探讨城市规划中虚拟现实技术的应用

(榆林市城市投资经营集团有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

虚拟现实技术是信息技术不断发展的新型产物。虚拟现实技术的出现打破了传统城市规划过程中的限制，为我国城市规划提供了一个三维可视环境，设计人员可以根据这样的三维可视场景进行观察以及规划，对方案进行修改；并且向人们进行展示，可以让专业人士和非专业人士进行沟通与交流。因此，将虚拟现实技术融入到我国城市规划过程中，能够使城市化设计成果提升到一个更高的层次。

1 虚拟现实技术在我国城市规划过程中的应用意义

虚拟现实技术在我国城市规划过程中的应用，能够提升城市规划方案设计和审批的效率，对城市化建设发展中的问题进行多方面的研究与分析，提升城市规划的管理效率。

1)就提升城市规划方案设计和审批的效率而言，在我国城市规划过程中使用虚拟现实技术，设计人员能够在计算机的虚拟场景中穿梭，观察此方案，并且能够在观察此方案的同时对重要地方的方案进行讨论。在对方案进行审批时，将方案制成三维模型，从各个角度进行研究与分析，从而提升城市规划方案设计和审批的效率。

2)就城市化建设发展中的问题进行多方面的研究与分析方面而言，在我国城市规划过程中使用虚拟现实技术，能够把城市建设过程中各个区域的不同发展情况与现状进行结合，制成城市发展的三维模型，科学合理地研究与分析城市发展的状态，从而减少或者防止因为城市规划导致的损失。

3)就提升城市规划的管理效率方面而言，在虚拟现实技术的可视性基础上，能够更加直观地处理三维数据，对城市的管理信息进行快速以及精准的搜索和统计，对城市信息的空间进行有效分析，加强城市的管理工作以及更新城市的地理信息。

2 虚拟现实技术的特征和关键技术

虚拟现实技术是通过对计算机的利用形成的一种虚拟的场景，并且利用各种传感设施设备将用户带入到该场景中，让用户和此虚拟场景进行自然融合的技术。这种虚拟场景是通过对计算机的利用构成的具备立体感的图形，它一方面可以是现实场景的体现，另一方面也可以是人们幻想的场景。在虚拟场景中，能够达到人机的互动与交流，使得人们有一种身临其境的感觉，让其拥有强烈的参与感，变成“景中之人”，达到人景合一的境地。

2.1 虚拟现实技术的基本特征

虚拟现实技术是计算机制造的多维空间，它可以真实模拟用户在环境中的不同特征。主要包含感知性、沉浸感、交互性以及自主性。感知性主要是指计算机用户能够通过虚拟现实系统对视觉、听觉、触觉、嗅觉以及味觉进行感知，在虚拟的场景中，用户能够体会到在真实场景中的一切真实的感受。沉浸感主要是指计算机用户已经感受不到自己所处于的外部环境，将自己充分融入到计算机所给予的虚拟场景中，是用户成为主角在虚拟场景中的真实情况，三维空间、环绕音响以及场景随着可视范围的变化而不断变化，这在一定程度上增强了用户的沉浸感。交互性主要是指计算机用户能够经过三维交互设施设备进行计算机操作，并且给予虚拟场景的对象，虚拟场景中的对象可以及时做出与之相对应的反应，也是用户对虚拟场景中物体的操作，并且对虚拟场景中获得的反馈以及对虚拟场景进行重新设置。自主性主要是指虚拟现实系统中的物体能够依据自身的特点遵循计算机用户的不同需求进行自主性运动，但是，虚拟场景中物体的反应能力和现实场景中的规律是一样的，一样受重力的影响，不能出现穿墙的现象。

2.2 虚拟现实技术的关键技术

1)就动态环境建模技术以及实时三维图形生成技术而言，虚拟场景的建立是虚拟现实技术的重点内容，动态环境建模技术主要是获得现实场景中的三维数据，并且依据这些已经获得的数据建立与之相对应的虚拟场景模型。获得三维数据以及非接触的视觉建模技术，将两者进行有机结合，以提升数据获得的准确性以及效率。实时三维图形生成技术中的三维图形生成技术已经非常成熟，所以重要之处是在实时，为了完成实时的目标，应该不断地对图形进行刷新。计算机图形技术以及仿真技术的提升对实时三维图形生成技术的发展产生着直接的作用。

