水体生成技术在房地产展示项目设计中的应用

乔国娜

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

水体生成技术在房地产展示项目设计中的应用

乔国娜

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

房地产展示系统通过虚拟现实技术将房地产项目信息实时、有效展现在客户面前，帮助客户了解该房地产项目基本信息，又能够身临其境般地在虚拟场景中进行全方位的任意交互漫游，在体验住宅小区里未来的生活。本文以咸阳市某住宅小区项目为例，对住宅小区建筑景观中最常用水景池和喷泉两种水体类型进行实时模拟，以期望能够得到真实、灵动和有实时互动功能的模拟效果。

粒子系统；波形分析；水景池；喷泉

房地产展示系统是在房地产项目建设完成之前，通过虚拟现实技术将房地产项目概况、设计理念、人文环境、物业管理等信息全面真实的展现出来，针对普通大众或特定人群进行销售宣传时使用。能够使客户通过简单的操作将该房地产项目基本信息了解清楚；又可在虚拟场景中身临其境般地进行全方位的任意交互漫游，在建筑和房间中体验未来的生活。设计制作过程中注重具备很浓的商业气氛或文化特征，场景对象绘制应该以写实为主，具有较强的煽动性及和广告效应。

而创建具有真实感效果较强又要体现实时交互功能的住宅小区建筑场景是其中最重要的工作内容。需要把握好整个项目的基调和氛围，运用较好的运用镜头速率来表现住宅小区的安逸舒适。在创作手法上去抓住大众的心理，用一些有亲和力的景观元素来表现整个小区环境。水体是建筑景观环境设计中最常见的造型要素之一，但是因为水的形态千变万化，水体效果模拟成为虚拟现实领域中的难点。本文以咸阳市某住宅小区项目为例，对住宅小区建筑景观绘制中最常用的水体类型进行模型模拟，以期望能够得到真实、灵动和有实时互动功能的模拟效果。

1 建筑景观中的水体要素

对于房地产展示项目来说，水景是建筑景观设计中一个非常重要的元素。由于水体模型的特殊性，在创建和绘制模型时需要利用图形学、虚拟现实、流体力学、波动力学等来共同研究以模拟出实时的逼真效果。房地产展示项目中的水体分为静态水体和动态水体。静态水体常以面的表现形式出现在建筑环境景观中。在面的表现形式上又分为规则式水景池、自然式水景池以及小区游泳池三大造景形式，在功能上有观赏、养鱼和娱乐等作用。动态水体在形式上又分为流水、落水、喷泉三大类。住宅小区动态水面常以小型溪流造景为主。主要采用渠道形式，用砖或天然石材等镶边，彩色砖和釉面砖分砌两侧；或用青石等铺底加以装饰。落水是指利用天然地形的断岩峭壁、陡坡或人工构筑的假山石等形成陡崖梯级，造成水流层层跌落，以此形成瀑布或叠水等景观效果。喷泉由水的压力通过喷头而构成，造型的自由度大，形态优美，因此在住宅小区设计中应用比较普遍且容易实现。

2 水体模型生成常用技术

在目前最常用的水体生成技术有5种。

2.1 基于高度图的水面模拟

基于高度图的水面模拟是建立起高度图像素灰度值与水面网格顶点高度值的联系，水面的高低起伏用纹理像素高度值控制。其特点是实现方法简单，能够很好解决模拟随机的水面波动。缺点是在波的传播方向和速度特性方面模拟真实度不足，在观察距离较近时容易发现波浪呈现静止的状态。

2.2 基于物理方法的水体模拟

基于物理方法的水体模拟是从真实的物理现象出发，将计算数学与图形学进行综合运用，用物理模型来模拟水面的流动效果。其技术关键在于推导出流体控制方程，主要是利用N-S方程及方程组和浅水波方程。优点是能够真实地模拟水面波动效果，缺点是方程求解的过程复杂，计算量大。不适合在虚拟现实模拟和游戏开发中进行应用。

2.3 基于粒子系统方法的水体模拟

粒子系统是利用大量、形状简单的，具有一定生命周期的微小粒子作为基本元素，通过设置特定的运动规律及相关属性，产生一系列的动画来模拟形状不规则的模糊的物体。能够较好的模拟大自然如爆炸、火焰、烟尘、雪花、细雨、水流、喷泉、瀑布等物体。

2.4 基于谱分析方法的水体模拟

基于谱分析方法的水体模拟的关键技术要点就是找出适合系统设计的谱，如 依据世界不同水域的观测资料得到的数据形成 Pierson-Moskowitz谱、JONSWAP谱、B-M谱和Wallops谱等。FFT是目前应用最广泛的方法，其核心思想是依据针对真实海浪谱的数据分析，设计出适合的高度场来模拟海面。应用FFT模拟的水面效果可以达到很高的逼真度，但是谱分析的计算量非常大。所以这种方法的普及人需要计算机性能的进一步提高。

