三维虚拟仿真 3D虚拟现实解析

    1. 概述

    三维虚拟仿真平台旨在建设一个具有大范围的海量城市数据一体化管理、无缝三维实时漫游，包容和拓展常规GIS独具特色的空间多媒体信息查询、表示、分析和决策功能的虚拟城市管理信息系统。

    近年来，数字省市、数字城镇很快已经成为世界各国发达省市和地区21世纪的发展战略、争先抢占科技、产业和经济的制高点之一。为了加速城市的发展，提高管理水平，需要借助于现代化的科学手段进行城市体系规划与管理。

    据目前对我国大部分城市的摸底调查，除少数大、中城市已建立了城市管理信息系统外，而绝大部分地区的空间信息管理手段仍然沿用比较落后的手工操作方式，即便是用一些地理信息系统（GIS）管理着空间数据，但仍停留在简单的二维数据管理、显示的基本功能，分散地、相对独立地和非标准地管理模式，很难进行地域管理的三维综合研究和空间分析，使各级领导部门不可能及时地得到对空间的清晰、直观的认识。

    另外，城市规划设计的主要研究对象是城市的体形结构与各个要素，在设计过程中需要进行大量的空间形象思维。同时，在设计中又应以城市的使用者的感觉为核心，分析城市设计各空间要素之间的关系。传统的城市模型只能获得城市的鸟瞰形象；效果图只能提供静态局部的视觉体验；动画不具备实时的交互性，人是被动的，并且制作周期长。这些传统技术只能实现简单、固定的演示功能，尚不能很好地满足当前城市设计的需要。另外，随着空间范围的扩大，传统的方法也无法胜任空间数据的管理和维护。

    同样，在城市中存在大型的港口、工厂、地下管网、人防设施等部门，它们具有地形起伏较大、管网密集、需要精确定位等特点，用传统二维的表示方法很难加以描述和信息管理。

    虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真。从二维地图、沙盘、动画，到虚拟视景仿真是一个合乎人们认识深化和技术发展趋势的必然结果。

    2. 虚拟城市与仿真技术发展

    美国目前已经有50个城市计划建立了“数字虚拟城市”。我国北京、上海、香港、台北、深圳、广州、南海、厦门市等也正在积极筹建之中。普遍认为，3D-GIS、空间视景数据库的建立是建立数字虚拟城市首先要解决的问题。国际上已经专门成立了类似组织，主要为城市服务。如德国的Rostock、Stuttgart等研究机构，对一些城市进行了研究，建立了原型系统。三维虚拟仿真技术最早主要应用在军事领域，从国内近几年来的发展情况，三维虚拟仿真技术在国内外快速发展，目前国内已有多家公司开发出城市仿真应用平台，已在城市设计和决策中得到很好的应用，同时积累了一批优秀的三维虚拟仿真开发技术人才，北京万视达公司就是一个专门研究三维虚拟仿真软件，硬件的公司，并取得了突出的成绩。

    2.1 三维仿真技术

    虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)

    是用计算机生成逼真的三维视、听、触觉等感觉，使人能通过适当装置对虚拟世界进行交互式体验。70年代Even & Sutherland公司引入计算机作为场景图像生成设备发展出计算机虚拟现实。Silicon Graphic Inc.公司制定了开发图形系统的运用程序标准OpenGL，同时为视景仿真实时漫游提供了一套Performer。Multigen-Paradigm、Coryphaeus等软件均以Performer为基础，进行二次开发。最初的仿真主要用于飞行模拟。

    城市仿真(Urban Simulation)

    是虚拟现实技术应用于城市的一种视景仿真（Visual Simulation 简称VisSim）。城市仿真具备几个特点：其一是良好的交互性，提供了任意角度、速度的漫游方式，可以快速替换不同的建筑；其二是形象直观，为专业人士和非专业人士之间提供了沟通的渠道；其三由于采用数字化手段，其维护和更新变得非常容易。仿真系统可利用地理信息系统（GIS）的数据生成三维地形模型，再利用卫星影像和航空影像作为真实的纹理贴图，充分展示了城市仿真与GIS的结合。

    2.2 国外城市仿真主要实例

    虚拟洛杉矶（Virtual Los Angeles）

    是美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）始于1994年的一个科研与运用相结合的项目，计划覆盖面积超过10,000平方英里，是当今城市仿真系统中最成功最为复杂的系统。视景包括从洛杉矶盆地的卫星影像到街道景观，精确到植物、建筑物的窗口、外墙的纹理等。其中洛杉矶大学医院的仿真详细到可以对建筑内部的每一个层面进行漫游，用鼠标点击墙面或天花板就能得到平面设计图及相应的属性数据，实现了在仿真中对GIS、CAD及对象属性的实时查询。该系统作为城市规划和建设的重要手段，在加州Pico Union区地震破坏的重建中得到应用。设计人员通过仿真模型和地理信息数据来确定毁坏的建筑物数量以及需要改造的街道、绿地、房屋等，对重建城区进行规划设计，再将新数据存入该系统，实现了信息系统的良性循环。

    费城城市模型(ModelCity Philadelphia)

