系統(tǒng)帶來災難。因此，在建模過程中，應該在保證模型質量的前提下，盡量減少模型的面片數(shù)，以保證系統(tǒng)的運行效率[6]。

本文使用的校園規(guī)劃圖中不僅包括了西科大校園中的主要干道、教學樓、宿舍樓、行政樓、實驗中心、科技中心、食堂、教師公寓、科技塔、體育場等主要建筑物的設計圖紙和樓層結構數(shù)據(jù)，而且可以從校園地形圖中讀取等高線數(shù)據(jù)作為校園周邊地形建模的參考。

3.2.2 場景建模

為了能夠真實的體現(xiàn)實驗樓的面貌，在建模之前，要將實驗樓的外部輪廓CAD平面圖導入到3dsMax中作為頂視圖來參考，具體步驟如下：

1） 在AutoCAD中截取建筑物平面圖。用AutoCAD2010軟件打開從校園基建處下載的校園建筑圖紙，捕獲實驗樓的平面結構圖。

2） 將CAD圖紙導入到3dsMax中。

3） 焊接。由于AutoCAD多用“修剪”命令來繪制圖形，將CAD圖形導入到3dsMax后會發(fā)現(xiàn)CAD圖形的很多墻體輪廓線條并不是一個封閉的整體，因此無法通過二維轉三維的命令制作墻體。一般需要在導入CAD圖紙的時候將頂點之間的“焊接閥值”調節(jié)到10.0mm以下，從而將較小距離范圍內的斷點焊接成一個頂點。

用簡化后的CAD圖紙作為建模頂視圖參考，根據(jù)建筑結構圖中的實際樓層高度進行擠出（Extrude），可以快捷地完成樓體建模。當然，對于復雜的建筑物，還需要用到3dsMax的多種操作，常用的：插入、倒角、放樣和布爾運算等命令來進一步細化模型使其與實際物體相符[7]。如圖7是實驗樓的實景圖像，圖8為實驗樓建模完成后的效果。

3.3.1自動漫游

自動漫游是指用戶按照系統(tǒng)預先設置好的路徑進行漫游；這種方式不加任何人為的干預，自動對整個校園場景進行觀察。

在VRP中，可以利用動畫相機實現(xiàn)自動漫游功能。在場景導入VRP后，按照預先設計的路線為系統(tǒng)錄制一段校園場景的介紹動畫，實現(xiàn)自動漫游功能。

也可以利用跟隨相機實現(xiàn)自動漫游。該文自動漫游的設計思路是：制作一輛汽車行駛的路徑約束動畫，并創(chuàng)建跟隨相機作為用戶的視點綁定在車身內，該相機可以跟隨汽車的行駛路徑進行觀察，營造出用戶乘坐汽車游覽校園的感受。汽車運動的路線是沿著校園大門→實驗中心→圖書館→五食堂→科技中心→行政樓→教學樓這一校園主干道進行漫游，依次欣賞沿途的校園風光。

自動漫游可以擺脫用戶操作的干預，便于全方位地觀察校園場景。因為漫游的路徑是預先制定好的，所以也限制了用戶位置的改變，靈活度與自主漫游相比要弱。

3.3.2自主漫游

自主漫游是由用戶操作鍵盤或鼠標等其它交互設備，按照自己的興趣和需要控制第一人稱視點在校園場景中漫游，具有較強的靈活性和交互性。這種漫游方式其實就是一種通過不斷地改變視線方向和移動視點位置而產(chǎn)生三維動畫的過程，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的控制信息，改變相應的參數(shù)，并對場景重新繪制。

VRP坐標系與3dsMax的相同，采用Z軸向上的左手坐標系（Z軸代表場景的高度），同時提供了八種不同類型的運動模式：前進、后退、左移、右移、垂直上升、垂直下降、俯視、仰視。各種運動的實現(xiàn)原理為：在Y軸上沿著視線方向將視點平移一段距離D，若D的值大于零（視線是正方向）表示前進，D小于零則表示后退；在X軸上，保持視點的方向不變，對視點進行平移實現(xiàn)左移和右移；在Z軸上，保持視點的方向不變，增、減視點的高度值，可實現(xiàn)垂直上升和垂直下降；保持視點方向和位置不變，增、減視線與X、Y平面之間的夾角（仰角），可實現(xiàn)俯視與仰視；按此響應方法，通過空間向量分解運算，即可得出新視點的坐標，為用戶提供一種自然的交互方式觀察場景，實現(xiàn)自主式漫游[8]。通過鍵盤上的前進（↑）、后退（↓）、轉向（←和→）即可控制人物自由行走。

