牛慶麗

（鄭州科技學院,河南 鄭州 450064）

1 引言

近年來,我國各大城市呈現(xiàn)迅猛發(fā)展之勢,傳統(tǒng)的城市規(guī)劃已經(jīng)不能完全適應現(xiàn)代城市的發(fā)展需求。但是,隨著數(shù)字科學技術(shù)正在各領(lǐng)域全方位地快速發(fā)展,數(shù)字化城市已經(jīng)成了一種必然趨勢。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用在三維城市仿真中,已經(jīng)成為關(guān)注的焦點。它提供了一種全新的技術(shù)手段用于城市規(guī)劃中。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有超越現(xiàn)實的虛擬性,通過3D引擎開發(fā)虛擬漫游系統(tǒng),克服時間和空間的局限性,讓人們提前感知城市的建設(shè)速度和規(guī)模,帶來較強的城市漫游體驗。

2 數(shù)字化城市應用簡介

三維城市建筑建模技術(shù),把城市仿真規(guī)劃以地圖語言表達的方式,從二維平面展示轉(zhuǎn)向了三維立體圖像展示,有助于未來城市的發(fā)展和規(guī)劃?；谔摂M現(xiàn)實的三維城市化漫游技術(shù)作為一種新興技術(shù),逐步成為城市規(guī)劃管理的重要手段,不僅能夠收集、處理使用所需的城市規(guī)劃信息,還可以交流整合城市規(guī)劃內(nèi)部信息和社會信息,對城市規(guī)劃管理與發(fā)展體系產(chǎn)生了深遠的影響。而我國虛擬仿真技術(shù)起步較晚,較少用于城市規(guī)劃與開發(fā),目前仍是一項亟待研究解決的技術(shù)難題。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)中三維建模技術(shù)與城市漫游結(jié)合,需要城市建模技術(shù)、樓宇外觀紋理模塊、三維場景漫游界面模塊等關(guān)鍵技術(shù)的緊密連接[1]。三維建模技術(shù)實際上是將城市建設(shè)數(shù)據(jù)快速生成為城市建設(shè)模型的基本腳本,并根據(jù)城市建筑圖形和城市建筑外部輪廓,創(chuàng)建詳細參數(shù)。建筑三維貼圖技術(shù)通過設(shè)置城市外墻紋理,通過不斷改進外墻的質(zhì)感,實現(xiàn)城市建筑外觀紋理的三維模塊構(gòu)建,使用戶能夠獲得虛擬場景中的真實漫游體驗。

3 系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)技術(shù)

3.1 城市建筑建模技術(shù)

Sketch Up是非常簡單易用的三維建模軟件,操作簡單方便。本文選用該三維建模軟件創(chuàng)建模型,利用Sketch Up三維建模軟件自動識別和捕捉線條特性,減少繪制圖形的任務量,并采用線條畫入表面,擠壓成型技術(shù),快速創(chuàng)建城市模型[2],如圖2所示。

3.2 城市模型材質(zhì)貼圖

在Sketch Up中完成城市模型的搭建后,將材質(zhì)貼圖賦予模型,打開“窗口——材料”,找到創(chuàng)建的模型大樓材質(zhì),選擇已準備好的材質(zhì)貼圖添加其中[3],并確認添加成功,所有漫游系統(tǒng)中的樓房、樹木、馬路、路燈等建筑物賦予模型材質(zhì)并導出3DS模型文件,如圖3所示。

圖1 Sketch Up城市建模

圖2 城市樓宇材質(zhì)貼圖

3.3 人機交互技術(shù)

