虚拟现实技术在城市规划中的应用研究

梁智杰　梁照

摘要：当前我国城市规划和建筑设计方案审核过程中，主要是采用实体模型、静态渲染效果图或计算机三维动画来考察其视觉效果和与周围环境的协调关系；该文在分析了上述表现手段不足之处的基础上，提出了将虚拟现实技术应用于城市规划领域的优势及必要性，并以西南科技大学新区校园漫游系统的开发为实例研究了虚拟现实技术在校园规划中的具体应用。

关键词：虚拟现实技术；城市规划；场景建模；交互漫游

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）02-0391-06

随着中国经济的腾飞，人口城市化已经成为不可逆转的趋势。城市市容及市民的生活质量在很大程度上取决于公共环境、建筑物的外观、道路网络等设计方案，这些使得城市规划成为当前与人们生活息息相关的重要工作；其本质是在城市的发展过程中人们为了维持良好的公共环境和秩序对生活空间各种要素进行整体的考虑、设计和处理，来满足对未来空间安排的意志。因此，利用直观且易于理解的方式将这种意志呈现出来，对城市规划的设计、方案评估有着重要的意义。

传统的城市规划设计，主要是通过实体模型、效果图或三维动画来表现其方案的视觉效果和与周边环境是否和谐相融。其中三维动画是随着计算机技术的发展，从1992年在国内逐步展开应用的[1]。这些表现手段都或多或少存在一些不足：模型具有立体感强的特点，但无法使用户以正常人的视角来感受建筑空间，无法获得未来城市中人的真正感受；效果图虽然能表现正常视点的视觉效果，但只是提供了局部、静态的视觉体验，立体感不如模型；计算机动画具有较强的三维动态表现力，但不具备实时的交互性，人是被动的观察者，且观察路线的改变和方案细节的修改这些细微的变动都要重新进行计算，几天甚至几周后才能看到其结果[2]。

虚拟现实技术的出现一举打破了传统展示手段的局限性，虚拟现实技术在城市规划中的主要功能有：提供一个基于真实数据的三维可视化环境，让设计师在这种交互式三维场景中考察、比较和修改规划方案。同时，向城市建设管理人员、规划决策者以及公众展示其设计方案，在专业人士和非专业人士之间架起了一座沟通的桥梁。这些优势是其它传统表现手段所无法比拟的。

可以想象，虚拟现实技术的加入可以使城市规划设计在成果质量和技术手段等方面迈上一个新台阶，但目前虚拟现实技术还处在初期研究阶段 ，尚未真正融入到规划师的日常工作中去，有许多现实的问题制约着该技术在城市规划领域中推广应用。

1 城市规划的现状及问题

城市规划，是一门自古就有的学问。从工匠师一砖一瓦试探性地建造房屋，到后来用手工绘图来表示建筑的造型和结构。随着科学技术的不断发展和提高，传统的工程图纸和沙盘模型逐渐退出了历史舞台，取而代之的是计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）。然而，在信息时代下，城市规划领域仍然面临着一系列的问题：

1） 由于城市规划的关联性和前瞻性要求较高，在规划过程中需要考虑各个建筑与周围的环境是否和谐相融，只有从总体规划到建筑设计，在各个阶段以可视化的方式对未来环境进行描绘，才可以有效保证城市规划最终的成功；城市规划一直都是对全新可视化技术需求最为迫切的领域之一[3]。

2） 建筑设计人员，特别是设计经验较少的设计师，因为对CAD平面图认识的局限性，很容易忽视一些空间上的问题，从而导致设计上的失误。如何使设计阶段的问题在设计过程中就暴露出来，使设计过程变得清晰明了一直是设计师们渴望解决的问题。

3） 专业设计人员和非专业人士之间存在沟通障碍。建筑市场的竞争激烈是长期的事实，现代建筑工程项目的事实，客户处于绝对有利的地位。设计师通过CAD或3dsMax工具对建筑物进行详细地设计和建模，制作出效果图或三维仿真动画，客户可以在观看过程中针对不足提出修改意见。这种方案虽然具有较强的三维表现力，但却不具备实时的交互性，客户很难置身于虚拟环境中完全体会设计师的意图。而且由于方案的修改需要重新计算，往往到几天甚至几周后才可以看到结果，基本上不能及时辅助规划师动态推敲和调整方案。

