基于vr交互系統(tǒng)下城市環(huán)境設(shè)計與開發(fā)

王冠凇 賈文婷 苑琪汶

【摘 要】21世紀以來，技術(shù)的發(fā)展對設(shè)計行業(yè)來說不僅帶來了媒介變革，還帶來了新型的傳播方式和體驗。隨著計算機信息技術(shù)在城市規(guī)劃、建筑設(shè)計等空間環(huán)境設(shè)計領(lǐng)域的深入，VR技術(shù)在城市建設(shè)領(lǐng)域開始得到應(yīng)用。本文敘述了VR技術(shù)的城市規(guī)劃設(shè)計方法的研究與實現(xiàn)。介紹了虛擬現(xiàn)實的概念、特征、發(fā)展?fàn)顩r、并重點闡述了VR技術(shù)的發(fā)展背景、特點和實現(xiàn)方法。隨后論文詳細研究了城市三維建模的理論和方法。對城市各種典型的地物模型做了全面研究。

【關(guān)鍵詞】城市規(guī)劃設(shè)計;虛擬現(xiàn)實;建筑設(shè)計

一、虛擬現(xiàn)實發(fā)展及應(yīng)用的必然性

虛擬現(xiàn)實這一概念是由英語引入的，其英文名稱為Virtual Reality，簡稱VR。VR技術(shù)是一種基于電腦網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立的模擬場景，這種場景在一定程度上展示了一個比較真實的三維空間，在這個空間生成與一定范圍真實環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度相似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產(chǎn)生親臨對應(yīng)真實環(huán)境的感受和體驗。可以說，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，制作者可以制作出任何想模擬的場景及現(xiàn)場，實現(xiàn)了“真實”與“虛擬”的融合。觀看VR視頻，受眾可以通過頭戴設(shè)備等從自己的視角出發(fā)，沉浸到“虛擬”的世界去體驗。與傳統(tǒng)的第一人稱游戲不同，虛擬現(xiàn)實技術(shù)真正實現(xiàn)了現(xiàn)場的還原復(fù)制，并為受眾打造出了一個新型的體驗世界。

當(dāng)前在媒介中使用的VR技術(shù)，“VR+設(shè)計”也印證了麥克盧漢“媒介理論”的一句話——“任何媒介都不外乎是人感覺能力的擴展或延伸”，我們利用VR技術(shù)就是要把受眾“帶到”新聞現(xiàn)場進行360度的全景體驗。在筆者看來，達到身臨其境的感覺、產(chǎn)生欺騙大腦的效果就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是仿真技術(shù)的一個重要方向，是仿真技術(shù)與計算機圖形學(xué)人機接口技術(shù)多媒體技術(shù)傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。模擬環(huán)境是由計算機生成的、實時動態(tài)的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應(yīng)該具有一切人所具有的感知。除計算機圖形技術(shù)所生成的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運動等感知，甚至還包括嗅覺和味覺等，也稱為多感知。自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動，眼睛、手勢、或其他人體行為動作，由計算機來處理與參與者的動作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對用戶的輸入作出實時響應(yīng)，并分別反饋到用戶的五官。傳感設(shè)備是指三維交互設(shè)備。

目前VR技術(shù)在研究上已經(jīng)得到了國內(nèi)外多國的重視，

美國作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)源地，其技術(shù)水平在一定程度上代表了此技術(shù)在國際上的技術(shù)水平，在世界范圍內(nèi)獲得了長足的發(fā)展，在感知、用戶界面、后臺軟件以及硬件方面研究深入。利用VR技術(shù)已經(jīng)在航空、衛(wèi)星等建立?VR訓(xùn)練系統(tǒng)，空間站虛擬現(xiàn)實技術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，建立了供全國使用的VR教育系統(tǒng)。在軍事領(lǐng)域進行虛擬戰(zhàn)場環(huán)境和各種形式的模擬訓(xùn)練，提高作軍隊的作戰(zhàn)能力和水平。同時，英國和日本等國也在工業(yè)設(shè)計、虛擬現(xiàn)實知識庫、虛擬現(xiàn)實游戲等多領(lǐng)域取得良好的效果。

我國VR技術(shù)在80年代才引進，較發(fā)達國家而言起步晚差距大，其發(fā)展存在的巨大前景也使相關(guān)的科學(xué)家和研究人員引起重視，作為國家重點研究項目進行研究。北京航空大學(xué)計算機系會對VR技術(shù)進行研究的權(quán)威單位之一，在虛擬環(huán)境中物理特性的表示和處理、虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計等多個領(lǐng)域取得良好發(fā)展。我國各高校早特定人臉圖像的合成、立體顯示技術(shù)壓縮碼等研究成果斐然，計算機動畫制作技術(shù)的利用就是其具體體現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中。

