基于VR技术的建筑景观特征三维整合仿真系统设计

2020-10-22马博华

现代电子技术 2020年20期

马博华

摘要：传统数据整合系统存在系统负载能力差、运行效率低等问题，为此，提出并设计了基于VR技术的建筑景观特征三维整合仿真系统。将系统分为数据层、虚拟数据库层、数据处理层和应用层4个部分，利用GB信号分配器将建筑景观信息传送到显示器上，通过采集器获取数据，以命令码的形式将数据发送至软件。软件部分对采集到的数据进行预处理，利用数据查询模块获取建筑景观特征数据，输入数据匹配模块，计算特征数据与目标数据的相似度，获取最佳匹配特征数据，构建3D整合模型，完成系统设计。实验结果表明，该系统的运行时间和服务器吞吐量均能满足用户需求，系统负载能力好，且系统运行效率在90%左右，高于传统方法，验证了该系统的性能。

关键词：建筑景观特征; 三维整合仿真; 系统设计; VR技术; 信息采集; 数据传送

中图分类号： TN911.73?34; TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2020）20?0153?04

Design of VR technology based 3D integration simulation system for

architectural landscape features

MA Bohua

（Shenyang Ligong University， Shenyang 110000， China）

Abstract： As the traditional data integration system has the problems of poor load capacity and low operation efficiency， a VR technology based 3D integration simulation system of architectural landscape features is proposed and designed. The system is divided into four parts of data layer， virtual database layer， data processing layer and application layer. The GB signal distributor is used to transmit architectural landscape information to the display， and the data is obtained by the collector and sent to the software with the form of command code. In the software part， the obtained data is preprocessed. The architectural landscape feature data is acquired by means of the data query module， and then inputted into the data matching module to calculate the similarity between feature data and target data and obtain the best matching feature data. A 3D integration model is constructed， so that the system design is completed. The experimental results show that the running time and the server throughput of the system can meet the requirements of users， the system load capacity is excellent， and the operation efficiency of the system is about 90%， which is higher than that of the traditional method. It verifies the performance of the system.

Keywords： architectural landscape features; 3D integration simulation; system design; VR technology; information collection; data transfer

0 引言

计算机技术飞速发展，目前已应用到社会发展的各个领域，数字化潮流已成为全球发展趋势，尤其是数字化城市的发展，大大吸引了人们的关注。融合计算机技术规划建筑景观，不仅能提升整体视觉感受，还能够充分满足建筑规划中的其他需求，利用虚拟现实仿真技术构造并分析建筑景观，成为当前研究的热点[1?2]。

虚拟现实技术融合了计算机图像处理技术和网络多媒体等多项技术，通过用户与计算机的交互，模拟出虚拟环境，为用户和操作者提供一个三维實景建筑景观图[3]。信息数据整合是实现资源共享和完整展示的重要方法，能够有效利用已知资源，帮助人们获取需要的信息。而建筑景观是城市规划发展的重点，利用虚拟现实技术对建筑景观特征整合进行研究，具有重要的现实意义[4]。

胡小玲对VR技术的特性进行了分析，利用三维建模、可视化设计、交互设计、三维虚拟等方法，对建筑设计进行了动态分析，展示了建筑的三维设计效果，但该方法的运行效率相对较低[5];阳小兰等基于VR技术，设计了三维动态激光成像方案，并通过数据准备、场景构建等过程，塑造了三维动态成像场景，在该场景下，对激光成像的动态路径进行调控，完成三维成像系统设计，但该系统的负载能力不高，无法在大量数据条件下平稳运行[6];周波利用虚拟现实技术，构建地物模型与地形模型，通过对2个模型的差异分析，完成多视图立体视觉特征点提取，重构得到城市三维乡土景观[7];谢迁研究了古老建筑三维景观特征的整合方法，首先提取建筑特征，然后计算三维景观特征的概率分配函数和似然函数，最后采用D?S证据完成特征整合，效果较好，但整合过程较为繁杂，运行效率低[8]。

针对上述研究方法存在的问题，本文提出并设计了一种基于VR技术的建筑景观特征三维整合仿真系统，实验结果表明，本文设计系统具有较好的系统负载能力，且系统运行效率较高。

1 建筑景观特征三维整合系统框架设计

本文基于VR技术进行建筑景观特征三维整合系统设计，VR技术应用于建筑景观的最终目的是为用户生动、形象地展现建筑景观场景。因此，在VR技术使用中，应用层与用户的有效交互是系统设计的最终目标[9]。本文基于VR技术的建筑景观特征三维整合系统框架主要包含数据层、虚拟数据库层、数据处理层和应用层4个部分，具体如图1所示。

数据层使用采集器来采集建筑景观数据，作为数据源，这些数据形态多样，可以是结构化的数据，也可以是非结构化的数据，每一个数据源放置于系统网页上的不同站点，使用相应的方式对其进行管理[10?11]。虚拟数据库层主要基于VR技术构建虚拟数据库，存储建筑景观的数据和用户信息。数据处理层负责完成所需建筑景观特征数据的处理，该层设置了数据处理模块、数据查询模块、匹配模块，在实现形式上使用Web Service技术，在发布数据方面使用标准接口形式，方便系统操作。应用层是整个系统设计的最高层，通过传感器信息交互，采用建模模块生成3D整合模型，使用接口直接与用户连接，显示建筑景观特征数据整合效果。

2 系统硬件设计

依据上述整体框架设计，基于硬件结构完成信息采集、分配、控制、显示，以及后台仿真软件，通过发送指令控制系统模拟建筑景观特征，完成系统设计。给出基于VR技术的建筑景观特征三维整合系统硬件结构，如图2所示。

