張俊，王譽(yù)潔，陳凱，葉進(jìn)勇

(成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610081)

虛擬現(xiàn)實(shí)場景漫游技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及其在規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用

張俊*，王譽(yù)潔，陳凱，葉進(jìn)勇

(成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610081)

以成都市天府新區(qū)為例，介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)三維場景的實(shí)現(xiàn)過程，建設(shè)了一個具有一定人機(jī)交互能力的、滿足動畫路徑漫游以及節(jié)點(diǎn)漫游兩種方式的室內(nèi)外結(jié)合的場景漫游系統(tǒng)，并結(jié)合城市規(guī)劃領(lǐng)域的實(shí)際情況，對其在城市規(guī)劃行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

虛擬現(xiàn)實(shí)；場景漫游；城市規(guī)劃

1 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展以及新興技術(shù)的興起，三維可視化技術(shù)已經(jīng)融入生活的方方面面，在此基礎(chǔ)上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展也日益成熟。作為一項(xiàng)新興的實(shí)用性可視化技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其特有的優(yōu)勢被迅速運(yùn)用于生活中的各行各業(yè)[1]，尤其對于規(guī)劃行業(yè)，有著廣泛的應(yīng)用前景。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱為“靈境”技術(shù)，是一種由計算機(jī)生成的高級人機(jī)界面。它綜合了計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)仿真、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)等多種高科技的最新成果，使人可以“浸入”計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境，直接觀察周圍環(huán)境，并能與之發(fā)生“交互”作用，使人和計算機(jī)很好地“融合一體”，給人一種“身臨其境”的感覺[1]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)強(qiáng)大的展示、交互、模擬功能，一方面可以使規(guī)劃行業(yè)工作者從不同的角度、不同的位置觀察現(xiàn)狀建筑物和環(huán)境，另一方面可以使其在規(guī)劃方案竣工前，隨意瀏覽區(qū)域內(nèi)模擬三維場景，隨心所欲地在場景中漫游，產(chǎn)生身臨其境的奇妙體驗(yàn)，為規(guī)劃設(shè)計工作提供新的思路與解決辦法。

本文以成都市天府新區(qū)為例，從三維建模到場景制作，再到展示平臺開發(fā)，詳細(xì)介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)三維場景漫游的實(shí)現(xiàn)過程，并就動畫路徑漫游和節(jié)點(diǎn)漫游兩種場景漫游方式進(jìn)行了詳細(xì)闡述，進(jìn)一步分析了虛擬現(xiàn)實(shí)場景漫游技術(shù)在規(guī)劃行業(yè)的應(yīng)用前景。

2 實(shí)現(xiàn)過程

2.1 前期準(zhǔn)備

本文實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)三維場景，涉及地鐵站、辦公區(qū)、展覽中心、廣場、自然景區(qū)等多種場景環(huán)境，為了得到更真實(shí)的展示效果，前期共收集了相關(guān)區(qū)域的數(shù)字正射模型、數(shù)字高程模型、規(guī)劃設(shè)計圖紙、室外效果圖以及現(xiàn)有部分區(qū)域的精細(xì)模型和簡單結(jié)構(gòu)白模。對整個區(qū)域進(jìn)行分析，針對現(xiàn)實(shí)中已建成區(qū)域，按照真實(shí)情況制作三維模型及室內(nèi)外場景；針對規(guī)劃區(qū)域，結(jié)合收集到的規(guī)劃圖紙和效果圖以及現(xiàn)實(shí)中類似的環(huán)境，制作三維模型及室內(nèi)外場景。

