基于vr交互系統下城市環境設計與開發

王冠凇 賈文婷 苑琪汶

【摘 要】21世紀以來，技術的發展對設計行業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在城市規劃、建筑設計等空間環境設計領域的深入，VR技術在城市建設領域開始得到應用。本文敘述了VR技術的城市規劃設計方法的研究與實現。介紹了虛擬現實的概念、特征、發展狀況、并重點闡述了VR技術的發展背景、特點和實現方法。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。

【關鍵詞】城市規劃設計;虛擬現實;建筑設計

一、虛擬現實發展及應用的必然性

虛擬現實這一概念是由英語引入的，其英文名稱為Virtual Reality，簡稱VR。VR技術是一種基于電腦網絡技術建立的模擬場景，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境在視、聽、觸感等方面高度相似的數字化環境，用戶借助必要的裝備與數字化環境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產生親臨對應真實環境的感受和體驗。可以說，利用虛擬現實技術，制作者可以制作出任何想模擬的場景及現場，實現了“真實”與“虛擬”的融合。觀看VR視頻，受眾可以通過頭戴設備等從自己的視角出發，沉浸到“虛擬”的世界去體驗。與傳統的第一人稱游戲不同，虛擬現實技術真正實現了現場的還原復制，并為受眾打造出了一個新型的體驗世界。

當前在媒介中使用的VR技術，“VR+設計”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技術就是要把受眾“帶到”新聞現場進行360度的全景體驗。在筆者看來，達到身臨其境的感覺、產生欺騙大腦的效果就是虛擬現實技術的核心。

虛擬現實技術是仿真技術的一個重要方向，是仿真技術與計算機圖形學人機接口技術多媒體技術傳感技術網絡技術等多種技術的集合，是一門富有挑戰性的交叉技術前沿學科和研究領域。虛擬現實技術主要包括模擬環境、感知、自然技能和傳感設備等方面。模擬環境是由計算機生成的、實時動態的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應該具有一切人所具有的感知。除計算機圖形技術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的數據，并對用戶的輸入作出實時響應，并分別反饋到用戶的五官。傳感設備是指三維交互設備。

目前VR技術在研究上已經得到了國內外多國的重視，

美國作為虛擬現實技術的發源地，其技術水平在一定程度上代表了此技術在國際上的技術水平，在世界范圍內獲得了長足的發展，在感知、用戶界面、后臺軟件以及硬件方面研究深入。利用VR技術已經在航空、衛星等建立?VR訓練系統，空間站虛擬現實技術訓練系統，建立了供全國使用的VR教育系統。在軍事領域進行虛擬戰場環境和各種形式的模擬訓練，提高作軍隊的作戰能力和水平。同時，英國和日本等國也在工業設計、虛擬現實知識庫、虛擬現實游戲等多領域取得良好的效果。

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

二、虛擬現實實現于城市設計規劃的方法

虛擬現實技術利用計算機對采集數據進行數據分析計算，并通過3D建模程序構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，讓參與者產生身臨其境的真實感。在構建的虛擬現實仿真環境中，參與者可以任意且沒有限制地觀察虛擬環境中的事物，清楚地看到設計中的各種細節，深度了解設計師的設計理念，便于找出設計中的不足，從而進一步進行設計優化。

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

1?城市環境規劃系統硬件設計

基于三維虛擬技術的城市環境規劃系統硬件由輸入設備、輸出設備和人機交互設備三部分構成[4]。其中，三維立體掃描儀是最重要的輸入設備，使用USB數據傳輸線將采集的建筑數據輸入至計算機，經過數據分析計算構建三維立體虛擬仿真模型，由輸出設備的顯示裝置將3D模型展現在觀眾眼前。在構建的虛擬城市模型中，參與者可以利用人機交互設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的城市環境規劃系統的重要數據采集設備，體積小、重量輕、方便攜帶，是集計算機、光學、機械學、電力學多種領域技術于一身的高科技數據采集器。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，即三維點云數據，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字化模型，可以將現實建筑以數字化的形式完美地復制下來，是構建三維虛擬城市的重要設備。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軟件進行操作處理，USB接口設計使其數據傳輸更加方便，值得被其他領域廣泛應用[6]。

1.2? 顯示設備

虛擬現實仿真環境的優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，基于虛擬現實技術的城市環境規劃系統的顯示系統需具有很強的表現能力，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，由于技術的限制，味覺和嗅覺的應用較少，因此，本文設計的顯示系統主要針對視覺和定位跟蹤裝置進行設計[7]。

1.2.1? 虛擬現實頭顯

虛擬現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，虛擬現實頭顯便利用這一差異，通過計算機處理技術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境與虛擬環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備，經常與虛擬現實頭顯配合使用。雙機械臂的構造不僅可以讓參與者在半徑為2 m的球面空間內自由行動，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終端液晶關閘眼鏡相似，多使用于大屏幕的投影系統或有極高亮度和分辨率極高的投影系統[11]。

1.3? 人機交互設備

數據手套是基于三維虛擬技術的城市環境規劃系統設計中重要的人機交互設備，數據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境中隨意地抓取和移動物體，并且數據手套中力敏傳感器可以準確感知參與者手指的力度，中央控制系統會對被抓取物體進行一定的改變，以模擬現實生活中真實發生的場景[12]。

除此之外，數據手套中的定位裝置會實時定位參與者在虛擬環境中的位置，并且能夠具體感知參與者的肢體活動，經過中央處理器對參與者的行為進行分析，從而改變虛擬現實環境[13]。

2? 城市環境規劃系統軟件設計

基于虛擬現實技術的城市環境規劃系統軟件。

2.1? 3D建模程序

當采集完基礎城市數據后，設計師可以使用計算機利用3D建模程序對采集數據進行分析計算，在虛擬的三維空間內構建三維數據模型。數據分析指對城市屬性數據和紋理數據的具體分析，從而得到點與面的精確數集[14]。在構建虛擬現實仿真模型的過程中，各項數據均精確到毫米，并且在構建過程中有許多細節模型，每當構建完一個模型，系統將自動提醒設計者為模型進行材質命名，并在相應的材質球上進行標記，方便模型儲存和查找。在二次模型修改時，可以直接選取材質球，對同一材質的模型進行統一修改，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，不需復雜的計算機使用基礎。通過三維場景編輯程序，設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優化，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，解決了傳統方式設計時間長、維護難度大、資金花費高等問題，為剛剛起步創業的人員提供了便利。同時，該程序自帶二次軟件開發包，方便使用者根據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據對接，并將數據上傳到云端以實現資源共享和二次利用。

結語

以三維虛擬技術為基礎的城市規劃系統，使設計師可以根據自己的構思去規劃城市，并可以任意在虛擬環境中隨意活動，不斷地變換自己的視角去觀察設計效果，直到達到滿意的效果，既節約了城市規劃的時間，也節省了許多做模型的費用。本文設計的系統設備操作簡單易懂，不僅可以應用于本文設計的系統，也可以被其他系統應用，擴大了三維虛擬技術應用領域，加速了虛擬技術的發展。

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（作者單位：吉林建筑大學）