基于VR技術的城市規(guī)劃三維仿真設計系統(tǒng)設計

摘" 要： 以呈現(xiàn)可視化、高還原度的城市規(guī)劃效果為目標，基于VR技術開發(fā)一套嶄新的城市規(guī)劃三維仿真設計系統(tǒng)。構建MongoDB數(shù)據(jù)庫，安全存儲城市規(guī)劃實測數(shù)據(jù)、設計過程產生的數(shù)據(jù);三維設計模塊基于Open GL類模塊構建城市場景三維模型，采用數(shù)字高程模型與數(shù)字正射影像解決大坡度地形的城市規(guī)劃問題;VR仿真設計模塊計算城市景觀頂點法線、頂點坐標、紋理坐標呈現(xiàn)虛擬規(guī)劃效果，根據(jù)代碼指令進行模型遍歷渲染，通過交互控制指令旋轉和平移攝像機，實現(xiàn)城市規(guī)劃動態(tài)景觀仿真交互漫游。仿真測試結果表明，系統(tǒng)三維建模相對誤差在0.08～0.16之間，設計的城市規(guī)劃方案交互性、實時性以及仿真效果突出。

關鍵詞： VR技術; 城市規(guī)劃; 三維建模; 渲染; 交互漫游; 仿真設計

中圖分類號： TN911.1?34; TP391.72" " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2019）21?0145?05

Abstract： A new urban planning three?dimensional simulation design system is developed based on VR technology to present visualized and highly reductive urban planning effects. The MongoDB database is built to securely store the measured urban planning data" and the data generated in the design process. The three?dimensional model of urban scene is built by using three?dimensional design module based on Open GL module. The digital elevation model and digital orthoimage are used to conduct the urban planning design of large slope terrain. The VR simulation design module is used to calculate the vertex normal， vertex coordinate and texture coordinate of urban landscape to present virtual planning effect. The model traversal and rendering are carried out according to the code instruction， and interactive roaming of urban planning dynamic landscape simulation is realized by rotating and shifting the camera by interactive control instruction. The simulation testing result shows that the relative error of the system′s three?dimensional modeling is between 0.08 and 0.16， and the interactive， real?time and simulation effects of the urban planning scheme are outstanding.

Keywords： VR technology; urban planning; three?dimensional modeling; rendering; interaction roaming; simulation design

0" 引" 言

信息技術與計算機水平高速發(fā)展，不斷改變人類生活方式。虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，VR）的產生是信息管理數(shù)字化與模型化的重要表現(xiàn)，并逐漸應用在社會各領域[1]。計算機仿真模擬技術、電子集成技術、傳感技術等多種計算機虛擬技術聯(lián)合使用形成完整的VR技術。該技術以硬件操作面板為中介，實現(xiàn)用戶與計算機之間的交互，用戶可從中體驗到一種虛擬的真實感受[2]。用戶體驗VR技術過程中，可主動操作與控制虛擬場景界面，得到不同的反饋體驗[3]。三維動態(tài)建模、虛擬圖形生成和三維動態(tài)顯示是虛擬現(xiàn)實表達的關鍵性技術。

隨著城市化進程的加快，如何進行高效、可靠的城市規(guī)劃成為需要迫切解決的問題。將VR技術應用在城市規(guī)劃與設計領域，可實現(xiàn)城市規(guī)劃三維仿真設計。因此，本文基于VR技術設計城市規(guī)劃三維仿真系統(tǒng)，構建MongoDB數(shù)據(jù)庫作為城市三維規(guī)劃設計的基礎，實現(xiàn)城市實地采集數(shù)據(jù)、設計過程中數(shù)據(jù)的安全存儲;在系統(tǒng)三維模塊中完成城市要素三維建模;在VR仿真設計模塊中呈現(xiàn)城市規(guī)劃虛擬場景、實現(xiàn)城市規(guī)劃動態(tài)景觀交互漫游，讓用戶擁有沉浸式的虛擬體驗。

