基于三維虛擬技術的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)設計

謝林霞

摘? 要： 針對傳統(tǒng)的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)規(guī)劃時間過長，規(guī)劃效果較差的問題，基于三維虛擬技術設計了一種新的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)。硬件包括輸入設備、輸出設備和人機交互設備，分析了三維立體掃描儀和顯示設備的組成結(jié)構，通過數(shù)據(jù)傳輸、分析計算、3D建模來實現(xiàn)軟件工作流程，針對3D建模程序和三維場景編輯程序進行重點研究。為驗證系統(tǒng)的有效性，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進行實驗對比，結(jié)果表明，基于三維虛擬技術的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)規(guī)劃時間更短，規(guī)劃效果較好，具有很高的應用價值。

關鍵詞： 三維虛擬; 虛擬技術; 城市環(huán)境規(guī)劃; 規(guī)劃系統(tǒng); 規(guī)劃時間; 規(guī)劃效果

中圖分類號： TN02?34; TP192? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）13?0099?04

Design of urban environmental planning system based on 3D virtual technology

XIE Linxia

（Hunan Institute of Engineering， Xiangtan 411104， China）

Abstract： The traditional urban environmental planning systems have long planning duration and poor planning effect. In view of this， a new kind of urban environmental planning system is designed based on the 3D virtual technology. The system hardware consists of input equipment， output equipment and human?computer interaction equipment. The structures of 3D scanner and display equipment are analyzed. The software workflow consists of data transmission， analysis and calculation and 3D modeling. The detailed research is focused on the 3D modeling program and 3D scene editing program. Contrastive experiments are performed to verify the system effectiveness. The results show that， in comparison with the traditional systems， the urban environmental planning system based on 3D virtual technology has a shorter planning duration and better planning effect. Therefore， it has a high application value.

Keywords： 3D virtual; virtual technology; urban environmental planning; planning system; planning duration; planning effect

0? 引? 言

三維虛擬技術被廣泛應用于游戲、醫(yī)學、建筑、設計、軍事等各大領域[1]，利用計算機對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析計算，并通過3D建模程序構建一個三維立體虛擬仿真世界，提供參與者高度仿真的視覺、聽覺、觸覺等感官模型，讓參與者產(chǎn)生身臨其境的真實感。在構建的三維虛擬仿真環(huán)境中，參與者可以任意且沒有限制地觀察虛擬環(huán)境中的事物，清楚地看到設計中的各種細節(jié)，深度了解設計師的設計理念，便于找出設計中的不足，從而進一步進行設計優(yōu)化[2]。

隨著“數(shù)字城市”觀念的提出，將三維虛擬技術與城市環(huán)境規(guī)劃融合在一起，成為了當前研究的熱門話題。城市環(huán)境規(guī)劃指對城市的物質(zhì)形態(tài)部分進行合理且科學的規(guī)劃，主要包括建筑物的區(qū)域布局、產(chǎn)業(yè)工程的區(qū)域布局、道路以及運輸設備的設置，是處理城市以及城市鄰近區(qū)域的工程建設、建筑、經(jīng)濟、社會、土地利用以及對城市未來發(fā)展預測的重要手段，也是建造一個統(tǒng)一且科學的城市的前提。一個好的城市規(guī)劃決定了一個城市未來的社會經(jīng)濟發(fā)展效益，而傳統(tǒng)的城市環(huán)境規(guī)劃設計以及展示多為二維視圖，存在一定的局限性[3]。

為彌補傳統(tǒng)城市規(guī)劃中的不足，本文以三維虛擬技術為基礎，設計城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)。通過三維立體掃描儀等輸入設備采集城市建筑信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和計算后，采用3D建模程序和三維場景編輯程序進行三維虛擬仿真模型的建立，由顯示系統(tǒng)進行輸出，并利用人機交互設備與虛擬環(huán)境進行交互，將傳統(tǒng)城市環(huán)境規(guī)劃模式提高到了數(shù)字化可觀、可感的境界，全面提高了城市規(guī)劃的效率。

1? 城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)硬件設計

基于三維虛擬技術的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)硬件由輸入設備、輸出設備和人機交互設備三部分構成[4]。其中，三維立體掃描儀是最重要的輸入設備，使用USB數(shù)據(jù)傳輸線將采集的建筑數(shù)據(jù)輸入至計算機，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析計算構建三維立體虛擬仿真模型，由輸出設備的顯示裝置將3D模型展現(xiàn)在觀眾眼前。在構建的虛擬城市模型中，參與者可以利用人機交互設備與虛擬模型進行人機交互，提高三維立體虛擬仿真模型的真實性。

