基于vr交互系统下城市环境设计与开发

王冠凇 贾文婷 苑琪汶

【摘 要】21世纪以来，技术的发展对设计行业来说不仅带来了媒介变革，还带来了新型的传播方式和体验。随着计算机信息技术在城市规划、建筑设计等空间环境设计领域的深入，VR技术在城市建设领域开始得到应用。本文叙述了VR技术的城市规划设计方法的研究与实现。介绍了虚拟现实的概念、特征、发展状况、并重点阐述了VR技术的发展背景、特点和实现方法。随后论文详细研究了城市三维建模的理论和方法。对城市各种典型的地物模型做了全面研究。

【关键词】城市规划设计;虚拟现实;建筑设计

一、虚拟现实发展及应用的必然性

虚拟现实这一概念是由英语引入的，其英文名称为Virtual Reality，简称VR。VR技术是一种基于电脑网络技术建立的模拟场景，这种场景在一定程度上展示了一个比较真实的三维空间，在这个空间生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度相似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。可以说，利用虚拟现实技术，制作者可以制作出任何想模拟的场景及现场，实现了“真实”与“虚拟”的融合。观看VR视频，受众可以通过头戴设备等从自己的视角出发，沉浸到“虚拟”的世界去体验。与传统的第一人称游戏不同，虚拟现实技术真正实现了现场的还原复制，并为受众打造出了一个新型的体验世界。

当前在媒介中使用的VR技术，“VR+设计”也印证了麦克卢汉“媒介理论”的一句话——“任何媒介都不外乎是人感觉能力的扩展或延伸”，我们利用VR技术就是要把受众“带到”新闻现场进行360度的全景体验。在笔者看来，达到身临其境的感觉、产生欺骗大脑的效果就是虚拟现实技术的核心。

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。

目前VR技术在研究上已经得到了国内外多国的重视，

美国作为虚拟现实技术的发源地，其技术水平在一定程度上代表了此技术在国际上的技术水平，在世界范围内获得了长足的发展，在感知、用户界面、后台软件以及硬件方面研究深入。利用VR技术已经在航空、卫星等建立 VR训练系统，空间站虚拟现实技术训练系统，建立了供全国使用的VR教育系统。在军事领域进行虚拟战场环境和各种形式的模拟训练，提高作军队的作战能力和水平。同时，英国和日本等国也在工业设计、虚拟现实知识库、虚拟现实游戏等多领域取得良好的效果。

我国VR技术在80年代才引进，较发达国家而言起步晚差距大，其发展存在的巨大前景也使相关的科学家和研究人员引起重视，作为国家重点研究项目进行研究。北京航空大学计算机系会对VR技术进行研究的权威单位之一，在虚拟环境中物理特性的表示和处理、虚拟环境网络设计等多个领域取得良好发展。我国各高校早特定人脸图像的合成、立体显示技术压缩码等研究成果斐然，计算机动画制作技术的利用就是其具体体现。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。

二、虛拟现实实现于城市设计规划的方法

虚拟现实技术利用计算机对采集数据进行数据分析计算，并通过3D建模程序构建一个三维立体虚拟仿真世界，提供参与者高度仿真的视觉、听觉、触觉等感官模型，让参与者产生身临其境的真实感。在构建的虚拟现实仿真环境中，参与者可以任意且没有限制地观察虚拟环境中的事物，清楚地看到设计中的各种细节，深度了解设计师的设计理念，便于找出设计中的不足，从而进一步进行设计优化。

为弥补传统城市规划中的不足，本文以虚拟现实技术为基础，设计城市环境规划系统。通过三维立体扫描仪等输入设备采集城市建筑信息，经过数据分析和计算后，采用3D建模程序和三维场景编辑程序进行虚拟现实仿真模型的建立，由显示系统进行输出，并利用人机交互设备与虚拟环境进行交互，将传统城市环境规划模式提高到了数字化可观、可感的境界，全面提高了城市规划的效率。

1 城市环境规划系统硬件设计

基于三维虚拟技术的城市环境规划系统硬件由输入设备、输出设备和人机交互设备三部分构成[4]。其中，三维立体扫描仪是最重要的输入设备，使用USB数据传输线将采集的建筑数据输入至计算机，经过数据分析计算构建三维立体虚拟仿真模型，由输出设备的显示装置将3D模型展现在观众眼前。在构建的虚拟城市模型中，参与者可以利用人机交互设备与虚拟模型进行人机交互，提高三维立体虚拟仿真模型的真实性。

