淺談虛擬現實技術在智慧城市領域的應用

□ 文/孫超

淺談虛擬現實技術在智慧城市領域的應用

□ 文/孫超

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是采用以計算機技術為核心的現代先進技術生成的逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的虛擬環境，用戶可以通過必要的輸入輸出設備與虛擬環境中的物體進行交互、相互影響，進而獲得身臨其境的感受與體驗。這種由計算機生成的虛擬環境可以是某一特定客觀世界的再現，也可以是純粹虛構的世界。

作為全球科技界公認的下一波技術革新的爆點和萬億級大市場，虛擬現實技術正在成為業內競爭的焦點。通過對虛擬現實技術的發展和應用的深入研究，在智能終端等硬件平臺上，虛擬現實技術及其應用已經先行一步；在城市級基礎設施建設上，整體仍然滯后，但虛擬現實技術的研究與應用已經成為一種趨勢。

在智慧城市領域的應用現狀

通過虛擬現實打造類似城市的實景環境，將可能包含的城市要素加入其中，并按照各種要素自身的屬性進行推演，從而驗證智慧城市建設的預期目標是否可行。將其中可行的方案落地實施，就是智慧城市建設的推進。虛擬現實技術在智慧城市領域的應用現狀主要體現在以下幾個方面：

智慧旅游

虛擬旅游

應用計算機技術實現場景的三維模擬，借助一定的技術手段使操作者感受目的地場景。坐在電腦椅上就能身臨其境地游覽全世界的風景名勝，還能拍照留念——這就是時下在眾多白領中開始風行的“虛擬旅游”，通過閱讀和互動體驗的虛擬游戲方式實現線上旅行，并且為線下旅行提供指導。

▲虛擬旅游應用效果

旅游宣傳

旅游網站、旅行社網站通過虛擬旅游視景系統的建立，可以對現有旅游景觀進行虛擬旅游，對于旅游消費者，可以全景式的了解風景區概貌，以及更直觀地了解各景點地形地貌以及旅游線路。同時借助Intenet，既宣傳了旅游資源又方便了消費者，從而起到預先宣傳、擴大影響力和吸引游客的作用。通過虛擬3維景區建立及網絡發布對旅游區進行科學的模擬和演示，將景區從2維“抽象”到3維影像，加速游客對風景區的認識過程。刺激旅游動機，引導旅游客流，實現旅游增效。

▲旅游宣傳應用效果

景區保護

將虛擬現實技術引入到景區保護領域中來，首先是著眼于一些經典熱門的景區的保護。虛擬現實可以緩解這些景區經濟效益與遺產保護的矛盾。由于有人數限制，很多景區可以制作數字化的參觀方式，可以避開游客對景區的傷害。

▲景區保護應用效果

旅游場景再現

利用虛擬現實技術，可以真實再現已經不存在的景觀。如通過重現古代社會的建筑文明，人們可以徜徉于古建筑之間，欣賞到千年前古建筑的原貌，感受古代文明的輝煌，具有景觀珍藏的意義，而對于喜歡探幽尋古的游人來說，這也是難得的視覺享受。

▲旅游場景再現應用效果

導游實訓

由虛擬現實技術打造的虛擬現實平臺可以將客戶提供的旅游景點虛擬數據全部集成到播放平臺，利用虛擬現實培訓平臺，導游人員、旅游管理人員不用花費大量時間、精力，就可以通過旅游實訓系統平臺隨意瀏覽旅游景點，通過文字、圖片、影片介紹，學習景區、景點、景觀的歷史、文化知識，為日后社會實踐做好準備。

▲導游實訓應用效果

旅游規劃

借助虛擬現實技術對于要創建的景點進行系統建模，生成相應的虛擬現實系統，然后通過人機交互界面進入該虛擬場景。通過規劃人員的親身觀察和體驗，以判斷各種規劃方案的優劣，檢驗規劃方案的實施效果，并可以反復修改和輔助最終方案的制訂施行。可以減少設計缺陷，提高規劃質量和進度，加快開發周期。

