张俊，李骁，方强，张勇

(成都市勘察测绘研究院，四川 成都 610081)

1 引 言

四川省天府新区作为全面践行新发展理念的新兴城市建设示范区，一直秉承着致力于实现中国西部最具活力的新兴增长极的战略目标，意图建设成为“一带一路”双向开发经济高地和宜业宜商宜居的国际化现代化新城。为提升整个新区的经济活力、创业环境、居住条件，需要在规划设计、方案审批等阶段，坚持以人为本的理念，充分考虑到市民生活、工作、娱乐休闲的需求和体验。不仅要在宏观上把握城市的整体布局，还要在微观上模拟分析市民日常工作生活的需要，通过规划设计为市民提供各方面的便利性。

2 城市规划方案展示模式与局限性

2.1 城市规划展示中存在的问题

城市规划中各级成果的规划方案展示是一项重要的工作内容。规划设计人员、政府决策部门、普通公众都需要通过方案展示来直观地了解未来新区的景观、功能等各项内容。

传统的城市规划方案展示的载体包括建筑平面图、外观效果图、微缩沙盘模型、三维动画等。此类载体都存着尺度单一、视角有限、内容展示不全面等局限性。随着信息技术的发展，以三维景观模型为表现形式的各类三维规划、三维地理信息平台相继出现。相比传统的展示方式，三维平台具有信息量丰富、互动性高、各类分析统计功能完备等突出特点，因此三维平台已经成为主流的城市规划方案展示手段。如图1所示，三维规划平台可以显示建筑三维模型以及包括数字高程模型(DEM)、数字正射影像(DOM)、各类矢量等多种类型的数据。

图1 三维规划平台

三维规划平台有助于规划设计人员和政府决策部门从宏观上进行规划设计和规划决策。但目前以天府新区为代表的各种新城建设不仅要求城市规划在宏观层面上的统筹协调，更要从微观上考虑普通市民在新城中的体验感受。而目前三维规划平台仅能以“上帝视角”在较大尺度上对规范方案进行观察巡视，而无论是平台的功能还是模型的微观细节和光影效果均无法以模拟市民视觉的“人类视角”对规划方案进行深入细致地观察。

2.2 虚拟现实技术简介

虚拟现实(Virtual Reality)技术是一种可以创建出虚拟世界并提供近似真实体验的计算机软硬件系统。该技术以计算机技术为核心，并综合了计算机图形学、计算机仿真、传感器、立体显示、可穿戴设备等多种最新技术。通过虚拟现实构建出的场景具有沉浸感、交互性、想象力三大基本特征。沉浸感是指用户感知不到自身的真实外部环境，而融入虚拟场景中。用户以主角身份在虚拟场景中所能体验到的真实程度、三维模型场景、立体视觉空间感、立体声等随视点实时变化的性能都会不同程度影响用户的沉浸感。交互性是指用户在虚拟场景内的可操作程度和反馈的自然程度。想象力是指虚拟场景中的物体均可依据设计规则自主运动，并且能遵循现实世界的物理规律。

在当前的技术条件下，计算机通过浸入式虚拟现实头盔等可穿戴设备感应用户的头部动作，实时计算出用户视点对应虚拟场景图像，并通过双目立体视觉的形式向用户显示。同时辅助以立体式音效和手柄等操作设备，将用户的观察和动作与虚拟场景融为一体，使用户感觉完全“浸入”到虚拟场景中，得到一种身临其境的体验。

2.3 虚拟现实技术在城市规划应用前景

由于虚拟现实技术具有强烈真实体验这一显著特性，因此在游戏娱乐、技能培训、产品设计等方面得到越来越多的应用。对于城市规划而言，虚拟现实技术同样具有广阔的应用前景。城市的规划设计成果可以通过该技术构建出虚拟的未来城市场景。用户可以利用沉浸感深入到虚拟场景中以感受和评估设计的实际效果。通过从微观到宏观，平视、仰视、俯视等多种尺度和视角来观察规划建筑的风格以及与周边环境的协调性，以未来城市市民的身份视角体验规划方案的合理性和便利性，并可以切换设计方案用于比较各种方案的实际效果。