2)就立体显示和传感器技术以及细节层次技术而言，虚拟现实技术对立体显示和传感器技术有一定的依赖性，现阶段的虚拟现实技术设施设备不能够满足系统的需求。例如头盔式的立体显示器存在着精准度低、刷新频率慢以及使眼睛容易感到疲劳等缺点，数据手套存在着使用不方便以及分辨率低的缺点。而各式各样的传感器主要是为了人机的有效交互，人在拿一个物体的时候，机器能够感应到动作并且在虚拟的场景中做出相应的动作。细节层次技术指的是在实时系统中使用细节省略的技术，如果是各种层次的物体结合在一起对一个场景进行描述，也就是说场景中的多个物体拥有多个模型，模型和模型之间的差别是细节的描述，在实时显示的时候，细节简单的模型就能够提升显示的速度，而物体是否重要决定了如何选择物体的模型。

3)就系统开发以及系统集成技术而言，虚拟现实技术的使用主要是找到科学合理的场景以及对象，也就是说需要充分发挥想象力以及创新能力，选择合适的使用对象，能够在极大程度上提升效率以及质量。因此，为了实现这一目标，必须研究虚拟现实技术的开发工具，例如虚拟现实技术开发平台，这和科学信息技术的发展息息相关。虚拟现实系统中含有众多的信息以及模型，因此，对多个系统进行集成对虚拟现实技术产生着重要的影响。系统集成技术包含了同步信息、转换数据以及模型管理等等(见图1)。

图1 某楼盘虚拟现实系统展销实例

3 虚拟现实技术在我国城市规划过程中的应用

在我国传统的城市规划过程中，主要是使用实体模型、效果图案以及计算机三维动画来体现方案的视觉成效和环境之间是否和谐，这些表现手法在一定程度上都存在着问题与不足。实体模型的立体感强，但是没有办法从人们的视觉出发感受建筑物的空间，没有办法让人们获得真正的感受；效果图虽然能够从人们的视觉出发，但是展现的是局部的、静态的视觉效果，没有立体感；计算机三维动画具有较强的动态表现力，但是人们是被动的观察，并且如果对方案的细节进行修改，比较耗费时间。而在我国城市规划过程中使用虚拟现实技术，能够有效的改善这些不足。

虚拟现实技术在我国城市规划过程中的应用首先是虚拟现实技术在建筑工程行业的运用，建筑工程项目的设计人员对建筑物进行设计制成三维动画。通过对虚拟现实技术的使用，可以把设计人员的方案定位在现实的场景中，对该方案进行科学、合理的评价，然后，操作人员在虚拟的场景中行走，从而感知虚拟场景设计是否合理。因此，在我国城市规划过程中使用虚拟现实技术为多种可行性方案提供了基础性条件，并且，通过对虚拟现实技术的使用不会耗费较长时间以及较多的资金。在我国城市规划过程中使用虚拟现实技术，一方面能够提升城市规划以及城市生态建设的合理性以及科学性，减少城市规划的成本，另一方面还能够减短城市规划以及设计的时间。

3.1 在虚拟城市系统方面的应用

利用虚拟现实技术对整个城市宏观条件下的城市用地以及总体布局进行规划。要想建立健全虚拟城市系统，就必须建立城市规划区域的地理数据库以及建筑模型的数据库。利用相关数据库软件对城市地区的地形地貌实施数字化，对城市地区自然条件以及经济情况进行数据方面的收集，建立城市地区自然条件方面的数据库，建立城市地区社会政治经济方面的数据库。利用计算机辅助设计的方法，对各式各样的建筑模型进行收集，建立城市地区建筑模型方面的数据库。最后依据城市规划设计人员提供的方案，由相关计算机软件的专业技术人员将建立起的各种数据库进行连接，充分地通过计算机软硬件工具的使用，建立起虚拟的城市系统。

