虛擬現實技術下的城市景觀仿真系統建構

李暢　王慧

摘? 要： 為了解決傳統系統平臺應用中存在的開放性差、技術實現難度較大、成本投入較大等技術弊端，提出基于虛擬現實技術建構城市景觀仿真系統的設計新思路。分析系統建設關鍵技術，包括三維城市景觀可視化、虛擬現實技術，提出城市景觀仿真系統建設總構思，并分析景觀三維仿真及其規劃。建立城市景觀三維模型庫，運用OSG渲染、實現漫游、場景優化等技術，成功構建并實現了基于虛擬現實技術的城市景觀仿真系統。該系統能夠實現攝影測量、GIS、可視化、海量數據處理、虛擬現實技術等多技術集成，從而讓用戶能夠設計的系統，更真切地感受空間設計的合理性，以及規劃方案可行性，真正為城市在下一階段的規劃及可持續發展，提供可靠的現代化技術保障。

關鍵詞： 城市景觀; 仿真系統; 系統構建; 虛擬現實技術; 三維仿真; 三維建模

中圖分類號： TN957.52?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）20?0175?04

Construction of urban landscape simulation system under virtual reality technology

LI Chang1， WANG Hui2

（1. Xian University of Architecture and Technology Huaqing College， Xian 710043， China;

2. Xian Innovation College of Yanan University， Xian 710000， China）

Abstract： A new design philosophy of constructing urban landscape simulation system based on virtual reality technology is proposed to solve the technological disadvantages of poor openness， difficulty in technology realization and high cost investment in the traditional system platform application. The key technologies of system construction， including 3D urban landscape visualization and virtual reality technology， are analyzed， the general conception of urban landscape simulation system construction is proposed， and the 3D landscape simulation and planning are analyzed. The 3D model library of urban landscape is established， and the urban landscape simulation system based on virtual reality technology is successfully constructed and implemented by means of the OSG rendering technology， roaming， scene optimization and other technologies. The system can realize multi?technology integration， such as photogrammetry， GIS， visualization， mass data processing and virtual reality technology， which allows user to use the designed system to more real feel the space design rationality and planning feasibility. It provides reliable modern technical support for the next stage of urban planning and sustainable development.

Keywords： urban landscape; simulation system; system construction; virtual reality technology; 3D simulation; 3D modeling

0? 引? 言

虛擬現實技術（VR）從技術本質來講，作為一個能夠創造并形成真實體驗感的虛擬世界，主要基于計算機技術所實現的一種仿真系統。那么城市虛擬現實技術仿真系統，則需要綜合運用遙感、虛擬、仿真等多種先進技術，做到多尺度、高分辨率、多類型、多時空的完整三維描述，從而做到對城市地形地貌、建筑、道路、交通等各方面的模擬呈現，也作為對于城市真實情況的客觀反映和數字化認知，所以在近年來作為研究界普遍重視的研究課題。除了要求虛擬現實技術可以達到城市的真實再現，還要求能夠運用城市VR詳細分析不同類別空間信息，能夠為城市分布、建筑結構、園林設計、時空位置、光照、道路、渲染與噪聲等各方面提供有力決策支撐，實現更加科學、合理的城市管理，從而促進城市的可持續發展。如今國內外有諸多研究探索城市VR仿真系統平臺設計，譬如VRML，Creator，WTK，OpenGL等，但是這些都無法真正滿足建構城市景觀仿真系統的技術所需，包括海量數據量、開放性、技術水平、性價比極高的硬件標準等。因此，文中所展開基于虛擬現實技術的城市景觀仿真系統構建研究意義重大。

1? 關鍵技術概述

1.1? 三維城市景觀可視化技術

在城市地形建模過程中，通過運用可視化區域地形地貌，根據建模算法完成城市區域連續地形變化起伏，從而實現對城市地形的真實反映。目前以數學高程模型最為常用。DTM作為數字地面模型，通過運用數字形式完成地形地物的信息存儲總和，所表示的地形表面形態多為信息模型，并且與不同研究領域所需相結合，實現地形、非地形兩類信息特性結合。建立DTM模型能夠對地表單元空間位置、地形屬性有序集合，并符合具體地理范圍數據基礎。隨著GIS技術迅速發展，也促進了DTM模型產品的飛速發展，提供了GIS可以實現城市空間分析、輔助性決策的操作型基礎數據。尤其近年來實施的空間數據基礎設施，也創造了GIS技術的發展空間。目前地形表面建模主要包括基于點、三角形、網格等三種建模方法，一般集中于基于點的地形建模。