1.1? 三維立體掃描儀

三維立體掃描儀是基于三維虛擬技術的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)采集設備，體積小、重量輕、方便攜帶，是集計算機、光學、機械學、電力學多種領域技術于一身的高科技數(shù)據(jù)采集器。選用“照相式”的3D掃描儀掃描實體建筑，獲取建筑表面的精確點坐標，即三維點云數(shù)據(jù)，其集合被稱作點云[5]。通過點云計算出建筑實體的高度以及占地面積，通過一定比例的縮小來獲得建筑的三維數(shù)字化模型，可以將現(xiàn)實建筑以數(shù)字化的形式完美地復制下來，是構建三維虛擬城市的重要設備。照相式非接觸型3D掃描儀相較于初代的激光掃描儀，其點云采集速度提高了10倍（單面掃描時間小于2 s），超高的分辨率能夠合理地控制掃描過程中的誤差，使得整體的測量精度大大提高，操作模式如同普通的照相機，簡單容易上手。為了采集處理高大建筑表面的三維坐標，掃描范圍可達120 m，鏡頭轉(zhuǎn)換靈活，最大程度地減少了掃描死角，并且支持圖片拼接處理，使城市規(guī)劃變得更加簡單、高效。除此之外，其兼容性使其可以被大多數(shù)軟件進行操作處理，USB接口設計使其數(shù)據(jù)傳輸更加方便，值得被其他領域廣泛應用[6]。

1.2? 顯示設備

三維虛擬仿真環(huán)境的優(yōu)勢在于具有獨特的沉浸特性，能夠營造出強烈的真實感，因此，基于三維虛擬技術的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)需具有很強的表現(xiàn)能力，其最重要的感官特性就是視覺，其次為聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等，由于技術的限制，味覺和嗅覺的應用較少，因此，本文設計的顯示系統(tǒng)主要針對視覺和定位跟蹤裝置進行設計[7]。顯示系統(tǒng)的顯示設備構成如圖1所示。

1.2.1? 虛擬現(xiàn)實頭顯

虛擬現(xiàn)實頭顯是一種體積小、封閉性強的頭戴式立體顯示器。由于人的左眼和右眼在看同一事物時會有一定的差異，虛擬現(xiàn)實頭顯便利用這一差異，通過計算機處理技術將處理過的圖像輸入到頭顯的左右眼屏幕中，使佩戴者看到真實環(huán)境與虛擬環(huán)境疊加融合后的景象，從而在腦海中形成真實的立體感[8]。

1.2.2? 雙目全方位顯示器

雙目全方位顯示器是可移動的頭部顯示設備，經(jīng)常與虛擬現(xiàn)實頭顯配合使用。雙機械臂的構造不僅可以讓參與者在半徑為2 m的球面空間內(nèi)自由行動，還可以使其保持自身的平衡，不受平臺運動的影響[9]，其分辨率相較于虛擬現(xiàn)實頭顯更高，且圖像更加柔和，避免在使用過程中刺傷使用者的眼睛。

1.2.3? CRT終端?液晶光閘眼鏡

CRT終端?液晶光閘眼鏡與計算機相連，可以同步顯示出經(jīng)過計算機處理后的圖像。左右眼睛片顯示的內(nèi)容各不相同，并由計算機發(fā)出驅(qū)動信號分別控制左右鏡片的交替和閉合。當參與者的左右眼看到眼鏡顯示的內(nèi)容后，其生理視覺系統(tǒng)會將左右眼的圖像自動合成為一幅完整的三維立體圖像[10]。

1.2.4? 大屏幕投影?液晶光閘眼鏡

大屏幕投影?液晶光閘眼鏡的顯示原理與CRT終端?液晶關閘眼鏡相似，多使用于大屏幕的投影系統(tǒng)或有極高亮度和分辨率極高的投影系統(tǒng)[11]。

1.3? 人機交互設備

數(shù)據(jù)手套是基于三維虛擬技術的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)設計中重要的人機交互設備，其設計結(jié)構如圖2所示。

數(shù)據(jù)手套能夠檢測手指彎曲程度，通過軟件程序使參與者能夠在三維虛擬環(huán)境中隨意地抓取和移動物體，并且數(shù)據(jù)手套中力敏傳感器可以準確感知參與者手指的力度，中央控制系統(tǒng)會對被抓取物體進行一定的改變，以模擬現(xiàn)實生活中真實發(fā)生的場景[12]。

從應用領域來說，三維虛擬技術不僅僅可以應用于媒體的演示，還可以作為一種設計工具，它以視覺為主要方式向觀眾展現(xiàn)設計的設計理念。許多的建筑構建之前，首先需要設計師對建筑的占地面積、周圍環(huán)境等基本數(shù)據(jù)信息進行采集，通過繪畫圖紙展現(xiàn)設計師對建筑結(jié)構以及外形的構思。但是，閱讀設計師圖紙需要一定的內(nèi)行知識作為基礎，而三維虛擬技術不需具備任何專業(yè)知識便可以直觀展現(xiàn)在觀眾眼前。

除此之外，數(shù)據(jù)手套中的定位裝置會實時定位參與者在虛擬環(huán)境中的位置，并且能夠具體感知參與者的肢體活動，經(jīng)過中央處理器對參與者的行為進行分析，從而改變?nèi)S虛擬環(huán)境[13]。

