虚拟现实场景漫游技术的实现及其在规划领域的应用

张俊，王誉洁，陈凯，叶进勇

(成都市勘察测绘研究院，四川 成都 610081)

虚拟现实场景漫游技术的实现及其在规划领域的应用

张俊*，王誉洁，陈凯，叶进勇

(成都市勘察测绘研究院，四川 成都 610081)

以成都市天府新区为例，介绍了虚拟现实三维场景的实现过程，建设了一个具有一定人机交互能力的、满足动画路径漫游以及节点漫游两种方式的室内外结合的场景漫游系统，并结合城市规划领域的实际情况，对其在城市规划行业的应用进行了分析。

虚拟现实；场景漫游；城市规划

1 引 言

随着互联网快速发展以及新兴技术的兴起，三维可视化技术已经融入生活的方方面面，在此基础上，虚拟现实技术的发展也日益成熟。作为一项新兴的实用性可视化技术，虚拟现实技术以其特有的优势被迅速运用于生活中的各行各业[1]，尤其对于规划行业，有着广泛的应用前景。

虚拟现实技术又称为“灵境”技术，是一种由计算机生成的高级人机界面。它综合了计算机图形学、计算机仿真、传感器技术、显示技术等多种高科技的最新成果，使人可以“浸入”计算机生成的虚拟环境，直接观察周围环境，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融合一体”，给人一种“身临其境”的感觉[1]。利用虚拟现实技术强大的展示、交互、模拟功能，一方面可以使规划行业工作者从不同的角度、不同的位置观察现状建筑物和环境，另一方面可以使其在规划方案竣工前，随意浏览区域内模拟三维场景，随心所欲地在场景中漫游，产生身临其境的奇妙体验，为规划设计工作提供新的思路与解决办法。

本文以成都市天府新区为例，从三维建模到场景制作，再到展示平台开发，详细介绍了虚拟现实三维场景漫游的实现过程，并就动画路径漫游和节点漫游两种场景漫游方式进行了详细阐述，进一步分析了虚拟现实场景漫游技术在规划行业的应用前景。

2 实现过程

2.1 前期准备

本文实现的虚拟现实三维场景，涉及地铁站、办公区、展览中心、广场、自然景区等多种场景环境，为了得到更真实的展示效果，前期共收集了相关区域的数字正射模型、数字高程模型、规划设计图纸、室外效果图以及现有部分区域的精细模型和简单结构白模。对整个区域进行分析，针对现实中已建成区域，按照真实情况制作三维模型及室内外场景；针对规划区域，结合收集到的规划图纸和效果图以及现实中类似的环境，制作三维模型及室内外场景。

2.2 三维建模

三维模型是最终显示场景的基础，是实现逼真的场景漫游的第一步，其质量好坏对最终展示效果有着重要的影响。本文采用3ds Max软件进行三维建模[2]，该软件是一种基于三维动画技术下的图像渲染和制作软件[3]，具有强大的建模、扩展功能，已广泛应用于建筑、室内设计等场景建模。针对不同的场景，本文将模型分为地形模型、建筑模型、室内模型、其他模型等几大类，以模型结构的最优化减少数据量[4]，并采用不同精度的纹理贴图以及多重材质的方式进行渲染[5]，确保标志性地物结构和纹理精度，以此保证数据量与呈现效果的最佳匹配，达到最优显示效果。

2.3 场景制作

以上制作的三维模型，只能进行静态的展示，为了实现虚拟现实身临其境的逼真环境，本文以Unreal Engine引擎为基础进行场景开发制作。Unreal Engine引擎是当今世界最先进的3D游戏开发引擎之一，其先进的实时光照算法、动态阴影、基于GPU的粒子系统、环境反射等等技术使该引擎对场景的模拟更加真实，使最终呈现的效果更加逼真[6]。