▲旅游規劃應用效果

智慧交通

交通仿真

當前微觀仿真技術應用比較多的領域是城市地理信息系統，基于細節層次顯示技術和視景分塊調度技術，結合虛擬現實技術，通過對圖形數據和屬性數據庫的共同管理、分析及操作。實現數據可視化，也可使用基于圖形和基于圖像的建模技術對建筑物和其他一些復雜的模型如樹木等進行重建，再利用有理函數模型表示遙感影像與地面之間的構象關系，使用紋理映射技術，構建具有高度真實感的平面或者三維景觀圖?；蛘邔⒊鞘斜砻鎺缀螌ο蠼涍^模型化后，都以數字的形式存儲在計算機中，采用紋理和貼圖技術、LOD模型、動態多分辨率的紋理與影像優化技術，進行微觀仿真。

▲vissim交通仿真應用效果

交通規劃

在城市交通規劃中，利用虛擬GIS技術可以完成城市道路地形圖及相關信息的錄入，實現空間數據和屬性數據的采集，建立三維地形模型。并構建出一個與客觀世界相一致的虛擬環境，以便用戶能夠逼真地感知它的存在，因此，GIS與交通規劃的結合是今后交通分析軟件的發展方向。

▲交通規劃應用效果

交通事故模擬與再現

基于虛擬現實技術，開發三維動畫演示軟件，以三維動畫的形式演示車輛在整個事故過程中的運動。在構造虛擬現實環境中，用戶可以改變場景元素、改變視角、添加背景、燈光等演示要素，軟件具有操作性、靈活性、真實感強等特點。

▲交通事故模擬與再現應用效果

虛擬駕駛系統

利用計算機構建用于汽車駕駛的虛擬環境和用于駕駛的車輛，產生“人一車一環境”閉環系統，在這一閉環系統中駕駛汽車，可根據車輛的行駛不斷變換相應的虛擬視景、場景音效和車輛的運動仿真，使駕駛員沉浸到這一環境中，并根據虛擬環境中產生的觸覺、聽覺和視覺，變換相應的駕駛動作，達到訓練駕駛員動作或研究“人一車一環境”特性的目的。

▲虛擬駕駛應用效果

智慧教育

科技研究

當前許多高校都在積極研究虛擬現實技術及其應用，并相繼建起了虛擬現實與系統仿真的研究室，將科研成果迅速轉化實用技術。虛擬學習環境,虛擬現實技術能夠為學生提供生動、逼真的學習環境，如建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結構顯示等，在廣泛的科目領域提供無限的虛擬體驗，從而加速和鞏固學生學習知識的過程。

▲虛擬教育應用效果

虛擬實訓基地

虛擬現實的沉浸性和交互性，使學生能夠在虛擬的學習環境中扮演一個角色，全身心地投入到學習環境中去，這非常有利于學生的技能訓練。包括軍事作戰技能、外科手術技能、教學技能、體育技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技、電器維修技能等各種職業技能的訓練，由于虛擬的訓練系統無任何危險，學生可以不厭其煩地反復練習，直至掌握操作技能為止。

▲虛擬實訓基地應用效果

虛擬仿真校園

虛擬校園是虛擬現實技術在教育培訓中最早的具體應用，它由淺至深有三個應用層面，分別適應學校不同程度的需求：

1、簡單的虛擬我們的校園環境供游客瀏覽。

2、基于教學、教務、校園生活，功能相對完整的三維可視化虛擬校園。

3、以學員為中心，加入一系列人性化的功能，以虛擬現實技術作為遠程教育基礎平臺。

▲虛擬實仿真校園應用效果

智慧農業

虛擬植物

利用虛擬現實技術模擬植物在三維空間中的生長發育過程，能夠精確地反映現實植物的形態結構。虛擬植物技術可以在電腦屏幕上設計農作物，然后再進行實際培育或用基因工程技術繁殖出真實的農作物，使農作物新品種具有虛擬植物的理想性狀。