2? 城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)軟件設計

基于三維虛擬技術的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)軟件工作流程如圖3所示。

2.1? 3D建模程序

當采集完基礎城市數(shù)據(jù)后，設計師可以使用計算機利用3D建模程序?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進行分析計算，在虛擬的三維空間內(nèi)構建三維數(shù)據(jù)模型，其基本工作流程如圖4所示。

數(shù)據(jù)分析指對城市屬性數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的具體分析，從而得到點與面的精確數(shù)集[14]。在構建三維虛擬仿真模型的過程中，各項數(shù)據(jù)均精確到毫米，并且在構建過程中有許多細節(jié)模型，每當構建完一個模型，系統(tǒng)將自動提醒設計者為模型進行材質(zhì)命名，并在相應的材質(zhì)球上進行標記，方便模型儲存和查找。在二次模型修改時，可以直接選取材質(zhì)球，對同一材質(zhì)的模型進行統(tǒng)一修改，避免不必要的點線面的逐步修改，使模型修改更加簡單快速[15]。

2.2? 三維場景編輯程序

三維場景編輯程序是一款3D場景編輯程序，操作簡單，不需復雜的計算機使用基礎。通過三維場景編輯程序，設計師可以對建造好的3D模型進行更細致的裝飾擺放，對城市建筑模型進一步的細節(jié)優(yōu)化，不僅可以提高3D模型整體的分辨率，同時，還可以改變模型各部分的明暗對比度，提高整體的三維立體感，其應用功能如圖5所示。

對于可視化應用項目的用戶來說，三維場景編輯不需任何成本費用，解決了傳統(tǒng)方式設計時間長、維護難度大、資金花費高等問題，為剛剛起步創(chuàng)業(yè)的人員提供了便利。同時，該程序自帶二次軟件開發(fā)包，方便使用者根據(jù)自己的需要對程序進行一定的修改，并且可以隨時與第三方軟件進行數(shù)據(jù)對接，并將數(shù)據(jù)上傳到云端以實現(xiàn)資源共享和二次利用。

3? 仿真測試

3.1? 實驗目的

為檢測本文設計的基于三維虛擬技術的城市規(guī)劃系統(tǒng)設計的應用性能，設計對比實驗，選用傳統(tǒng)城市規(guī)劃的設計模式和本文的設計系統(tǒng)對同一城市進行相同的規(guī)劃，分析二者的應用能力。

3.2? 設計對比

實驗環(huán)境設置如下：

輸入設備：三維立體掃描儀;數(shù)據(jù)傳輸接口：USB;計算機操作系統(tǒng)：Windows 10;輸出設備：頭顯、眼鏡;建模軟件：3D建模程序三維場景編輯程序;人機交互設備：數(shù)據(jù)手套。

3.3? 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述實驗參數(shù)，選用傳統(tǒng)圖紙和沙盤兩種城市規(guī)劃方式，以及本文設計的基于三維虛擬技術的城市規(guī)劃系統(tǒng)，對同一城市進行相同的規(guī)劃，得到的實驗結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1的實驗結(jié)果可以分析出，采用本文設計的基于三維虛擬技術的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)能夠大大減少城市規(guī)劃的整體設計和展示時間，提高了城市規(guī)劃的效率，既便于后續(xù)問題的改動，彌補了傳統(tǒng)模式改動難度大的問題，又能節(jié)約城市規(guī)劃的成本，減少了不必要的經(jīng)濟損失。

為了突出本文設計的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)在展示方面的高度仿真性，針對以上三種城市規(guī)劃方式進行仿真度對比，得到對比結(jié)果如圖6所示。

分析圖6可知：普通的二維視圖的仿真度僅有30%，存在許多的視覺死角，表現(xiàn)力比較差;沙盤的整體效果比圖紙較好，但在細節(jié)方面存在明顯不足，無法看到建筑內(nèi)部的具體結(jié)構。對比以上兩種傳統(tǒng)模式，本文設計的城市規(guī)劃系統(tǒng)的仿真度高達99%，且具有強大的表現(xiàn)力，沉浸式的顯示系統(tǒng)和先進的人機交互設備使設計師的整體構思完整地展現(xiàn)在眼前，更加符合未來高科技時代的發(fā)展，更能滿足當代人的應用需求。

4? 結(jié)? 語

以三維虛擬技術為基礎的城市規(guī)劃系統(tǒng)，使設計師可以根據(jù)自己的構思去規(guī)劃城市，并可以任意在虛擬環(huán)境中隨意活動，不斷地變換自己的視角去觀察設計效果，直到達到滿意的效果，既節(jié)約了城市規(guī)劃的時間，也節(jié)省了許多做模型的費用。本文設計的系統(tǒng)設備操作簡單易懂，不僅可以應用于本文設計的系統(tǒng)，也可以被其他系統(tǒng)應用，擴大了三維虛擬技術應用領域，加速了虛擬技術的發(fā)展。

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