2.2 三維建模

三維模型是最終顯示場景的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)逼真的場景漫游的第一步，其質(zhì)量好壞對最終展示效果有著重要的影響。本文采用3ds Max軟件進(jìn)行三維建模[2]，該軟件是一種基于三維動畫技術(shù)下的圖像渲染和制作軟件[3]，具有強(qiáng)大的建模、擴(kuò)展功能，已廣泛應(yīng)用于建筑、室內(nèi)設(shè)計等場景建模。針對不同的場景，本文將模型分為地形模型、建筑模型、室內(nèi)模型、其他模型等幾大類，以模型結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化減少數(shù)據(jù)量[4]，并采用不同精度的紋理貼圖以及多重材質(zhì)的方式進(jìn)行渲染[5]，確保標(biāo)志性地物結(jié)構(gòu)和紋理精度，以此保證數(shù)據(jù)量與呈現(xiàn)效果的最佳匹配，達(dá)到最優(yōu)顯示效果。

2.3 場景制作

以上制作的三維模型，只能進(jìn)行靜態(tài)的展示，為了實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)身臨其境的逼真環(huán)境，本文以Unreal Engine引擎為基礎(chǔ)進(jìn)行場景開發(fā)制作。Unreal Engine引擎是當(dāng)今世界最先進(jìn)的3D游戲開發(fā)引擎之一，其先進(jìn)的實(shí)時光照算法、動態(tài)陰影、基于GPU的粒子系統(tǒng)、環(huán)境反射等等技術(shù)使該引擎對場景的模擬更加真實(shí)，使最終呈現(xiàn)的效果更加逼真[6]。

場景的制作主要包括動畫系統(tǒng)、場景效果等。動畫系統(tǒng)主要包括路徑動畫和非路徑動畫兩種。路徑動畫是指行人、汽車、游艇等具有固定行走路徑的動畫效果，在Unreal Engine引擎中進(jìn)行動畫控制與動畫混合，一方面控制對象在行走過程中的形態(tài)姿勢的真實(shí)性，另一方面控制對象的行走路徑，使其處于正確的軌跡并不停地循環(huán)。非路徑動畫是指植被、水面等微動態(tài)模型，包括樹木花草的隨風(fēng)搖曳、水面的波光粼粼等效果，可以利用該引擎強(qiáng)大的材質(zhì)系統(tǒng)完成制作。場景效果主要體現(xiàn)在真實(shí)感，逼真的光照、陰影、渲染等可以大大提高體驗(yàn)者的沉浸感。為了增強(qiáng)環(huán)境的多元化效果，本文采用了晴天、霧天和雨天三種模式來烘托氛圍。針對不同的天氣環(huán)境，場景的陰影、光照等也呈現(xiàn)出不同的效果。同時，Unreal Engine引擎也提供了極為細(xì)膩的材質(zhì)渲染效果，使場景的精細(xì)度與真實(shí)度完美融合。另外，為了達(dá)到系統(tǒng)速度與細(xì)節(jié)顯示的平衡，本文還引入了層次細(xì)節(jié)表現(xiàn)技術(shù)，從而提高渲染速度，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性[7]。

2.4 展示平臺開發(fā)

本文共開發(fā)了兩個版本的展示平臺，包括支持PC電腦的展示平臺軟件版本以及支持頭戴式設(shè)備的展示平臺軟件版本[8]。兩個版本最大的區(qū)別就在于不同的界面設(shè)計，PC電腦版本主要采用鍵盤和鼠標(biāo)來操作，而頭戴式設(shè)備版本則采用無線控制器(即操控手柄)來操作。

(1)PC電腦展示平臺版本

PC電腦展示平臺版本主要面向顯示器、投影等通用顯示設(shè)備，通過鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)場景的切換、視角的旋轉(zhuǎn)、前后左右移動等操作。其界面主要功能包括以下幾項(xiàng)：

①場景介紹：包含該場景區(qū)域詳細(xì)的文字、語音解說、圖片介紹等信息；

②場景切換：實(shí)現(xiàn)不同場景間的自由切換；

③漫游方向控制：控制向前、向后、向左、向右移動以及視角方向的變化；

④路徑漫游：設(shè)置相應(yīng)的漫游路線，觸發(fā)后系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的漫游路徑自動進(jìn)行播放；

