三維虛擬仿真技術(shù)和應(yīng)用
1. 概述
三維虛擬仿真平臺旨在建設(shè)一個具有大范圍的海量城市數(shù)據(jù)一體化管理、無縫三維實時漫游，包容和拓展常規(guī)GIS獨具特色的空間多媒體信息查詢、表示、分析和決策功能的虛擬城市管理信息系統(tǒng)。
近年來，數(shù)字省市、數(shù)字城鎮(zhèn)很快已經(jīng)成為世界各國發(fā)達(dá)省市和地區(qū)21世紀(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略、爭先搶占科技、產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的制高點之一。為了加速城市的發(fā)展，提高管理水平，需要借助于現(xiàn)代化的科學(xué)手段進(jìn)行城市體系規(guī)劃與管理。
據(jù)目前對我國大部分城市的摸底調(diào)查，除少數(shù)大、中城市已建立了城市管理信息系統(tǒng)外，而絕大部分地區(qū)的空間信息管理手段仍然沿用比較落后的手工操作方式，即便是用一些地理信息系統(tǒng)（GIS）管理著空間數(shù)據(jù)，但仍停留在簡單的二維數(shù)據(jù)管理、顯示的基本功能，分散地、相對獨立地和非標(biāo)準(zhǔn)地管理模式，很難進(jìn)行地域管理的三維綜合研究和空間分析，使各級領(lǐng)導(dǎo)部門不可能及時地得到對空間的清晰、直觀的認(rèn)識。
另外，城市規(guī)劃設(shè)計的主要研究對象是城市的體形結(jié)構(gòu)與各個要素，在設(shè)計過程中需要進(jìn)行大量的空間形象思維。同時，在設(shè)計中又應(yīng)以城市的使用者的感覺為核心，分析城市設(shè)計各空間要素之間的關(guān)系。傳統(tǒng)的城市模型只能獲得城市的鳥瞰形象；效果圖只能提供靜態(tài)局部的視覺體驗；動畫不具備實時的交互性，人是被動的，并且制作周期長。這些傳統(tǒng)技術(shù)只能實現(xiàn)簡單、固定的演示功能，尚不能很好地滿足當(dāng)前城市設(shè)計的需要。另外，隨著空間范圍的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的方法也無法勝任空間數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)。
同樣，在城市中存在大型的港口、工廠、地下管網(wǎng)、人防設(shè)施等部門，它們具有地形起伏較大、管網(wǎng)密集、需要準(zhǔn)確定位等特點，用傳統(tǒng)二維的表示方法很難加以描述和信息管理。
虛擬環(huán)境是由計算機(jī)生成的，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真。從二維地圖、沙盤、動畫，到虛擬視景仿真是一個合乎人們認(rèn)識深化和技術(shù)發(fā)展趨勢的必然結(jié)果。
2. 虛擬城市與仿真技術(shù)發(fā)展
美國目前已經(jīng)有50個城市計劃建立了“數(shù)字虛擬城市”。我國北京、上海、香港、臺北、深圳、廣州、南海、廈門市等也正在積很籌建之中。普遍認(rèn)為，3D-GIS、空間視景數(shù)據(jù)庫的建立是建立數(shù)字虛擬城市首先要解決的問題。國際上已經(jīng)專門成立了類似組織，主要為城市服務(wù)。如德國的Rostock、Stuttgart等研究機(jī)構(gòu)，對一些城市進(jìn)行了研究，建立了原型系統(tǒng)。三維虛擬仿真技術(shù)*早主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，從國內(nèi)近幾年來的發(fā)展情況，三維虛擬仿真技術(shù)在國內(nèi)外快速發(fā)展，目前國內(nèi)已有多家公司開發(fā)出城市仿真應(yīng)用平臺，已在城市設(shè)計和決策中得到很好的應(yīng)用，同時積累了一批優(yōu)秀的三維虛擬仿真開發(fā)技術(shù)人才，北京萬視達(dá)公司就是一個專門研究三維虛擬仿真軟件，硬件的公司，并取得了突出的成績。
2.1 三維仿真技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)
是用計算機(jī)生成逼真的三維視、聽、觸覺等感覺，使人能通過適當(dāng)裝置對虛擬世界進(jìn)行交互式體驗。70年代Even & Sutherland公司引入計算機(jī)作為場景圖像生成設(shè)備發(fā)展出計算機(jī)虛擬現(xiàn)實。Silicon Graphic Inc.公司制定了開發(fā)圖形系統(tǒng)的運用程序標(biāo)準(zhǔn)OpenGL，同時為視景仿真實時漫游提供了一套Performer。Multigen-Paradigm、Coryphaeus等軟件均以Performer為基礎(chǔ)，進(jìn)行二次開發(fā)。*初的仿真主要用于飛行模擬。
城市仿真(Urban Simulation)
