三維數字化城市虛擬漫游系統的設計

牛慶麗

（鄭州科技學院,河南 鄭州 450064）

1 引言

近年來,我國各大城市呈現迅猛發展之勢,傳統的城市規劃已經不能完全適應現代城市的發展需求。但是,隨著數字科學技術正在各領域全方位地快速發展,數字化城市已經成了一種必然趨勢。虛擬現實技術應用在三維城市仿真中,已經成為關注的焦點。它提供了一種全新的技術手段用于城市規劃中。虛擬現實技術具有超越現實的虛擬性,通過3D引擎開發虛擬漫游系統,克服時間和空間的局限性,讓人們提前感知城市的建設速度和規模,帶來較強的城市漫游體驗。

2 數字化城市應用簡介

三維城市建筑建模技術,把城市仿真規劃以地圖語言表達的方式,從二維平面展示轉向了三維立體圖像展示,有助于未來城市的發展和規劃。基于虛擬現實的三維城市化漫游技術作為一種新興技術,逐步成為城市規劃管理的重要手段,不僅能夠收集、處理使用所需的城市規劃信息,還可以交流整合城市規劃內部信息和社會信息,對城市規劃管理與發展體系產生了深遠的影響。而我國虛擬仿真技術起步較晚,較少用于城市規劃與開發,目前仍是一項亟待研究解決的技術難題。

虛擬現實技術中三維建模技術與城市漫游結合,需要城市建模技術、樓宇外觀紋理模塊、三維場景漫游界面模塊等關鍵技術的緊密連接[1]。三維建模技術實際上是將城市建設數據快速生成為城市建設模型的基本腳本,并根據城市建筑圖形和城市建筑外部輪廓,創建詳細參數。建筑三維貼圖技術通過設置城市外墻紋理,通過不斷改進外墻的質感,實現城市建筑外觀紋理的三維模塊構建,使用戶能夠獲得虛擬場景中的真實漫游體驗。

3 系統開發相關技術

3.1 城市建筑建模技術

Sketch Up是非常簡單易用的三維建模軟件,操作簡單方便。本文選用該三維建模軟件創建模型,利用Sketch Up三維建模軟件自動識別和捕捉線條特性,減少繪制圖形的任務量,并采用線條畫入表面,擠壓成型技術,快速創建城市模型[2],如圖2所示。

3.2 城市模型材質貼圖

在Sketch Up中完成城市模型的搭建后,將材質貼圖賦予模型,打開“窗口——材料”,找到創建的模型大樓材質,選擇已準備好的材質貼圖添加其中[3],并確認添加成功,所有漫游系統中的樓房、樹木、馬路、路燈等建筑物賦予模型材質并導出3DS模型文件,如圖3所示。

圖1 Sketch Up城市建模

圖2 城市樓宇材質貼圖

3.3 人機交互技術

在城市漫游中,為了獲得不同的人機交互感受,本系統實現了三種方式的漫游:PC端漫游、手機端漫游和虛擬端漫游。在前兩種方式中,人機交互的方式是通過鍵盤的上、下、左、右移動鍵實現對場景的控制。在虛擬端的漫游中,本系統采用Leap Motion體感控制設備完成虛擬端的人機交互的漫游實現。Leap Motion系統可以實現對手移動狀態的檢測與跟蹤,甚至還能實現對手指和類手工具的檢測功能,該設備能對幀速率進行精度高的實時跟蹤與捕捉[4]。在三維數字化城市漫游系統中,一共用到了三種Leap Motion手勢,分別是揮動、點擊與畫圈。

當鼠標觸發虛擬漫游按鈕時,觸發Leap Motion檢測機制,當用戶將手放在Leap Motion的正上方時,手掌完全映射到漫游場景中,此時手模擬點擊按鈕,便可響應對應事件。當操作者點擊全景按鈕時,屏幕右下方會出現1/4小屏幕,可以預覽場景全景；如果手指畫圈,小屏幕將會全屏顯示；揮動手掌,可揮動小屏幕預覽；點擊退出按鈕,退出虛擬端主界面。

4 維數字化漫游系統設計

4.1 功能模塊

在功能上,三維數字化城市漫游系統實現了三個平臺的漫游,分別為PC端、虛擬端、移動端的漫游。功能面板為14個功能按鈕,分別為前進、后退、左轉、右轉、雨中漫游、雪中漫游、音樂音量、播音音量、左區漫游、右區漫游、環繞預覽、全景預覽、小地圖功能、虛擬按鈕,這些按鈕可以在場景跳轉和漫游狀態下進行宏觀調控,如圖3所示。

4.2 三維城市漫游界面

啟動場景時,通過鼠標點擊桌面或者接入Leap Motion揮動手掌兩種方式撤除主背景圖片進入主場景。用戶站在城市中心位置,選擇想要觸發的功能鍵,如:前進、后退,向左、向右操作。每次觸發按鍵,場景都會做出相應響應。同時PC端也可使用鍵盤上、下、左、右方向鍵控制漫游移動,如想終止此功能,點擊返回鍵即可。雨中、雪中漫游也以相同方式觸發演示,可搭配移動同步漫游。調節音樂的播放音量,觸發按鍵出現對應功能滑動條,按照用戶要求調節音量大小。左區漫游與右區漫游為自主漫游,啟動按鍵時,用戶按照事先規劃好的路線全程自主移動漫游,整個漫游過程可隨時終止,如圖4所示。

圖3 人機交互實現

圖4 城市小地圖漫游

5 結論

本文介紹了三維城市的應用及基本模塊,建模技術、漫游技術等,研究開發了三維數字化城市漫游系統,展示了一種全新的體感控制交互漫游方式。三維數字化城市漫游系統使用Sketch Up構建城市模型的三維建模,在Unity 3D中開發系統功能,利用Leap motion體感控制設備,給用戶在三維城市漫游系統中帶來身臨其境的城市漫游體驗。

[1]姜學智.李忠華國內外虛擬現實技術的研究現狀[J].遼寧工程技術大學報.2004,23(2):238-240.

[2]程罡.3D Max材質與貼圖的設計和制作[M].北京:機械工業出版社,2015.

[3]Unity 3D游戲開發技術詳解與典型案例[M].北京:人民郵電出版社,2015.

[4]潘佳佳,徐昆.基于Leap Motion的三維自由手勢操作化[J].中國科技論文,2015,10(3):175-178.