相比常规的三维规划平台，利用虚拟现实技术构建出的虚拟场景具有突出优势。虚拟现实技术场景具有更加真实的光影和立体声效果。用户通过浸入式设备浏览场景时，画面、声音均可以随着用户的头部动作和位置随之变动，从而消除了用户与场景的真实感隔阂，令用户有种身临其境的体验。虚拟现实场景还具有丰富和真实的微观模型细节，场景中建筑门窗、植被、室内的桌椅物品等有完整的细节予以表现。不仅如此，场景中可以置入丰富的动态模型，包括人物、花草、车辆等，并且此类模型的尺寸、外观、运动轨迹均与真实世界相符。

通过对土坝溢洪道部分温度应力模拟得出一些结果，并与雅库特Khorobut流域灌溉系统工作进水段的实际观测结果进行了比较。Zhang[2]详细介绍了排水系统长期现场观测的详细情况。

因此，利用虚拟现实技术构建出的虚拟场景可以让用户在虚拟场景中以市民的视角对场景中的建筑、景观等获得近似真实的体验。一方面可以发现宏观视角上不易察觉的潜在问题。另一方面可以通过向公众展示，使公众能更好地理解规划意图、了解规划设计方案和规划审批流程。进而让公众逐步参与到规划决策中，促进决策过程的民主化。

3 硬件与软件工具简介

为实现具有强烈沉浸感、交互性和真实体验的虚拟现实场景，需要在硬件和软件两方面选择适用的硬件设备和场景制作技术。综合对比分析了多个同类型的硬件产品和软件平台，最终选用了HTC VIVE作为虚拟现实硬件现实设备以及虚幻4作为虚拟现实平台制作工具。

3.1 浸入式虚拟现实设备HTC VIVE

HTC VIVE设备是有HTC与Valve软件公司共同开发的一款浸入式虚拟现实设备。如图2所示，该设备包括1个头戴式显示器、2个单手手柄、2个定位传感器。其中头戴式显示器通过左右眼观看不同显示屏幕可以实现双目立体视觉。其较高的分辨率可以有效降低画面的颗粒感。两个手柄上安置有多个功能按钮，可以实现丰富的互动功能。两个定位系统依靠激光和光敏传感器可以高频率和高精度获取较大范围内头盔和手柄的位置和姿态。在实际使用过程中，该设备高频率的测量率和显示刷新率使得画面的显示延迟时间极短，用户几乎体验不到延迟，因此不会有强烈的眩晕感。此外，两个手柄可以在虚拟环境中以真实大小和形状呈现，用户可以清晰地看到手柄的位置和指向，极大地方便了用户的各项互动性操作。

图2 HTC VIVE设备

目前该设备的应用领域逐渐从游戏向其他行业拓展，在医疗教学、产品设计、安全生产事故体验方面都得到了较多的应用，也为该设备在城市规划中的应用提供了较多的参考经验。

3.2 三维引擎虚幻4

虚幻4(Unreal Enging4)引擎，是由Epic公司开发的用于游戏制作的三维游戏引擎。但因该引擎具有强大的建模和实时渲染功能，因此也被用于各类虚拟现实场景的制作。相比其他传统的三维建模软件，虚幻4引擎有其独特的优势。首先，虚幻4具有强大的实时渲染功能，不同于其他三维软件的单一视角渲染模式。虚幻4可以在编辑器中提供所见即所得的模型实时渲染效果。其次，虚幻4的交互模拟和物理引擎可以使建模人员以极高的效率创建高拟真度模型。并且虚幻4对多平台终端均有较强的支持，可以方便建模人员将模型场景导出为适用于各种虚拟现实硬件设备的三维场景成果。

除此之外，该引擎还具有强大的蓝图开发功能。在虚幻4引擎中，蓝图(Blue Print)是一个功能全面的可视化脚本系统，为建模人员提供了丰富的编辑工具。建模人员可以通过在蓝图中将节点、时间、函数等工具建立连接，以可视化的形式创建各种复杂的互动性功能。从而可以省略大量的编程开发工作，极大地提升工作效率。