▲虛擬植物應用效果

虛擬動物

利用計算機可視化地模擬動物在各種營養物脅迫條件下的生長過程，用戶操作計算機不但可以了解動物生長全過程中鮮、干各種物質的積累形狀，而且還可以從不同視角了解動物的逼真形態。在計算機支持下，一次模擬實驗只需幾分鐘即可得到實驗結果，大大加快了實驗的速度，減少了實驗的投入，而且可以完成在自然條件下難以得到的實驗結果。

▲虛擬動物應用效果

虛擬立體農業

主要是通過對光資源利用的模擬（進而，可模擬地下部對水、肥等的吸收利用狀況等），實現對立體農業（間作、套種、混種等）的優化管理。

虛擬節水

模擬不同作物、不同株型、不同節水型灌溉方式、不同的栽培管理措施，以及模擬自然降水過程對水分的吸收利用狀況，來實現水分最大的利用效率。

虛擬實驗

應用計算機建立反映客觀規律的虛擬模型，應用虛擬模型進行實驗，可以部分地替代在現實世界中難以進行的實驗，或者是費時、費力和費錢的實驗。

虛擬農場

在教學、科普教育和農業科技推廣領域，可利用虛擬植物模型建立虛擬農場，讓學員在計算機上種植虛擬作物，進行虛擬農田管理，直觀地觀察作物生長過程及最終結果。

▲虛擬農場應用效果

虛擬果樹修剪

虛擬果樹修剪系統，可以模擬果樹具有生長功能，該功能可以模擬真實果樹的各種生長狀況，并對各種因素的改變作出近似實際的反應。

虛擬農業布局

利用虛擬農業技術進行模擬，可以實現農業布局規劃設計效果的形象化；在觀光農業中，可以模擬采摘、銷售、觀賞、垂釣、游樂等活動，為旅客設計合理路線，讓旅游者最大限度地參與、親自體驗。

虛擬農業區劃

模擬糧食生產與多種經濟作物合理搭配種植；模擬農、林、牧、副、漁業相結合的農業可持續發展模式。

虛擬城市農業

城市農業是充分合理地利用城市空間和優越條件來發展農業的一種探索。利用虛擬農業技術可以模擬環境、生態、科技、生產、觀賞為一體的城市農業綜合發展模式，便于決策、實施。

虛擬農機

可以虛擬農機設計、農機制造和農機測試。例如，采用虛擬農業技術，對試驗對象的各個指標同時進行數據的測量、實時處理和實時分析，有利于提高測試水平，得出比較精確的結論，為系統的優化設計提供更可靠的依據。

虛擬溫室

虛擬溫室是將數據、材料、模型、物理屬性和高級算法整合成的一個研究平臺，研究溫室對外界環境的反應，將物理學（如溫室圍護結構的傳熱和力學屬性）和環境學（氣候變化和植物生理信息）結合起來，進行預測和預報溫室對外界各種變化（氣候條件、植物生長和人工干擾）的反應，而且能夠觀察、顯示和打印其結果。

智慧應急

虛擬現實的產生為應急演練提供了一種全新的開展模式，將事故現場模擬到虛擬場景中，在這里人為的制造各種事故情況，組織參演人員做出正確響應。這樣的推演大大降低了投入成本，提高了推演實訓時間，從而保證了人們面對事故災難時的應對技能，并且可以打破空間的限制方便的組織各地人員進行推演，這樣的案例已有應用，必將是今后應急推演的一個趨勢。

▲火災應急應用效果

▲應急演練應用效果

智慧建筑

BIM+虛擬現實通過BIM技術與虛擬現實技術集成應用，完成虛擬場景構建、虛擬施工過程模擬以及交互式場景漫游，以確保工程在各個階段良好的可控性，同時保持與各專業之間緊密的聯系及反饋機制；利用BIM+激光掃描進行驗收，通過與原始設計模型進行比對，得出偏差分析報告，從而起到高效、精確的對現場施工情況校對的效果。