1" VR技術在城市規(guī)劃三維仿真設計中的應用

1.1" 總體架構

基于VR技術設計城市規(guī)劃三維仿真設計系統(tǒng)包含三維設計與VR仿真設計兩部分，系統(tǒng)總體架構如圖1所示。基于Open GL類模塊進行城市規(guī)劃三維仿真設計系統(tǒng)的設計，VR仿真設計模塊的功能是模型遍歷渲染與城市規(guī)劃場景交互漫游，VR仿真模塊與三維設計模型依靠相同的數(shù)據(jù)接口進行通信。

1.2" MongoDB數(shù)據(jù)庫構建

采用測量的城市實地規(guī)劃數(shù)據(jù)構建MongoDB數(shù)據(jù)庫，保障數(shù)據(jù)安全。構建三維模型、圖形貼圖、渲染等設計過程產生的數(shù)據(jù)均存儲在MongoDB數(shù)據(jù)庫中。MongoDB數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點是存儲空間大，滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲的需求;同時，具備資源數(shù)據(jù)共享的功能，二維軟件向三維軟件傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)資源共享發(fā)揮關鍵作用[4]。非關系型數(shù)據(jù)庫是現(xiàn)代電子技術發(fā)展的高性能產物，使用頻率較高，MongoDB數(shù)據(jù)庫屬于非關系型數(shù)據(jù)庫。非關系型MongoDB數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢在于易擴展，處理數(shù)據(jù)靈活，具有較強的數(shù)據(jù)處理性能。

MongoDB數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)格式為BSON格式，是數(shù)據(jù)傳輸與存儲的主要形式。BSON格式是一種二進制數(shù)據(jù)存儲格式，數(shù)據(jù)對象與內嵌式文檔對象在BSON格式下均能良好運行。

1.3" 三維設計模塊

1.3.1" Open GL類模塊

城市規(guī)劃三維建模從數(shù)據(jù)庫中獲取城市規(guī)劃實測數(shù)據(jù)，三維設計模塊基于Open GL類模塊構建城市場景三維模型，Open GL類模塊處理數(shù)據(jù)示意圖如圖2所示。

由圖2能夠看出，Open GL類模塊處理數(shù)據(jù)結構的頂端是處理函數(shù)，進行多次管道式的操作步驟，如城市規(guī)劃元素三維模型的像素操作、頂點操作等。Open GL類模塊下達部分指令繪制城市規(guī)劃三維仿真設計系統(tǒng)的幾何物體，同時可下達處理不同操作階段城市規(guī)劃要素的命令。由Open GL類模塊管道運行模式中得到Open GL的狀態(tài)要素。

創(chuàng)建Open GL類模塊后，將還原Open GL的工作與Open GL管道關鍵要素保存在Open GL類模塊中，據(jù)此，即可采用Open GL類模塊進行城市規(guī)劃三維仿真設計。

1.3.2" 城市規(guī)劃三維建模實現(xiàn)

構建城市三維模型可實現(xiàn)城市真實地理空間重現(xiàn)，重現(xiàn)對象包含城市建筑、地貌、生態(tài)景觀等元素[5]。構建城市三維模型為基于VR技術進行城市仿真提供基礎空間環(huán)境，三維模型中的建筑、景觀等攜帶真實坐標信息[6]。大中城市的建筑物與人口密集，產生的測量數(shù)據(jù)規(guī)模極大，為保障數(shù)據(jù)測量的精確度，使用高性能的數(shù)字立體采集系統(tǒng)實地獲取城市規(guī)劃數(shù)據(jù)，存儲在MongoDB數(shù)據(jù)庫中。