是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于城市的一種視景仿真（Visual Simulation 簡稱VisSim）。城市仿真具備幾個特點：其一是良好的交互性，提供了任意角度、速度的漫游方式，可以快速替換不同的建筑；其二是形象直觀，為專業(yè)人士和非專業(yè)人士之間提供了溝通的渠道；其三由于采用數(shù)字化手段，其維護(hù)和更新變得比較容易。仿真系統(tǒng)可利用地理信息系統(tǒng)（GIS）的數(shù)據(jù)生成三維地形模型，再利用衛(wèi)星影像和航空影像作為真實的紋理貼圖，充分展示了城市仿真與GIS的結(jié)合。
2.2 國外城市仿真主要實例
虛擬洛杉磯（Virtual Los Angeles）
是美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）始于1994年的一個科研與運用相結(jié)合的項目，計劃覆蓋面積超過10,000平方英里，是當(dāng)今城市仿真系統(tǒng)中*成功*為復(fù)雜的系統(tǒng)。視景包括從洛杉磯盆地的衛(wèi)星影像到街道景觀，準(zhǔn)確到植物、建筑物的窗口、外墻的紋理等。其中洛杉磯大學(xué)醫(yī)院的仿真詳細(xì)到可以對建筑內(nèi)部的每一個層面進(jìn)行漫游，用鼠標(biāo)點擊墻面或天花板就能得到平面設(shè)計圖及相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了在仿真中對GIS、CAD及對象屬性的實時查詢。該系統(tǒng)作為城市規(guī)劃和建設(shè)的重要手段，在加州Pico Union區(qū)地震破壞的重建中得到應(yīng)用。設(shè)計人員通過仿真模型和地理信息數(shù)據(jù)來確定毀壞的建筑物數(shù)量以及需要改造的街道、綠地、房屋等，對重建城區(qū)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，再將新數(shù)據(jù)存入該系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息系統(tǒng)的良性循環(huán)。
費城城市模型(ModelCity Philadelphia)
由美國Bentley公司利用MicroStation和MasterPiece軟件以及自我開發(fā)的軟件工具于1996年開始制作，已完成費城中心區(qū)35個街區(qū)。該項目主要特點是將整個費城的模型以VRML數(shù)據(jù)格式，通過Internet網(wǎng)讓任何人可以享受到實時費城旅游的體驗。城市設(shè)計人員和建筑師通過Internet瀏覽器對城市三維景觀進(jìn)行直接的漫游，可以對真實的城市景觀進(jìn)行分析，獲得準(zhǔn)確的土地和建筑結(jié)構(gòu)方面的資料信息，解決了在委托設(shè)計項目時缺乏資料的問題。費城模型同時提供準(zhǔn)確可視的三維地下管線系統(tǒng)，方便城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)的維護(hù)和更新，因此獲得美國建筑師學(xué)會(AIA)高度評價。
2.3 三維仿真和其他展示方式的比較
仿真和動畫應(yīng)用都是模擬真實和想象的世界，用高度細(xì)節(jié)模型，產(chǎn)生平滑連續(xù)的運動，并以一定的FPS（幀/秒）進(jìn)行繪制來達(dá)到無縫的演示。動畫主要用于電影、印刷圖畫以及預(yù)先設(shè)計好的演示。仿真主要用實時互動演示，需要對于用戶輸入做出反應(yīng)，并馬上看到結(jié)果。如：飛行訓(xùn)練、影視游戲和交互建筑演示。
3. 三維仿真平臺功能特點
三維虛擬仿真平臺旨在建設(shè)一個具有大范圍的海量城市數(shù)據(jù)一體化管理、無縫三維實時漫游，包容和拓展常規(guī)GIS獨具特色的空間多媒體信息查詢、表示、分析和決策功能的虛擬城市管理信息系統(tǒng)。系統(tǒng)所采用三維仿真平臺具有獨特的特性和強(qiáng)有力的可擴(kuò)展性能，使用了萬視達(dá)公司的邊緣融合處理機(jī)，畫面和文字都能實現(xiàn)高度清晰。
3.1 頂級三維游戲的視覺享受
精美的三維場景
光影效果
多種氣候條件（白天、夜晚、云、霧、雨、雪、雷電……）
多種特殊效果（跳動的火苗、飄動的旗幟、流水、噴泉、霓虹燈、海浪、爆炸、煙霧……）
各種空間聲音效果——創(chuàng)建一個充滿生機(jī)的世界。
3.2 靈活的人機(jī)交互
任何位置/任意角度觀察場景；
多種運動方式隨時切換
?。ㄐ凶?、駕駛、飛翔…）
任意位置停止，切換多種參數(shù)/方案來觀察！
?。?適合于前期方案討論、匯報）
整個交互過程可以記錄為動畫保存。
3.3 強(qiáng)大的可擴(kuò)展性
區(qū)域類型擴(kuò)展
建筑內(nèi)/外景；
小區(qū)/街道；
城區(qū)；
大面積野外場景。
?。ú捎脛討B(tài)內(nèi)存管理，甚至可以模擬整個數(shù)字地球?。?br />
地域覆蓋范圍從小至大
顯示方案擴(kuò)展
單PC顯示；
PC Cluster + 投影系統(tǒng)；
SGI Onyx + 投影系統(tǒng)；
立體顯示 / 無縫拼接選項.
