虚拟现实技术下的城市景观仿真系统建构

2020-10-22李畅王慧

现代电子技术 2020年20期

李畅　王慧

摘要：为了解决传统系统平台应用中存在的开放性差、技术实现难度较大、成本投入较大等技术弊端，提出基于虚拟现实技术建构城市景观仿真系统的设计新思路。分析系统建设关键技术，包括三维城市景观可视化、虚拟现实技术，提出城市景观仿真系统建设总构思，并分析景观三维仿真及其规划。建立城市景观三维模型库，运用OSG渲染、实现漫游、场景优化等技术，成功构建并实现了基于虚拟现实技术的城市景观仿真系统。该系统能够实现摄影测量、GIS、可视化、海量数据处理、虚拟现实技术等多技术集成，从而让用户能够设计的系统，更真切地感受空间设计的合理性，以及规划方案可行性，真正为城市在下一阶段的规划及可持续发展，提供可靠的现代化技术保障。

关键词：城市景观; 仿真系统; 系统构建; 虚拟现实技术; 三维仿真; 三维建模

中图分类号： TN957.52?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2020）20?0175?04

Construction of urban landscape simulation system under virtual reality technology

LI Chang1， WANG Hui2

（1. Xian University of Architecture and Technology Huaqing College， Xian 710043， China;

2. Xian Innovation College of Yanan University， Xian 710000， China）

Abstract： A new design philosophy of constructing urban landscape simulation system based on virtual reality technology is proposed to solve the technological disadvantages of poor openness， difficulty in technology realization and high cost investment in the traditional system platform application. The key technologies of system construction， including 3D urban landscape visualization and virtual reality technology， are analyzed， the general conception of urban landscape simulation system construction is proposed， and the 3D landscape simulation and planning are analyzed. The 3D model library of urban landscape is established， and the urban landscape simulation system based on virtual reality technology is successfully constructed and implemented by means of the OSG rendering technology， roaming， scene optimization and other technologies. The system can realize multi?technology integration， such as photogrammetry， GIS， visualization， mass data processing and virtual reality technology， which allows user to use the designed system to more real feel the space design rationality and planning feasibility. It provides reliable modern technical support for the next stage of urban planning and sustainable development.

Keywords： urban landscape; simulation system; system construction; virtual reality technology; 3D simulation; 3D modeling

0 引言

虛拟现实技术（VR）从技术本质来讲，作为一个能够创造并形成真实体验感的虚拟世界，主要基于计算机技术所实现的一种仿真系统。那么城市虚拟现实技术仿真系统，则需要综合运用遥感、虚拟、仿真等多种先进技术，做到多尺度、高分辨率、多类型、多时空的完整三维描述，从而做到对城市地形地貌、建筑、道路、交通等各方面的模拟呈现，也作为对于城市真实情况的客观反映和数字化认知，所以在近年来作为研究界普遍重视的研究课题。除了要求虚拟现实技术可以达到城市的真实再现，还要求能够运用城市VR详细分析不同类别空间信息，能够为城市分布、建筑结构、园林设计、时空位置、光照、道路、渲染与噪声等各方面提供有力决策支撑，实现更加科学、合理的城市管理，从而促进城市的可持续发展。如今国内外有诸多研究探索城市VR仿真系统平台设计，譬如VRML，Creator，WTK，OpenGL等，但是这些都无法真正满足建构城市景观仿真系统的技术所需，包括海量数据量、开放性、技术水平、性价比极高的硬件标准等。因此，文中所展开基于虚拟现实技术的城市景观仿真系统构建研究意义重大。

1 关键技术概述

1.1 三维城市景观可视化技术

在城市地形建模过程中，通过运用可视化区域地形地貌，根据建模算法完成城市区域连续地形变化起伏，从而实现对城市地形的真实反映。目前以数学高程模型最为常用。DTM作为数字地面模型，通过运用数字形式完成地形地物的信息存储总和，所表示的地形表面形态多为信息模型，并且与不同研究领域所需相结合，实现地形、非地形两类信息特性结合。建立DTM模型能够对地表单元空间位置、地形属性有序集合，并符合具体地理范围数据基础。随着GIS技术迅速发展，也促进了DTM模型产品的飞速发展，提供了GIS可以实现城市空间分析、辅助性决策的操作型基础数据。尤其近年来实施的空间数据基础设施，也创造了GIS技术的发展空间。目前地形表面建模主要包括基于点、三角形、网格等三种建模方法，一般集中于基于点的地形建模。

