三維虛擬仿真 3D虛擬現(xiàn)實(shí)解析

    1. 概述

    三維虛擬仿真平臺(tái)旨在建設(shè)一個(gè)具有大范圍的海量城市數(shù)據(jù)一體化管理、無(wú)縫三維實(shí)時(shí)漫游，包容和拓展常規(guī)GIS獨(dú)具特色的空間多媒體信息查詢(xún)、表示、分析和決策功能的虛擬城市管理信息系統(tǒng)。

    近年來(lái)，數(shù)字省市、數(shù)字城鎮(zhèn)很快已經(jīng)成為世界各國(guó)發(fā)達(dá)省市和地區(qū)21世紀(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略、爭(zhēng)先搶占科技、產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的制高點(diǎn)之一。為了加速城市的發(fā)展，提高管理水平，需要借助于現(xiàn)代化的科學(xué)手段進(jìn)行城市體系規(guī)劃與管理。

    據(jù)目前對(duì)我國(guó)大部分城市的摸底調(diào)查，除少數(shù)大、中城市已建立了城市管理信息系統(tǒng)外，而絕大部分地區(qū)的空間信息管理手段仍然沿用比較落后的手工操作方式，即便是用一些地理信息系統(tǒng)（GIS）管理著空間數(shù)據(jù)，但仍停留在簡(jiǎn)單的二維數(shù)據(jù)管理、顯示的基本功能，分散地、相對(duì)獨(dú)立地和非標(biāo)準(zhǔn)地管理模式，很難進(jìn)行地域管理的三維綜合研究和空間分析，使各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)部門(mén)不可能及時(shí)地得到對(duì)空間的清晰、直觀的認(rèn)識(shí)。

    另外，城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要研究對(duì)象是城市的體形結(jié)構(gòu)與各個(gè)要素，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要進(jìn)行大量的空間形象思維。同時(shí)，在設(shè)計(jì)中又應(yīng)以城市的使用者的感覺(jué)為核心，分析城市設(shè)計(jì)各空間要素之間的關(guān)系。傳統(tǒng)的城市模型只能獲得城市的鳥(niǎo)瞰形象；效果圖只能提供靜態(tài)局部的視覺(jué)體驗(yàn)；動(dòng)畫(huà)不具備實(shí)時(shí)的交互性，人是被動(dòng)的，并且制作周期長(zhǎng)。這些傳統(tǒng)技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、固定的演示功能，尚不能很好地滿足當(dāng)前城市設(shè)計(jì)的需要。另外，隨著空間范圍的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的方法也無(wú)法勝任空間數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)。

    同樣，在城市中存在大型的港口、工廠、地下管網(wǎng)、人防設(shè)施等部門(mén)，它們具有地形起伏較大、管網(wǎng)密集、需要精確定位等特點(diǎn)，用傳統(tǒng)二維的表示方法很難加以描述和信息管理。

    虛擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的，通過(guò)視、聽(tīng)、觸覺(jué)等作用于用戶(hù)，使之產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的交互式視景仿真。從二維地圖、沙盤(pán)、動(dòng)畫(huà)，到虛擬視景仿真是一個(gè)合乎人們認(rèn)識(shí)深化和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的必然結(jié)果。

