鄂州体育中心规划设计的计算机三维仿真

陈永红， 詹 平， 密新武

（1. 鄂州大学建筑工程学院，湖北 鄂州 436000；2. 武汉大学城市设计学院，湖北 武汉 430072）

鄂州体育中心规划设计的计算机三维仿真

陈永红1， 詹 平2， 密新武2

（1. 鄂州大学建筑工程学院，湖北 鄂州 436000；2. 武汉大学城市设计学院，湖北 武汉 430072）

以鄂州体育中心新区的规划设计为研究对象，进行了可视化的计算机三维仿真。利用航空照片取得鄂州体育中心新区的数字高程模型数据建立三维地面模型；结合处理后的卫星照片正射影像图作为贴图附于地形表面，模拟体育中心的地形、地貌。运用建模动画及后期制作软件构建了体育中心规划设计的三维动态仿真。结果表明计算机三维仿真在规划设计中的运用比传统图纸和模型的形式更加适合与公众进行交流并得到更加真实、直观的反馈。

规划设计；计算机三维仿真；虚拟现实；建筑模型

城市规划作为公共政策应以反映公共意志、维护公共利益、促进社会发展为根本宗旨、这就要求公众的广泛参与才能充分体现城市规划中人本主义和民主化思想。城市规划包罗万象，涉及到社会的各个领域希望具备各种知识人员的广泛参与。过去，在城市规划领域主要使用图纸和模型两种手段与公众进行交流，但这两种方法在实际使用中都不尽人意。图纸所表现的平面或透视关系和人们现实生活中物体空间关系仍存在着一定的差距，只有受过良好教育具备一定知识背景的人才可能较好地理解规划方案，参与讨论，这就局限了公众参与的范围。模型虽然能够解决一些仅使用图纸所带来的局限性，由于各种因素的制约，往往不可能完全制作整个规划区域的模型，而只能挑选一些有代表性的建筑来完成模型制作，这就妨碍了参与者了解整个方案的全貌，并容易给他们造成以点代面的错觉。随着社会的进步以及科学技术的飞速发展，人们教育水平，物质文化生活水平都得到了极大的改善和提高。人们越来越重视和关心自己的生活环境和生存环境，越来越愿意参与城市的规划管理和建设[1]。正是如此，对于计算机三维动态仿真技术在规划设计成果表达上的应用研究具有重要意义。

计算机仿真技术是通过将计算机图形构成的三维数字模型编制到计算机中产生逼真的虚拟环境，使用户在视觉上有一种虚拟环境的感觉。淮安市园林局颜景[2]讨论和比较了静态渲染图、固定路径的动画、交互式动态的景观仿真、复杂的虚拟现实等几种设计技术，分析了计算机仿真技术在城市规划中应用的意义。论文中缺少实际案例来直观说明如何运用计算机仿真在规划设计中应用。深圳市规划局黄伟文[3]等论述了城市仿真系统在中心区规划设计实践中的探索应用，并简要介绍了中心区仿真系统的建立和开发，文章认为中心区仿真系统为中心区的规划做出重要贡献。论文中缺少对地形建模的论述和具体的计算机仿真过程。本文将通过详细的计算机仿真流程在规划设计中的实际应用进行实践研究，提高规划设计的真实性、动态性和公众参与性。

1 鄂州体育中心新区简介

鄂州体育中心规划用地位于鄂州市东部文教体育区，东临106国道，西濒风景秀丽的洋澜湖，南有大中院校，北接长江大桥的桥头公园及迎宾广场，如图1所示。中心计划用地46.60公顷，地处城东新区鄂州新商贸物流和文化休闲长廊，建成后，将可举行多项省级，国家的赛事，并拥有集休闲、旅游、会展、商务及体育人才的培养功能。

鄂州体育中心总建筑面积76126平方米，其中，体育场13500平方米，体育馆9154平方米，游泳馆8620平方米，运动员村7500平方米，运动休闲及综合服务设施15560平方米，大平台19550平方米；建筑总占地85910平方米；建筑密度18.7%，容积率0.17，泊车位1033辆（小型），绿化率31.7%。