对于城市来说大规模地形数据通常会产生几千兆甚至更多字节，通过将多层次结构物体用于场景描述，可以采用多模型表达，关键就是模型所表达的细节程度，即LOD模型绘制算法，能对绘制效果不影响的前提下，逐一简化景物细节，降低效果复杂性，同时也提高了绘制效率，以及图像的生成速度。

1.2 虚拟现实技术

在基于虚拟现实技术（VR）城市仿真系统中，作为对于真实城市及相关现象的数字化统一创新认知，可以直观且全方位为用户提供具有真实感的场景现象及具体信息。城市VR仿真系统能够起到沉浸性、想象力、交互性等多项技术特点。本次设计中的城市VR景观仿真系统作为研究对象，往往具有大范围、海量、周期长和技术实现难度较大等特点，所以在城市VR景观仿真系统建设中，需要遵循图1所示的技术流程。

1）數据、资料的准备更新阶段，通过大量收集城市VR仿真系统建设所需的数据、影像、线划图、有关资料及所要更新的数据。

2）结合系统主要运用的GRID，TIN建模方法，能够生成有利的数字化高程模型，并形成城市VR系统所需模型图。

3）完成地表建模，通过构建城市地标模型所需的三维建模，可以结合实际所需，决定是否可以建设细节层次型建模以及纹理建模技术方法。

4）系统合成发布，通过在城市VR系统中集中发布景观地形、地表物体模型，从而完成专业化开发及系统性能优化。

2 城市VR景观仿真系统设计

2.1 系统设计需求

本次系统设计中提出基于OSG三维仿真支撑平台，有效拓宽了OSG功能，所提出的二次平台开发仿真系统平台，其功能目标主要是保证用户在短时间内，便可成功掌握并相对容易高效地开发仿真系统。在设计本次城市VR景观仿真系统时，主要系统设计指标性能包括以下几个方面：

1）作为标准场景图结构，可以支持剪裁景观视频，重视景观建筑结构的细节度，以及排序延后的可更新状态算法，能够支持快速拓展路径和数据库仿真优化;

2）能够对OpenGL拓展功能充分支持，实现OpenGL 1.1至OpenGL 2.0功能拓展，合作开发GLSL语言，并且支持超过34种的标准二维图像、三维数据图形等文件格式;

3）可以达到粒子系统效果并支持True Type字体，无缝支持缓冲区物体、帧缓冲区，能够在多线程系统数据库中载入所有城市景观二维、三维图像，并支持用户可以浏览三维大型1 024 GB数据库;

4）封装整个系统内核，成功实现全部编程语言均经统一系统访问接口并存取至内核类型，可以满足大规模城市VR仿真与高性能CPU;

5）可以在Windows系统、iOS系统、SGI IRIX系统、Free BSD系统中均实现操作。

2.2 系统总设计

图2为本次设计的城市VR景观仿真系统平台。

2.3 系统各功能模块实现

1）在运用3ds MAX建模及输出、Maya及输出等模块，完成本次系统仿真时，需要明确具体需求计划，并构架仿真场景，完成动画建模软件修改，导出至场景编辑器中，即可成功实现各类景观仿真所需属性。

2）场景编辑器模块中，经该模块能够构建城市景观仿真场景，赋予本来单一的城市景观拥有仿真属性，如Switch节点、LOD、物理属性、碰撞等工作流程，如图3所示。

3）仿真核心工作模块中，主要作为基于OSG的仿真三维工作核心，负责完成部分内核仿真任务调度，完成核心图形工作，从而实现外围仿真模块协同工作。

4）仿真数据库管理模块，作为密切关联仿真系统的重要组成，需要经该模块完成仿真数据的读取和保存。通过连接硬盘能够是吸纳物理内存和虚拟内存之间的动态化交换功能。

5）仿真算法模块，能够提供目前在仿真技术领域内尤为常见且应用频率较高的算法。通过设计该功能模块可以满足系统开发者和用户，无需自己重复编写算法，只需调用程序函数即可完成。

6）大规模地形模块。目前大规模地形及数据处理面临技术挑战，可以通过建立OSG三维仿真平台，建立块状地形分割及降解模块，并实现地形为处理单位量，所提供的数值精度处理方式。