    由美国Bentley公司利用MicroStation和MasterPiece软件以及自我开发的软件工具于1996年开始制作，已完成费城中心区35个街区。该项目主要特点是将整个费城的模型以VRML数据格式，通过Internet网让任何人可以享受到实时费城旅游的体验。城市设计人员和建筑师通过Internet浏览器对城市三维景观进行直接的漫游，可以对真实的城市景观进行分析，获得精确的土地和建筑结构方面的资料信息，解决了在委托设计项目时缺乏资料的问题。费城模型同时提供精确可视的三维地下管线系统，方便城市地下管网系统的维护和更新，因此获得美国建筑师学会(AIA)高度评价。

    2.3 三维仿真和其他展示方式的比较

    仿真和动画应用都是模拟真实和想象的世界，用高度细节模型，产生平滑连续的运动，并以一定的FPS（帧/秒）进行绘制来达到无缝的演示。动画主要用于电影、印刷图画以及预先设计好的演示。仿真主要用实时互动演示，需要对于用户输入做出反应，并马上看到结果。如：飞行训练、影视游戏和交互建筑演示。

    3. 三维仿真平台功能特点

    三维虚拟仿真平台旨在建设一个具有大范围的海量城市数据一体化管理、无缝三维实时漫游，包容和拓展常规GIS独具特色的空间多媒体信息查询、表示、分析和决策功能的虚拟城市管理信息系统。系统所采用三维仿真平台具有独特的特性和强有力的可扩展性能，使用了万视达公司的边缘融合处理机，画面和文字都能实现高度清晰。

    3.1 顶级三维游戏的视觉享受

    精美的三维场景

    光影效果

    多种气候条件（白天、夜晚、云、雾、雨、雪、雷电……）

    多种特殊效果（跳动的火苗、飘动的旗帜、流水、喷泉、霓虹灯、海浪、爆炸、烟雾……）

    各种空间声音效果——创建一个充满生机的世界。

    3.2 灵活的人机交互

    任何位置/任意角度观察场景；

    多种运动方式随时切换

    （行走、驾驶、飞翔…）

    任意位置停止，切换多种参数/方案来观察！

    （最适合于前期方案讨论、汇报）

    整个交互过程可以记录为动画保存。

    3.3 强大的可扩展性

    区域类型扩展

    建筑内/外景；

    小区/街道；

    城区；

    大面积野外场景。

    （采用动态内存管理，甚至可以模拟整个数字地球！）

    地域覆盖范围从小至大

    显示方案扩展

    单PC显示；

    PC Cluster + 投影系统；

    SGI Onyx + 投影系统；

    立体显示 / 无缝拼接选项.

    特定类型的应用扩展

    应用领域扩展

    国土资源局/城市规划部门 / 建筑设计单位；

    房地产公司——展示/销售、项目评估和报批；

    园区规划、管理及展示，开发区招商；

    文物/古迹的展示、复原、保护部门；

    4. 三维仿真平台性能指标

    4.1 数据要求

    支持BMP、GIF、PNG、JPG等格式。

    三维模型：支持3DS、DXF、VRML格式。

    DEM数据：支持各种矢量等高线数据。

    4.2 场景编辑

    数据资料采集，包括科学城各栋房屋建筑外立面多角度数码拍照，路面、河流、树木、标志性物体数码拍照等。

    图片处理，对外业采集的数字照片进行图片编辑处理，以符合建模标准；

    地形建模，基于DEM（数字高程模型）数据和DOM（正射影像图）数据叠加生成地形；

    地物建模，用内业处理完毕的数字图片构造地物模型，主要包括建筑物、路面、河流、路灯、花坛等；

    可以对地形、模型、二维矢量数据、注记、场景贴图、环境、光源、模型贴图、动态贴图 、摄像机等进行编辑处理，生成三维场景；并整体实现模型优化和拼凑。

    支持模型库和贴图库管理。

    4.3 实时浏览和可视化

    实时浏览三维场景。

    矢量数据的三维可视化表现。

    支持行走，驾驶，飞行，UFO等多种浏览方式。

    观察者能从任意角度任意高度观看系统的三维场景。

    系统可实现实时随机漫游，漫游的方向和起点完全由用户自己进行选择。

    系统可实现从室外漫游到室内漫游的无缝切换。

    4.4 数据管理和数据查询

    属性数据支持（支持Access、SQL Server、Oracle数据库等）和属性数据查询。

    数据条件定位查询，根据查询条件，自动定位目标查询物。

    4.5 跨平台

    Windows操作系统。

    其它操作系统。

    4.6 支持多种格式输出

    支持生成高分辨率屏幕图。

    可以将实时浏览结果输出成AVI和影像序列。

    4.7 面向对象的管理方式

    实现场景及路径漫游方式的编辑。

    4.8 特效模拟方式的支持

    可以对环境进行设置，包括云、雾、能见度等等；也可以实现诸如喷泉效果、旗帜飞扬等效果。

    5. 虚拟城市应用展示

    虚拟现实实时浏览平台可以对虚拟场景实现交互式的全方位漫游，三维数字景象和模型将复杂的数据进行可视化处理和显示，为客户带来的大视景，高沉浸感的高端解决方案，给用户一个身临其境的感觉，在城市(社区)规划、虚拟建造、装饰装修等方面具有广阔的应用前景。