总而言之，利用虚拟现实技术建立虚拟城市系统，不需要对所规划的方案进行实际执行，就能够先对所规划方案的实施成果进行检验，也就是虚拟城市场景中的社会、生态以及经济中的最好状态，并且能够对发现的问题进行改正，最后供决策者制定以及规划城市方案，能够在城市规划的过程中让规划人员对设计的方案进行讨论以及修改。除此之外，还可通过这种方式向人们展现方案，提升人们参与的主动性以及积极性。

3.2 在城市虚拟场景建模方面的应用

在城市规划的过程中，最繁琐、最困难的就是城市虚拟场景的建模情况。虚拟现实技术在城市规划过程中的城市虚拟场景建模方面的应用主要体现在5个方面。

1)城市虚拟场景中天空方面的建模，在传统的三维城市虚拟场景动画中，天空常常是用背景贴图进行表现的，但是，这所适用的是视觉特定的静态环境中，在实时的漫游过程中会让用户感觉天空的虚假感。虚拟场景中应该使用半球面或者是圆柱面的模型建立天空模型，并且在天空模型的表面，应该利用纹理映射形成全天的天空背景模型。

2)城市虚拟场景中地表情况方面的建模，地表方面的模型应该依据城市的地图以及遥感照片进行建立，准确、真实地表达城市地形地貌以及道路水域的情况。

3)城市虚拟场景中建筑物方面的建模，在虚拟的城市场景中，建筑物是城市中一道亮丽的风景线，建筑物作为城市的主体存在应该使用三维模型，关于外形类似于矩形的建筑物，可以利用之前拍摄的建筑物四个立体面的照片进行粘贴，粘贴在矩形模型的四个对应面上，这样能够在很大程度上减少建筑模型的数据量，但是，这样的建筑模型效果肯定没有真实的三维模型的效果好。因此，对于不同的建筑物还是需要尽量使用真实的三维模型。

4)城市虚拟场景中运动物体方面的建模，例如人物以及各种车辆等，在静态的建筑图案中，将人物以及各种车辆当成配景已经被广泛使用。在城市虚拟的场景中，虚拟场景中的人物以及各种车辆应该是动态的，人是能够行走的，车辆是能够移动的。因此，在城市虚拟的场景中，人物以及各种车辆就不能只是简单的贴图，应该是能够运动的。

5)城市虚拟场景中其他物体方面的建模，在城市虚拟的场景中，还应该有很多其他物体，例如，花草、树木以及路灯等，如果这些物体也使用三维模型的话，会在极大程度上增多数据量，对虚拟场景中的实时特性产生直接的影响。因此，这些物体需要采取贴图的方式，可以将花草、树木以及路灯等物体用透明贴图的办法，粘贴在垂直的二维表面上，这样的话，在城市虚拟的场景中，这些物体就能够依据摄影机的具体位置进行自动调整。

虚拟现实技术在城市规划中的应用经常会涉及到不同的场景，在复杂的大型场景中使用虚拟现实技术，如果对不同的模型使用相同的计算量，会在很大程度上影响城市虚拟场景实时的流畅性。因此，只有通过分区建模的方式，才能够解决这样的问题。这就是将虚拟场景进行划分，分别建立高精度、中等精度以及低精度等不同级别的模型，在城市虚拟场景的实时漫游中，能够依据用户观看时所站立的位置以及视线所在，在近处使用高精度的模型，随着距离的不断增加而采用中等精度的模型或者低精度的模型。与此同时，随着用户的不断移动，对不同精度级别的模型进行实时监察，这样能够在一定程度上提升渲染的范围和速度，更好地调节速度和成果之间的关系，并且这样的办法与人类的视觉规律相吻合。

4 结语

虚拟现实技术在城市规划中的应用能够将城市面貌进行直观的展示，提升了城市规划的设计水平以及效率，对城市景观的恢复产生着至关重要的影响。但是，虚拟现实技术是信息技术不断发展的新型产物，在城市规划过程中的使用刚刚开始，可能会存在着不足之处，因此，应该对虚拟现实技术加以完善，使得虚拟现实技术在城市规划中被更好地使用。