1.1  三维立体扫描仪

三维立体扫描仪是基于三维虚拟技术的城市环境规划系统的重要数据采集设备，体积小、重量轻、方便携带，是集计算机、光学、机械学、电力学多种领域技术于一身的高科技数据采集器。选用“照相式”的3D扫描仪扫描实体建筑，获取建筑表面的精确点坐标，即三维点云数据，其集合被称作点云[5]。通过点云计算出建筑实体的高度以及占地面积，通过一定比例的缩小来获得建筑的三维数字化模型，可以将现实建筑以数字化的形式完美地复制下来，是构建三维虚拟城市的重要设备。照相式非接触型3D扫描仪相较于初代的激光扫描仪，其点云采集速度提高了10倍（单面扫描时间小于2 s），超高的分辨率能够合理地控制扫描过程中的误差，使得整体的测量精度大大提高，操作模式如同普通的照相机，简单容易上手。为了采集处理高大建筑表面的三维坐标，扫描范围可达120 m，镜头转换灵活，最大程度地减少了扫描死角，并且支持图片拼接处理，使城市规划变得更加简单、高效。除此之外，其兼容性使其可以被大多数软件进行操作处理，USB接口设计使其数据传输更加方便，值得被其他领域广泛应用[6]。

1.2  显示设备

虚拟现实仿真环境的优势在于具有独特的沉浸特性，能够营造出强烈的真实感，因此，基于虚拟现实技术的城市环境规划系统的显示系统需具有很强的表现能力，其最重要的感官特性就是视觉，其次为听觉、触觉、味觉、嗅觉等，由于技术的限制，味觉和嗅觉的应用较少，因此，本文设计的显示系统主要针对视觉和定位跟踪装置进行设计[7]。

1.2.1  虚拟现实头显

虚拟现实头显是一种体积小、封闭性强的头戴式立体显示器。由于人的左眼和右眼在看同一事物时会有一定的差异，虚拟现实头显便利用这一差异，通过计算机处理技术将处理过的图像输入到头显的左右眼屏幕中，使佩戴者看到真实环境与虚拟环境叠加融合后的景象，从而在脑海中形成真实的立体感[8]。

1.2.2  双目全方位显示器

双目全方位显示器是可移动的头部显示设备，经常与虚拟现实头显配合使用。双机械臂的构造不仅可以让参与者在半径为2 m的球面空间内自由行动，还可以使其保持自身的平衡，不受平台运动的影响[9]，其分辨率相较于虚拟现实头显更高，且图像更加柔和，避免在使用过程中刺伤使用者的眼睛。

1.2.4  大屏幕投影液晶光闸眼镜

大屏幕投影液晶光闸眼镜的显示原理与CRT终端液晶关闸眼镜相似，多使用于大屏幕的投影系统或有极高亮度和分辨率极高的投影系统[11]。

1.3  人机交互设备

数据手套是基于三维虚拟技术的城市环境规划系统设计中重要的人机交互设备，数据手套能够检测手指弯曲程度，通过软件程序使参与者能够在三维虚拟环境中随意地抓取和移动物体，并且数据手套中力敏传感器可以准确感知参与者手指的力度，中央控制系统会对被抓取物体进行一定的改变，以模拟现实生活中真实发生的场景[12]。

除此之外，数据手套中的定位装置会实时定位参与者在虚拟环境中的位置，并且能够具体感知参与者的肢体活动，经过中央处理器对参与者的行为进行分析，从而改变虚拟现实环境[13]。

2  城市环境规划系统软件设计

基于虚拟现实技术的城市环境规划系统软件。

2.1  3D建模程序

当采集完基础城市数据后，设计师可以使用计算机利用3D建模程序对采集数据进行分析计算，在虚拟的三维空间内构建三维数据模型。数据分析指对城市属性数据和纹理数据的具体分析，从而得到点与面的精确数集[14]。在构建虚拟现实仿真模型的过程中，各项数据均精确到毫米，并且在构建过程中有许多细节模型，每当构建完一个模型，系统将自动提醒设计者为模型进行材质命名，并在相应的材质球上进行标记，方便模型储存和查找。在二次模型修改时，可以直接选取材质球，对同一材质的模型进行统一修改，避免不必要的点线面的逐步修改，使模型修改更加简单快速[15]。

2.2  三维场景编辑程序

三维场景编辑程序是一款3D场景编辑程序，操作简单，不需复杂的计算机使用基础。通过三维场景编辑程序，设计师可以对建造好的3D模型进行更细致的装饰摆放，对城市建筑模型进一步的细节优化，不仅可以提高3D模型整体的分辨率，同时，还可以改变模型各部分的明暗对比度，提高整体的三维立体感。

对于可视化应用项目的用户来说，三维场景编辑不需任何成本费用，解决了传统方式设计时间长、维护难度大、资金花费高等问题，为刚刚起步创业的人员提供了便利。同时，该程序自带二次软件开发包，方便使用者根据自己的需要对程序进行一定的修改，并且可以随时与第三方软件进行数据对接，并将数据上传到云端以实现资源共享和二次利用。

结语

以三维虚拟技术为基础的城市规划系统，使设计师可以根据自己的构思去规划城市，并可以任意在虚拟环境中随意活动，不断地变换自己的视角去观察设计效果，直到达到满意的效果，既节约了城市规划的时间，也节省了许多做模型的费用。本文设计的系统设备操作简单易懂，不仅可以应用于本文设计的系统，也可以被其他系统应用，扩大了三维虚拟技术应用领域，加速了虚拟技术的发展。

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（作者单位：吉林建筑大学）