在城市漫游中,為了獲得不同的人機交互感受,本系統(tǒng)實現(xiàn)了三種方式的漫游:PC端漫游、手機端漫游和虛擬端漫游。在前兩種方式中,人機交互的方式是通過鍵盤的上、下、左、右移動鍵實現(xiàn)對場景的控制。在虛擬端的漫游中,本系統(tǒng)采用Leap Motion體感控制設(shè)備完成虛擬端的人機交互的漫游實現(xiàn)。Leap Motion系統(tǒng)可以實現(xiàn)對手移動狀態(tài)的檢測與跟蹤,甚至還能實現(xiàn)對手指和類手工具的檢測功能,該設(shè)備能對幀速率進行精度高的實時跟蹤與捕捉[4]。在三維數(shù)字化城市漫游系統(tǒng)中,一共用到了三種Leap Motion手勢,分別是揮動、點擊與畫圈。

當鼠標觸發(fā)虛擬漫游按鈕時,觸發(fā)Leap Motion檢測機制,當用戶將手放在Leap Motion的正上方時,手掌完全映射到漫游場景中,此時手模擬點擊按鈕,便可響應對應事件。當操作者點擊全景按鈕時,屏幕右下方會出現(xiàn)1/4小屏幕,可以預覽場景全景；如果手指畫圈,小屏幕將會全屏顯示；揮動手掌,可揮動小屏幕預覽；點擊退出按鈕,退出虛擬端主界面。

4 維數(shù)字化漫游系統(tǒng)設(shè)計

4.1 功能模塊

在功能上,三維數(shù)字化城市漫游系統(tǒng)實現(xiàn)了三個平臺的漫游,分別為PC端、虛擬端、移動端的漫游。功能面板為14個功能按鈕,分別為前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、雨中漫游、雪中漫游、音樂音量、播音音量、左區(qū)漫游、右區(qū)漫游、環(huán)繞預覽、全景預覽、小地圖功能、虛擬按鈕,這些按鈕可以在場景跳轉(zhuǎn)和漫游狀態(tài)下進行宏觀調(diào)控,如圖3所示。

4.2 三維城市漫游界面

啟動場景時,通過鼠標點擊桌面或者接入Leap Motion揮動手掌兩種方式撤除主背景圖片進入主場景。用戶站在城市中心位置,選擇想要觸發(fā)的功能鍵,如:前進、后退,向左、向右操作。每次觸發(fā)按鍵,場景都會做出相應響應。同時PC端也可使用鍵盤上、下、左、右方向鍵控制漫游移動,如想終止此功能,點擊返回鍵即可。雨中、雪中漫游也以相同方式觸發(fā)演示,可搭配移動同步漫游。調(diào)節(jié)音樂的播放音量,觸發(fā)按鍵出現(xiàn)對應功能滑動條,按照用戶要求調(diào)節(jié)音量大小。左區(qū)漫游與右區(qū)漫游為自主漫游,啟動按鍵時,用戶按照事先規(guī)劃好的路線全程自主移動漫游,整個漫游過程可隨時終止,如圖4所示。

圖3 人機交互實現(xiàn)

圖4 城市小地圖漫游

5 結(jié)論

本文介紹了三維城市的應用及基本模塊,建模技術(shù)、漫游技術(shù)等,研究開發(fā)了三維數(shù)字化城市漫游系統(tǒng),展示了一種全新的體感控制交互漫游方式。三維數(shù)字化城市漫游系統(tǒng)使用Sketch Up構(gòu)建城市模型的三維建模,在Unity 3D中開發(fā)系統(tǒng)功能,利用Leap motion體感控制設(shè)備,給用戶在三維城市漫游系統(tǒng)中帶來身臨其境的城市漫游體驗。

[1]姜學智.李忠華國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].遼寧工程技術(shù)大學報.2004,23(2):238-240.

[2]程罡.3D Max材質(zhì)與貼圖的設(shè)計和制作[M].北京:機械工業(yè)出版社,2015.

[3]Unity 3D游戲開發(fā)技術(shù)詳解與典型案例[M].北京:人民郵電出版社,2015.

[4]潘佳佳,徐昆.基于Leap Motion的三維自由手勢操作化[J].中國科技論文,2015,10(3):175-178.