图1 鄂州体育中心鸟瞰图

鄂州体育中心新区地理属丘陵与水域相间的环境，因此，规划的重点是要把握好总体规划布局，环境设计与地形的紧密结合，突出新区设计依山就水这一特点。鄂州体育中心是鄂州市城区良性的空间扩展、可持续发展的园林式生态型新区，可以满足体育竞赛、旅游休闲、会展商务及教学培训的需要，如图2所示。

图2 鄂州体育中心一期规划图

2 规划图的数字化及二维造型

2.1 地形图的准备

计算机能识别的地理数据为矢量和栅格数据结构，栅格数据（扫描图像或照片）是通过一系列网格单元表达连续地理特征[4]，如图3所示，矢量数据以点、线、面方式编码并以（X、Y）坐标串储存管理，是表现离散空间特征的最佳方式，如图4所示。鄂州体育中心规划采取了栅格和矢量数据结合使用，取长补短。对于栅格数据，为了尽量减少在扫描输入过程中产生的误差，针对每一张图纸都采取了通过对地图4个角点的实际坐标值进行控制，将图纸根据实际坐标值进行拉伸、缩放、旋转、将误差消除在每一张图中，避免在拼图过程中产生累计误差，以最大限度地保证地理数据的准确性。2. 2 平面图的矢量和相对坐标系

图3 光栅地形图

图4 矢量地形图

在规划设计中，房屋的布置不可能总是平行于X轴或Y轴，那么怎样才能准确地将房屋定位，并能快捷，方便地将房屋落实于图纸上，且能精确地反映房屋的实际尺寸。使用相对坐标系将原坐标系旋转后生成一新坐标系，两坐标系相互独立地存在于同一绘图环境中。当布置倾斜角为角的房屋时，即可切换到相对坐标系。同时，计算机将房屋的数据值一一对应于坐标系，这样就做到了即能迅速、方便地矢量化房屋，又能保证两坐标系之间地理数据的一致性、准确性。对于鄂州体育中心新区路网的每个交叉点、变坡点、拐点定为控制点，利用坐标进行精确定位后由点到线、到面进行矢量化，依据路网结构，对整个方案进行了矢量化。矢量化后的数据具备基本空间特征：点定义为空间的一套XYZ坐标；线定义为一系列有顺序的空间点；面由一组或多组线围成的多边形。从而为下一步生成三维模型提供了准确的位置定位和精确的建筑物基底平面尺寸。

3 三维建模

由全数字摄影测量技术得到地面高程的数据生成仿真地形网络曲面进行全真复制，真实摸拟鄂州体育中心新区46.6公顷的三维地形、地貌。

3.1 地形数据的采集

航片读取是一种最灵活快捷的方法。其原理是将所需地域的航片，如图5所示，经航片判读仪器判读，解析后即可获得完整满足多种要求的（x、y、z）坐标。利用这个方法得到了约76000组数据（比例1:10000、纵、横间隔5米、高程分辨率0.01米）完全能够满足动画模拟要求。

3.2 三维地面模型的生成

图5 体育中心航拍图片

为得到精确的地型三维结点数据库，采取了鄂州体育中心一期0.47平方公里的航片数据，数据格式为：每组201×201个结点，每个结点间格5米，构成201×201矩阵，即0.25平方公里共有1.88×(201×201)=7.6万个结点数据。利用CAD技术创建不规则网格曲面，生成三维地面网格模型[5]，如图6所示。

图6 三维地形网格图

使用二维技术，在整个设计中图纸不断地被重新解释，而在三维环境中，三维模型则成为主要元素。图纸只是描述模型的一种方式，三维模型则可直接用于形象化设计者意图和作进一步的分析。在3D MAX渲染中，材料的设定是根据图形属性来区分的，不同材料在三维建模时以不同的属性分别定义。在3D MAX中相同属性的图素就是一个物体中的元素。AutoCAD将绘出的平面图形变成三维图形。