⑤自由漫游：使用鍵盤上的W、S、A、D和光標(biāo)鍵上、下、左、右配合鼠標(biāo)移動。

(2)頭戴式設(shè)備展示平臺版本

頭戴式設(shè)備展示平臺版本采用頭戴式設(shè)備(即VR眼鏡)作為顯示設(shè)備，利用操控手柄進(jìn)行操作。通過操控手柄的不同按鍵，實(shí)現(xiàn)不同的功能：空中全景地圖中各場景的分布及選擇、不同場景的手動切換與自動切換以及各場景中的自由行走等。

3 場景漫游

場景漫游是虛擬現(xiàn)實(shí)展示的一個重要組成部分，所完成的三維模型及其構(gòu)建的場景只有通過場景漫游，才會使體驗(yàn)者有一種身臨其境的感覺[9]。為了滿足不同漫游方式的需求，本文在漫游引擎下設(shè)置了動畫路徑漫游和節(jié)點(diǎn)漫游兩種方式。

3.1 動畫路徑漫游

動畫路徑漫游主要為在幾個重點(diǎn)區(qū)域，系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置了一個確定的自動漫游路徑，體驗(yàn)者通過在路徑上的自動穿行來模擬人在真實(shí)環(huán)境中行走所看到的場景。路徑漫游不需要復(fù)雜的人機(jī)交互，體驗(yàn)者只需要選擇想漫游的場景，系統(tǒng)即可自動播放。在本系統(tǒng)中，共實(shí)現(xiàn)了6條路徑漫游，包括地鐵站、辦公區(qū)、展覽中心、廣場、自然景區(qū)等多種場景環(huán)境，如圖1～圖3所示。

圖1 自然景區(qū)場景

圖2 會議室場景

圖3 地鐵站場景

3.2 節(jié)點(diǎn)漫游

節(jié)點(diǎn)漫游即人機(jī)交互控制的漫游，體驗(yàn)者可以隨意控制漫游的方向和視角等，并在場景允許范圍內(nèi)隨意走動，并對所觀察的事物和環(huán)境實(shí)現(xiàn)任意視角的觀察和體驗(yàn)，這種方式可以增強(qiáng)體驗(yàn)者的虛擬環(huán)境體驗(yàn)，給體驗(yàn)者帶來更強(qiáng)烈的真實(shí)感和沉浸感[9]。同時，同一個場景內(nèi)還制作了多個節(jié)點(diǎn)可供體驗(yàn)者進(jìn)行快速切換，選擇不同的漫游地點(diǎn)。體驗(yàn)者可以隨意漫步于任一場景中，包括上下樓梯、出入建筑、出入地鐵、湖邊觀景等，還可以選擇不同時段(日景/夜景)進(jìn)行體驗(yàn)。在節(jié)點(diǎn)漫游中，系統(tǒng)還提供了角色漫游，體驗(yàn)者可以選擇男士、女士以及小孩等不同角色置入環(huán)境中進(jìn)行第三人稱視角的漫游。

與動畫路徑漫游僅能在電腦屏幕顯示不同，節(jié)點(diǎn)漫游除了PC平臺版本以外，還提供了頭戴式設(shè)備的體驗(yàn)版本，具體為利用VR眼鏡和操控手柄實(shí)現(xiàn)漫游。體驗(yàn)者通過頭戴VR眼鏡，使自己完全沉浸于360°環(huán)繞的虛擬現(xiàn)實(shí)世界，真正達(dá)到身臨其境的感覺。由于場景較大，VR眼鏡的感應(yīng)范圍較小，無法使人通過真實(shí)步行達(dá)到場景中的目的地，因此采用了操控手柄輔助移動，通過手柄，體驗(yàn)者可以在原地實(shí)現(xiàn)不同場景的切換，也可以在同一場景中達(dá)到允許到達(dá)的任何地點(diǎn)。

