利用HTC VIVE制作城市規(guī)劃浸入式虛擬現(xiàn)實展示平臺

張俊，李驍，方強，張勇

(成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610081)

1 引 言

四川省天府新區(qū)作為全面踐行新發(fā)展理念的新興城市建設示范區(qū)，一直秉承著致力于實現(xiàn)中國西部最具活力的新興增長極的戰(zhàn)略目標，意圖建設成為“一帶一路”雙向開發(fā)經(jīng)濟高地和宜業(yè)宜商宜居的國際化現(xiàn)代化新城。為提升整個新區(qū)的經(jīng)濟活力、創(chuàng)業(yè)環(huán)境、居住條件，需要在規(guī)劃設計、方案審批等階段，堅持以人為本的理念，充分考慮到市民生活、工作、娛樂休閑的需求和體驗。不僅要在宏觀上把握城市的整體布局，還要在微觀上模擬分析市民日常工作生活的需要，通過規(guī)劃設計為市民提供各方面的便利性。

2 城市規(guī)劃方案展示模式與局限性

2.1 城市規(guī)劃展示中存在的問題

城市規(guī)劃中各級成果的規(guī)劃方案展示是一項重要的工作內(nèi)容。規(guī)劃設計人員、政府決策部門、普通公眾都需要通過方案展示來直觀地了解未來新區(qū)的景觀、功能等各項內(nèi)容。

傳統(tǒng)的城市規(guī)劃方案展示的載體包括建筑平面圖、外觀效果圖、微縮沙盤模型、三維動畫等。此類載體都存著尺度單一、視角有限、內(nèi)容展示不全面等局限性。隨著信息技術的發(fā)展，以三維景觀模型為表現(xiàn)形式的各類三維規(guī)劃、三維地理信息平臺相繼出現(xiàn)。相比傳統(tǒng)的展示方式，三維平臺具有信息量豐富、互動性高、各類分析統(tǒng)計功能完備等突出特點，因此三維平臺已經(jīng)成為主流的城市規(guī)劃方案展示手段。如圖1所示，三維規(guī)劃平臺可以顯示建筑三維模型以及包括數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)、各類矢量等多種類型的數(shù)據(jù)。

圖1 三維規(guī)劃平臺

三維規(guī)劃平臺有助于規(guī)劃設計人員和政府決策部門從宏觀上進行規(guī)劃設計和規(guī)劃決策。但目前以天府新區(qū)為代表的各種新城建設不僅要求城市規(guī)劃在宏觀層面上的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，更要從微觀上考慮普通市民在新城中的體驗感受。而目前三維規(guī)劃平臺僅能以“上帝視角”在較大尺度上對規(guī)范方案進行觀察巡視，而無論是平臺的功能還是模型的微觀細節(jié)和光影效果均無法以模擬市民視覺的“人類視角”對規(guī)劃方案進行深入細致地觀察。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術簡介

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術是一種可以創(chuàng)建出虛擬世界并提供近似真實體驗的計算機軟硬件系統(tǒng)。該技術以計算機技術為核心，并綜合了計算機圖形學、計算機仿真、傳感器、立體顯示、可穿戴設備等多種最新技術。通過虛擬現(xiàn)實構建出的場景具有沉浸感、交互性、想象力三大基本特征。沉浸感是指用戶感知不到自身的真實外部環(huán)境，而融入虛擬場景中。用戶以主角身份在虛擬場景中所能體驗到的真實程度、三維模型場景、立體視覺空間感、立體聲等隨視點實時變化的性能都會不同程度影響用戶的沉浸感。交互性是指用戶在虛擬場景內(nèi)的可操作程度和反饋的自然程度。想象力是指虛擬場景中的物體均可依據(jù)設計規(guī)則自主運動，并且能遵循現(xiàn)實世界的物理規(guī)律。

在當前的技術條件下，計算機通過浸入式虛擬現(xiàn)實頭盔等可穿戴設備感應用戶的頭部動作，實時計算出用戶視點對應虛擬場景圖像，并通過雙目立體視覺的形式向用戶顯示。同時輔助以立體式音效和手柄等操作設備，將用戶的觀察和動作與虛擬場景融為一體，使用戶感覺完全“浸入”到虛擬場景中，得到一種身臨其境的體驗。

2.3 虛擬現(xiàn)實技術在城市規(guī)劃應用前景

由于虛擬現(xiàn)實技術具有強烈真實體驗這一顯著特性，因此在游戲娛樂、技能培訓、產(chǎn)品設計等方面得到越來越多的應用。對于城市規(guī)劃而言，虛擬現(xiàn)實技術同樣具有廣闊的應用前景。城市的規(guī)劃設計成果可以通過該技術構建出虛擬的未來城市場景。用戶可以利用沉浸感深入到虛擬場景中以感受和評估設計的實際效果。通過從微觀到宏觀，平視、仰視、俯視等多種尺度和視角來觀察規(guī)劃建筑的風格以及與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性，以未來城市市民的身份視角體驗規(guī)劃方案的合理性和便利性，并可以切換設計方案用于比較各種方案的實際效果。