布尔建模能利用交集、联集、差集使组合成的物体更具变化，可以省略许多烦琐的建模过程。但布尔运算是一种逻辑运算，不同造型软件的算法有所不同，所有的软件算法都存在一定的局限性，经常会碰到布尔运算执行不下去的情况，究其原因都是原始数据经过程序的某个算法处理后产生了数值溢出。当布尔运算执行不下去或达不到所希望的效果时，只能通过降低模型精度来实现布尔运算操作。对于动画来说，看上去正确的东西就是正确的，误差在一定范围之内是可接受的，段动画中的模型有零点几个单位的误差可忽略不计。

4 鄂州体育中心新区三维动画仿真

三维动画仿真着眼于具体建筑形体的仿真设计，注重城市轮廓线以及新区环境、体量、群体组合、标志性建筑物及标志物等方面突出不同功能区的使用特征。使得设计意图的可视图像活动起来，产生直观逼真的真实感受。

控制性详规突出对体育中心重点区段的控制，利用虚拟体育中心新区优美的自然环境，体现规划中体育中心以自然景观为主，以人文景观与自然景观相结合的特色，如图7所示。

图7 鄂州体育中心

动画的演示路径重点表现规划意图，以比赛区、休闲娱乐区为动画模拟对象。用道路、环境等串连起来并结合空中鸟瞰漫游，使观者有身临其境，体验未来新区的感觉。

4.1 材质编辑贴图

进行材质编辑及贴图前需要在文件中设置一个摄像机和一个简单光源，对贴图效果进行粗略预览。设置了灯光和摄像机后，就可以给模型赋以材料，以使其看起来更加生动形象。在3dmax中，可以通过材料特性模拟表面的颜色、纹理、投影性、甚至反射率、粗糙度或者凸凹度等。使用的许多材料都采用图像或“位图”来模拟具有大理石、木材以及砖块等材质的表面。例如，对洋澜大桥表面的处理即采用了此种位图，如图8所示。

图8 洋澜湖大桥

构建一个场景时，除了地形、建筑、还必须考虑一些植物作为配景，如果直接按照植物的形态来建模，则构成物体的面太多，这就需要用到阻光图来对树的渲染进行以假乱真。首先要有一张反映树的真实形态的位图图像（即纹理图），接着再制作一张阻光图—在一张灰度图上构画出树的轮廓，将轮廓范围内部分变为黑色，轮廓范围外部分变为白色，在Materials Editor中对这两张图进行叠加成一种新材料，由于阻光图的黑色将变为彻底透明，而白色则变为彻底度不透明，这样新材料将仅显示出树，而多余部分则被隐藏掉。然后再利用3D Editor中的BOX选项生成一个尽可能薄的盒子，如果盒子太厚，将会与视图中的其它实体产生干涉。然后再用 Surface—Material—Assign—Object将此材料赋与盒子的正反两面，这样就在三维场景中生成了一颗树，如图9所示。实际应用证明采用这种方法生成的树可以达到以假乱真的效果，同时减少了渲染的时间，增加了渲染的效率。4.2 添加光源和控制光源的属性

图9 采用阻光图的实体

在3dmax中，Spotlight是一种直射光源，其作用类似于手电筒，也是唯一能产生阴影的光源。可以控制Spotlight的强度和传播方向，可以将光线聚焦成类似汽车前灯的狭长光柱，或者将其发散为类似台灯的光线。将R、G、B的值均设置为180，并打开光源产生阴影选项，然后，还需要对造型的阴影选项进行设置。先选中Global Shadow Control对话框，其中Map bias可控制阴影偏移，一般选择 0.5，如果要增加阴影的强度，则需要调整 Map Size和 Map Sample Range这两个值。Map Size可控制3D Studio阴影图的分辨率。阴影图是由模型中的实体产生出来的阴影和位置。如Map Size小，边界附近产生的阴影将很粗糙，如同一个分辨率很低绘制图，而一个大尺寸的阴影图将产生一个更为细致的阴影，但由于尺寸大，它将占用更大的内存和花费更多的绘制时间。一般将其设为800配合Map size，一个强烈的阴影采用一个较小的 Map Sample值，一般将其设为3。在个别标志性建筑物（如体育馆）的场景中，希望能模拟骄阳普照的天气，以通过强烈的阴影来突出表现建筑物，这时就可以选用Ray Trace选项，程序将忽略Map Size和Map Sample的设置而绘出一个具有明显阴影边界的绘制图像，如图10所示。