3.3 地圖導(dǎo)航

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，體驗(yàn)者都是以正常視角來體驗(yàn)環(huán)境，為了讓體驗(yàn)者更好地確定自己在場景中的位置，幫助體驗(yàn)者觀察具體路徑，本系統(tǒng)還設(shè)置了地圖導(dǎo)航功能，即在屏幕右側(cè)展現(xiàn)出該場景的鷹眼小地圖，并以醒目箭頭標(biāo)明體驗(yàn)者所在的具體位置及方向，如圖4所示。

圖4 地圖導(dǎo)航

4 規(guī)劃行業(yè)應(yīng)用

城市規(guī)劃一直都是新興可視化技術(shù)領(lǐng)域的迫切需求者之一，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為新一代可視化技術(shù)的主力軍，其出現(xiàn)為城市規(guī)劃帶來了新的活力與發(fā)展前景。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，規(guī)劃工作者可以不拘泥于傳統(tǒng)二維圖紙信息，將規(guī)劃方案生動的擺在決策者和體驗(yàn)者面前，為規(guī)劃行業(yè)的發(fā)展帶來了新的生機(jī)。

4.1 為城市規(guī)劃提供最接近真實(shí)的可視化支持

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將未來的規(guī)劃方案置于虛擬場景中，幫助決策者身臨其境的感受不同規(guī)劃方案的形態(tài)及其與周圍環(huán)境的一致性，決策者可以從多角度多方面考察規(guī)劃方案的可行性，使規(guī)劃決策更加科學(xué)、合理、便捷。同時，由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)強(qiáng)大的沉浸體驗(yàn)感，也可以規(guī)避設(shè)計方案中很多不易察覺的設(shè)計缺陷，大大降低了設(shè)計風(fēng)險，提高規(guī)劃質(zhì)量，如圖5所示。

圖5 規(guī)劃方案置入

4.2 為公眾提供直觀的展示平臺

普通公眾通過展示平臺，可以快速了解城市規(guī)劃方案，了解城市規(guī)劃動態(tài)，不需要讀懂復(fù)雜的規(guī)劃圖就能夠參與到城市規(guī)劃中，為城市規(guī)劃獻(xiàn)計獻(xiàn)策，這是傳統(tǒng)的平面圖、沙盤等無法做到的，如圖6所示。

圖6 規(guī)劃方案展示

4.3 為城市宣傳提供數(shù)字名片

本文的成果最終可以集成于exe文件中，方便隨身攜帶，對于城市的對外推廣和招商引資等都會帶來重要的作用，它展現(xiàn)了一個城市的綜合實(shí)力，為城市發(fā)展提供了一個形象的數(shù)字名片。

4.4 為城市留下寶貴的歷史資料

城市的發(fā)展歷程是持續(xù)性的，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以以數(shù)字化、可視化、直觀化的方式記錄下目前城市的現(xiàn)狀及未來的發(fā)展，成為寶貴的歷史資料。

5 結(jié) 語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，本文在實(shí)現(xiàn)場景漫游的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡述了其在規(guī)劃行業(yè)具體應(yīng)用的可能性及發(fā)展前景。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還處于起步階段，未來仍有很大的發(fā)展空間，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將帶來新時代的技術(shù)革新，為規(guī)劃行業(yè)帶來更廣闊的發(fā)展空間。

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The Realization of Virtual Reality Scene Roaming Technology and its Application in Urban Planning

Zhang Jun，Wang Yujie，Chen Kai，Ye Jinyong

(Chengdu Institute of Survey and Mapping Investigation，Chengdu 610081，China)

Takes tianfu new district in Chengdu as example，this paper introduces the realization process of virtual reality scene roaming，and build a scene roaming system combined human-computer interaction with walkthrough along path and node roaming indoor and outdoor. Besides，combined with the actual situation of urban planning，this paper also analysis its application in urban planning.

virtual reality；scene roaming；urban planning

1672-8262(2017)03-35-04

P208.2

A

2017—03—07

張俊(1978—)，男，高級工程師，注冊測繪師，主要從事測繪與地理信息應(yīng)用工作。