基于以上原因，城市规划领域急需一项新技术的加入来解决这一系列问题。这项技术正是虚拟现实。

2 虚拟现实技术与其它展示方式的比较

当前城市规划行业中应用较多的有三维动画技术、沙盘模型和渲染效果图等方式，以下逐一进行比较分析。

2.1 三维动画技术

近年来，随着CAD技术的普及，使得城市规划可以利用计算机进行三维模拟。特别是3dsMax软件的广泛应用，城市的三维空间可以用效果图和三维动画表示。然而，效果图只能提供局部空间的静态视觉体验，三维动画虽然具有较强的动态表现力，却不具备实时交互性。

2） 面向公众的方案展示。一个城市规划设计方案最终的确定是受多方面影响的，采用计算机生成可实时交互的三维环境，使项目设计人员、施工人员、政府的规划部门甚至公众通过统一的仿真环境进行意见交流，在专业人员和非专业人员之间架起一座沟通的桥梁，使公众更加详细地了解城市规划者的设计思路；同时还可以在各个部门之间达成共识来解决设计中存在的缺陷，更好地验证设计的科学性和可行性。

3） 三维空间信息交流。虚拟现实系统在带给用户逼真、强烈视觉冲击的同时，可以通过与数据库连接实现信息查询功能。城市规划过程中，设计师在三维环境中获取项目的数据信息，可在大型复杂工程项目的设计规划、投标、施工管理过程中获得极大的便利。同时，虚拟现实系统还可借助Internet，利用GIS技术建立虚拟城市，实现三维空间的远程控制。

3 基于虚拟现实技术的城市规划应用实例开发

“虚拟西科大”是将平面校园规划图拓展为三维空间，对校园中已经建成和待建的场馆、景观进行模拟。系统可以逼真、形象地展示校园环境和自然文化风貌，来访者可以按既定路线参观校园和在场景中随意走动，碰到物体会有碰撞感应。为了能够真实地反映校园状况，最终虚拟校园系统在功能上应达到以下要求：

1） 具有真实感。构建一个真实的反映西南科技大学校园风貌的真实场景，要求能对整个新区进行鸟瞰，访问者可以通过鼠标、键盘改变视点位置，随意选择参观校园景观的漫游路线；也可以按照设定的路线自动进行场景漫游；同时也要表现出校园生活中生机盎然的一面，比如添加行驶的汽车、交谈的人群来增强校园场景的真实氛围。

2） 碰撞检测。系统应具有真实的力学特性，杜绝行人漂浮在空中或陷入地下、“穿墙而过”这类违反现实世界的情况发生。

3） 具有一定的实时交互性。在创建好虚拟校园场景的基础之上添加用户与场景的交互功能，让来访者更加真实地融入到这一虚拟场景之中，达到“以人为本”的总体设计要求。用户可以通过控制场景中的虚拟人物实现部分功能。

4） 具有信息查询功能。从系统的未来的功能扩展方面考虑，虚拟校园系统还应该具备信息查询功能。虚拟校园是数字化校园的虚拟空间，除了要具备展示校园风貌的功能外，还应该为学校的校园规划、科研、教学管理、生活服务等相关信息资源的整合和归类提供技术支撑，这是未来虚拟校园发展的趋势[5]。

3.1系统总体设计流程

根据系统的实现目标，总体设计分为两大步骤：

3.1.1三维场景的创建

在充分收集校园建筑物数据和布局信息的基础上，使用AutoCAD和3dsMax软件进行建筑物单体的精确建模与场景合并，可以得到满足漫游功能的西科大虚拟校园场景。

3.1.2交互漫游功能设计

完成校园场景建模后，设计用户与校园场景的交互功能。系统整体的交互是通过键盘和鼠标的控制来实现；其功能可以归结为两个方面：通过视点控制的直接交互和通过软件界面的间接交互。图4为系统总体设计流程图。

3.2 校园场景建模

西南科技大学校园占地面积4088亩，校舍建筑面积近100万平方米，新区规划呈东西走向，属于建筑物比较集中的大规模校园。如图5是西南科技大学校园总体规划平面图。

校园场景建模的主要工作内容分为信息收集与处理、三维实体建模、纹理映射及优化处理。这些工作是构建虚拟校园系统的基石，也是整个系统开发过程中工作量最大的一部分，为了创建一个能让用户产生沉浸感的虚拟环境，需要尽可能细化场景来达到逼真的效果，但如果场景中的模型过于精细，尤其是比较复杂的场景，数据量将十分庞大，会给虚拟校园系统带来灾难。因此，在建模过程中，应该在保证模型质量的前提下，尽量减少模型的面片数，以保证系统的运行效率[6]。