7）各类仿真特效模块。对于自然界所存在的各类下雨、下雪、太阳、灯光等不同天气和光斑的情况下城市景观仿真效果模块，为用户创造更生动的系统仿真效果。

8）集群仿真及网络通信模块，该模块能够直接连接HLA主机，实现远程异地分布，或运用所在协议局域网实现仿真。不仅可以大幅度延展虚拟仿真的计算综合能力，还能够创造更可靠的虚拟环境，以及实现高效快捷的网络通信。

9）多通道视觉仿真模块，主要为了能够充分提升系统平台仿真效果，创造更开阔的用户操作视野而设计。通过运用高端显示360°立体环幕技术，运用了双通道、三通道仿真，模拟性价比较高，再加上VR技术互动，能够真正给用户带来沉浸式体验，并且该模块还具备了多软件边缘融合功能。

3 城市VR景观仿真三维数据库

3.1 建立地形模型

结合现有三维数据库软件，在本次系统设计中选定了Multigen Greator与3ds MAX技术结合建模。那么在城市地形建模过程中，可以结合不同地理对象空间分布特点，划分为以树木、道路、建筑等为主的离散实体特征;与城市地形地貌场景基础的连续性特征。选择Multigen Greator建模工具，首先完成Openflight地形文件制作之后，转换基础高程数据，形成Cerator数字高程数据格式，并且与城市地形地貌、面积、精细化程度、运用范围和硬件配置等，结合多因素选择地形转换算法，合理设置参数并完成地形创建处理。

3.2 三维建模

在三维建模过程中主要包括两大组成部分，分别为景观建筑群模型库、纹理模型库。本小节主要对景观建筑群模型库进行重点探讨，包括建筑物构建、交通、公共设施、建筑物、植物等三维模型符号与绿地、水体、建筑材料和道路等材质构成的三维符号库，共同组合形成了三维模型。对于实际城市中存在的多数不规则体，通过运用透明纹理映射技术，能够经纹理、融合两种技术，获得透明、半透明式不规则区域，如图4所示。

3.3 数据库设计

如今系统数据库管理主要包括了SQL Server，Oracle，DB2等，本次系统设计主要采用了SQL Server技术，成功建立城市VR仿真系统三维空间数据库。为了能够提高用户的模型查看等待时间，并满足实时显示技术需求，分开显示三维仿真模型的几何、纹理数据，首先进行几何数据传输并渲染，之后选择纹理数据，并且还可以对于两类数据完成分开建立表格文件进行存储。接下来以该系统数据库设计的代码用例展示如下：

CREATE TABLE ′NewTable′ （

′id′ int NOT NULL AUTO_INCREMENT ，

′name′ varchar（10） CHARACTER SET utf8 NOT NULL ，

′age′ decimal（6，4） NOT NULL ，

′img′ blob NULL ，

PRIMARY KEY （′id′）

DEFAULT CHARACTER SET=utf8

DESC NewTable;

——修改表元素

ALTER TABLE NewTable

MODIFY COLUMN ′name′ varchar（30），

MODIFY COLUMN ′name′ DECIMAL（6，3）;

——修改列名

ALTER TABLE ′user1′

CHANGE dept deptId VARCHAR（10）

——添加行

ALTER TABLE NewTable

ADD COLUMN ′sexId′ CHAR（1） not NULL;

——刪除行

ALTER TABLE NewTable

DROP COLUMN′sexId′;

——删除表结构

drop table′USER1′;

select CURDATE（） from DUAL;

DESC newtable

select*from′newtable′

3.4 数据库调用

对于用户处于较高视点位置的情况，一般会形成模糊观察物，那么随着逐渐降低视点，则可以形成逐渐清晰的观察体。在建构本次VR景观仿真系统时，需要保证选择合适的视点高度阈值，并提高三维绘制速度。对于观察视域具体范围加以确定后，可以经数据库对条件模型ID进行检索，并根据相应的ID号完成数据下载。由于存在数据缓冲区大小数据局限，所以需要完成部分数据读取后，直接显示给用户缩减时间。

4 结语

建立城市VR景观仿真系统，作为实现数字城市VR的关键组成部分，同样也作为一项需要不断为之努力的复杂工作。本次研究运用OSG渲染、实现漫游、场景优化等技术，成功构建并实现了基于虚拟现实技术的城市景观仿真系统，能够真正为用户提供生动、直观、真实的城市景观，丰富用户体验。

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