三維空間坐標確定是城市規(guī)劃仿真設計的基礎，自動構建結構模型、提取建筑紋理、粘貼替換紋理為城市規(guī)劃仿真設計的關鍵步驟[7]。系統(tǒng)具備構建數(shù)字高程模型與數(shù)字正射影像的功能，可解決大坡度城市地形的規(guī)劃問題。疊加數(shù)字高程模型與數(shù)字正射影像得到城市三維地形景觀。融合城市三維地形景觀與城市建筑三維模型得到整體城市三維數(shù)字模型。

利用城市規(guī)劃三維仿真設計系統(tǒng)進行城市規(guī)劃設計時，城市景觀的頂點緩沖采用CreateVertexBuffer（）構建，依據(jù)頂點數(shù)據(jù)與索引數(shù)據(jù)整理城市景觀的頂點，整理完成的城市景觀頂點以三角形帶的形式存在，并保存在頂點緩沖內。景觀頂點的法線均值根據(jù)相鄰面獲取，景觀的紋理坐標可依據(jù)紋理坐標比例、紋理偏移量、旋轉角度等參數(shù)求取。

2） 實時渲染

利用城市規(guī)劃三維仿真設計系統(tǒng)進行城市規(guī)劃過程中，通過遍歷渲染全部對象完成實時循環(huán)渲染[8]。以城市規(guī)劃中的道路為例，不同類型的道路材質和紋理存在差異，通過劃分城市道路為三個子對象的方式迅速完成三維模型實時渲染，總結車輛行駛道路實時渲染代碼如下：

1.4.2" 城市規(guī)劃動態(tài)景觀仿真交互漫游

動態(tài)景觀漫游功能可隨時查看城市規(guī)劃內容，并進行三維可視化瀏覽[9]。通過瀏覽城市規(guī)劃方案總結設計存在的漏洞，并及時修改和優(yōu)化，有助于提升城市規(guī)劃效率、改善城市規(guī)劃效果。審查方可通過瀏覽動態(tài)景觀漫游完成方案審查與評估。

交互式是基于VR技術設計的城市規(guī)劃三維設計系統(tǒng)的突出優(yōu)勢，通過交互控制實現(xiàn)城市規(guī)劃動態(tài)景觀交互漫游。系統(tǒng)設置自由視角漫游、拾取物體、控制物體等功能，完成人機交互漫游[10]。用戶在城市規(guī)劃場景中漫游時，可仔細查看城市建筑、道路、地貌、景觀的細節(jié)，采用鍵盤和鼠標控制攝像機角度，實現(xiàn)前進與后退等視角的變換。

點擊“Switch On Key”命令得到用戶操作鍵盤窗口;設置待控制攝像機時點擊“Set As Active Camera”命令;結合使用“Translate”“Per Second”“Rotate”命令實現(xiàn)攝相機的旋轉和平移操作。系統(tǒng)設置旋轉和平移攝像機的快捷鍵如下：Page Up，Page Down表示向上移動、向下移動虛擬城市規(guī)劃場景;Home，End分別表示向上與向下旋轉城市規(guī)劃虛擬場景;鍵盤的上箭頭與下箭頭分別表示逼近城市規(guī)劃場景與遠離城市規(guī)劃場景;鍵盤的左箭頭與右箭頭分別表示城市規(guī)劃場景呈逆時針與順時針方向旋轉。

城市規(guī)劃動態(tài)景觀自由交互漫游讓用戶真正得到身臨其境的虛擬與現(xiàn)實體驗，也是三維虛擬場景設計的強大之處。

2" 實驗分析

以某城市為例，采用本文系統(tǒng)進行城市規(guī)劃三維仿真設計測試，為突出本文系統(tǒng)進行城市規(guī)劃的優(yōu)勢，采用C/S城市規(guī)劃設計系統(tǒng)、OSG城市規(guī)劃設計系統(tǒng)展開對比測試。

