虛擬現實場景漫游技術的實現及其在規劃領域的應用

張俊，王譽潔，陳凱，葉進勇

(成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610081)

虛擬現實場景漫游技術的實現及其在規劃領域的應用

張俊*，王譽潔，陳凱，葉進勇

(成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610081)

以成都市天府新區為例，介紹了虛擬現實三維場景的實現過程，建設了一個具有一定人機交互能力的、滿足動畫路徑漫游以及節點漫游兩種方式的室內外結合的場景漫游系統，并結合城市規劃領域的實際情況，對其在城市規劃行業的應用進行了分析。

虛擬現實；場景漫游；城市規劃

1 引 言

隨著互聯網快速發展以及新興技術的興起，三維可視化技術已經融入生活的方方面面，在此基礎上，虛擬現實技術的發展也日益成熟。作為一項新興的實用性可視化技術，虛擬現實技術以其特有的優勢被迅速運用于生活中的各行各業[1]，尤其對于規劃行業，有著廣泛的應用前景。

虛擬現實技術又稱為“靈境”技術，是一種由計算機生成的高級人機界面。它綜合了計算機圖形學、計算機仿真、傳感器技術、顯示技術等多種高科技的最新成果，使人可以“浸入”計算機生成的虛擬環境，直接觀察周圍環境，并能與之發生“交互”作用，使人和計算機很好地“融合一體”，給人一種“身臨其境”的感覺[1]。利用虛擬現實技術強大的展示、交互、模擬功能，一方面可以使規劃行業工作者從不同的角度、不同的位置觀察現狀建筑物和環境，另一方面可以使其在規劃方案竣工前，隨意瀏覽區域內模擬三維場景，隨心所欲地在場景中漫游，產生身臨其境的奇妙體驗，為規劃設計工作提供新的思路與解決辦法。

本文以成都市天府新區為例，從三維建模到場景制作，再到展示平臺開發，詳細介紹了虛擬現實三維場景漫游的實現過程，并就動畫路徑漫游和節點漫游兩種場景漫游方式進行了詳細闡述，進一步分析了虛擬現實場景漫游技術在規劃行業的應用前景。

2 實現過程

2.1 前期準備

本文實現的虛擬現實三維場景，涉及地鐵站、辦公區、展覽中心、廣場、自然景區等多種場景環境，為了得到更真實的展示效果，前期共收集了相關區域的數字正射模型、數字高程模型、規劃設計圖紙、室外效果圖以及現有部分區域的精細模型和簡單結構白模。對整個區域進行分析，針對現實中已建成區域，按照真實情況制作三維模型及室內外場景；針對規劃區域，結合收集到的規劃圖紙和效果圖以及現實中類似的環境，制作三維模型及室內外場景。

2.2 三維建模

三維模型是最終顯示場景的基礎，是實現逼真的場景漫游的第一步，其質量好壞對最終展示效果有著重要的影響。本文采用3ds Max軟件進行三維建模[2]，該軟件是一種基于三維動畫技術下的圖像渲染和制作軟件[3]，具有強大的建模、擴展功能，已廣泛應用于建筑、室內設計等場景建模。針對不同的場景，本文將模型分為地形模型、建筑模型、室內模型、其他模型等幾大類，以模型結構的最優化減少數據量[4]，并采用不同精度的紋理貼圖以及多重材質的方式進行渲染[5]，確保標志性地物結構和紋理精度，以此保證數據量與呈現效果的最佳匹配，達到最優顯示效果。

2.3 場景制作

以上制作的三維模型，只能進行靜態的展示，為了實現虛擬現實身臨其境的逼真環境，本文以Unreal Engine引擎為基礎進行場景開發制作。Unreal Engine引擎是當今世界最先進的3D游戲開發引擎之一，其先進的實時光照算法、動態陰影、基于GPU的粒子系統、環境反射等等技術使該引擎對場景的模擬更加真實，使最終呈現的效果更加逼真[6]。

場景的制作主要包括動畫系統、場景效果等。動畫系統主要包括路徑動畫和非路徑動畫兩種。路徑動畫是指行人、汽車、游艇等具有固定行走路徑的動畫效果，在Unreal Engine引擎中進行動畫控制與動畫混合，一方面控制對象在行走過程中的形態姿勢的真實性，另一方面控制對象的行走路徑，使其處于正確的軌跡并不停地循環。非路徑動畫是指植被、水面等微動態模型，包括樹木花草的隨風搖曳、水面的波光粼粼等效果，可以利用該引擎強大的材質系統完成制作。場景效果主要體現在真實感，逼真的光照、陰影、渲染等可以大大提高體驗者的沉浸感。為了增強環境的多元化效果，本文采用了晴天、霧天和雨天三種模式來烘托氛圍。針對不同的天氣環境，場景的陰影、光照等也呈現出不同的效果。同時，Unreal Engine引擎也提供了極為細膩的材質渲染效果，使場景的精細度與真實度完美融合。另外，為了達到系統速度與細節顯示的平衡，本文還引入了層次細節表現技術，從而提高渲染速度，提高了系統的實時性[7]。

