探討城市規劃中虛擬現實技術的應用

(榆林市城市投資經營集團有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

虛擬現實技術是信息技術不斷發展的新型產物。虛擬現實技術的出現打破了傳統城市規劃過程中的限制，為我國城市規劃提供了一個三維可視環境，設計人員可以根據這樣的三維可視場景進行觀察以及規劃，對方案進行修改；并且向人們進行展示，可以讓專業人士和非專業人士進行溝通與交流。因此，將虛擬現實技術融入到我國城市規劃過程中，能夠使城市化設計成果提升到一個更高的層次。

1 虛擬現實技術在我國城市規劃過程中的應用意義

虛擬現實技術在我國城市規劃過程中的應用，能夠提升城市規劃方案設計和審批的效率，對城市化建設發展中的問題進行多方面的研究與分析，提升城市規劃的管理效率。

1)就提升城市規劃方案設計和審批的效率而言，在我國城市規劃過程中使用虛擬現實技術，設計人員能夠在計算機的虛擬場景中穿梭，觀察此方案，并且能夠在觀察此方案的同時對重要地方的方案進行討論。在對方案進行審批時，將方案制成三維模型，從各個角度進行研究與分析，從而提升城市規劃方案設計和審批的效率。

2)就城市化建設發展中的問題進行多方面的研究與分析方面而言，在我國城市規劃過程中使用虛擬現實技術，能夠把城市建設過程中各個區域的不同發展情況與現狀進行結合，制成城市發展的三維模型，科學合理地研究與分析城市發展的狀態，從而減少或者防止因為城市規劃導致的損失。

3)就提升城市規劃的管理效率方面而言，在虛擬現實技術的可視性基礎上，能夠更加直觀地處理三維數據，對城市的管理信息進行快速以及精準的搜索和統計，對城市信息的空間進行有效分析，加強城市的管理工作以及更新城市的地理信息。

2 虛擬現實技術的特征和關鍵技術

虛擬現實技術是通過對計算機的利用形成的一種虛擬的場景，并且利用各種傳感設施設備將用戶帶入到該場景中，讓用戶和此虛擬場景進行自然融合的技術。這種虛擬場景是通過對計算機的利用構成的具備立體感的圖形，它一方面可以是現實場景的體現，另一方面也可以是人們幻想的場景。在虛擬場景中，能夠達到人機的互動與交流，使得人們有一種身臨其境的感覺，讓其擁有強烈的參與感，變成“景中之人”，達到人景合一的境地。

2.1 虛擬現實技術的基本特征

虛擬現實技術是計算機制造的多維空間，它可以真實模擬用戶在環境中的不同特征。主要包含感知性、沉浸感、交互性以及自主性。感知性主要是指計算機用戶能夠通過虛擬現實系統對視覺、聽覺、觸覺、嗅覺以及味覺進行感知，在虛擬的場景中，用戶能夠體會到在真實場景中的一切真實的感受。沉浸感主要是指計算機用戶已經感受不到自己所處于的外部環境，將自己充分融入到計算機所給予的虛擬場景中，是用戶成為主角在虛擬場景中的真實情況，三維空間、環繞音響以及場景隨著可視范圍的變化而不斷變化，這在一定程度上增強了用戶的沉浸感。交互性主要是指計算機用戶能夠經過三維交互設施設備進行計算機操作，并且給予虛擬場景的對象，虛擬場景中的對象可以及時做出與之相對應的反應，也是用戶對虛擬場景中物體的操作，并且對虛擬場景中獲得的反饋以及對虛擬場景進行重新設置。自主性主要是指虛擬現實系統中的物體能夠依據自身的特點遵循計算機用戶的不同需求進行自主性運動，但是，虛擬場景中物體的反應能力和現實場景中的規律是一樣的，一樣受重力的影響，不能出現穿墻的現象。

2.2 虛擬現實技術的關鍵技術

1)就動態環境建模技術以及實時三維圖形生成技術而言，虛擬場景的建立是虛擬現實技術的重點內容，動態環境建模技術主要是獲得現實場景中的三維數據，并且依據這些已經獲得的數據建立與之相對應的虛擬場景模型。獲得三維數據以及非接觸的視覺建模技術，將兩者進行有機結合，以提升數據獲得的準確性以及效率。實時三維圖形生成技術中的三維圖形生成技術已經非常成熟，所以重要之處是在實時，為了完成實時的目標，應該不斷地對圖形進行刷新。計算機圖形技術以及仿真技術的提升對實時三維圖形生成技術的發展產生著直接的作用。