本文使用的校园规划图中不仅包括了西科大校园中的主要干道、教学楼、宿舍楼、行政楼、实验中心、科技中心、食堂、教师公寓、科技塔、体育场等主要建筑物的设计图纸和楼层结构数据，而且可以从校园地形图中读取等高线数据作为校园周边地形建模的参考。

3.2.2 场景建模

为了能够真实的体现实验楼的面貌，在建模之前，要将实验楼的外部轮廓CAD平面图导入到3dsMax中作为顶视图来参考，具体步骤如下：

1） 在AutoCAD中截取建筑物平面图。用AutoCAD2010软件打开从校园基建处下载的校园建筑图纸，捕获实验楼的平面结构图。

2） 将CAD图纸导入到3dsMax中。

3） 焊接。由于AutoCAD多用“修剪”命令来绘制图形，将CAD图形导入到3dsMax后会发现CAD图形的很多墙体轮廓线条并不是一个封闭的整体，因此无法通过二维转三维的命令制作墙体。一般需要在导入CAD图纸的时候将顶点之间的“焊接阀值”调节到10.0mm以下，从而将较小距离范围内的断点焊接成一个顶点。

用简化后的CAD图纸作为建模顶视图参考，根据建筑结构图中的实际楼层高度进行挤出（Extrude），可以快捷地完成楼体建模。当然，对于复杂的建筑物，还需要用到3dsMax的多种操作，常用的：插入、倒角、放样和布尔运算等命令来进一步细化模型使其与实际物体相符[7]。如图7是实验楼的实景图像，图8为实验楼建模完成后的效果。

3.3.1自动漫游

自动漫游是指用户按照系统预先设置好的路径进行漫游；这种方式不加任何人为的干预，自动对整个校园场景进行观察。

在VRP中，可以利用动画相机实现自动漫游功能。在场景导入VRP后，按照预先设计的路线为系统录制一段校园场景的介绍动画，实现自动漫游功能。

也可以利用跟随相机实现自动漫游。该文自动漫游的设计思路是：制作一辆汽车行驶的路径约束动画，并创建跟随相机作为用户的视点绑定在车身内，该相机可以跟随汽车的行驶路径进行观察，营造出用户乘坐汽车游览校园的感受。汽车运动的路线是沿着校园大门→实验中心→图书馆→五食堂→科技中心→行政楼→教学楼这一校园主干道进行漫游，依次欣赏沿途的校园风光。

自动漫游可以摆脱用户操作的干预，便于全方位地观察校园场景。因为漫游的路径是预先制定好的，所以也限制了用户位置的改变，灵活度与自主漫游相比要弱。

3.3.2自主漫游

自主漫游是由用户操作键盘或鼠标等其它交互设备，按照自己的兴趣和需要控制第一人称视点在校园场景中漫游，具有较强的灵活性和交互性。这种漫游方式其实就是一种通过不断地改变视线方向和移动视点位置而产生三维动画的过程，系统根据用户输入的控制信息，改变相应的参数，并对场景重新绘制。

VRP坐标系与3dsMax的相同，采用Z轴向上的左手坐标系（Z轴代表场景的高度），同时提供了八种不同类型的运动模式：前进、后退、左移、右移、垂直上升、垂直下降、俯视、仰视。各种运动的实现原理为：在Y轴上沿着视线方向将视点平移一段距离D，若D的值大于零（视线是正方向）表示前进，D小于零则表示后退；在X轴上，保持视点的方向不变，对视点进行平移实现左移和右移；在Z轴上，保持视点的方向不变，增、减视点的高度值，可实现垂直上升和垂直下降；保持视点方向和位置不变，增、减视线与X、Y平面之间的夹角（仰角），可实现俯视与仰视；按此响应方法，通过空间向量分解运算，即可得出新视点的坐标，为用户提供一种自然的交互方式观察场景，实现自主式漫游[8]。通过键盘上的前进（↑）、后退（↓）、转向（←和→）即可控制人物自由行走。