2.1" 城市三維規(guī)劃效果分析

本文系統(tǒng)規(guī)劃城市過程中，設計的綠植景觀如圖3a）所示，城市規(guī)劃結果如圖3b）所示。

由圖3a）可知，本文系統(tǒng)設計的綠植景觀完整地還原樹木葉脈、樹木枝干紋理，樹葉枝干層次表達分明，地面處的陰影表達準確，提升景觀設計的逼真與可視化程度。由圖3b）能夠清晰地看到城市道路與建筑的規(guī)劃結果，本文系統(tǒng)將城市局部規(guī)劃成A，B，C三個建筑群，建筑群由道路分割，布局清晰，改變以往城市混亂布局的狀態(tài)。因此，本文系統(tǒng)呈現(xiàn)的城市三維仿真規(guī)劃結果較優(yōu)。

2.2" 三維建模誤差分析

以城市行車道路為例，測試本文系統(tǒng)的建模誤差，對比本文設計結果與實際模型坐標數(shù)據(jù)，得到建模相對誤差如圖4所示。

由圖4可知，本文系統(tǒng)建模的相對誤差集中在0.08～0.16之間，誤差值較小并且在合理范圍內，不影響整體城市規(guī)劃效果;另外本文系統(tǒng)建模誤差波動幅度較小，建模效果可靠。

2.3" 城市規(guī)劃成本分析

城市規(guī)劃的成本是衡量城市規(guī)劃系統(tǒng)性能的重要指標，得到三種系統(tǒng)城市規(guī)劃的時間成本與規(guī)劃費用成本結果如表1，表2所示。

由表1可知，本文系統(tǒng)規(guī)劃城市建筑群花費6天時間，道路規(guī)劃與生態(tài)景觀規(guī)劃分別花費4天、3天時間，C/S城市規(guī)劃設計系統(tǒng)、OSG城市規(guī)劃設計系統(tǒng)規(guī)劃時間約為本文系統(tǒng)的3倍。

由表2可知，本文系統(tǒng)進行城市規(guī)劃費用均低于C/S城市規(guī)劃設計系統(tǒng)、OSG城市規(guī)劃設計系統(tǒng)，在城市群規(guī)劃中差異顯著。本文系統(tǒng)規(guī)劃建筑群花費2.12萬元，比C/S城市規(guī)劃設計系統(tǒng)節(jié)約2.13萬元，比OSG城市規(guī)劃設計系統(tǒng)節(jié)約2.83萬元;規(guī)劃城市道路與景觀的費用差距相對較小。

綜上可知，本文系統(tǒng)規(guī)劃城市建設過程中，有效縮短了工期、降低了城市規(guī)劃設計成本，優(yōu)勢突出，在城市規(guī)劃與建設中的應用前景廣闊。

2.4" 城市規(guī)劃系統(tǒng)性能評估

采用交互性、還原度、仿真程度等信息描述城市規(guī)劃設計的性能，采用優(yōu)、良、差三個等級評估系統(tǒng)性能。選取案例城市中10處區(qū)域，采用三種系統(tǒng)進行城市規(guī)劃三維仿真設計，得到三種系統(tǒng)的評估結果如表3所示。

表3數(shù)據(jù)表明，本文系統(tǒng)城市規(guī)劃三維仿真設計效果突出，交互性、還原度、實時性、仿真程度和規(guī)劃合理性均為優(yōu)秀;而C/S城市規(guī)劃設計系統(tǒng)僅在交互性方面表現(xiàn)優(yōu)秀，在實時性與仿真程度方面表現(xiàn)較差;OSG城市規(guī)劃設計系統(tǒng)在還原度與交互性方面表現(xiàn)優(yōu)異，但規(guī)劃結果合理性較低、實時性差。

3" 結" 論

本文將VR技術應用在城市規(guī)劃三維仿真設計中，取得較優(yōu)的城市規(guī)劃三維仿真設計結果。基于VR技術進行城市規(guī)劃主要分為數(shù)據(jù)庫構建、三維建模、模型渲染、場景交互漫游等步驟，最終構建一種還原度高、可視化效果強的數(shù)字規(guī)劃方案。VR技術在城市規(guī)劃設計系統(tǒng)中的應用日趨成熟，必定發(fā)展成一種使用范圍廣、頻率高的城市規(guī)劃手段。

參考文獻

[1] 于振中，蔡楷倜.六軸工業(yè)機器人三維仿真系統(tǒng)[J].計算機工程與設計，2017，38（9）：2489?2493.