▲智慧建筑虛擬現實應用效果

在BIM建模的基礎之上，采用虛擬現實軟件進行逼真的模擬體驗，設計人員可在三維場景中對模型進行任意的漫游供業主查看，人機交互，這樣很多不易察覺的設計缺陷能夠輕易的被發現，減少由于事先規劃不周全而造成無可挽回的損失和遺憾，大大提高項目的評估質量。

智慧市政

智慧市政地下管網虛擬現實系統為施工部門和管理部門提供地下管網準確的走向和埋深等有關信息,通過進行各種分析,為領導部門進行管網規劃、管網改造等提供輔助決策功能。地下管線虛擬現實系統，一是可以實現傳統手工處理方式向現代化信息管理轉型,以保證數據的實時更新、有效管理,避免重復收集數據信息；二是可為市政建設提供規劃、設計、決策服務；三是可為應對突發事件提供支撐。

▲地下管網虛擬現實應用效果

智慧醫療

外科醫生在真正動手術之前，通過虛擬現實技術的幫助，能在顯示器上重復地模擬手術，移動人體內的器官，尋找最佳手術方案并提高熟練度。在遠距離遙控外科手術，復雜手術的計劃安排，手術過程的信息指導，手術后果預測及改善殘疾人生活狀況，乃至新藥研制等方面，虛擬現實技術都能發揮十分重要的作用。

▲智慧醫療虛擬現實應用效果

一些用于醫學培訓、實習和研究的虛擬現實系統，仿真程度非常高，其優越性和效果是不可估量和不可比擬的。例如，導管插入動脈的模擬器，可以使學生反復實踐導管插入動脈時的操作；眼睛手術模擬器，根據人眼的前眼結構創造出三維立體圖像，并帶有實時的觸覺反饋，學生利用它可以觀察模擬移去晶狀體的全過程，并觀察到眼睛前部結構的血管、虹膜和鞏膜組織及角膜的透明度等。還有麻醉虛擬現實系統、口腔手術模擬器等。

▲醫療教學虛擬現實應用效果

智慧工廠

虛擬現實已經被世界上一些大型企業廣泛地應用到工業的各個環節，對企業提高開發效率，加強數據采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業風險起到了重要的作用。虛擬現實技術的引入,將使工業設計的手段和思想發生質的飛躍,更加符合社會發展的需要,可以說在工業設計中應用虛擬現實技術是可行且必要的。

▲工業仿真應用效果

工業仿真系統不是簡單的場景漫游，是真正意義上用于指導生產的仿真系統，它結合用戶業務層功能和數據庫數據組建一套完全的仿真系統，可組建B/S、C/S兩種架構的應用，可與企業ERP、MIS系統無縫對接，支持SqlServer、Oracle、MySql等主流數據庫。工業仿真所涵蓋的范圍很廣，從簡單的單臺工作站上的機械裝配到多人在線協同演練系統。

智慧能源

▲能源管理虛擬現實應用效果

能源的開采和開發涉及到很多模塊，很多行業，常常需要對大量數據進行分析管理，并且由于職業的特殊性，對員工的業務素質也有很高要求。運用三維虛擬技術不但能夠實現龐大數據的有效管理，還能夠創建一個具有高度沉浸感的三維虛擬環境，滿足企業對石油礦井、電力、天然氣等高要求、高難度職位的培訓要求，有效提高員工的培訓效率，提升員工的業務素質。

▲能源開采培訓應用效果

結束語

虛擬現實技術是20世紀80年代才興起的一門嶄新的綜合性信息技術，經過幾十年的發展，我們可以看到，虛擬現實逐步從萌芽狀態成長為今天日趨成熟的綜合信息技術，并在智慧城市各個領域得到了越來越多的應用發揮，它獨特的優勢特長為各個領域的發展提供了一個全新的突破口。隨著計算機技術，尤其是網絡技術的飛速發展，立體顯示、環境建模、實時繪制等技術的日趨成熟，虛擬現實將有望大范圍的實現由構想向現實的轉變，由虛擬現實所帶來的多元感知、便捷交互必將更為廣泛地應用于智慧城市各個領域，為人類的生產生活帶來全新的面貌。

作者單位：西安翔迅科技有限責任公司