2.5 基于波形分析的水面模拟

基于波形分析的水面模拟是通过利用构造波形函数构造参数曲面来模拟水面。由于波形函数具有波的特点，可以用来模拟水面波动效果。目前常采用的构造波形函数有正弦函数、Gerstner波函数、环形波等。优点是能满足视觉上逼真的效果，缺点是很难反映水流真实的运动规律。

3 静态水体生成技术

本文选择较小水面的水景池作为研究对象。其水体特点是水体静止，水面会有微小波动效果，能够反射折射出周围的景观映像。

3.1 水景池生成技术

3.1.1建 模

水波效果的真实感很大程度上依赖于模型建立的好坏。目前的建模方法选择主要依据从实时性和真实感出发，从实时性角度可将现有算法分为实时建模和非实时建模，从真实性角度可以将现有算法分为基于几何的建模、基于物理的建模、基于动力模型的建模和基于海浪谱的建模。本文采用的是基于波形分析的方法进行水面模拟的。通过海洋科学家多年的实验观察，分析总结得到了统计模型被用来模拟有真实感的水面。在统计学模型中，水波高度h（x，t）是指与水平位置和时间密切相关的随机变量。统计模型能把水波高度域分解为若干个正弦波或余弦波的和。分解以后得到的正弦波或余弦波的振幅具有很好的数学和统计学特性，非常有利于建模。分解时可以采取快速傅利叶变换（FFT）方法。

3.1.2 光照模型

水体是一种透明的液体，在真实感绘制过程中必须考虑其与周围环境发生反射、折射、散射、焦散等多种现象，水面也会因为光照强度和周围环境的变化呈现出不同的颜色效果。常用的光照模型分为全局光照模型局和部光照模型。本文在水面光照效果模拟中，主要考虑了水面的反射所起的关键作用。主要解决水面和天空，大气之间的反射，对水面以上景物的反射，水面对太阳光的反射等影响因素。在实际水面模拟中是对天空盒采用立方环境映射。对水面以上景物的反射使用反射纹理的方法来模拟水面效果来生成波光粼粼的场面或者高光区。

3.1.3绘 制

水面绘制技术中绘制速度的提高是其中一个较热的研究方向，也是虚拟场景实时性重要需求。目前对水面的绘制技术采用视点、网格划分和硬件加速机制等。

视点技术是指只绘制在一定范围之内的对象或对象的部分内容。将视点技术和网格划分技术结合起来，可以很好地来模拟水面效果。其核心思想是将M*N的网格物体划分成n层，视线对应网格的中心点，网格将随着视线的移动而随之移动。由于离人眼越近的对象越清晰，越远则模糊。所以在划分网格时，离网格中心越近的层，网格数目多，分辨率越高，反之则网格数目少，网格数目少，分辨率越低。网格划分的传统做法是采用规则的网格划分方法，后来经过研究也采用了不同的划分方法。比如Hinsinger的适应性采样机制；解翠等的视点相关的梯形海面网格自适应机制；董志明的核心、外围和边缘划分方法等。

为了解决对整个水面采用均匀细化成三角形或四边形网格而增加内存消耗，在这里借鉴地形处理中的层次细节技术LOD来简化网格，有效减少采样点的数据计算量。LOD是根据物体模型的相关节点在显示环境中所处的具体位置和重要程度来决定物体在渲染过程中的资源配置。通常情况下LOD模型的简化方式分为几何简化和顶点、边、面压缩方式来得到。

通常LOO算法主要包含生成、选择和切换三部分。生成不同细节的模型，利用自动的简化方法或者用手工，然后基于某种规则如距离选取一个细节层次模型，切换部分则是指从一个细节层次切换到另一个细节层次。本文采用视点技术、网格划分方法进行水面分布绘制，然后利用高斯随机数根据统计模型的FFT方法来计算水面高度场得到实时局部水面。通过纹理映射技术和光照模型对水面以及周围环境进行绘制，从而得到比较真实自然的水面效果。

3.2 水景池生成效果

自然界中水景池在景观环境中造型多种多样，水面大小有异，对于水景池的模拟，形状上的设计也非常重要。本文中主要选用曲线形、水域面积较小的水景池进行模拟，周围水底平坦，以地砖铺地，釉面砖镶边，周围环境为两边有住宅楼，水景石和水草植物，光照条件为晴天日光正午，图1为水景池模拟效果。

