三維虛擬仿真 3D虛擬現(xiàn)實解析

    1. 概述

    三維虛擬仿真平臺旨在建設一個具有大范圍的海量城市數(shù)據一體化管理、無縫三維實時漫游，包容和拓展常規(guī)GIS獨具特色的空間多媒體信息查詢、表示、分析和決策功能的虛擬城市管理信息系統(tǒng)。

    近年來，數(shù)字省市、數(shù)字城鎮(zhèn)很快已經成為世界各國發(fā)達省市和地區(qū)21世紀的發(fā)展戰(zhàn)略、爭先搶占科技、產業(yè)和經濟的制高點之一。為了加速城市的發(fā)展，提高管理水平，需要借助于現(xiàn)代化的科學手段進行城市體系規(guī)劃與管理。

    據目前對我國大部分城市的摸底調查，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，但仍停留在簡單的二維數(shù)據管理、顯示的基本功能，分散地、相對獨立地和非標準地管理模式，很難進行地域管理的三維綜合研究和空間分析，使各級領導部門不可能及時地得到對空間的清晰、直觀的認識。

    另外，城市規(guī)劃設計的主要研究對象是城市的體形結構與各個要素，在設計過程中需要進行大量的空間形象思維。同時，在設計中又應以城市的使用者的感覺為核心，分析城市設計各空間要素之間的關系。傳統(tǒng)的城市模型只能獲得城市的鳥瞰形象；效果圖只能提供靜態(tài)局部的視覺體驗；動畫不具備實時的交互性，人是被動的，并且制作周期長。這些傳統(tǒng)技術只能實現(xiàn)簡單、固定的演示功能，尚不能很好地滿足當前城市設計的需要。另外，隨著空間范圍的擴大，傳統(tǒng)的方法也無法勝任空間數(shù)據的管理和維護。

    同樣，在城市中存在大型的港口、工廠、地下管網、人防設施等部門，它們具有地形起伏較大、管網密集、需要精確定位等特點，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)境是由計算機生成的，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產生身臨其境感覺的交互式視景仿真。從二維地圖、沙盤、動畫，到虛擬視景仿真是一個合乎人們認識深化和技術發(fā)展趨勢的必然結果。

    2. 虛擬城市與仿真技術發(fā)展

    美國目前已經有50個城市計劃建立了“數(shù)字虛擬城市”。我國北京、上海、香港、臺北、深圳、廣州、南海、廈門市等也正在積極籌建之中。普遍認為，3D-GIS、空間視景數(shù)據庫的建立是建立數(shù)字虛擬城市首先要解決的問題。國際上已經專門成立了類似組織，主要為城市服務。如德國的Rostock、Stuttgart等研究機構，對一些城市進行了研究，建立了原型系統(tǒng)。三維虛擬仿真技術最早主要應用在軍事領域，從國內近幾年來的發(fā)展情況，三維虛擬仿真技術在國內外快速發(fā)展，目前國內已有多家公司開發(fā)出城市仿真應用平臺，已在城市設計和決策中得到很好的應用，同時積累了一批優(yōu)秀的三維虛擬仿真開發(fā)技術人才，北京萬視達公司就是一個專門研究三維虛擬仿真軟件，硬件的公司，并取得了突出的成績。

    2.1 三維仿真技術

    虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)

    是用計算機生成逼真的三維視、聽、觸覺等感覺，使人能通過適當裝置對虛擬世界進行交互式體驗。70年代Even & Sutherland公司引入計算機作為場景圖像生成設備發(fā)展出計算機虛擬現(xiàn)實。Silicon Graphic Inc.公司制定了開發(fā)圖形系統(tǒng)的運用程序標準OpenGL，同時為視景仿真實時漫游提供了一套Performer。Multigen-Paradigm、Coryphaeus等軟件均以Performer為基礎，進行二次開發(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)實技術應用于城市的一種視景仿真（Visual Simulation 簡稱VisSim）。城市仿真具備幾個特點：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，為專業(yè)人士和非專業(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的紋理貼圖，充分展示了城市仿真與GIS的結合。

    2.2 國外城市仿真主要實例

    虛擬洛杉磯（Virtual Los Angeles）

    是美國加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）始于1994年的一個科研與運用相結合的項目，計劃覆蓋面積超過10,000平方英里，是當今城市仿真系統(tǒng)中最成功最為復雜的系統(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。其中洛杉磯大學醫(yī)院的仿真詳細到可以對建筑內部的每一個層面進行漫游，用鼠標點擊墻面或天花板就能得到平面設計圖及相應的屬性數(shù)據，實現(xiàn)了在仿真中對GIS、CAD及對象屬性的實時查詢。該系統(tǒng)作為城市規(guī)劃和建設的重要手段，在加州Pico Union區(qū)地震破壞的重建中得到應用。設計人員通過仿真模型和地理信息數(shù)據來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，對重建城區(qū)進行規(guī)劃設計，再將新數(shù)據存入該系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息系統(tǒng)的良性循環(huán)。

    費城城市模型(ModelCity Philadelphia)

