環境設計在實時仿真虛擬平臺中的應用

摘要：文章解析了仿真虛擬平臺的概念，通過對廣西體育中心仿真虛擬平臺環境設計的實例分析，為廣西體育中心在實際運行中可能遇到的問題提出了優化解決建議，為仿真虛擬平臺的設計、研究、開發進一步積累經驗、夯實基礎。

Abstract： The article analyzes the concept of a simulation virtual platform. Through an example analysis of the environment design of the Guangxi Sports Center simulation virtual platform， it proposes optimization solutions for the problems that the Guangxi Sports Center may encounter in actual operation， to further accumulate experience and lay a solid foundation for design， research and development of the simulation virtual platform.

關鍵詞：環境設計;仿真虛擬平臺;廣西體育中心

Key words： environmental design;simulation virtual platform;Guangxi Sports Center

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）09-0258-03

1? 環境設計與實時仿真虛擬平臺

隨著無線通信4G時代的到來，游戲、城市2.5維地圖定位查詢等平臺使虛擬現實得到了迅猛的發展。實時仿真虛擬平臺成為人們每天工作、學習、生活中必不可少的交互式終端媒體平臺。

實時仿真技術，也稱之為模擬實時技術，就是用一個系統模仿另一個真實系統的技術。借助計算機生成虛幻的環境虛擬仿真技術，通過方案比選，實時修改設計方案。實時仿真虛擬平臺有別與傳統的2.5維電腦效果圖，它融入了環境設計，為無形象的數字化搭建了一個仿現實的可視化空間概念，使許多復雜多變的信息轉變為數字化模型。它可以360度無死角，全方位的展示各個建筑、道路以及園林規劃，不僅為環境設計提供了新的手段，也帶來全新的新思路和創作方法的變革。因此，環境設計成為輔助智能城市規劃、智能社區、智能醫院、智能交通、智能體育中心等數字建設中不可缺少的重要組成部分。

而如何使傳統的環境設計更完美的從尺度、比例、色彩、質感、形體、風格融入到未來環境設計仿真虛擬平臺建設中，更科學合理的預測整個工程造價，使大型工程項目的整體規劃效果及成本預算提前預見、預知，為項目生產降低成本、提高效率，并解決安全及消防隱患，為工程項目決策者和各個對接設計的管理者及施工部門展現一個三維可視化立體工程項目方案，通過在仿真虛擬平臺三維模式中全方位體現各種環境設計方案，從而完美解決這一系列問題。

2? 廣西體育中心仿真虛擬平臺中環境設計的應用

廣西體育中心，有承辦全國性運動、區域性國際運動會和部份國際、國內重大單項賽事的主體育場、體育館、游泳跳水館、網球中心、新聞中心等。廣西體育中心實時仿真虛擬平臺基于Unity3D系統開發，是自主研發的高新技術項目。其旨在通過共享、集成地理信息資源，提前預見災情險景，為輔助決策、預防災情提供良好的技術平臺。運用移動終端設備進入虛擬仿真平臺場景中，可以以飛行視角全覽整個體育中心，也可以以步行視角漫步整個體育場館。

虛擬平臺的開發分為平臺場景搭建和模塊開發兩個部分。模塊開發的內容建設是重中之重。

2.1 平臺場景搭建

平臺運用3ds Max軟件制作場景模型，在搭建平臺初期撰寫城市三維建模型技術規范，并按此規范嚴格建造五象體育中心場景模型。采用3ds Max軟件建立模型，即使是不同的驅動引擎，對模型的要求基本是相同的。當一個場景模型制作完成時，它所包含的基本內容包括場景尺寸、單位，模型歸類塌陷、命名、節點編輯，紋理、坐標、紋理尺寸、紋理格式、材質球等必須是符合制作規范的。一個歸類清晰、面數節省、制作規范的模型文件對于程序控制管理是十分必要的。

2.2 平臺模塊開發

運用Unity 3D開元軟件搭建仿真虛擬平臺，通過編寫C++語言、Java語言進行腳本制作，對Unity 3D平臺進行二次開發，制作廣西體育中心仿真虛擬平臺（圖1）。Unity 3D具有層級式的綜合開發環境，具備視覺化編輯、詳細的屬性編輯和動態游戲預覽特性?？梢约嫒?ds Max、Maya三維模型軟件。通過聯網可以實現人機互動虛擬現實。仿真虛擬平臺其環境設計的應用可以從動態場館分布（圖2）、游覽模式（圖3）、警力布置分析（圖4）、人員疏散模擬設計（圖5）四個方面來體現。每個模塊有自動路徑漫游功能，用戶可以選擇系統定義的路徑，讓程序以播放動畫的效果沿指定路線進行自動漫游，用戶在自動漫游過程中可以隨時暫停播放路徑，停下來四處欣賞四周，然后再繼續播放。

2.2.1 動態場館分布設計

主要使用建筑模型軟件3ds Max進行制作。（以建筑物三維數字化為載體，將建筑產業鏈各個環節所需要的信息關聯起來，而形成的建筑物信息集）對廣西體育中心各體育場館進行模擬設計。一共模擬了主體育場、體育館、游泳館、網球館四個建筑，每個建筑均為獨立場館，根據場館內不同的配置區域來制定各類人員的活動區域，如觀眾區、運動員休息區、媒體區、貴賓區等。用戶根據需要，自己定義顏色，在場景中添加矩形區域、圓形區域和不規則區域，將場景劃分為諾干個層，對整個場景進行劃分和標示，可以用文字或圖片來標示區域，更人性化的表現出區域的特點。平臺研究測試后，后期可運用BIM進行模擬設計，BIM主要的優勢在于：BIM技術的設計，對建筑施工開始后合理組織施工流程、進行精細化項目管理、節約資源、提高施工效率都是非常好別的借鑒和依據。四個場館建筑，如果針對進入體育中心的游客，可以實現三維互動式的動態導游模式，全景式的呈現建筑外觀及周邊環境情況，清晰地引導游客尋找既定目標。對于體育中心的運營方來說，動態地呈現各建筑間的內在結構及機電位置情況，將進一步提高中心的運營和管控能力。