二、虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)于城市設(shè)計規(guī)劃的方法

虛擬現(xiàn)實技術(shù)利用計算機對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析計算，并通過3D建模程序構(gòu)建一個三維立體虛擬仿真世界，提供參與者高度仿真的視覺、聽覺、觸覺等感官模型，讓參與者產(chǎn)生身臨其境的真實感。在構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實仿真環(huán)境中，參與者可以任意且沒有限制地觀察虛擬環(huán)境中的事物，清楚地看到設(shè)計中的各種細節(jié)，深度了解設(shè)計師的設(shè)計理念，便于找出設(shè)計中的不足，從而進一步進行設(shè)計優(yōu)化。

為彌補傳統(tǒng)城市規(guī)劃中的不足，本文以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)。通過三維立體掃描儀等輸入設(shè)備采集城市建筑信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和計算后，采用3D建模程序和三維場景編輯程序進行虛擬現(xiàn)實仿真模型的建立，由顯示系統(tǒng)進行輸出，并利用人機交互設(shè)備與虛擬環(huán)境進行交互，將傳統(tǒng)城市環(huán)境規(guī)劃模式提高到了數(shù)字化可觀、可感的境界，全面提高了城市規(guī)劃的效率。

1?城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于三維虛擬技術(shù)的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)硬件由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和人機交互設(shè)備三部分構(gòu)成[4]。其中，三維立體掃描儀是最重要的輸入設(shè)備，使用USB數(shù)據(jù)傳輸線將采集的建筑數(shù)據(jù)輸入至計算機，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析計算構(gòu)建三維立體虛擬仿真模型，由輸出設(shè)備的顯示裝置將3D模型展現(xiàn)在觀眾眼前。在構(gòu)建的虛擬城市模型中，參與者可以利用人機交互設(shè)備與虛擬模型進行人機交互，提高三維立體虛擬仿真模型的真實性。

1.1? 三維立體掃描儀

三維立體掃描儀是基于三維虛擬技術(shù)的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)采集設(shè)備，體積小、重量輕、方便攜帶，是集計算機、光學(xué)、機械學(xué)、電力學(xué)多種領(lǐng)域技術(shù)于一身的高科技數(shù)據(jù)采集器。選用“照相式”的3D掃描儀掃描實體建筑，獲取建筑表面的精確點坐標，即三維點云數(shù)據(jù)，其集合被稱作點云[5]。通過點云計算出建筑實體的高度以及占地面積，通過一定比例的縮小來獲得建筑的三維數(shù)字化模型，可以將現(xiàn)實建筑以數(shù)字化的形式完美地復(fù)制下來，是構(gòu)建三維虛擬城市的重要設(shè)備。照相式非接觸型3D掃描儀相較于初代的激光掃描儀，其點云采集速度提高了10倍（單面掃描時間小于2 s），超高的分辨率能夠合理地控制掃描過程中的誤差，使得整體的測量精度大大提高，操作模式如同普通的照相機，簡單容易上手。為了采集處理高大建筑表面的三維坐標，掃描范圍可達120 m，鏡頭轉(zhuǎn)換靈活，最大程度地減少了掃描死角，并且支持圖片拼接處理，使城市規(guī)劃變得更加簡單、高效。除此之外，其兼容性使其可以被大多數(shù)軟件進行操作處理，USB接口設(shè)計使其數(shù)據(jù)傳輸更加方便，值得被其他領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[6]。

1.2? 顯示設(shè)備

虛擬現(xiàn)實仿真環(huán)境的優(yōu)勢在于具有獨特的沉浸特性，能夠營造出強烈的真實感，因此，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)需具有很強的表現(xiàn)能力，其最重要的感官特性就是視覺，其次為聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等，由于技術(shù)的限制，味覺和嗅覺的應(yīng)用較少，因此，本文設(shè)計的顯示系統(tǒng)主要針對視覺和定位跟蹤裝置進行設(shè)計[7]。

1.2.1? 虛擬現(xiàn)實頭顯

虛擬現(xiàn)實頭顯是一種體積小、封閉性強的頭戴式立體顯示器。由于人的左眼和右眼在看同一事物時會有一定的差異，虛擬現(xiàn)實頭顯便利用這一差異，通過計算機處理技術(shù)將處理過的圖像輸入到頭顯的左右眼屏幕中，使佩戴者看到真實環(huán)境與虛擬環(huán)境疊加融合后的景象，從而在腦海中形成真實的立體感[8]。

