基于VR技术的城市规划三维仿真设计系统设计

吴 维，吴 尧

（1.仲恺农业工程学院何香凝艺术设计学院，广东广州 510220；2.澳门城市大学创新设计学院，澳门 999078）

0 引 言

信息技术与计算机水平高速发展，不断改变人类生活方式。虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）的产生是信息管理数字化与模型化的重要表现，并逐渐应用在社会各领域[1]。计算机仿真模拟技术、电子集成技术、传感技术等多种计算机虚拟技术联合使用形成完整的VR技术。该技术以硬件操作面板为中介，实现用户与计算机之间的交互，用户可从中体验到一种虚拟的真实感受[2]。用户体验VR技术过程中，可主动操作与控制虚拟场景界面，得到不同的反馈体验[3]。三维动态建模、虚拟图形生成和三维动态显示是虚拟现实表达的关键性技术。

随着城市化进程的加快，如何进行高效、可靠的城市规划成为需要迫切解决的问题。将VR技术应用在城市规划与设计领域，可实现城市规划三维仿真设计。因此，本文基于VR技术设计城市规划三维仿真系统，构建MongoDB 数据库作为城市三维规划设计的基础，实现城市实地采集数据、设计过程中数据的安全存储；在系统三维模块中完成城市要素三维建模；在VR 仿真设计模块中呈现城市规划虚拟场景、实现城市规划动态景观交互漫游，让用户拥有沉浸式的虚拟体验。

1 VR技术在城市规划三维仿真设计中的应用

1.1 总体架构

基于VR技术设计城市规划三维仿真设计系统包含三维设计与VR 仿真设计两部分，系统总体架构如图1 所示。基于Open GL 类模块进行城市规划三维仿真设计系统的设计，VR 仿真设计模块的功能是模型遍历渲染与城市规划场景交互漫游，VR 仿真模块与三维设计模型依靠相同的数据接口进行通信。

图1 系统总体架构Fig.1 Overall architecture of system

1.2 MongoDB 数据库构建

采用测量的城市实地规划数据构建MongoDB 数据库，保障数据安全。构建三维模型、图形贴图、渲染等设计过程产生的数据均存储在MongoDB 数据库中。MongoDB 数据库的优点是存储空间大，满足大规模数据存储的需求；同时，具备资源数据共享的功能，二维软件向三维软件传输数据时，数据资源共享发挥关键作用[4]。非关系型数据库是现代电子技术发展的高性能产物，使用频率较高，MongoDB 数据库属于非关系型数据库。非关系型MongoDB 数据库的优势在于易扩展，处理数据灵活，具有较强的数据处理性能。

MongoDB 数据库存储数据格式为BSON 格式，是数据传输与存储的主要形式。BSON 格式是一种二进制数据存储格式，数据对象与内嵌式文档对象在BSON 格式下均能良好运行。

1.3 三维设计模块

1.3.1 Open GL 类模块

城市规划三维建模从数据库中获取城市规划实测数据，三维设计模块基于Open GL 类模块构建城市场景三维模型，Open GL 类模块处理数据示意图如图2 所示。

由图2 能够看出，Open GL 类模块处理数据结构的顶端是处理函数，进行多次管道式的操作步骤，如城市规划元素三维模型的像素操作、顶点操作等。Open GL类模块下达部分指令绘制城市规划三维仿真设计系统的几何物体，同时可下达处理不同操作阶段城市规划要素的命令。由Open GL 类模块管道运行模式中得到Open GL 的状态要素。

图2 Open GL 类模块处理数据示意图Fig.2 Schematic diagram of data processing of Open GL class module

创建Open GL 类模块后，将还原Open GL 的工作与Open GL 管道关键要素保存在Open GL 类模块中，据此，即可采用Open GL 类模块进行城市规划三维仿真设计。