3.3.3 实时导航功能

交互漫游可以让用户随心所欲地在虚拟校园场景中自由行走，但却增加了漫游的盲目性，用户往往沉浸与场景的细节当中，抓不住校园景观中的重点，造成漫游效率的下降。因此，有必要在系统中增加实时导航图使用户准确了解自己当前所处位置，并以二三维信息联动浏览的方式，对校园景观的规划情况进行全面的认识。

创建实时导航图需要在三维场景合并完成后，使用3dsMax捕捉整个场景的最大和最小四个顶点（Xmax、Ymax、Xmin、Ymin）的坐标，并使用VRP的高精度抓图功能截取整个场景的顶视图作为导航图的轮廓。

实验证明，导航图不仅可以实时准确的反映用户当前所处的准确方位，而且用户单击导航图上任意某个点可以快速切换到对应的地理位置，有效提高了漫游的效率，并增强了虚拟校园系统的交互性。

3.3.4 信息查询功能

信息查询是三维虚拟校园的扩展空能。真实的三维图形给用户感官上带来了全新的体验，也使得虚拟校园系统的操作变得直观、简单、方便，在复杂的三维场景中实现快捷的交互式空间信息查询，是虚拟现实系统由展示功能转向实用功能的必要探索。一个实用的基于三维可视化的校园规划管理系统，应具备现有校园建筑和规划设计信息的基本管理功能，包括建筑物属性信息建立、动态查询等。在重建了校园真实三维数字模型后，可以按照规划设计区域分块，逐一对校园主要建筑物建立属性数据库。

通过添加建筑物模型的属性数据库功能，可实现空间信息的查询。当用户在场景中漫游时，选取任意建筑物可以从数据库中查找到对应的文字性介绍，包括：楼号、落成年月、建筑特点、用途、所属院系等，并且对部分标志性建筑，采用配合实景图片的方式进行介绍，使用户对该建筑有更真实的认识，增强漫游过程中与周围环境的交互效果，。该功能的实现流程为：

1） 捕捉用户点击对象的名称；

2） 根据对象名称在数据库中查找其对应信息；

3） 输出并显示信息；

4 总结

本文首先介绍了城市规划的现状，对当前城市规划领域主要的媒体表现方式进行了比较分析，提出了将虚拟现实技术应用与城市规划领域的必要性及优势。通过对虚拟现实技术和城市规划两方面的理论研究，得出了以下理论成果：将虚拟现实技术应用于城市规划领域，可以对城市建设发展的问题进行多角度的前瞻性分析，有效提高方案设计和审批的效率，对城市规划的发展有着良好的促进作用。

继而以实例为依托介绍了虚拟现实技术在城市规划领域的应用方法，详描述了西南科技大学虚拟校园系统的实现过程。开发的“西南科技大学虚拟校园漫游系统”为校园规划决策管理提供了一个直观、形象的人机交互平台，同时，为师生提供一个三维的、有声有色的信息介绍与查询工具，并为建设可视化数字校园奠定了良好的基础。

参考文献：

[1] 朱卫军，邹峥嵘，邹杰.虚拟现实技术在城市规划中的应用研究与实践[J].测绘与空间地理信息，2006，29（2）：125-127.

[2] Kumara Evan P， Kumar S. Virtual Reality and Distributed GIS http：//www.gisdevelopment.net/proceedings/gita/2001/web/tanwebb007pf.htm， 2010.3.5

[3] 焦圣中.虚拟现实技术在城市规划领域的应用[J].河南科技，2005（11）.

[4] 贺勇.城市三维仿真环境制作和交互性研究[D].武汉：武汉理工大学，2006：1-4.

[5] 刘学梅，黄甫中民，陈海涛.基于VRML的虚拟校园浏览设计[J].华北水利水电学院学报，2005（4）：37-39.

[6] 朱诗孝，林小军.基于3dsMax/MultiGen Create/Vega的古建筑仿真系统的实现[J].浙江工贸职业技术学院报，2008，8（1）：55-58.

[7] 梁智杰，李众立.VR-Platform校园漫游系统研究与实现[J].计算机系统应用，2010，19（9）：124-127.

[8] 陈涛，田海晏，张春艳.三维校园虚拟现实研究[J].北京石油化工学院学报，2010，18（2）：45-49.

[9] 中视典培训教程.http：//www.vrp3d.com/2008/article_322.h ，2010.3.5.