三維虛擬仿真 3D虛擬現(xiàn)實解析

來源:投影時代 更新日期:2009-06-10 作者:pjtime資訊組

    1. 概述

    三維虛擬仿真平臺旨在建設(shè)一個具有大范圍的海量城市數(shù)據(jù)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(jīng)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(chǎn)業(yè)和經(jīng)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(jù)目前對我國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),但仍停留在簡單的二維數(shù)據(jù)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(lǐng)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(shè)計的主要研究對象是城市的體形結(jié)構(gòu)與各個要素,在設(shè)計過程中需要進行大量的空間形象思維。同時,在設(shè)計中又應(yīng)以城市的使用者的感覺為核心,分析城市設(shè)計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(shù)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(shè)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(jù)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(wǎng)、人防設(shè)施等部門,它們具有地形起伏較大、管網(wǎng)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(chǎn)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(shù)發(fā)展趨勢的必然結(jié)果。

    2. 虛擬城市與仿真技術(shù)發(fā)展

    美國目前已經(jīng)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(jù)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(jīng)專門成立了類似組織,主要為城市服務(wù)。如德國的Rostock、Stuttgart等研究機構(gòu),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(shù)最早主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域,從國內(nèi)近幾年來的發(fā)展情況,三維虛擬仿真技術(shù)在國內(nèi)外快速發(fā)展,目前國內(nèi)已有多家公司開發(fā)出城市仿真應(yīng)用平臺,已在城市設(shè)計和決策中得到很好的應(yīng)用,同時積累了一批優(yōu)秀的三維虛擬仿真開發(fā)技術(shù)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(shù)

    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(shè)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(chǔ),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(shù)應(yīng)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(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的紋理貼圖,充分展示了城市仿真與GIS的結(jié)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(jié)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(nèi)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(shè)計圖及相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù),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(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)計人員通過仿真模型和地理信息數(shù)據(jù)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(shè)計,再將新數(shù)據(jù)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(jù)格式,通過Internet網(wǎng)讓任何人可以享受到實時費城旅游的體驗。城市設(shè)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(jié)構(gòu)方面的資料信息,解決了在委托設(shè)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(wǎng)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(yīng)用都是模擬真實和想象的世界,用高度細節(jié)模型,產(chǎn)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(yù)先設(shè)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(yīng),并馬上看到結(jié)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(shè)一個具有大范圍的海量城市數(shù)據(jù)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(nèi)/外景;

    小區(qū)/街道;

    城區(qū);

    大面積野外場景。

    (采用動態(tài)內(nèi)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(yīng)用擴展

    應(yīng)用領(lǐng)域擴展

    國土資源局/城市規(guī)劃部門 / 建筑設(shè)計單位;

    房地產(chǎn)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(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 場景編輯

    數(shù)據(jù)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(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;

    可以對地形、模型、二維矢量數(shù)據(jù)、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(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(nèi)漫游的無縫切換。

    4.4 數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)查詢

    屬性數(shù)據(jù)支持(支持Access、SQL Server、Oracle數(shù)據(jù)庫等)和屬性數(shù)據(jù)查詢。

    數(shù)據(jù)條件定位查詢,根據(jù)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(jié)果輸出成AVI和影像序列。

    4.7 面向?qū)ο蟮墓芾矸绞?/P>

    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(shè)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(yīng)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(jù)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(yīng)用前景。

   

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