图1 水景池水体生成效果图Fig.1 Landscape water body generated renderings

4 动态水体生成技术

动态水体选择在建筑景观设计中最常使用的喷泉作为研究对象。其特点是根据构筑物形式、大小及水压不同，喷泉喷射出的水形式各异，大者如珠，小者如雾。喷水形式多样化，有单孔直喷、组合喷、面壁喷、花样喷和喷柱等多种形式，本文选择比较简单地组合喷形式。

4.1 喷泉水体生成技术

喷泉水体生成主要采用2.3中的粒子系统的方法生成。在粒子系统中，作为基本元素的粒子具有位置、速度、质量、年龄、生命周期、外观属性等属性。其中位置、速度、年龄、生命周期都为时间t的函数，因此动态场景的生成是因为每个粒子都会经历经历产生、运动和消亡的3个过程。

首先需要根据具体场景特征，确定粒子的相关属性；然后在系统中产生赋有相关属性的新粒子，让处在生命周期内的粒子按照特定的运动规律来活动，需要及时删除系统中超过生命周期的粒子，对有生命的粒子进行绘制。不同的粒子系统其属性设置也不同。通过对有生命部分的粒子系统进行分析，发现粒子系统基本都包含下列3个属性：粒子外表属性、运动属性以及生命属性。粒子系统的开发设计是对粒子的属性进行控制，这些包含特定属性的粒子在一个特定时间上的总和就是粒子系统。

粒子系统实现可分为3个部分：粒子发射系统、粒子影响系统和粒子绘制系统。而在粒子绘制部分又要对粒子的删除、增加、特性更新进行设计与实现。

粒子发射系统是用来发射粒子的“装置”。主要控制的是粒子的发射器类型、发射角、生存周期、粒子限额、发射率、发射初始速度、发射粒子颜色等部分。粒子发射器的基本类型有点发射器、盒发射器、圆柱体发射器、环形发射器、实心椭球体发射器、空心椭球体发射器、球体发射器、空心球体发射器。因为本文模拟的是单线直喷喷泉，所以选择点点发射器，即实际上不希望视野中出现发射器的形状。其特点是点发射器是指粒子从空间中的一个特定点发射出来。

粒子影响器是指用来模拟粒子出生后受到风、重力等外部物理因素和粒子之间或其他对象相互碰撞影响其运动轨迹的效果。在本文中，单个喷泉水滴在空中只考虑受重力影响，即单个粒子呈现一个斜抛运动的运动轨迹。粒子按照相应初始速度飞向空中，在水平方向上不受力影响，竖直方向上受重力作用做匀减速运动。当竖直向上的初速度被重力消耗尽以后，竖直方向上的速度变为零的下一个阶段，竖直方向上就是一个自由落体运动。这时再把水平方向运动规律与竖直方向运动规律相结合，就是单个水滴的运动特性。喷泉是由无数个水滴组成的，这些水滴在喷泉底部获得一个初速度，之后发射到空中。这样一个往复的过程，许多的水滴就组成了喷泉绚丽多彩的视觉效果。

在粒子碰撞检测系统中既支持基本碰撞也支持高级的碰撞。基本的碰撞可以在使用高级的碰撞进行修正时候作为一个内置的功能。常用的碰撞类型一共有四种：平面碰撞、盒碰撞、球碰撞、粒子间碰撞。粒子间碰撞一旦加入到粒子系统中，整个系统效率就会下降。例如系统里有 10个粒子，那么系统就要检查210种碰撞情况。因此考虑了粒子间碰撞以后计算量成指数增加，所以本文中碰撞都采用平面碰撞类型，不考虑粒子间的碰撞，只考虑粒子落下以后在平面上的碰撞效果，即模拟了喷泉水滴落地的效果。

粒子绘制系统涉及到当前活动粒子从产生到消亡的各个生命阶段，是指绘制系统获得了当前活动粒子包含位置、大小、方向、缩放、颜色、UV偏移等信息的数据结构信息量后，根据这些信息构造billboard的几何数据，实时绘制出当前粒子的状态。本文主要针对活动粒子的颜色属性进行了研究并加以模拟。粒子颜色的控制方法目前主要有3种方法：颜色修改器、颜色衰减器、颜色图查找。综合考虑后决定采用第3种方式作为颜色绘制解决方案。定义一个四维向量Time_Colour=（r，g，b，a），代表粒子色彩的红、绿、蓝、透明度属性。首先分割粒子生存周期，设置6个时间断点。在每一个时间点上用该向量定义粒子当前颜色状态值，当粒子生命周期结束时将所有参量初始化为零。这样在相邻两个时间点内，粒子颜色由前一个状态变化为后一个状态就是一个随机的过程。