2.4 展示平臺開發

本文共開發了兩個版本的展示平臺，包括支持PC電腦的展示平臺軟件版本以及支持頭戴式設備的展示平臺軟件版本[8]。兩個版本最大的區別就在于不同的界面設計，PC電腦版本主要采用鍵盤和鼠標來操作，而頭戴式設備版本則采用無線控制器(即操控手柄)來操作。

(1)PC電腦展示平臺版本

PC電腦展示平臺版本主要面向顯示器、投影等通用顯示設備，通過鍵盤和鼠標實現場景的切換、視角的旋轉、前后左右移動等操作。其界面主要功能包括以下幾項：

①場景介紹：包含該場景區域詳細的文字、語音解說、圖片介紹等信息；

②場景切換：實現不同場景間的自由切換；

③漫游方向控制：控制向前、向后、向左、向右移動以及視角方向的變化；

④路徑漫游：設置相應的漫游路線，觸發后系統根據設定的漫游路徑自動進行播放；

⑤自由漫游：使用鍵盤上的W、S、A、D和光標鍵上、下、左、右配合鼠標移動。

(2)頭戴式設備展示平臺版本

頭戴式設備展示平臺版本采用頭戴式設備(即VR眼鏡)作為顯示設備，利用操控手柄進行操作。通過操控手柄的不同按鍵，實現不同的功能：空中全景地圖中各場景的分布及選擇、不同場景的手動切換與自動切換以及各場景中的自由行走等。

3 場景漫游

場景漫游是虛擬現實展示的一個重要組成部分，所完成的三維模型及其構建的場景只有通過場景漫游，才會使體驗者有一種身臨其境的感覺[9]。為了滿足不同漫游方式的需求，本文在漫游引擎下設置了動畫路徑漫游和節點漫游兩種方式。

3.1 動畫路徑漫游

動畫路徑漫游主要為在幾個重點區域，系統預先設置了一個確定的自動漫游路徑，體驗者通過在路徑上的自動穿行來模擬人在真實環境中行走所看到的場景。路徑漫游不需要復雜的人機交互，體驗者只需要選擇想漫游的場景，系統即可自動播放。在本系統中，共實現了6條路徑漫游，包括地鐵站、辦公區、展覽中心、廣場、自然景區等多種場景環境，如圖1～圖3所示。

圖1 自然景區場景

圖2 會議室場景

圖3 地鐵站場景

3.2 節點漫游

節點漫游即人機交互控制的漫游，體驗者可以隨意控制漫游的方向和視角等，并在場景允許范圍內隨意走動，并對所觀察的事物和環境實現任意視角的觀察和體驗，這種方式可以增強體驗者的虛擬環境體驗，給體驗者帶來更強烈的真實感和沉浸感[9]。同時，同一個場景內還制作了多個節點可供體驗者進行快速切換，選擇不同的漫游地點。體驗者可以隨意漫步于任一場景中，包括上下樓梯、出入建筑、出入地鐵、湖邊觀景等，還可以選擇不同時段(日景/夜景)進行體驗。在節點漫游中，系統還提供了角色漫游，體驗者可以選擇男士、女士以及小孩等不同角色置入環境中進行第三人稱視角的漫游。

與動畫路徑漫游僅能在電腦屏幕顯示不同，節點漫游除了PC平臺版本以外，還提供了頭戴式設備的體驗版本，具體為利用VR眼鏡和操控手柄實現漫游。體驗者通過頭戴VR眼鏡，使自己完全沉浸于360°環繞的虛擬現實世界，真正達到身臨其境的感覺。由于場景較大，VR眼鏡的感應范圍較小，無法使人通過真實步行達到場景中的目的地，因此采用了操控手柄輔助移動，通過手柄，體驗者可以在原地實現不同場景的切換，也可以在同一場景中達到允許到達的任何地點。

3.3 地圖導航

在虛擬現實環境中，體驗者都是以正常視角來體驗環境，為了讓體驗者更好地確定自己在場景中的位置，幫助體驗者觀察具體路徑，本系統還設置了地圖導航功能，即在屏幕右側展現出該場景的鷹眼小地圖，并以醒目箭頭標明體驗者所在的具體位置及方向，如圖4所示。

