基于三维虚拟技术的城市环境规划系统设计

谢林霞

摘  要： 针对传统的城市环境规划系统规划时间过长，规划效果较差的问题，基于三维虚拟技术设计了一种新的城市环境规划系统。硬件包括输入设备、输出设备和人机交互设备，分析了三维立体扫描仪和显示设备的组成结构，通过数据传输、分析计算、3D建模来实现软件工作流程，针对3D建模程序和三维场景编辑程序进行重点研究。为验证系统的有效性，与传统系统进行实验对比，结果表明，基于三维虚拟技术的城市环境规划系统规划时间更短，规划效果较好，具有很高的应用价值。

关键词： 三维虚拟; 虚拟技术; 城市环境规划; 规划系统; 规划时间; 规划效果

中图分类号： TN02?34; TP192                    文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）13?0099?04

Design of urban environmental planning system based on 3D virtual technology

XIE Linxia

（Hunan Institute of Engineering， Xiangtan 411104， China）

Abstract： The traditional urban environmental planning systems have long planning duration and poor planning effect. In view of this， a new kind of urban environmental planning system is designed based on the 3D virtual technology. The system hardware consists of input equipment， output equipment and human?computer interaction equipment. The structures of 3D scanner and display equipment are analyzed. The software workflow consists of data transmission， analysis and calculation and 3D modeling. The detailed research is focused on the 3D modeling program and 3D scene editing program. Contrastive experiments are performed to verify the system effectiveness. The results show that， in comparison with the traditional systems， the urban environmental planning system based on 3D virtual technology has a shorter planning duration and better planning effect. Therefore， it has a high application value.

Keywords： 3D virtual; virtual technology; urban environmental planning; planning system; planning duration; planning effect

0  引  言

三維虚拟技术被广泛应用于游戏、医学、建筑、设计、军事等各大领域[1]，利用计算机对采集数据进行数据分析计算，并通过3D建模程序构建一个三维立体虚拟仿真世界，提供参与者高度仿真的视觉、听觉、触觉等感官模型，让参与者产生身临其境的真实感。在构建的三维虚拟仿真环境中，参与者可以任意且没有限制地观察虚拟环境中的事物，清楚地看到设计中的各种细节，深度了解设计师的设计理念，便于找出设计中的不足，从而进一步进行设计优化[2]。

随着“数字城市”观念的提出，将三维虚拟技术与城市环境规划融合在一起，成为了当前研究的热门话题。城市环境规划指对城市的物质形态部分进行合理且科学的规划，主要包括建筑物的区域布局、产业工程的区域布局、道路以及运输设备的设置，是处理城市以及城市邻近区域的工程建设、建筑、经济、社会、土地利用以及对城市未来发展预测的重要手段，也是建造一个统一且科学的城市的前提。一个好的城市规划决定了一个城市未来的社会经济发展效益，而传统的城市环境规划设计以及展示多为二维视图，存在一定的局限性[3]。

为弥补传统城市规划中的不足，本文以三维虚拟技术为基础，设计城市环境规划系统。通过三维立体扫描仪等输入设备采集城市建筑信息，经过数据分析和计算后，采用3D建模程序和三维场景编辑程序进行三维虚拟仿真模型的建立，由显示系统进行输出，并利用人机交互设备与虚拟环境进行交互，将传统城市环境规划模式提高到了数字化可观、可感的境界，全面提高了城市规划的效率。

1  城市环境规划系统硬件设计

基于三维虚拟技术的城市环境规划系统硬件由输入设备、输出设备和人机交互设备三部分构成[4]。其中，三维立体扫描仪是最重要的输入设备，使用USB数据传输线将采集的建筑数据输入至计算机，经过数据分析计算构建三维立体虚拟仿真模型，由输出设备的显示装置将3D模型展现在观众眼前。在构建的虚拟城市模型中，参与者可以利用人机交互设备与虚拟模型进行人机交互，提高三维立体虚拟仿真模型的真实性。

1.1  三维立体扫描仪

三维立体扫描仪是基于三维虚拟技术的城市环境规划系统的重要数据采集设备，体积小、重量轻、方便携带，是集计算机、光学、机械学、电力学多种领域技术于一身的高科技数据采集器。选用“照相式”的3D扫描仪扫描实体建筑，获取建筑表面的精确点坐标，即三维点云数据，其集合被称作点云[5]。通过点云计算出建筑实体的高度以及占地面积，通过一定比例的缩小来获得建筑的三维数字化模型，可以将现实建筑以数字化的形式完美地复制下来，是构建三维虚拟城市的重要设备。照相式非接触型3D扫描仪相较于初代的激光扫描仪，其点云采集速度提高了10倍（单面扫描时间小于2 s），超高的分辨率能够合理地控制扫描过程中的误差，使得整体的测量精度大大提高，操作模式如同普通的照相机，简单容易上手。为了采集处理高大建筑表面的三维坐标，扫描范围可达120 m，镜头转换灵活，最大程度地减少了扫描死角，并且支持图片拼接处理，使城市规划变得更加简单、高效。除此之外，其兼容性使其可以被大多数软件进行操作处理，USB接口设计使其数据传输更加方便，值得被其他领域广泛应用[6]。