1.3.2 城市规划三维建模实现

构建城市三维模型可实现城市真实地理空间重现，重现对象包含城市建筑、地貌、生态景观等元素[5]。构建城市三维模型为基于VR技术进行城市仿真提供基础空间环境，三维模型中的建筑、景观等携带真实坐标信息[6]。大中城市的建筑物与人口密集，产生的测量数据规模极大，为保障数据测量的精确度，使用高性能的数字立体采集系统实地获取城市规划数据，存储在MongoDB 数据库中。

三维空间坐标确定是城市规划仿真设计的基础，自动构建结构模型、提取建筑纹理、粘贴替换纹理为城市规划仿真设计的关键步骤[7]。系统具备构建数字高程模型与数字正射影像的功能，可解决大坡度城市地形的规划问题。叠加数字高程模型与数字正射影像得到城市三维地形景观。融合城市三维地形景观与城市建筑三维模型得到整体城市三维数字模型。

1.4 VR 仿真设计模块

1.4.1 城市规划虚拟呈现与实时渲染

1）处理几何数据

总结城市规划中道路规划采用的柔性顶点格式为：

composition VERTEX_TYPE_01

{

D3 DXVECTOR3 location；//顶点坐标

D3 DXVECTOR3 natural；//顶点法线

FLOAT tu，tv；//纹理坐标

quiescent Invariant DWORD FVF；

}；

利用城市规划三维仿真设计系统进行城市规划设计时，城市景观的顶点缓冲采用CreateVertexBuffer（）构建，依据顶点数据与索引数据整理城市景观的顶点，整理完成的城市景观顶点以三角形带的形式存在，并保存在顶点缓冲内。景观顶点的法线均值根据相邻面获取，景观的纹理坐标可依据纹理坐标比例、纹理偏移量、旋转角度等参数求取。

2）实时渲染

利用城市规划三维仿真设计系统进行城市规划过程中，通过遍历渲染全部对象完成实时循环渲染[8]。以城市规划中的道路为例，不同类型的道路材质和纹理存在差异，通过划分城市道路为三个子对象的方式迅速完成三维模型实时渲染，总结车辆行驶道路实时渲染代码如下：

HRESULTCAsftMcStreetSeg：RenderStreetOutward appearance（

LPDIRECT3DINSTALLATION9 pD3dInstallation）

{

//实时渲染道路

//柔性顶点格式定义

pD3dInstallation-＞DefinitionFVF（VERTEX_TYPE_01：：FVF）；

//材质定义

pd3dInstallation - ＞DefinitionPhysical（&m_StreetOutward appearance Mat）；

//纹理定义

pD3dInstallation-＞DefinitionVein（0，m_pStreetOutward appearance Tex）；

//渲染

pD3dInstallation-＞DefinitionDtreamsource（0，m_pStreetOutward appearance VB，0，g_nVertexsize_01）；

pD3dInstallation-＞

PaintOriginal（D3DPT_TRIANGLESTRIP ，

0，m_nTriNum）；

go back S_OK；

}

1.4.2 城市规划动态景观仿真交互漫游

动态景观漫游功能可随时查看城市规划内容，并进行三维可视化浏览[9]。通过浏览城市规划方案总结设计存在的漏洞，并及时修改和优化，有助于提升城市规划效率、改善城市规划效果。审查方可通过浏览动态景观漫游完成方案审查与评估。

交互式是基于VR技术设计的城市规划三维设计系统的突出优势，通过交互控制实现城市规划动态景观交互漫游。系统设置自由视角漫游、拾取物体、控制物体等功能，完成人机交互漫游[10]。用户在城市规划场景中漫游时，可仔细查看城市建筑、道路、地貌、景观的细节，采用键盘和鼠标控制摄像机角度，实现前进与后退等视角的变换。

点击“Switch On Key”命令得到用户操作键盘窗口；设置待控制摄像机时点击“Set As Active Camera”命令；结合使用“Translate”“Per Second”“Rotate”命令实现摄相机的旋转和平移操作。系统设置旋转和平移摄像机的快捷键如下：Page Up，Page Down 表示向上移动、向下移动虚拟城市规划场景；Home，End 分别表示向上与向下旋转城市规划虚拟场景；键盘的上箭头与下箭头分别表示逼近城市规划场景与远离城市规划场景；键盘的左箭头与右箭头分别表示城市规划场景呈逆时针与顺时针方向旋转。