對于城市來說大規模地形數據通常會產生幾千兆甚至更多字節，通過將多層次結構物體用于場景描述，可以采用多模型表達，關鍵就是模型所表達的細節程度，即LOD模型繪制算法，能對繪制效果不影響的前提下，逐一簡化景物細節，降低效果復雜性，同時也提高了繪制效率，以及圖像的生成速度。

1.2? 虛擬現實技術

在基于虛擬現實技術（VR）城市仿真系統中，作為對于真實城市及相關現象的數字化統一創新認知，可以直觀且全方位為用戶提供具有真實感的場景現象及具體信息。城市VR仿真系統能夠起到沉浸性、想象力、交互性等多項技術特點。本次設計中的城市VR景觀仿真系統作為研究對象，往往具有大范圍、海量、周期長和技術實現難度較大等特點，所以在城市VR景觀仿真系統建設中，需要遵循圖1所示的技術流程。

1） 數據、資料的準備更新階段，通過大量收集城市VR仿真系統建設所需的數據、影像、線劃圖、有關資料及所要更新的數據。

2） 結合系統主要運用的GRID，TIN建模方法，能夠生成有利的數字化高程模型，并形成城市VR系統所需模型圖。

3） 完成地表建模，通過構建城市地標模型所需的三維建模，可以結合實際所需，決定是否可以建設細節層次型建模以及紋理建模技術方法。

4） 系統合成發布，通過在城市VR系統中集中發布景觀地形、地表物體模型，從而完成專業化開發及系統性能優化。

2? 城市VR景觀仿真系統設計

2.1? 系統設計需求

本次系統設計中提出基于OSG三維仿真支撐平臺，有效拓寬了OSG功能，所提出的二次平臺開發仿真系統平臺，其功能目標主要是保證用戶在短時間內，便可成功掌握并相對容易高效地開發仿真系統。在設計本次城市VR景觀仿真系統時，主要系統設計指標性能包括以下幾個方面：

1） 作為標準場景圖結構，可以支持剪裁景觀視頻，重視景觀建筑結構的細節度，以及排序延后的可更新狀態算法，能夠支持快速拓展路徑和數據庫仿真優化;

2） 能夠對OpenGL拓展功能充分支持，實現OpenGL 1.1至OpenGL 2.0功能拓展，合作開發GLSL語言，并且支持超過34種的標準二維圖像、三維數據圖形等文件格式;

3） 可以達到粒子系統效果并支持True Type字體，無縫支持緩沖區物體、幀緩沖區，能夠在多線程系統數據庫中載入所有城市景觀二維、三維圖像，并支持用戶可以瀏覽三維大型1 024 GB數據庫;

4） 封裝整個系統內核，成功實現全部編程語言均經統一系統訪問接口并存取至內核類型，可以滿足大規模城市VR仿真與高性能CPU;

5） 可以在Windows系統、iOS系統、SGI IRIX系統、Free BSD系統中均實現操作。

2.2? 系統總設計

圖2為本次設計的城市VR景觀仿真系統平臺。

2.3? 系統各功能模塊實現

1） 在運用3ds MAX建模及輸出、Maya及輸出等模塊，完成本次系統仿真時，需要明確具體需求計劃，并構架仿真場景，完成動畫建模軟件修改，導出至場景編輯器中，即可成功實現各類景觀仿真所需屬性。

2） 場景編輯器模塊中，經該模塊能夠構建城市景觀仿真場景，賦予本來單一的城市景觀擁有仿真屬性，如Switch節點、LOD、物理屬性、碰撞等工作流程，如圖3所示。

3） 仿真核心工作模塊中，主要作為基于OSG的仿真三維工作核心，負責完成部分內核仿真任務調度，完成核心圖形工作，從而實現外圍仿真模塊協同工作。

4） 仿真數據庫管理模塊，作為密切關聯仿真系統的重要組成，需要經該模塊完成仿真數據的讀取和保存。通過連接硬盤能夠是吸納物理內存和虛擬內存之間的動態化交換功能。

5） 仿真算法模塊，能夠提供目前在仿真技術領域內尤為常見且應用頻率較高的算法。通過設計該功能模塊可以滿足系統開發者和用戶，無需自己重復編寫算法，只需調用程序函數即可完成。

6） 大規模地形模塊。目前大規模地形及數據處理面臨技術挑戰，可以通過建立OSG三維仿真平臺，建立塊狀地形分割及降解模塊，并實現地形為處理單位量，所提供的數值精度處理方式。