    2. 虛擬城市與仿真技術(shù)發(fā)展

    美國(guó)目前已經(jīng)有50個(gè)城市計(jì)劃建立了“數(shù)字虛擬城市”。我國(guó)北京、上海、香港、臺(tái)北、深圳、廣州、南海、廈門(mén)市等也正在積極籌建之中。普遍認(rèn)為，3D-GIS、空間視景數(shù)據(jù)庫(kù)的建立是建立數(shù)字虛擬城市首先要解決的問(wèn)題。國(guó)際上已經(jīng)專(zhuān)門(mén)成立了類(lèi)似組織，主要為城市服務(wù)。如德國(guó)的Rostock、Stuttgart等研究機(jī)構(gòu)，對(duì)一些城市進(jìn)行了研究，建立了原型系統(tǒng)。三維虛擬仿真技術(shù)最早主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，從國(guó)內(nèi)近幾年來(lái)的發(fā)展情況，三維虛擬仿真技術(shù)在國(guó)內(nèi)外快速發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)已有多家公司開(kāi)發(fā)出城市仿真應(yīng)用平臺(tái)，已在城市設(shè)計(jì)和決策中得到很好的應(yīng)用，同時(shí)積累了一批優(yōu)秀的三維虛擬仿真開(kāi)發(fā)技術(shù)人才，北京萬(wàn)視達(dá)公司就是一個(gè)專(zhuān)門(mén)研究三維虛擬仿真軟件，硬件的公司，并取得了突出的成績(jī)。

    2.1 三維仿真技術(shù)

    虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)

    是用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽(tīng)、觸覺(jué)等感覺(jué)，使人能通過(guò)適當(dāng)裝置對(duì)虛擬世界進(jìn)行交互式體驗(yàn)。70年代Even & Sutherland公司引入計(jì)算機(jī)作為場(chǎng)景圖像生成設(shè)備發(fā)展出計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)。Silicon Graphic Inc.公司制定了開(kāi)發(fā)圖形系統(tǒng)的運(yùn)用程序標(biāo)準(zhǔn)OpenGL，同時(shí)為視景仿真實(shí)時(shí)漫游提供了一套Performer。Multigen-Paradigm、Coryphaeus等軟件均以Performer為基礎(chǔ)，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。最初的仿真主要用于飛行模擬。

    城市仿真(Urban Simulation)

    是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于城市的一種視景仿真（Visual Simulation 簡(jiǎn)稱(chēng)VisSim）。城市仿真具備幾個(gè)特點(diǎn)：其一是良好的交互性，提供了任意角度、速度的漫游方式，可以快速替換不同的建筑；其二是形象直觀，為專(zhuān)業(yè)人士和非專(zhuān)業(yè)人士之間提供了溝通的渠道；其三由于采用數(shù)字化手段，其維護(hù)和更新變得非常容易。仿真系統(tǒng)可利用地理信息系統(tǒng)（GIS）的數(shù)據(jù)生成三維地形模型，再利用衛(wèi)星影像和航空影像作為真實(shí)的紋理貼圖，充分展示了城市仿真與GIS的結(jié)合。

    2.2 國(guó)外城市仿真主要實(shí)例

    虛擬洛杉磯（Virtual Los Angeles）

    是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）始于1994年的一個(gè)科研與運(yùn)用相結(jié)合的項(xiàng)目，計(jì)劃覆蓋面積超過(guò)10,000平方英里，是當(dāng)今城市仿真系統(tǒng)中最成功最為復(fù)雜的系統(tǒng)。視景包括從洛杉磯盆地的衛(wèi)星影像到街道景觀，精確到植物、建筑物的窗口、外墻的紋理等。其中洛杉磯大學(xué)醫(yī)院的仿真詳細(xì)到可以對(duì)建筑內(nèi)部的每一個(gè)層面進(jìn)行漫游，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊墻面或天花板就能得到平面設(shè)計(jì)圖及相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了在仿真中對(duì)GIS、CAD及對(duì)象屬性的實(shí)時(shí)查詢(xún)。該系統(tǒng)作為城市規(guī)劃和建設(shè)的重要手段，在加州Pico Union區(qū)地震破壞的重建中得到應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員通過(guò)仿真模型和地理信息數(shù)據(jù)來(lái)確定毀壞的建筑物數(shù)量以及需要改造的街道、綠地、房屋等，對(duì)重建城區(qū)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，再將新數(shù)據(jù)存入該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息系統(tǒng)的良性循環(huán)。

    費(fèi)城城市模型(ModelCity Philadelphia)