相比常規(guī)的三維規(guī)劃平臺，利用虛擬現(xiàn)實技術構建出的虛擬場景具有突出優(yōu)勢。虛擬現(xiàn)實技術場景具有更加真實的光影和立體聲效果。用戶通過浸入式設備瀏覽場景時，畫面、聲音均可以隨著用戶的頭部動作和位置隨之變動，從而消除了用戶與場景的真實感隔閡，令用戶有種身臨其境的體驗。虛擬現(xiàn)實場景還具有豐富和真實的微觀模型細節(jié)，場景中建筑門窗、植被、室內(nèi)的桌椅物品等有完整的細節(jié)予以表現(xiàn)。不僅如此，場景中可以置入豐富的動態(tài)模型，包括人物、花草、車輛等，并且此類模型的尺寸、外觀、運動軌跡均與真實世界相符。

通過對土壩溢洪道部分溫度應力模擬得出一些結(jié)果，并與雅庫特Khorobut流域灌溉系統(tǒng)工作進水段的實際觀測結(jié)果進行了比較。Zhang[2]詳細介紹了排水系統(tǒng)長期現(xiàn)場觀測的詳細情況。

因此，利用虛擬現(xiàn)實技術構建出的虛擬場景可以讓用戶在虛擬場景中以市民的視角對場景中的建筑、景觀等獲得近似真實的體驗。一方面可以發(fā)現(xiàn)宏觀視角上不易察覺的潛在問題。另一方面可以通過向公眾展示，使公眾能更好地理解規(guī)劃意圖、了解規(guī)劃設計方案和規(guī)劃審批流程。進而讓公眾逐步參與到規(guī)劃決策中，促進決策過程的民主化。

3 硬件與軟件工具簡介

為實現(xiàn)具有強烈沉浸感、交互性和真實體驗的虛擬現(xiàn)實場景，需要在硬件和軟件兩方面選擇適用的硬件設備和場景制作技術。綜合對比分析了多個同類型的硬件產(chǎn)品和軟件平臺，最終選用了HTC VIVE作為虛擬現(xiàn)實硬件現(xiàn)實設備以及虛幻4作為虛擬現(xiàn)實平臺制作工具。

3.1 浸入式虛擬現(xiàn)實設備HTC VIVE

HTC VIVE設備是有HTC與Valve軟件公司共同開發(fā)的一款浸入式虛擬現(xiàn)實設備。如圖2所示，該設備包括1個頭戴式顯示器、2個單手手柄、2個定位傳感器。其中頭戴式顯示器通過左右眼觀看不同顯示屏幕可以實現(xiàn)雙目立體視覺。其較高的分辨率可以有效降低畫面的顆粒感。兩個手柄上安置有多個功能按鈕，可以實現(xiàn)豐富的互動功能。兩個定位系統(tǒng)依靠激光和光敏傳感器可以高頻率和高精度獲取較大范圍內(nèi)頭盔和手柄的位置和姿態(tài)。在實際使用過程中，該設備高頻率的測量率和顯示刷新率使得畫面的顯示延遲時間極短，用戶幾乎體驗不到延遲，因此不會有強烈的眩暈感。此外，兩個手柄可以在虛擬環(huán)境中以真實大小和形狀呈現(xiàn)，用戶可以清晰地看到手柄的位置和指向，極大地方便了用戶的各項互動性操作。

圖2 HTC VIVE設備

目前該設備的應用領域逐漸從游戲向其他行業(yè)拓展，在醫(yī)療教學、產(chǎn)品設計、安全生產(chǎn)事故體驗方面都得到了較多的應用，也為該設備在城市規(guī)劃中的應用提供了較多的參考經(jīng)驗。

3.2 三維引擎虛幻4

虛幻4(Unreal Enging4)引擎，是由Epic公司開發(fā)的用于游戲制作的三維游戲引擎。但因該引擎具有強大的建模和實時渲染功能，因此也被用于各類虛擬現(xiàn)實場景的制作。相比其他傳統(tǒng)的三維建模軟件，虛幻4引擎有其獨特的優(yōu)勢。首先，虛幻4具有強大的實時渲染功能，不同于其他三維軟件的單一視角渲染模式。虛幻4可以在編輯器中提供所見即所得的模型實時渲染效果。其次，虛幻4的交互模擬和物理引擎可以使建模人員以極高的效率創(chuàng)建高擬真度模型。并且虛幻4對多平臺終端均有較強的支持，可以方便建模人員將模型場景導出為適用于各種虛擬現(xiàn)實硬件設備的三維場景成果。

除此之外，該引擎還具有強大的藍圖開發(fā)功能。在虛幻4引擎中，藍圖(Blue Print)是一個功能全面的可視化腳本系統(tǒng)，為建模人員提供了豐富的編輯工具。建模人員可以通過在藍圖中將節(jié)點、時間、函數(shù)等工具建立連接，以可視化的形式創(chuàng)建各種復雜的互動性功能。從而可以省略大量的編程開發(fā)工作，極大地提升工作效率。