YU Zhenzhong， CAI Kaiti. Three?dimensional simulation system of six axis industrial robot [J]. Computer engineering and design， 2017， 38（9）： 2489?2493.

[2] 萬隆君，涂婉麗，徐軼群，等.基于VR技術的船舶管路裝配虛擬仿真系統(tǒng)設計[J].中國造船，2017，58（1）：186?192.

WAN Longjun， TU Wanli， XU Yiqun， et al. Virtual assembly of ship piping system based on VR technology [J]. Shipbuilding of China， 2017， 58（1）： 186?192.

[3] 杜福光.面向服務架構的城市三維規(guī)劃決策平臺構建[J].測繪科學，2016，41（10）：78?81.

DU Fuguang. Design and realization of urban three?dimensional planning decision platform based on SOA [J]. Science of surveying and mapping， 2016， 41（10）： 78?81.

[4] SOUZAKI R， KINOSHITA Y， IEIRI S， et al. Preoperative surgical simulation of laparoscopic adrenalectomy for neuroblastoma using a three?dimensional printed model based on preoperative CT images [J]. Journal of pediatric surgery， 2015， 50（12）： 2112?2115.

[5] 閆文珠，劉成，李磊民，等.基于VR技術的機器人核事故訓練平臺研究[J].計算機仿真，2015，32（9）：395?399.

YAN Wenzhu， LIU Chen， LI Leimin， et al. Research on training platform of robot in nuclear accident based on VR technology [J]. Computer simulation， 2015， 32（9）： 395?399.

[6] 盧浩然，張宇，牛苗苗，等.基于Leap motion的三維文物虛擬拼接方法[J].系統(tǒng)仿真學報，2015，27（12）：3006?3011.

LU Haoran， ZHANG Yu， NIU Miaomiao， et al. Three?dimensional virtual reassembling for broken artifact fragments based on Leap Motion [J]. Journal of system simulation， 2015， 27（12）： 3006?3011.

[7] 汪應，羅元成.基于Java3D和VRML技術的采摘機械手運動仿真研究[J].農機化研究，2017，39（12）：210?214.

WANG Ying， LUO Yuancheng. Motion simulation of picking manipulator based on Java 3D and VRML technology [J]. Journal of agricultural mechanization research， 2017， 39（12）： 210?214.

[8] 邱紹楊，任鴻翔，尹金崗.基于虛擬現(xiàn)實技術的自由降落式救生艇培訓系統(tǒng)[J].大連海事大學學報，2017，43（3）：14?18.

QIU Shaoyang， REN Hongxiang， YIN Jingang. A free fall lifeboat training system based on virtual reality technology [J]. Journal of Dalian Maritime University， 2017， 43（3）： 14?18.

[9] 王記彩.采用虛擬現(xiàn)實技術的煤礦虛擬液壓支架運動狀況仿真[J].煤炭技術，2017，36（10）：259?261.

WANG Jicai. Simulation of coal mine virtual hydraulic support based on virtual reality technology [J]. Coal technology， 2017， 36（10）： 259?261.

[10] 王浚羽，程斌，王川，等.數(shù)字地球下三維飛行仿真系統(tǒng)的可視化研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2015，27（8）：1824?1830.

WANG Junyu， CHENG Bin， WANG Chuan， et al. 3D Flight simulation system visualization and study of Google earth [J]. Journal of system simulation， 2015， 27（8）： 1824?1830.