    由美國Bentley公司利用MicroStation和MasterPiece軟件以及自我開發(fā)的軟件工具于1996年開始制作，已完成費城中心區(qū)35個街區(qū)。該項目主要特點是將整個費城的模型以VRML數(shù)據格式，通過Internet網讓任何人可以享受到實時費城旅游的體驗。城市設計人員和建筑師通過Internet瀏覽器對城市三維景觀進行直接的漫游，可以對真實的城市景觀進行分析，獲得精確的土地和建筑結構方面的資料信息，解決了在委托設計項目時缺乏資料的問題。費城模型同時提供精確可視的三維地下管線系統(tǒng)，方便城市地下管網系統(tǒng)的維護和更新，因此獲得美國建筑師學會(AIA)高度評價。

    2.3 三維仿真和其他展示方式的比較

    仿真和動畫應用都是模擬真實和想象的世界，用高度細節(jié)模型，產生平滑連續(xù)的運動，并以一定的FPS（幀/秒）進行繪制來達到無縫的演示。動畫主要用于電影、印刷圖畫以及預先設計好的演示。仿真主要用實時互動演示，需要對于用戶輸入做出反應，并馬上看到結果。如：飛行訓練、影視游戲和交互建筑演示。

    3. 三維仿真平臺功能特點

    三維虛擬仿真平臺旨在建設一個具有大范圍的海量城市數(shù)據一體化管理、無縫三維實時漫游，包容和拓展常規(guī)GIS獨具特色的空間多媒體信息查詢、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具有獨特的特性和強有力的可擴展性能，使用了萬視達公司的邊緣融合處理機，畫面和文字都能實現(xiàn)高度清晰。

    3.1 頂級三維游戲的視覺享受

    精美的三維場景

    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（跳動的火苗、飄動的旗幟、流水、噴泉、霓虹燈、海浪、爆炸、煙霧……）

    各種空間聲音效果——創(chuàng)建一個充滿生機的世界。

    3.2 靈活的人機交互

    任何位置/任意角度觀察場景；

    多種運動方式隨時切換

    （行走、駕駛、飛翔…）

    任意位置停止，切換多種參數(shù)/方案來觀察！

    （最適合于前期方案討論、匯報）

    整個交互過程可以記錄為動畫保存。

    3.3 強大的可擴展性

    區(qū)域類型擴展

    建筑內/外景；

    小區(qū)/街道；

    城區(qū)；

    大面積野外場景。

    （采用動態(tài)內存管理，甚至可以模擬整個數(shù)字地球�。�

    地域覆蓋范圍從小至大

    顯示方案擴展

    單PC顯示；

    PC Cluster + 投影系統(tǒng)；

    SGI Onyx + 投影系統(tǒng)；

    立體顯示 / 無縫拼接選項.

    特定類型的應用擴展

    應用領域擴展

    國土資源局/城市規(guī)劃部門 / 建筑設計單位；

    房地產公司——展示/銷售、項目評估和報批；

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

    文物/古跡的展示、復原、保護部門；

    4. 三維仿真平臺性能指標

    4.1 數(shù)據要求

    支持BMP、GIF、PNG、JPG等格式。

    三維模型：支持3DS、DXF、VRML格式。

    DEM數(shù)據：支持各種矢量等高線數(shù)據。

    4.2 場景編輯

    數(shù)據資料采集，包括科學城各棟房屋建筑外立面多角度數(shù)碼拍照，路面、河流、樹木、標志性物體數(shù)碼拍照等。

    圖片處理，對外業(yè)采集的數(shù)字照片進行圖片編輯處理，以符合建模標準；

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

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

    可以對地形、模型、二維矢量數(shù)據、注記、場景貼圖、環(huán)境、光源、模型貼圖、動態(tài)貼圖 、攝像機等進行編輯處理，生成三維場景；并整體實現(xiàn)模型優(yōu)化和拼湊。

    支持模型庫和貼圖庫管理。

    4.3 實時瀏覽和可視化

    實時瀏覽三維場景。

    矢量數(shù)據的三維可視化表現(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)的三維場景。

    系統(tǒng)可實現(xiàn)實時隨機漫游，漫游的方向和起點完全由用戶自己進行選擇。

    系統(tǒng)可實現(xiàn)從室外漫游到室內漫游的無縫切換。

    4.4 數(shù)據管理和數(shù)據查詢

    屬性數(shù)據支持（支持Access、SQL Server、Oracle數(shù)據庫等）和屬性數(shù)據查詢。

    數(shù)據條件定位查詢，根據查詢條件，自動定位目標查詢物。

    4.5 跨平臺

    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。

    可以將實時瀏覽結果輸出成AVI和影像序列。

    4.7 面向對象的管理方式

    實現(xiàn)場景及路徑漫游方式的編輯。

    4.8 特效模擬方式的支持

    可以對環(huán)境進行設置，包括云、霧、能見度等等；也可以實現(xiàn)諸如噴泉效果、旗幟飛揚等效果。

    5. 虛擬城市應用展示

    虛擬現(xiàn)實實時瀏覽平臺可以對虛擬場景實現(xiàn)交互式的全方位漫游，三維數(shù)字景象和模型將復雜的數(shù)據進行可視化處理和顯示，為客戶帶來的大視景，高沉浸感的高端解決方案，給用戶一個身臨其境的感覺，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用前景。