3.3.3 實時導航功能

交互漫游可以讓用戶隨心所欲地在虛擬校園場景中自由行走，但卻增加了漫游的盲目性，用戶往往沉浸與場景的細節(jié)當中，抓不住校園景觀中的重點，造成漫游效率的下降。因此，有必要在系統(tǒng)中增加實時導航圖使用戶準確了解自己當前所處位置，并以二三維信息聯(lián)動瀏覽的方式，對校園景觀的規(guī)劃情況進行全面的認識。

創(chuàng)建實時導航圖需要在三維場景合并完成后，使用3dsMax捕捉整個場景的最大和最小四個頂點（Xmax、Ymax、Xmin、Ymin）的坐標，并使用VRP的高精度抓圖功能截取整個場景的頂視圖作為導航圖的輪廓。

實驗證明，導航圖不僅可以實時準確的反映用戶當前所處的準確方位，而且用戶單擊導航圖上任意某個點可以快速切換到對應的地理位置，有效提高了漫游的效率，并增強了虛擬校園系統(tǒng)的交互性。

3.3.4 信息查詢功能

信息查詢是三維虛擬校園的擴展空能。真實的三維圖形給用戶感官上帶來了全新的體驗，也使得虛擬校園系統(tǒng)的操作變得直觀、簡單、方便，在復雜的三維場景中實現(xiàn)快捷的交互式空間信息查詢，是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由展示功能轉向實用功能的必要探索。一個實用的基于三維可視化的校園規(guī)劃管理系統(tǒng)，應具備現(xiàn)有校園建筑和規(guī)劃設計信息的基本管理功能，包括建筑物屬性信息建立、動態(tài)查詢等。在重建了校園真實三維數(shù)字模型后，可以按照規(guī)劃設計區(qū)域分塊，逐一對校園主要建筑物建立屬性數(shù)據(jù)庫。

通過添加建筑物模型的屬性數(shù)據(jù)庫功能，可實現(xiàn)空間信息的查詢。當用戶在場景中漫游時，選取任意建筑物可以從數(shù)據(jù)庫中查找到對應的文字性介紹，包括：樓號、落成年月、建筑特點、用途、所屬院系等，并且對部分標志性建筑，采用配合實景圖片的方式進行介紹，使用戶對該建筑有更真實的認識，增強漫游過程中與周圍環(huán)境的交互效果，。該功能的實現(xiàn)流程為：

1） 捕捉用戶點擊對象的名稱；

2） 根據(jù)對象名稱在數(shù)據(jù)庫中查找其對應信息；

3） 輸出并顯示信息；

4 總結

本文首先介紹了城市規(guī)劃的現(xiàn)狀，對當前城市規(guī)劃領域主要的媒體表現(xiàn)方式進行了比較分析，提出了將虛擬現(xiàn)實技術應用與城市規(guī)劃領域的必要性及優(yōu)勢。通過對虛擬現(xiàn)實技術和城市規(guī)劃兩方面的理論研究，得出了以下理論成果：將虛擬現(xiàn)實技術應用于城市規(guī)劃領域，可以對城市建設發(fā)展的問題進行多角度的前瞻性分析，有效提高方案設計和審批的效率，對城市規(guī)劃的發(fā)展有著良好的促進作用。

繼而以實例為依托介紹了虛擬現(xiàn)實技術在城市規(guī)劃領域的應用方法，詳描述了西南科技大學虛擬校園系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。開發(fā)的“西南科技大學虛擬校園漫游系統(tǒng)”為校園規(guī)劃決策管理提供了一個直觀、形象的人機交互平臺，同時，為師生提供一個三維的、有聲有色的信息介紹與查詢工具，并為建設可視化數(shù)字校園奠定了良好的基礎。

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