城市规划动态景观自由交互漫游让用户真正得到身临其境的虚拟与现实体验，也是三维虚拟场景设计的强大之处。

2 实验分析

以某城市为例，采用本文系统进行城市规划三维仿真设计测试，为突出本文系统进行城市规划的优势，采用C/S 城市规划设计系统、OSG 城市规划设计系统展开对比测试。

2.1 城市三维规划效果分析

本文系统规划城市过程中，设计的绿植景观如图3a）所示，城市规划结果如图3b）所示。

图3 本文系统城市规划效果展示Fig.3 Effect presents of urban planning made by the system proposed in this paper

由图3a）可知，本文系统设计的绿植景观完整地还原树木叶脉、树木枝干纹理，树叶枝干层次表达分明，地面处的阴影表达准确，提升景观设计的逼真与可视化程度。由图3b）能够清晰地看到城市道路与建筑的规划结果，本文系统将城市局部规划成A，B，C 三个建筑群，建筑群由道路分割，布局清晰，改变以往城市混乱布局的状态。因此，本文系统呈现的城市三维仿真规划结果较优。

2.2 三维建模误差分析

以城市行车道路为例，测试本文系统的建模误差，对比本文设计结果与实际模型坐标数据，得到建模相对误差如图4 所示。

图4 本文系统建模相对误差Fig.4 Relative error of model made by the system proposed in this paper

由图4 可知，本文系统建模的相对误差集中在0.08～0.16 之间，误差值较小并且在合理范围内，不影响整体城市规划效果；另外本文系统建模误差波动幅度较小，建模效果可靠。

2.3 城市规划成本分析

城市规划的成本是衡量城市规划系统性能的重要指标，得到三种系统城市规划的时间成本与规划费用成本结果如表1，表2 所示。

表1 时间成本对比Table 1 Comparison of urban planning time costs of three systems 天

由表1 可知，本文系统规划城市建筑群花费6 天时间，道路规划与生态景观规划分别花费4 天、3 天时间，C/S 城市规划设计系统、OSG 城市规划设计系统规划时间约为本文系统的3 倍。

由表2可知，本文系统进行城市规划费用均低于C/S城市规划设计系统、OSG 城市规划设计系统，在城市群规划中差异显著。本文系统规划建筑群花费2.12 万元，比C/S 城市规划设计系统节约2.13 万元，比OSG 城市规划设计系统节约2.83 万元；规划城市道路与景观的费用差距相对较小。

表2 费用成本对比Table 2 Comparison of urban planning expense costs of three systems 万元

综上可知，本文系统规划城市建设过程中，有效缩短了工期、降低了城市规划设计成本，优势突出，在城市规划与建设中的应用前景广阔。

2.4 城市规划系统性能评估

采用交互性、还原度、仿真程度等信息描述城市规划设计的性能，采用优、良、差三个等级评估系统性能。选取案例城市中10 处区域，采用三种系统进行城市规划三维仿真设计，得到三种系统的评估结果如表3所示。

表3 三种系统的评估结果Table 3 Evaluation results of three systems

表3 数据表明，本文系统城市规划三维仿真设计效果突出，交互性、还原度、实时性、仿真程度和规划合理性均为优秀；而C/S 城市规划设计系统仅在交互性方面表现优秀，在实时性与仿真程度方面表现较差；OSG 城市规划设计系统在还原度与交互性方面表现优异，但规划结果合理性较低、实时性差。

3 结 论

本文将VR技术应用在城市规划三维仿真设计中，取得较优的城市规划三维仿真设计结果。基于VR技术进行城市规划主要分为数据库构建、三维建模、模型渲染、场景交互漫游等步骤，最终构建一种还原度高、可视化效果强的数字规划方案。VR技术在城市规划设计系统中的应用日趋成熟，必定发展成一种使用范围广、频率高的城市规划手段。