7） 各類仿真特效模塊。對于自然界所存在的各類下雨、下雪、太陽、燈光等不同天氣和光斑的情況下城市景觀仿真效果模塊，為用戶創造更生動的系統仿真效果。

8） 集群仿真及網絡通信模塊，該模塊能夠直接連接HLA主機，實現遠程異地分布，或運用所在協議局域網實現仿真。不僅可以大幅度延展虛擬仿真的計算綜合能力，還能夠創造更可靠的虛擬環境，以及實現高效快捷的網絡通信。

9） 多通道視覺仿真模塊，主要為了能夠充分提升系統平臺仿真效果，創造更開闊的用戶操作視野而設計。通過運用高端顯示360°立體環幕技術，運用了雙通道、三通道仿真，模擬性價比較高，再加上VR技術互動，能夠真正給用戶帶來沉浸式體驗，并且該模塊還具備了多軟件邊緣融合功能。

3? 城市VR景觀仿真三維數據庫

3.1? 建立地形模型

結合現有三維數據庫軟件，在本次系統設計中選定了Multigen Greator與3ds MAX技術結合建模。那么在城市地形建模過程中，可以結合不同地理對象空間分布特點，劃分為以樹木、道路、建筑等為主的離散實體特征;與城市地形地貌場景基礎的連續性特征。選擇Multigen Greator建模工具，首先完成Openflight地形文件制作之后，轉換基礎高程數據，形成Cerator數字高程數據格式，并且與城市地形地貌、面積、精細化程度、運用范圍和硬件配置等，結合多因素選擇地形轉換算法，合理設置參數并完成地形創建處理。

3.2? 三維建模

在三維建模過程中主要包括兩大組成部分，分別為景觀建筑群模型庫、紋理模型庫。本小節主要對景觀建筑群模型庫進行重點探討，包括建筑物構建、交通、公共設施、建筑物、植物等三維模型符號與綠地、水體、建筑材料和道路等材質構成的三維符號庫，共同組合形成了三維模型。對于實際城市中存在的多數不規則體，通過運用透明紋理映射技術，能夠經紋理、融合兩種技術，獲得透明、半透明式不規則區域，如圖4所示。

3.3? 數據庫設計

如今系統數據庫管理主要包括了SQL Server，Oracle，DB2等，本次系統設計主要采用了SQL Server技術，成功建立城市VR仿真系統三維空間數據庫。為了能夠提高用戶的模型查看等待時間，并滿足實時顯示技術需求，分開顯示三維仿真模型的幾何、紋理數據，首先進行幾何數據傳輸并渲染，之后選擇紋理數據，并且還可以對于兩類數據完成分開建立表格文件進行存儲。接下來以該系統數據庫設計的代碼用例展示如下：

CREATE TABLE ′NewTable′ （

′id′ int NOT NULL AUTO_INCREMENT ，

′name′ varchar（10） CHARACTER SET utf8 NOT NULL ，

′age′ decimal（6，4） NOT NULL ，

′img′ blob NULL ，

PRIMARY KEY （′id′）

DEFAULT CHARACTER SET=utf8

DESC? NewTable;

——修改表元素

ALTER TABLE NewTable

MODIFY COLUMN ′name′ varchar（30），

MODIFY COLUMN ′name′ DECIMAL（6，3）;

——修改列名

ALTER? TABLE ′user1′

CHANGE dept deptId? VARCHAR（10）

——添加行

ALTER TABLE NewTable

ADD COLUMN ′sexId′ CHAR（1） not NULL;

——刪除行

ALTER TABLE NewTable

DROP COLUMN′sexId′;

——刪除表結構

drop table′USER1′;

select CURDATE（） from DUAL;

DESC newtable

select*from′newtable′

3.4? 數據庫調用

對于用戶處于較高視點位置的情況，一般會形成模糊觀察物，那么隨著逐漸降低視點，則可以形成逐漸清晰的觀察體。在建構本次VR景觀仿真系統時，需要保證選擇合適的視點高度閾值，并提高三維繪制速度。對于觀察視域具體范圍加以確定后，可以經數據庫對條件模型ID進行檢索，并根據相應的ID號完成數據下載。由于存在數據緩沖區大小數據局限，所以需要完成部分數據讀取后，直接顯示給用戶縮減時間。

4? 結? 語

建立城市VR景觀仿真系統，作為實現數字城市VR的關鍵組成部分，同樣也作為一項需要不斷為之努力的復雜工作。本次研究運用OSG渲染、實現漫游、場景優化等技術，成功構建并實現了基于虛擬現實技術的城市景觀仿真系統，能夠真正為用戶提供生動、直觀、真實的城市景觀，豐富用戶體驗。

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