1.2.2? 雙目全方位顯示器

雙目全方位顯示器是可移動的頭部顯示設(shè)備，經(jīng)常與虛擬現(xiàn)實頭顯配合使用。雙機械臂的構(gòu)造不僅可以讓參與者在半徑為2 m的球面空間內(nèi)自由行動，還可以使其保持自身的平衡，不受平臺運動的影響[9]，其分辨率相較于虛擬現(xiàn)實頭顯更高，且圖像更加柔和，避免在使用過程中刺傷使用者的眼睛。

1.2.4? 大屏幕投影液晶光閘眼鏡

大屏幕投影液晶光閘眼鏡的顯示原理與CRT終端液晶關(guān)閘眼鏡相似，多使用于大屏幕的投影系統(tǒng)或有極高亮度和分辨率極高的投影系統(tǒng)[11]。

1.3? 人機交互設(shè)備

數(shù)據(jù)手套是基于三維虛擬技術(shù)的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計中重要的人機交互設(shè)備，數(shù)據(jù)手套能夠檢測手指彎曲程度，通過軟件程序使參與者能夠在三維虛擬環(huán)境中隨意地抓取和移動物體，并且數(shù)據(jù)手套中力敏傳感器可以準確感知參與者手指的力度，中央控制系統(tǒng)會對被抓取物體進行一定的改變，以模擬現(xiàn)實生活中真實發(fā)生的場景[12]。

除此之外，數(shù)據(jù)手套中的定位裝置會實時定位參與者在虛擬環(huán)境中的位置，并且能夠具體感知參與者的肢體活動，經(jīng)過中央處理器對參與者的行為進行分析，從而改變虛擬現(xiàn)實環(huán)境[13]。

2? 城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的城市環(huán)境規(guī)劃系統(tǒng)軟件。

2.1? 3D建模程序

當(dāng)采集完基礎(chǔ)城市數(shù)據(jù)后，設(shè)計師可以使用計算機利用3D建模程序?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進行分析計算，在虛擬的三維空間內(nèi)構(gòu)建三維數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)分析指對城市屬性數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的具體分析，從而得到點與面的精確數(shù)集[14]。在構(gòu)建虛擬現(xiàn)實仿真模型的過程中，各項數(shù)據(jù)均精確到毫米，并且在構(gòu)建過程中有許多細節(jié)模型，每當(dāng)構(gòu)建完一個模型，系統(tǒng)將自動提醒設(shè)計者為模型進行材質(zhì)命名，并在相應(yīng)的材質(zhì)球上進行標記，方便模型儲存和查找。在二次模型修改時，可以直接選取材質(zhì)球，對同一材質(zhì)的模型進行統(tǒng)一修改，避免不必要的點線面的逐步修改，使模型修改更加簡單快速[15]。

2.2? 三維場景編輯程序

三維場景編輯程序是一款3D場景編輯程序，操作簡單，不需復(fù)雜的計算機使用基礎(chǔ)。通過三維場景編輯程序，設(shè)計師可以對建造好的3D模型進行更細致的裝飾擺放，對城市建筑模型進一步的細節(jié)優(yōu)化，不僅可以提高3D模型整體的分辨率，同時，還可以改變模型各部分的明暗對比度，提高整體的三維立體感。

對于可視化應(yīng)用項目的用戶來說，三維場景編輯不需任何成本費用，解決了傳統(tǒng)方式設(shè)計時間長、維護難度大、資金花費高等問題，為剛剛起步創(chuàng)業(yè)的人員提供了便利。同時，該程序自帶二次軟件開發(fā)包，方便使用者根據(jù)自己的需要對程序進行一定的修改，并且可以隨時與第三方軟件進行數(shù)據(jù)對接，并將數(shù)據(jù)上傳到云端以實現(xiàn)資源共享和二次利用。

結(jié)語

以三維虛擬技術(shù)為基礎(chǔ)的城市規(guī)劃系統(tǒng)，使設(shè)計師可以根據(jù)自己的構(gòu)思去規(guī)劃城市，并可以任意在虛擬環(huán)境中隨意活動，不斷地變換自己的視角去觀察設(shè)計效果，直到達到滿意的效果，既節(jié)約了城市規(guī)劃的時間，也節(jié)省了許多做模型的費用。本文設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)備操作簡單易懂，不僅可以應(yīng)用于本文設(shè)計的系統(tǒng)，也可以被其他系統(tǒng)應(yīng)用，擴大了三維虛擬技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，加速了虛擬技術(shù)的發(fā)展。

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（作者單位：吉林建筑大學(xué)）