硬件设计过程中，利用RGB信号分配器传送建筑景观信息到显示器上，操作者通过对建筑景观的全方位测量，和通过信号采集电路获取特征信息，以命令码的形式发送至软件部分，利用3D模拟装置生成整合模型[12]。

3 系统软件设计

根据系统框架结构，给出建筑景观特征三维整合处理的过程，具体如下：

1）应用层的操作者发起建筑景观特征数据整合要求，传送信号至系统请求具体数据支持;

2）数据整合模块收到系统传送信息后，首先在缓存数据中查询是否存在整合数据，若存在，直接传送至至系统应用层，若不存在，则开展下述操作;

3）使用采集器采集建筑景观数据，并输入数据处理模块，对采集到的数据进行归一化、语义转换等预处理，使其形式统一，方便后续操作;

4）数据查询模块依据整合需求，查询得到建筑景观的特征信息;

5）将特征信息输入数据匹配模块中，与预设的目标数据进行比对，通过统计多个匹配器的匹配结果，计算得出各特征数据与目标数据之间的相似度，依据相似度大小建立映射关系，挑选出匹配度较高的数据，完成建筑景观特征匹配[13];

6）对匹配完成的特征数据进行三维建模分析，构建3D整合模型，完成系统软件设计。

本系统软件设计中，为有效提高系统的运行效率，对每个模块中的有效数据进行缓存，方便直接使用。使用流程图来描述整个建筑景观特征三维整合仿真流程，如图3所示。

4 实验结果与分析

为了验证本文所设计整合系统的性能，进行实验分析，本实验采用美国MultiGen—Paradigm公司推出的Vega软件，该软件包括完整的C语言程序接口和清晰的图像显示界面，可应用于虚拟现实环境中的视景仿真及可视化，能够很好地支持虚拟现实技术。

实验步骤如下：

1）以某建筑景观为研究对象，采集特征数据，并对采集得到的数据进行预处理;

2）根据采集得到的建筑景观特征数据，使用Google SketchUp建立静态模型;

3）利用Vega软件中的可视化界面设置场景，生成应用程序文件，再利用VC++.NET进行程序开发，整合建筑景观特征数据。实验环境设置如表1所示。

在上述实验环境设置下，以系统负载能力、系统运行效率为指标测试本文系统，具体如下：

在用户量或数据量过大的情况下，系统有可能会出现崩溃的现象，因此对系统负载能力测试非常重要。主要通过测试系统运行时间和服务器吞吐量来实现，结果如表2所示。

根据表2可以看出，在不同系统并发数条件下，本文系统的运行时间均较短，能在10 s以内快速完成系统运行，且服务器对事务吞吐量也能够满足用户需求，由此验证了本文系统具有很好的负载能力，能够满足实际需求。

将本文系统的运行效率与文献[5]、文献[6]进行对比，结果如图4所示。

分析图4可以看出，在系统运行过程中，本文系统的运行效率始终处于90%左右，且波动较小，文献[6]系统的運行效率相对较高，在80%左右，运行效率最低的是文献[5]系统。在系统运行10 s的时候，文献[5]系统的运行效率高于文献[6]，但其他时间内文献[5]系统的运行效率最低，平均在60%左右，且波动幅度较大，运行不稳定。

根据上述分析可以看出，本文系统运行较为稳定，且运行效率高，这是因为本文系统设计过程中，对每个模块中的有效数据均有缓存，这样在系统需求发送后，若存在满足系统需求的数据，则无需进行新一轮的数据采集和计算，由此大大提高了系统运行效率。

5 结论

虚拟现实是借助人工手段，通过计算机建模和计算，模拟出一个虚拟环境，从而使人感受真实场景的技术。虚拟现实技术在现代建筑景观建设中发挥着重要的作用。本文提出并设计了基于VR技术的建筑景观特征三维整合仿真系统，给出了系统硬件结构和软件结构设计方法，通过建筑景观数据采集、数据处理、特征查询、匹配和整合，完成了系统设计。实验结果表明，本文设计系统具有较好的负载能力和运行效率，能够满足实际需求，具有较好的性能。

然而，本文研究仍旧存在一些不足，对建筑景观特征的定义不够具体，在接下来的研究中，还需要针对特征进行更为详细的分析，以获取更加精准的结果。

参考文献

[1] 尹宝莹.虚拟现实技术在公共设施设计中的应用[J].包装工程，2019，40（16）：271?274.

[2] 张晓东，刘湘南，赵志鹏，等.基于Landsat影像的宁夏盐池县植被景观格局变化特征[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2018，46（6）：75?84.

[3] 马建明.基于虚拟现实技术的模型数据转换系统设计[J].电子设计工程，2019，27（17）：43?47.

[4] 程良勇，李南江.网络三维数字城市海量模型优化算法研究[J].测绘通报，2019（7）：104?108.

[5] 胡小玲.基于VR技术的建筑设计可视化应用研究[J].河池学院学报，2019，39（2）：92?97.

[6] 阳小兰，钱程.基于VR技术的三维动态激光成像技术研究[J].激光杂志，2018，39（5）：57?61.

[7] 胡家強，吴锋.基于三维视觉的室内景观虚拟设计方法研究[J].现代电子技术，2018，41（19）：40?43.

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[9] 丁黎明.基于计算机网络的大型空气污染远程报警系统设计研究[J].环境科学与管理，2018，43（3）：139?142.

[10] 石来，陈超，李晓军，等.基于FDS的地下空间增强体验式火灾逃生VR系统[J].中国安全科学学报，2019，29（4）：70?75.