4 虚拟现实展示平台制作过程

天府新区虚拟现实展示平台中的虚拟场景根据数据范围和精细程度分为大场景和精细场景两大类。其中大范围场景覆盖了包括天府中心、科学城以及鹿溪智谷片区在内的 35 km2范围。精细场景中包含了西部博览城、鹿溪河生态区、菁蓉中心在内的多个重点建设区域。不同类别场景在三维模型建模标准、场景显示效果、用户浏览模式上存在着较大差别。该平台的制作过程依据先后次序分为基础三维模型制作、虚拟现实场景平台制作、成果打包输出三个阶段。

4.1 基础三维模型制作

在该阶段中需要制作场景中所有物体的三维模型。为获得准确真实的场景效果，在建模前收集获取了区域内的DEM、DOM、地形图、规划设计图纸、现场照片等原始数据。随后以原始数据为依据，在3ds Max软件根据设计的建模流程和标准实施三维建模，如图3所示。同时为了下一步在虚幻4中的处理，需要将模型的原点位置、材质纹理、图层、文件格式等进行针对性的调整。

图3 在3ds Max中制作基础模型

4.2 虚拟现实场景平台制作

完成基础三维模型的制作并通过检查后，随即开始在虚幻4中进行虚拟现实场景平台的制作。虚拟现实场景所需要的沉浸式体验需要对场景进行材质、光照、运动、物理碰撞的仿真模拟。

(1)模型导入与拼接：首先将基础三维模型导入到虚幻4编辑器中。对各部分模型进行移动拼接处理，最终将所有模型集成合并为完整的场景模型，如图4所示。

图4 基础模型合并

(2)场景材质编辑：场景模型的表面材质直接影响场景视觉效果的拟真度。材质编辑处理包括颜色贴图、法线贴图、高光贴图。其中颜色贴图决定了模型外观的整体基调和纹理特征。法线贴图和高光贴图则会影响模型的竖向层次和高光反射效果。

(3)光源设置：对场景中的合适位置插入光源，并在参数面板中调节参数以达到最佳的烘焙显示效果。其中包括模拟自然光的平行主光源、天光、全局光照以及模拟人工光源的点灯、射灯等。

(4)物理碰撞边界设置：为使场景具有较强的真实感，需要对模型设置物理碰撞边界。编辑器中的凸面体碰撞工具可以根据模型的形状自动生产模型碰撞边界。

(5)蓝图编辑：如图5所示，在蓝图编辑器中对手柄的按钮、扳机等控制器创建包括场景切换、自由漫游、路径漫游等触发事件。

图5蓝图编辑器

(6)打包发布：完成所有的场景设置和蓝图编辑后，即可将整个平台以HTC VR终端打包输出为.exe可执行文件，直接运行该文件即可打开该虚拟现实展示平台。通过平台的浏览运行，及时发现场景中的问题，并返回虚幻4编辑器进行修改。最终获得数据完整、运行流畅的虚拟现实展示平台，如图6所示。

图6 虚拟现实展示平台效果

5 结 语

通过对四川省天府新区虚拟现实展示平台的研究与实现，证明了虚拟现实技术用于规划展示的有效性。利用虚拟现实技术的真实浸入感特点，可以让规划工作者和普通市民跳出传统二维展示的局限性，获得更加完整和真实的仿真体验。

该虚拟现实展示平台可以为城市规划提供有效的技术支持。规划设计和决策者通过该平台的使用，可以从市民视角来审视和体验规划方案，从而使规划设计和决策以人的感受为着眼点，落实以人为本的规划思想。此外，该虚拟现实展示平台可以向公众开放使用。普通市民可以通过该平台的浏览使用快速了解城市规划的成果，真实感受未来的城市面貌。为公众进一步参与规划设计和决策提供了可能。不仅如此，该平台同样可以作为城市的对外宣传资料和历史存档资料。一方面对外进行城市展示，为招商引资提供极佳的宣传手段。另一方面记录城市的现状和未来发展，为未来的研究提供珍贵的历史资料。