场景的制作主要包括动画系统、场景效果等。动画系统主要包括路径动画和非路径动画两种。路径动画是指行人、汽车、游艇等具有固定行走路径的动画效果，在Unreal Engine引擎中进行动画控制与动画混合，一方面控制对象在行走过程中的形态姿势的真实性，另一方面控制对象的行走路径，使其处于正确的轨迹并不停地循环。非路径动画是指植被、水面等微动态模型，包括树木花草的随风摇曳、水面的波光粼粼等效果，可以利用该引擎强大的材质系统完成制作。场景效果主要体现在真实感，逼真的光照、阴影、渲染等可以大大提高体验者的沉浸感。为了增强环境的多元化效果，本文采用了晴天、雾天和雨天三种模式来烘托氛围。针对不同的天气环境，场景的阴影、光照等也呈现出不同的效果。同时，Unreal Engine引擎也提供了极为细腻的材质渲染效果，使场景的精细度与真实度完美融合。另外，为了达到系统速度与细节显示的平衡，本文还引入了层次细节表现技术，从而提高渲染速度，提高了系统的实时性[7]。

2.4 展示平台开发

本文共开发了两个版本的展示平台，包括支持PC电脑的展示平台软件版本以及支持头戴式设备的展示平台软件版本[8]。两个版本最大的区别就在于不同的界面设计，PC电脑版本主要采用键盘和鼠标来操作，而头戴式设备版本则采用无线控制器(即操控手柄)来操作。

(1)PC电脑展示平台版本

PC电脑展示平台版本主要面向显示器、投影等通用显示设备，通过键盘和鼠标实现场景的切换、视角的旋转、前后左右移动等操作。其界面主要功能包括以下几项：

①场景介绍：包含该场景区域详细的文字、语音解说、图片介绍等信息；

②场景切换：实现不同场景间的自由切换；

③漫游方向控制：控制向前、向后、向左、向右移动以及视角方向的变化；

④路径漫游：设置相应的漫游路线，触发后系统根据设定的漫游路径自动进行播放；

⑤自由漫游：使用键盘上的W、S、A、D和光标键上、下、左、右配合鼠标移动。

(2)头戴式设备展示平台版本

头戴式设备展示平台版本采用头戴式设备(即VR眼镜)作为显示设备，利用操控手柄进行操作。通过操控手柄的不同按键，实现不同的功能：空中全景地图中各场景的分布及选择、不同场景的手动切换与自动切换以及各场景中的自由行走等。

3 场景漫游

场景漫游是虚拟现实展示的一个重要组成部分，所完成的三维模型及其构建的场景只有通过场景漫游，才会使体验者有一种身临其境的感觉[9]。为了满足不同漫游方式的需求，本文在漫游引擎下设置了动画路径漫游和节点漫游两种方式。

3.1 动画路径漫游

动画路径漫游主要为在几个重点区域，系统预先设置了一个确定的自动漫游路径，体验者通过在路径上的自动穿行来模拟人在真实环境中行走所看到的场景。路径漫游不需要复杂的人机交互，体验者只需要选择想漫游的场景，系统即可自动播放。在本系统中，共实现了6条路径漫游，包括地铁站、办公区、展览中心、广场、自然景区等多种场景环境，如图1～图3所示。

图1 自然景区场景

图2 会议室场景

图3 地铁站场景

3.2 节点漫游

节点漫游即人机交互控制的漫游，体验者可以随意控制漫游的方向和视角等，并在场景允许范围内随意走动，并对所观察的事物和环境实现任意视角的观察和体验，这种方式可以增强体验者的虚拟环境体验，给体验者带来更强烈的真实感和沉浸感[9]。同时，同一个场景内还制作了多个节点可供体验者进行快速切换，选择不同的漫游地点。体验者可以随意漫步于任一场景中，包括上下楼梯、出入建筑、出入地铁、湖边观景等，还可以选择不同时段(日景/夜景)进行体验。在节点漫游中，系统还提供了角色漫游，体验者可以选择男士、女士以及小孩等不同角色置入环境中进行第三人称视角的漫游。

与动画路径漫游仅能在电脑屏幕显示不同，节点漫游除了PC平台版本以外，还提供了头戴式设备的体验版本，具体为利用VR眼镜和操控手柄实现漫游。体验者通过头戴VR眼镜，使自己完全沉浸于360°环绕的虚拟现实世界，真正达到身临其境的感觉。由于场景较大，VR眼镜的感应范围较小，无法使人通过真实步行达到场景中的目的地，因此采用了操控手柄辅助移动，通过手柄，体验者可以在原地实现不同场景的切换，也可以在同一场景中达到允许到达的任何地点。

3.3 地图导航

在虚拟现实环境中，体验者都是以正常视角来体验环境，为了让体验者更好地确定自己在场景中的位置，帮助体验者观察具体路径，本系统还设置了地图导航功能，即在屏幕右侧展现出该场景的鹰眼小地图，并以醒目箭头标明体验者所在的具体位置及方向，如图4所示。