2)就立體顯示和傳感器技術以及細節層次技術而言，虛擬現實技術對立體顯示和傳感器技術有一定的依賴性，現階段的虛擬現實技術設施設備不能夠滿足系統的需求。例如頭盔式的立體顯示器存在著精準度低、刷新頻率慢以及使眼睛容易感到疲勞等缺點，數據手套存在著使用不方便以及分辨率低的缺點。而各式各樣的傳感器主要是為了人機的有效交互，人在拿一個物體的時候，機器能夠感應到動作并且在虛擬的場景中做出相應的動作。細節層次技術指的是在實時系統中使用細節省略的技術，如果是各種層次的物體結合在一起對一個場景進行描述，也就是說場景中的多個物體擁有多個模型，模型和模型之間的差別是細節的描述，在實時顯示的時候，細節簡單的模型就能夠提升顯示的速度，而物體是否重要決定了如何選擇物體的模型。

3)就系統開發以及系統集成技術而言，虛擬現實技術的使用主要是找到科學合理的場景以及對象，也就是說需要充分發揮想象力以及創新能力，選擇合適的使用對象，能夠在極大程度上提升效率以及質量。因此，為了實現這一目標，必須研究虛擬現實技術的開發工具，例如虛擬現實技術開發平臺，這和科學信息技術的發展息息相關。虛擬現實系統中含有眾多的信息以及模型，因此，對多個系統進行集成對虛擬現實技術產生著重要的影響。系統集成技術包含了同步信息、轉換數據以及模型管理等等(見圖1)。

圖1 某樓盤虛擬現實系統展銷實例

3 虛擬現實技術在我國城市規劃過程中的應用

在我國傳統的城市規劃過程中，主要是使用實體模型、效果圖案以及計算機三維動畫來體現方案的視覺成效和環境之間是否和諧，這些表現手法在一定程度上都存在著問題與不足。實體模型的立體感強，但是沒有辦法從人們的視覺出發感受建筑物的空間，沒有辦法讓人們獲得真正的感受；效果圖雖然能夠從人們的視覺出發，但是展現的是局部的、靜態的視覺效果，沒有立體感；計算機三維動畫具有較強的動態表現力，但是人們是被動的觀察，并且如果對方案的細節進行修改，比較耗費時間。而在我國城市規劃過程中使用虛擬現實技術，能夠有效的改善這些不足。

虛擬現實技術在我國城市規劃過程中的應用首先是虛擬現實技術在建筑工程行業的運用，建筑工程項目的設計人員對建筑物進行設計制成三維動畫。通過對虛擬現實技術的使用，可以把設計人員的方案定位在現實的場景中，對該方案進行科學、合理的評價，然后，操作人員在虛擬的場景中行走，從而感知虛擬場景設計是否合理。因此，在我國城市規劃過程中使用虛擬現實技術為多種可行性方案提供了基礎性條件，并且，通過對虛擬現實技術的使用不會耗費較長時間以及較多的資金。在我國城市規劃過程中使用虛擬現實技術，一方面能夠提升城市規劃以及城市生態建設的合理性以及科學性，減少城市規劃的成本，另一方面還能夠減短城市規劃以及設計的時間。

3.1 在虛擬城市系統方面的應用

利用虛擬現實技術對整個城市宏觀條件下的城市用地以及總體布局進行規劃。要想建立健全虛擬城市系統，就必須建立城市規劃區域的地理數據庫以及建筑模型的數據庫。利用相關數據庫軟件對城市地區的地形地貌實施數字化，對城市地區自然條件以及經濟情況進行數據方面的收集，建立城市地區自然條件方面的數據庫，建立城市地區社會政治經濟方面的數據庫。利用計算機輔助設計的方法，對各式各樣的建筑模型進行收集，建立城市地區建筑模型方面的數據庫。最后依據城市規劃設計人員提供的方案，由相關計算機軟件的專業技術人員將建立起的各種數據庫進行連接，充分地通過計算機軟硬件工具的使用，建立起虛擬的城市系統。