4 虛擬現(xiàn)實展示平臺制作過程

天府新區(qū)虛擬現(xiàn)實展示平臺中的虛擬場景根據(jù)數(shù)據(jù)范圍和精細程度分為大場景和精細場景兩大類。其中大范圍場景覆蓋了包括天府中心、科學城以及鹿溪智谷片區(qū)在內(nèi)的 35 km2范圍。精細場景中包含了西部博覽城、鹿溪河生態(tài)區(qū)、菁蓉中心在內(nèi)的多個重點建設區(qū)域。不同類別場景在三維模型建模標準、場景顯示效果、用戶瀏覽模式上存在著較大差別。該平臺的制作過程依據(jù)先后次序分為基礎三維模型制作、虛擬現(xiàn)實場景平臺制作、成果打包輸出三個階段。

4.1 基礎三維模型制作

在該階段中需要制作場景中所有物體的三維模型。為獲得準確真實的場景效果，在建模前收集獲取了區(qū)域內(nèi)的DEM、DOM、地形圖、規(guī)劃設計圖紙、現(xiàn)場照片等原始數(shù)據(jù)。隨后以原始數(shù)據(jù)為依據(jù)，在3ds Max軟件根據(jù)設計的建模流程和標準實施三維建模，如圖3所示。同時為了下一步在虛幻4中的處理，需要將模型的原點位置、材質(zhì)紋理、圖層、文件格式等進行針對性的調(diào)整。

圖3 在3ds Max中制作基礎模型

4.2 虛擬現(xiàn)實場景平臺制作

完成基礎三維模型的制作并通過檢查后，隨即開始在虛幻4中進行虛擬現(xiàn)實場景平臺的制作。虛擬現(xiàn)實場景所需要的沉浸式體驗需要對場景進行材質(zhì)、光照、運動、物理碰撞的仿真模擬。

(1)模型導入與拼接：首先將基礎三維模型導入到虛幻4編輯器中。對各部分模型進行移動拼接處理，最終將所有模型集成合并為完整的場景模型，如圖4所示。

圖4 基礎模型合并

(2)場景材質(zhì)編輯：場景模型的表面材質(zhì)直接影響場景視覺效果的擬真度。材質(zhì)編輯處理包括顏色貼圖、法線貼圖、高光貼圖。其中顏色貼圖決定了模型外觀的整體基調(diào)和紋理特征。法線貼圖和高光貼圖則會影響模型的豎向?qū)哟魏透吖夥瓷湫Ч?/p>

(3)光源設置：對場景中的合適位置插入光源，并在參數(shù)面板中調(diào)節(jié)參數(shù)以達到最佳的烘焙顯示效果。其中包括模擬自然光的平行主光源、天光、全局光照以及模擬人工光源的點燈、射燈等。

(4)物理碰撞邊界設置：為使場景具有較強的真實感，需要對模型設置物理碰撞邊界。編輯器中的凸面體碰撞工具可以根據(jù)模型的形狀自動生產(chǎn)模型碰撞邊界。

(5)藍圖編輯：如圖5所示，在藍圖編輯器中對手柄的按鈕、扳機等控制器創(chuàng)建包括場景切換、自由漫游、路徑漫游等觸發(fā)事件。

圖5藍圖編輯器

(6)打包發(fā)布：完成所有的場景設置和藍圖編輯后，即可將整個平臺以HTC VR終端打包輸出為.exe可執(zhí)行文件，直接運行該文件即可打開該虛擬現(xiàn)實展示平臺。通過平臺的瀏覽運行，及時發(fā)現(xiàn)場景中的問題，并返回虛幻4編輯器進行修改。最終獲得數(shù)據(jù)完整、運行流暢的虛擬現(xiàn)實展示平臺，如圖6所示。

圖6 虛擬現(xiàn)實展示平臺效果

5 結(jié) 語

通過對四川省天府新區(qū)虛擬現(xiàn)實展示平臺的研究與實現(xiàn)，證明了虛擬現(xiàn)實技術用于規(guī)劃展示的有效性。利用虛擬現(xiàn)實技術的真實浸入感特點，可以讓規(guī)劃工作者和普通市民跳出傳統(tǒng)二維展示的局限性，獲得更加完整和真實的仿真體驗。

該虛擬現(xiàn)實展示平臺可以為城市規(guī)劃提供有效的技術支持。規(guī)劃設計和決策者通過該平臺的使用，可以從市民視角來審視和體驗規(guī)劃方案，從而使規(guī)劃設計和決策以人的感受為著眼點，落實以人為本的規(guī)劃思想。此外，該虛擬現(xiàn)實展示平臺可以向公眾開放使用。普通市民可以通過該平臺的瀏覽使用快速了解城市規(guī)劃的成果，真實感受未來的城市面貌。為公眾進一步參與規(guī)劃設計和決策提供了可能。不僅如此，該平臺同樣可以作為城市的對外宣傳資料和歷史存檔資料。一方面對外進行城市展示，為招商引資提供極佳的宣傳手段。另一方面記錄城市的現(xiàn)狀和未來發(fā)展，為未來的研究提供珍貴的歷史資料。