2.2.2 游覽模式

在虛擬仿真平臺場景中，通過人行、游戲模式、飛行三種方式來瀏覽場景?？梢砸燥w行視角全覽整個體育中心，也可以以步行視角漫步整個體育場館，隨心切換場景視圖，通過視感了解整個體育中心。對體育中心的建設不僅有可視化的數據指導作用，也有民生的互動了解、應急聯動等作用。

2.2.3 警力布置分析

警力布置分析其實也是三維安保顯示，是以廣西體育中心電子地圖為基礎，以信息共享和綜合利用為目標，實現安?；A信息基于三維地圖的可視化查詢和分析，多層次、多方位直觀顯示體育場內及周邊相關數據、圖形等信息，提供各個位置安保元素在空間的分布狀況和實施運行狀況，分析其內在聯系，做到安保資源的合理配置和調度，提高廣西體育中心在指揮決策、快速反應等方面的綜合能力。具體功能表現在：①為安保信息提供快速的空間定位參考。在體育中心電子地圖中進行各個安保區域的編碼，從而將安保信息在三維地圖上直觀定位展示。指揮人員根據所查詢到的目標，在三維空間地圖上定位安保區域，迅速鎖定其位置。②為安保信息提供全新的展示平臺。借助仿真虛擬平臺，可以展示各種動態的、靜態的、歷史的、適時的安保信息，反映實適安保情況發展變化狀態的安保態勢等，進行多樣化的可視展示，方便決策，提高安保工作效率。③清晰呈現安保力量分布。通過平臺設計直觀展示體育場內不同區域安保力量的分布情況及控制范圍，結合現場布控進行三維化的作戰指揮管理。

2.2.4 人員疏散模擬

依托Unity 3D軟件對體育中心主體育場的布局以三維動態空間的形式描述，模擬主體育場在發生火災時，場館內的人群逃生動向，直至所有人最終達到規定的安全地點為止。要實現這個模擬，首先需要建筑體育中心建筑網絡模型。這個模型由一系列的節點以及連接各個節點的路徑組成。節點代表了體育中心內不同看臺區域、通道、樓梯間、安全出口等各個空間部分，模型將體育中心外的安全地點定義為目標結點，人員疏散以人員達到目標節點算作結束?？臻g上相鄰的節點通過虛擬的路徑來連接，這些路徑在空間上并不實際存在，只是通過它們來反映各個節點之間的連接關系。同時，需要設計路徑的方向，以反映人員在網絡內的流動方向。

廣西體育中心南看臺共計60層，劃分為若干座位區域，以A、B、C不同的字母符號來表現，每個座位區域的有效空間區域長142米、高3米，有2個出入口與外部鏈接，出入口高2.5米，寬4米。根據這個數據，再使用Unity 3D進行模擬設計，可以清晰地圍繞人——平臺——場景進行仿真虛擬交互式體驗，觀眾從發生緊急情況，開始按路徑逃離，撤離過程中的人流狀況，通過編寫C++腳本、Java腳本，在出口處放置虛擬碰撞器體進行碰撞計算，每跑過一個人就會碰撞一次碰撞器，觸發一次人數的增加。模擬呈現出來，系統顯示，1分鐘內，A區三個出口可以有150名觀眾有序通過出口撤離至安全點。

表1是在場景逃生中制作的內容。

這樣的模擬設計為體育中心突發緊急情況，最快速疏散人群提供了借鑒。例如發生險情后，通過時實檢測逃生門的逃生人數，可引導民眾前往人數少、離火情遠的地方盡快逃生。廣西體育中心仿真虛擬平臺場景的展示，為管理部門提供了預案參照，同時也可作為與民眾交流互動的三維時實可視化信息平臺，也將為廣西體育中心人員緊急疏散的安全性問題提供進一步的評估數據，為搶險救災提供科學依舊。當然，這個人員疏散的模擬設計仍存在一些不確定性，主要表現在：①遇到險情時不同個體真實的心理反應，個體間的相互作用情況，決定了逃生過程中的狀況也不盡相同;②真實險境的情況與模擬設計肯定存在一定差距，還需要盡可能多的在真實環境下獲取更多數據，不斷完善設計。

綜上所述，廣西體育中心虛擬仿真平臺的環境設計，展現了場景中逃生系統人員疏散、動態場館分布、安保布置分析等方面的情況。圍繞人——平臺——場景進行仿真虛擬交互式介紹，強調了環境設計在其中的關系。為體育中心提供了更全面、更整體、更合理、更經濟的規劃設計，有利于中心降低運行成本、提高效率。通過人機互動虛擬現實，實現在家中也能通過電腦、手機等設備在體育中心游覽。能幫助火警、公安更好的進行緊急預案，疏散現場人流。由此可見，環境設計在實時仿真虛擬平臺中的應用領域還可拓寬到科學、政府、企業和產業等各部門，進一步豐富我們的智能化生活。

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基金項目：2015年度廣西藝術學院科研項目一般項目? YB201517。

作者簡介：楊娟（1984-），女，廣西河池人，碩士研究生，高級工程師。