總而言之，利用虛擬現實技術建立虛擬城市系統，不需要對所規劃的方案進行實際執行，就能夠先對所規劃方案的實施成果進行檢驗，也就是虛擬城市場景中的社會、生態以及經濟中的最好狀態，并且能夠對發現的問題進行改正，最后供決策者制定以及規劃城市方案，能夠在城市規劃的過程中讓規劃人員對設計的方案進行討論以及修改。除此之外，還可通過這種方式向人們展現方案，提升人們參與的主動性以及積極性。

3.2 在城市虛擬場景建模方面的應用

在城市規劃的過程中，最繁瑣、最困難的就是城市虛擬場景的建模情況。虛擬現實技術在城市規劃過程中的城市虛擬場景建模方面的應用主要體現在5個方面。

1)城市虛擬場景中天空方面的建模，在傳統的三維城市虛擬場景動畫中，天空常常是用背景貼圖進行表現的，但是，這所適用的是視覺特定的靜態環境中，在實時的漫游過程中會讓用戶感覺天空的虛假感。虛擬場景中應該使用半球面或者是圓柱面的模型建立天空模型，并且在天空模型的表面，應該利用紋理映射形成全天的天空背景模型。

2)城市虛擬場景中地表情況方面的建模，地表方面的模型應該依據城市的地圖以及遙感照片進行建立，準確、真實地表達城市地形地貌以及道路水域的情況。

3)城市虛擬場景中建筑物方面的建模，在虛擬的城市場景中，建筑物是城市中一道亮麗的風景線，建筑物作為城市的主體存在應該使用三維模型，關于外形類似于矩形的建筑物，可以利用之前拍攝的建筑物四個立體面的照片進行粘貼，粘貼在矩形模型的四個對應面上，這樣能夠在很大程度上減少建筑模型的數據量，但是，這樣的建筑模型效果肯定沒有真實的三維模型的效果好。因此，對于不同的建筑物還是需要盡量使用真實的三維模型。

4)城市虛擬場景中運動物體方面的建模，例如人物以及各種車輛等，在靜態的建筑圖案中，將人物以及各種車輛當成配景已經被廣泛使用。在城市虛擬的場景中，虛擬場景中的人物以及各種車輛應該是動態的，人是能夠行走的，車輛是能夠移動的。因此，在城市虛擬的場景中，人物以及各種車輛就不能只是簡單的貼圖，應該是能夠運動的。

5)城市虛擬場景中其他物體方面的建模，在城市虛擬的場景中，還應該有很多其他物體，例如，花草、樹木以及路燈等，如果這些物體也使用三維模型的話，會在極大程度上增多數據量，對虛擬場景中的實時特性產生直接的影響。因此，這些物體需要采取貼圖的方式，可以將花草、樹木以及路燈等物體用透明貼圖的辦法，粘貼在垂直的二維表面上，這樣的話，在城市虛擬的場景中，這些物體就能夠依據攝影機的具體位置進行自動調整。

虛擬現實技術在城市規劃中的應用經常會涉及到不同的場景，在復雜的大型場景中使用虛擬現實技術，如果對不同的模型使用相同的計算量，會在很大程度上影響城市虛擬場景實時的流暢性。因此，只有通過分區建模的方式，才能夠解決這樣的問題。這就是將虛擬場景進行劃分，分別建立高精度、中等精度以及低精度等不同級別的模型，在城市虛擬場景的實時漫游中，能夠依據用戶觀看時所站立的位置以及視線所在，在近處使用高精度的模型，隨著距離的不斷增加而采用中等精度的模型或者低精度的模型。與此同時，隨著用戶的不斷移動，對不同精度級別的模型進行實時監察，這樣能夠在一定程度上提升渲染的范圍和速度，更好地調節速度和成果之間的關系，并且這樣的辦法與人類的視覺規律相吻合。

4 結語

虛擬現實技術在城市規劃中的應用能夠將城市面貌進行直觀的展示，提升了城市規劃的設計水平以及效率，對城市景觀的恢復產生著至關重要的影響。但是，虛擬現實技術是信息技術不斷發展的新型產物，在城市規劃過程中的使用剛剛開始，可能會存在著不足之處，因此，應該對虛擬現實技術加以完善，使得虛擬現實技術在城市規劃中被更好地使用。