    由美國(guó)Bentley公司利用MicroStation和MasterPiece軟件以及自我開(kāi)發(fā)的軟件工具于1996年開(kāi)始制作，已完成費(fèi)城中心區(qū)35個(gè)街區(qū)。該項(xiàng)目主要特點(diǎn)是將整個(gè)費(fèi)城的模型以VRML數(shù)據(jù)格式，通過(guò)Internet網(wǎng)讓任何人可以享受到實(shí)時(shí)費(fèi)城旅游的體驗(yàn)。城市設(shè)計(jì)人員和建筑師通過(guò)Internet瀏覽器對(duì)城市三維景觀進(jìn)行直接的漫游，可以對(duì)真實(shí)的城市景觀進(jìn)行分析，獲得精確的土地和建筑結(jié)構(gòu)方面的資料信息，解決了在委托設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)缺乏資料的問(wèn)題。費(fèi)城模型同時(shí)提供精確可視的三維地下管線系統(tǒng)，方便城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)的維護(hù)和更新，因此獲得美國(guó)建筑師學(xué)會(huì)(AIA)高度評(píng)價(jià)。

    2.3 三維仿真和其他展示方式的比較

    仿真和動(dòng)畫(huà)應(yīng)用都是模擬真實(shí)和想象的世界，用高度細(xì)節(jié)模型，產(chǎn)生平滑連續(xù)的運(yùn)動(dòng)，并以一定的FPS（幀/秒）進(jìn)行繪制來(lái)達(dá)到無(wú)縫的演示。動(dòng)畫(huà)主要用于電影、印刷圖畫(huà)以及預(yù)先設(shè)計(jì)好的演示。仿真主要用實(shí)時(shí)互動(dòng)演示，需要對(duì)于用戶(hù)輸入做出反應(yīng)，并馬上看到結(jié)果。如：飛行訓(xùn)練、影視游戲和交互建筑演示。

    3. 三維仿真平臺(tái)功能特點(diǎn)

    三維虛擬仿真平臺(tái)旨在建設(shè)一個(gè)具有大范圍的海量城市數(shù)據(jù)一體化管理、無(wú)縫三維實(shí)時(shí)漫游，包容和拓展常規(guī)GIS獨(dú)具特色的空間多媒體信息查詢(xún)、表示、分析和決策功能的虛擬城市管理信息系統(tǒng)。系統(tǒng)所采用三維仿真平臺(tái)具有獨(dú)特的特性和強(qiáng)有力的可擴(kuò)展性能，使用了萬(wàn)視達(dá)公司的邊緣融合處理機(jī)，畫(huà)面和文字都能實(shí)現(xiàn)高度清晰。

    3.1 頂級(jí)三維游戲的視覺(jué)享受

    精美的三維場(chǎng)景

    光影效果

    多種氣候條件（白天、夜晚、云、霧、雨、雪、雷電……）

    多種特殊效果（跳動(dòng)的火苗、飄動(dòng)的旗幟、流水、噴泉、霓虹燈、海浪、爆炸、煙霧……）

    各種空間聲音效果——?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)充滿生機(jī)的世界。

    3.2 靈活的人機(jī)交互

    任何位置/任意角度觀察場(chǎng)景；

    多種運(yùn)動(dòng)方式隨時(shí)切換

    （行走、駕駛、飛翔…）

    任意位置停止，切換多種參數(shù)/方案來(lái)觀察！

    （最適合于前期方案討論、匯報(bào)）

    整個(gè)交互過(guò)程可以記錄為動(dòng)畫(huà)保存。

    3.3 強(qiáng)大的可擴(kuò)展性

    區(qū)域類(lèi)型擴(kuò)展

    建筑內(nèi)/外景；

    小區(qū)/街道；

    城區(qū)；

    大面積野外場(chǎng)景。

    （采用動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理，甚至可以模擬整個(gè)數(shù)字地球�。�

    地域覆蓋范圍從小至大

    顯示方案擴(kuò)展

    單PC顯示；

    PC Cluster + 投影系統(tǒng)；

    SGI Onyx + 投影系統(tǒng)；

    立體顯示 / 無(wú)縫拼接選項(xiàng).