特定類型的應(yīng)用擴(kuò)展
應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展
國土資源局/城市規(guī)劃部門 / 建筑設(shè)計單位；
房地產(chǎn)公司——展示/銷售、項目評估和報批；
園區(qū)規(guī)劃、管理及展示，開發(fā)區(qū)招商；
文物/古跡的展示、復(fù)原、保護(hù)部門；
4. 三維仿真平臺性能指標(biāo)
4.1 數(shù)據(jù)要求
支持BMP、GIF、PNG、JPG等格式。
三維模型：支持3DS、DXF、VRML格式。
DEM數(shù)據(jù)：支持各種矢量等高線數(shù)據(jù)。
4.2 場景編輯
數(shù)據(jù)資料采集，包括科學(xué)城各棟房屋建筑外立面多角度數(shù)碼拍照，路面、河流、樹木、標(biāo)志性物體數(shù)碼拍照等。
圖片處理，對外業(yè)采集的數(shù)字照片進(jìn)行圖片編輯處理，以符合建模標(biāo)準(zhǔn)；
地形建模，基于DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)和DOM（正射影像圖）數(shù)據(jù)疊加生成地形；
地物建模，用內(nèi)業(yè)處理完畢的數(shù)字圖片構(gòu)造地物模型，主要包括建筑物、路面、河流、路燈、花壇等；
可以對地形、模型、二維矢量數(shù)據(jù)、注記、場景貼圖、環(huán)境、光源、模型貼圖、動態(tài)貼圖 、攝像機(jī)等進(jìn)行編輯處理，生成三維場景；并整體實現(xiàn)模型優(yōu)化和拼湊。
支持模型庫和貼圖庫管理。
4.3 實時瀏覽和可視化
實時瀏覽三維場景。
矢量數(shù)據(jù)的三維可視化表現(xiàn)。
支持行走，駕駛，飛行，UFO等多種瀏覽方式。
觀察者能從任意角度任意高度觀看系統(tǒng)的三維場景。
系統(tǒng)可實現(xiàn)實時隨機(jī)漫游，漫游的方向和起點完全由用戶自己進(jìn)行選擇。
系統(tǒng)可實現(xiàn)從室外漫游到室內(nèi)漫游的無縫切換。
4.4 數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)查詢
屬性數(shù)據(jù)支持（支持Access、SQL Server、Oracle數(shù)據(jù)庫等）和屬性數(shù)據(jù)查詢。
數(shù)據(jù)條件定位查詢，根據(jù)查詢條件，自動定位目標(biāo)查詢物。
4.5 跨平臺
Windows操作系統(tǒng)。
其它操作系統(tǒng)。
4.6 支持多種格式輸出
支持生成高分辨率屏幕圖。
可以將實時瀏覽結(jié)果輸出成AVI和影像序列。
4.7 面向?qū)ο蟮墓芾矸绞?br />
實現(xiàn)場景及路徑漫游方式的編輯。
4.8 特效模擬方式的支持
可以對環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，包括云、霧、能見度等等；也可以實現(xiàn)諸如噴泉效果、旗幟飛揚等效果。
5. 虛擬城市應(yīng)用展示
虛擬現(xiàn)實實時瀏覽平臺可以對虛擬場景實現(xiàn)交互式的全方位漫游，三維數(shù)字景象和模型將復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理和顯示，為客戶帶來的大視景，高沉浸感的高端解決方案，給用戶一個身臨其境的感覺，在城市(社區(qū))規(guī)劃、虛擬建造、裝飾裝修等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
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