4.2 喷泉水体模拟效果

自然界中的喷泉多种多样，不同的场景一般都会要求不同形状的喷泉，这样对于喷泉的模拟，形状上的设计也是要考虑的重点内容。自然界中的水滴始终受到重力影响，因此在线性力效果器的设计中重点讨论了水滴受重力影响的轨迹模型。应用粒子系统对喷泉进行模拟的方法切实可行，模拟的真实性可以通过设计得到提高。效果如图2所示的模拟采用了上下两层共16个粒子系统生成。影响粒子系统形状的主要参数为发射角、发射初始速度和线性力。3个参数各自分别实现不同的功能，又互相联系和制约。如只改变了发射角度，柱状喷泉的水柱会变粗；改变粒子发射速度，会使粒子发射高度过大，在返回地面之前就已经死亡，这时喷泉水柱效果就会远离地面；而改变线性力的大小，会造成粒子的轨迹不明显，在水平方向运动距离过小，视觉上会产生粒子迅速竖直向地面返回的误差，如下层水柱效果。

图2 喷泉水体生成效果Fig.2 The effect produced by the fountain water model

5 结 论

文中的水体实时模拟效果实现主要是在分析水体生成方面常用技术的基础上，通过进行性能优劣及实时效果方面比较，得到了在房地展示项目中应用比较多的水景池和喷泉的有效实现方法。值得注意的是，过度追求模拟真实度就一定会增加计算量，并且对渲染速度及实时性造成影响。在非实时的渲染领域，可以不作为考虑标准。而在房地产展示项目系统开发中，实时性直接会影响使用者的观赏效果，是最直接的评价标准，所以在后面的研究中，应该在利用计算机硬件技术方面，优化函数，减少计算量方面做更有效地探索。

[1]Pimentel Ken，Teixeira Kevin.Virtual reality:through the new looking glass[D].NewYork:Intel/McGraw-Hill，1995.

[2]Rae A，Earnshaw，John A，Vince，Huw Jones.Virtual reality application[D].London:Academic Pr，1995:2-12.

[3]徐山.一种基于图形处理器运用FFT算法生成海洋表面的方法[D].北京：北京大学，2007.

[4]李志勇.结合LOD控制的大面积海水绘制研究 [D].天津：天津大学，2007.

[5]魏海涛，陈芳信，蔡益朝，等.试论计算机图形学教育在国家信息现代化建设中的作用[J].计算机教育，2009（20）:14-17.

WEI Hai-tao，CHEN Fang-xin，CAI Yi-chao，et al.On the role of computer graphics education in the national information construction of modernization[J].Computer Education，2009（20）:14-17.

[6]姚淑然.交互式动态水面建模与绘制方法研究[D].青岛:中国海洋大学，2009.

[7]王晶.多细节地物模型的自动生成技术及其三维可视化实现[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2009.

[8]钟林海，王小铭.基于GPU加速的三维水面模拟[J].现代计算机，2009（6）:32-34.

ZHONG Lin-hai，WANG xiao-ming.Simulation of 3D water surface bcsed on GPU acceleration[J].Modern Computer，2009（6）:32-34.

[9]杨青.基于粒子系统的动态模拟真实感研究与实现[D].西安:西安电子科技大学，2010.

[10]苏明明.基于 Multigen Creator/Vega prime的液压挖掘机的可视化虚拟仿真[D].成都:西南交通大学，2011:1-2.

[11]伍顺比.虚拟现实技术在“电视节目制作”课程实验教学中的应用[J].电脑知识与技术学术交流，2011，7（19）:4779-4780.

WU Shun-bi.Application of virtual reality technology in“television program manufacture” Curriculum in experimental teaching[J].Computer Knowledge and Technology，2011，7（19）:4779-4780.

[12]高建华，邓亚明 .虚拟现实技术在现代教学中的应用研究 [J].电脑开发与应用，2011，24（1）:22-23.

GAO Jian-hua，DENG Ya-ming.Research on the application of virtual reality technology in modern teaching[J].Computer Development Application，2011，24（1）:22-23.

Water generation technology application in the design of the display of real estate project

QIAO Guo-na
（Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China）

With virtual reality technology the real estate display system actually shows the real estate project information to customers.This not only helps customer to know the basic information of the real estate project and also may let customer In the virtual scene make interactive roaming from all aspects and learn the future life in the residence community.This article take one of the residence community project in Xianyang as example to make real-time simulation of two popular waters type scens:waterscape and fountain among the residence community buildings though which we hope to get the real，alert simulation results with the real-time interactive function.

particle system；waveform analysis；waterscape；fountain

10.14022/j.cnki.dzsjgc.2014.16.051

[TN98]

A

1674-6236（2014）16-0174-04

2014-07-01 稿件编号：201407011

乔国娜（1977—），女，陕西合阳人，硕士，讲师。研究方向：图形图像处理、虚拟现实技术。