    特定類(lèi)型的應(yīng)用擴(kuò)展

    應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展

    國(guó)土資源局/城市規(guī)劃部門(mén) / 建筑設(shè)計(jì)單位；

    房地產(chǎn)公司——展示/銷(xiāo)售、項(xiàng)目評(píng)估和報(bào)批；

    園區(qū)規(guī)劃、管理及展示，開(kāi)發(fā)區(qū)招商；

    文物/古跡的展示、復(fù)原、保護(hù)部門(mén)；

    4. 三維仿真平臺(tái)性能指標(biāo)

    4.1 數(shù)據(jù)要求

    支持BMP、GIF、PNG、JPG等格式。

    三維模型：支持3DS、DXF、VRML格式。

    DEM數(shù)據(jù)：支持各種矢量等高線數(shù)據(jù)。

    4.2 場(chǎng)景編輯

    數(shù)據(jù)資料采集，包括科學(xué)城各棟房屋建筑外立面多角度數(shù)碼拍照，路面、河流、樹(shù)木、標(biāo)志性物體數(shù)碼拍照等。

    圖片處理，對(duì)外業(yè)采集的數(shù)字照片進(jìn)行圖片編輯處理，以符合建模標(biāo)準(zhǔn)；

    地形建模，基于DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)和DOM（正射影像圖）數(shù)據(jù)疊加生成地形；

    地物建模，用內(nèi)業(yè)處理完畢的數(shù)字圖片構(gòu)造地物模型，主要包括建筑物、路面、河流、路燈、花壇等；

    可以對(duì)地形、模型、二維矢量數(shù)據(jù)、注記、場(chǎng)景貼圖、環(huán)境、光源、模型貼圖、動(dòng)態(tài)貼圖 、攝像機(jī)等進(jìn)行編輯處理，生成三維場(chǎng)景；并整體實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化和拼湊。

    支持模型庫(kù)和貼圖庫(kù)管理。

    4.3 實(shí)時(shí)瀏覽和可視化

    實(shí)時(shí)瀏覽三維場(chǎng)景。

    矢量數(shù)據(jù)的三維可視化表現(xiàn)。

    支持行走，駕駛，飛行，UFO等多種瀏覽方式。

    觀察者能從任意角度任意高度觀看系統(tǒng)的三維場(chǎng)景。

    系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)隨機(jī)漫游，漫游的方向和起點(diǎn)完全由用戶(hù)自己進(jìn)行選擇。

    系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)從室外漫游到室內(nèi)漫游的無(wú)縫切換。

    4.4 數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)查詢(xún)

    屬性數(shù)據(jù)支持（支持Access、SQL Server、Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)等）和屬性數(shù)據(jù)查詢(xún)。

    數(shù)據(jù)條件定位查詢(xún)，根據(jù)查詢(xún)條件，自動(dòng)定位目標(biāo)查詢(xún)物。

    4.5 跨平臺(tái)

    Windows操作系統(tǒng)。

    其它操作系統(tǒng)。

    4.6 支持多種格式輸出

    支持生成高分辨率屏幕圖。

    可以將實(shí)時(shí)瀏覽結(jié)果輸出成AVI和影像序列。

    4.7 面向?qū)ο蟮墓芾矸绞?/P>

    實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景及路徑漫游方式的編輯。

    4.8 特效模擬方式的支持

    可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，包括云、霧、能見(jiàn)度等等；也可以實(shí)現(xiàn)諸如噴泉效果、旗幟飛揚(yáng)等效果。

    5. 虛擬城市應(yīng)用展示

    虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)瀏覽平臺(tái)可以對(duì)虛擬場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)交互式的全方位漫游，三維數(shù)字景象和模型將復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理和顯示，為客戶(hù)帶來(lái)的大視景，高沉浸感的高端解決方案，給用戶(hù)一個(gè)身臨其境的感覺(jué)，在城市(社區(qū))規(guī)劃、虛擬建造、裝飾裝修等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。