图10 强光下的体育馆

5 后期合成制作

鄂州体育中心三维动画仿真最后一道程序为动画的后期合成制作，就是将动画转换为视频图像。因为在此项目中，最终成果要能转换为DVD光盘，便于在各种场合播放以扩大鄂州体育中心新区的影响。

分步帧录制(Step-frame recording)的方法将一次放置一幅动画帧，如同是电影胶片，将每个单独图片沿胶片长度排列起来。分步帧录制实质上就是采用一种类似的顺序将动画录到录像带上，由计算机提供要录制的视频图像，并控制视频录制设备。将计算机动画转录成视频，其支持格式常用的达8种之多，其中Beta cam SP格式是一种模拟信号，高分辨率格式，播放质量可达到广播级要求，其真正含义是指产生的视频信号符合NTSC标准。而视频原始信号符合NTSC标准，便可确保编辑后的最终产品与原始情况尽可能接近，否则，编辑后的图像可能相差甚远。

6 结论与展望

城市规划领域已经开始普遍使用计算机模型和信息系统，在建筑设计领域已广泛使用CAD和计算机绘图软件，虚拟现实将更多地进入城市规划设计领域，使得虚拟环境能满足人们的漫游需要，也即是将GIS系统整合入VR系统[6]。在虚拟世界中，规划人员除了能将自己的设计意图转变为真实物体，还能根据需要查询物体的属性（房屋间距、道路宽度、某一地块的建筑密度、容积率、进行日照分析等）从而最终形成一个专家决策系统，这势必将引发城市规划手段的革新。

[1] 王 磊. 三维可视化在城市规划辅助设计管理中的应用[J]. 工程设计CAD与软件应用, 2003, (5): 32-36.

[2] 颜景旸. 城市规划设计中的计算机仿真技术及其应用[J]. 金陵科技学院学报, 2006, 22(3): 38-41.

[3] 黄伟文, 郭永明. 计算机仿真技术在深圳中心区规划设计中的探索应用[J]. 世界建筑, 2004,(6):78-79.

[4] 王 昌, 滕艳辉. 矢量栅格一体化数据结构设计与应用[J]. 计算机工程, 2010, 36(20): 88-89.

[5] 尤红建, 苏 林, 刘 彤, 等. 城市三维遥感信息的快速获取与数据处理[J]. 测绘科学, 2002, 27(3): 86-89.

[6] 曾润国, 聂志锋, 卢建刚, 等. 数码校园 GIS 中的三维建模[J]. 工程勘察, 2002(3): 73-75.

Three-dimensional Computer Simulation of Sports Center Planning Design in Ezhou

Chen Yonghong1, Zhan Ping2, Mi Xinwu2
( 1. School of Architecture Engineering Ezhou University, Ezhou Hubei 436000, China; 2. School of Urban Design Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China )

A visual three-dimensional computer simulation is conducted for the planning design of the new sports center in Ezhou. Ezhou Sports Center New digital elevation model data is obtained using aerial photographs to establish three-dimensional terrain model. The sports center topography is simulated by combing processed orthographic map of satellite photos as the map attached to the terrain surface. Modeling and post-production softwares are used to establish three-dimensional dynamic simulation of the planning design of the sports center. The results show that three-dimensional computer simulation used in the planning design is more suitable to communicate with the public and get more real, intuitive feedback than the traditional form of drawings and models.

planning design; three-dimensional computer simulation; virtual reality; architectural models

TP 31

A

2095-302X (2013)05-0030-05

2013-05-21；定稿日期：2013-08-23

武汉大学2013年开放实验项目资助

陈永红（1973-），男，湖北鄂州人，讲师，主要研究方向为室内设计技术。E-mail：535008031@qq.com

詹 平（1965-），男，湖南常宁人，副教授，主要研究方向为计算机辅助设计、虚拟现实技术。E-mail：pzhany@163.com密新武（1951-），男，湖北武汉人，教授，主要研究方向为计算机图形学。E-mail：mixinwu@126.com