图4 地图导航

4 规划行业应用

城市规划一直都是新兴可视化技术领域的迫切需求者之一，虚拟现实技术作为新一代可视化技术的主力军，其出现为城市规划带来了新的活力与发展前景。利用虚拟现实技术，规划工作者可以不拘泥于传统二维图纸信息，将规划方案生动的摆在决策者和体验者面前，为规划行业的发展带来了新的生机。

4.1 为城市规划提供最接近真实的可视化支持

虚拟现实技术可以将未来的规划方案置于虚拟场景中，帮助决策者身临其境的感受不同规划方案的形态及其与周围环境的一致性，决策者可以从多角度多方面考察规划方案的可行性，使规划决策更加科学、合理、便捷。同时，由于虚拟现实技术强大的沉浸体验感，也可以规避设计方案中很多不易察觉的设计缺陷，大大降低了设计风险，提高规划质量，如图5所示。

图5 规划方案置入

4.2 为公众提供直观的展示平台

普通公众通过展示平台，可以快速了解城市规划方案，了解城市规划动态，不需要读懂复杂的规划图就能够参与到城市规划中，为城市规划献计献策，这是传统的平面图、沙盘等无法做到的，如图6所示。

图6 规划方案展示

4.3 为城市宣传提供数字名片

本文的成果最终可以集成于exe文件中，方便随身携带，对于城市的对外推广和招商引资等都会带来重要的作用，它展现了一个城市的综合实力，为城市发展提供了一个形象的数字名片。

4.4 为城市留下宝贵的历史资料

城市的发展历程是持续性的，采用虚拟现实技术可以以数字化、可视化、直观化的方式记录下目前城市的现状及未来的发展，成为宝贵的历史资料。

5 结 语

虚拟现实技术是现代互联网信息技术发展的产物，本文在实现场景漫游的基础上，进一步阐述了其在规划行业具体应用的可能性及发展前景。目前，虚拟现实技术还处于起步阶段，未来仍有很大的发展空间，随着科学技术的进一步发展，虚拟现实技术必将带来新时代的技术革新，为规划行业带来更广阔的发展空间。

[1] 王弘智，王哲. 虚拟现实技术发展与应用[J]. 福建电脑，2016(2)：99～100.

[2] 张养安，李俊锋，杨爱玲等. 基于3DMAX的虚拟现实三维建筑模型建模技术初探[J]. 测绘与空间地理信息，2015，38(10)：151～157.

[3] 赵青，李欣亮. 基于3DSMAX的虚拟现实建模技术研究[J]. 电子技术与软件工程，2016(2)：84～85.

[4] 徐诚. 虚拟校园漫游系统的研究[D]. 武汉：华中师范大学，2006.

[5] 刘保卫. 虚拟现实场景的建模特点及生成效果[J]. 计算机工程与应用，2014，50(5)：137～141.

[6] 符清芳，张茹. 基于虚幻4的自然场景制作[J]. 电脑知识与技术，2016：188～189.

[7] 郭阳明，翟正军，陆艳红. 虚拟场景生成中的LOD技术综述[J]. 计算机仿真，2005，22(12)：180～183.

[8] 杨欢，刘小玲. 虚拟现实系统综述[J]. 软件导刊，2016，15(4)：35～37.

[9] 黄莹莹，彭敏俊，许岷. 基于虚拟现实的数字校园漫游系统的设计与实现[J]. 应用科技，2005(5)：40～42.

The Realization of Virtual Reality Scene Roaming Technology and its Application in Urban Planning

Zhang Jun，Wang Yujie，Chen Kai，Ye Jinyong

(Chengdu Institute of Survey and Mapping Investigation，Chengdu 610081，China)

Takes tianfu new district in Chengdu as example，this paper introduces the realization process of virtual reality scene roaming，and build a scene roaming system combined human-computer interaction with walkthrough along path and node roaming indoor and outdoor. Besides，combined with the actual situation of urban planning，this paper also analysis its application in urban planning.

virtual reality；scene roaming；urban planning

1672-8262(2017)03-35-04

P208.2

A

2017—03—07

张俊(1978—)，男，高级工程师，注册测绘师，主要从事测绘与地理信息应用工作。