圖4 地圖導航

4 規劃行業應用

城市規劃一直都是新興可視化技術領域的迫切需求者之一，虛擬現實技術作為新一代可視化技術的主力軍，其出現為城市規劃帶來了新的活力與發展前景。利用虛擬現實技術，規劃工作者可以不拘泥于傳統二維圖紙信息，將規劃方案生動的擺在決策者和體驗者面前，為規劃行業的發展帶來了新的生機。

4.1 為城市規劃提供最接近真實的可視化支持

虛擬現實技術可以將未來的規劃方案置于虛擬場景中，幫助決策者身臨其境的感受不同規劃方案的形態及其與周圍環境的一致性，決策者可以從多角度多方面考察規劃方案的可行性，使規劃決策更加科學、合理、便捷。同時，由于虛擬現實技術強大的沉浸體驗感，也可以規避設計方案中很多不易察覺的設計缺陷，大大降低了設計風險，提高規劃質量，如圖5所示。

圖5 規劃方案置入

4.2 為公眾提供直觀的展示平臺

普通公眾通過展示平臺，可以快速了解城市規劃方案，了解城市規劃動態，不需要讀懂復雜的規劃圖就能夠參與到城市規劃中，為城市規劃獻計獻策，這是傳統的平面圖、沙盤等無法做到的，如圖6所示。

圖6 規劃方案展示

4.3 為城市宣傳提供數字名片

本文的成果最終可以集成于exe文件中，方便隨身攜帶，對于城市的對外推廣和招商引資等都會帶來重要的作用，它展現了一個城市的綜合實力，為城市發展提供了一個形象的數字名片。

4.4 為城市留下寶貴的歷史資料

城市的發展歷程是持續性的，采用虛擬現實技術可以以數字化、可視化、直觀化的方式記錄下目前城市的現狀及未來的發展，成為寶貴的歷史資料。

5 結 語

虛擬現實技術是現代互聯網信息技術發展的產物，本文在實現場景漫游的基礎上，進一步闡述了其在規劃行業具體應用的可能性及發展前景。目前，虛擬現實技術還處于起步階段，未來仍有很大的發展空間，隨著科學技術的進一步發展，虛擬現實技術必將帶來新時代的技術革新，為規劃行業帶來更廣闊的發展空間。

[1] 王弘智，王哲. 虛擬現實技術發展與應用[J]. 福建電腦，2016(2)：99～100.

[2] 張養安，李俊鋒，楊愛玲等. 基于3DMAX的虛擬現實三維建筑模型建模技術初探[J]. 測繪與空間地理信息，2015，38(10)：151～157.

[3] 趙青，李欣亮. 基于3DSMAX的虛擬現實建模技術研究[J]. 電子技術與軟件工程，2016(2)：84～85.

[4] 徐誠. 虛擬校園漫游系統的研究[D]. 武漢：華中師范大學，2006.

[5] 劉保衛. 虛擬現實場景的建模特點及生成效果[J]. 計算機工程與應用，2014，50(5)：137～141.

[6] 符清芳，張茹. 基于虛幻4的自然場景制作[J]. 電腦知識與技術，2016：188～189.

[7] 郭陽明，翟正軍，陸艷紅. 虛擬場景生成中的LOD技術綜述[J]. 計算機仿真，2005，22(12)：180～183.

[8] 楊歡，劉小玲. 虛擬現實系統綜述[J]. 軟件導刊，2016，15(4)：35～37.

[9] 黃瑩瑩，彭敏俊，許岷. 基于虛擬現實的數字校園漫游系統的設計與實現[J]. 應用科技，2005(5)：40～42.

The Realization of Virtual Reality Scene Roaming Technology and its Application in Urban Planning

Zhang Jun，Wang Yujie，Chen Kai，Ye Jinyong

(Chengdu Institute of Survey and Mapping Investigation，Chengdu 610081，China)

Takes tianfu new district in Chengdu as example，this paper introduces the realization process of virtual reality scene roaming，and build a scene roaming system combined human-computer interaction with walkthrough along path and node roaming indoor and outdoor. Besides，combined with the actual situation of urban planning，this paper also analysis its application in urban planning.

virtual reality；scene roaming；urban planning

1672-8262(2017)03-35-04

P208.2

A

2017—03—07

張俊(1978—)，男，高級工程師，注冊測繪師，主要從事測繪與地理信息應用工作。