1.2  显示设备

三维虚拟仿真环境的优势在于具有独特的沉浸特性，能够营造出强烈的真实感，因此，基于三维虚拟技术的城市环境规划系统的显示系统需具有很强的表现能力，其最重要的感官特性就是视觉，其次为听觉、触觉、味觉、嗅觉等，由于技术的限制，味觉和嗅觉的应用较少，因此，本文设计的显示系统主要针对视觉和定位跟踪装置进行设计[7]。显示系统的显示设备构成如图1所示。

1.2.1  虚拟现实头显

虚拟现实头显是一种体积小、封闭性强的头戴式立体显示器。由于人的左眼和右眼在看同一事物时会有一定的差异，虚拟现实头显便利用这一差异，通过计算机处理技术将处理过的图像输入到头显的左右眼屏幕中，使佩戴者看到真实环境与虚拟环境叠加融合后的景象，从而在脑海中形成真实的立体感[8]。

1.2.2  双目全方位显示器

双目全方位显示器是可移动的头部显示设备，经常与虚拟现实头显配合使用。双机械臂的构造不仅可以让参与者在半径为2 m的球面空间内自由行动，还可以使其保持自身的平衡，不受平台运动的影响[9]，其分辨率相较于虚拟现实头显更高，且图像更加柔和，避免在使用过程中刺伤使用者的眼睛。

1.2.3  CRT终端?液晶光闸眼镜

CRT终端?液晶光闸眼镜与计算机相连，可以同步显示出经过计算机处理后的图像。左右眼睛片显示的内容各不相同，并由计算机发出驱动信号分别控制左右镜片的交替和闭合。当参与者的左右眼看到眼镜显示的内容后，其生理视觉系统会将左右眼的图像自动合成为一幅完整的三维立体图像[10]。

1.2.4  大屏幕投影?液晶光闸眼镜

大屏幕投影?液晶光闸眼镜的显示原理与CRT终端?液晶关闸眼镜相似，多使用于大屏幕的投影系统或有极高亮度和分辨率极高的投影系统[11]。

1.3  人机交互设备

数据手套是基于三维虚拟技术的城市环境规划系统设计中重要的人机交互设备，其设计结构如图2所示。

数据手套能够检测手指弯曲程度，通过软件程序使参与者能够在三维虚拟环境中随意地抓取和移动物体，并且数据手套中力敏传感器可以准确感知参与者手指的力度，中央控制系统会对被抓取物体进行一定的改变，以模拟现实生活中真实发生的场景[12]。

从应用领域来说，三维虚拟技术不仅仅可以应用于媒体的演示，还可以作为一种设计工具，它以視觉为主要方式向观众展现设计的设计理念。许多的建筑构建之前，首先需要设计师对建筑的占地面积、周围环境等基本数据信息进行采集，通过绘画图纸展现设计师对建筑结构以及外形的构思。但是，阅读设计师图纸需要一定的内行知识作为基础，而三维虚拟技术不需具备任何专业知识便可以直观展现在观众眼前。

除此之外，数据手套中的定位装置会实时定位参与者在虚拟环境中的位置，并且能够具体感知参与者的肢体活动，经过中央处理器对参与者的行为进行分析，从而改变三维虚拟环境[13]。

2  城市环境规划系统软件设计

基于三维虚拟技术的城市环境规划系统软件工作流程如图3所示。

2.1  3D建模程序

当采集完基础城市数据后，设计师可以使用计算机利用3D建模程序对采集数据进行分析计算，在虚拟的三维空间内构建三维数据模型，其基本工作流程如图4所示。

数据分析指对城市属性数据和纹理数据的具体分析，从而得到点与面的精确数集[14]。在构建三维虚拟仿真模型的过程中，各项数据均精确到毫米，并且在构建过程中有许多细节模型，每当构建完一个模型，系统将自动提醒设计者为模型进行材质命名，并在相应的材质球上进行标记，方便模型储存和查找。在二次模型修改时，可以直接选取材质球，对同一材质的模型进行统一修改，避免不必要的点线面的逐步修改，使模型修改更加简单快速[15]。

2.2  三维场景编辑程序

三维场景编辑程序是一款3D场景编辑程序，操作简单，不需复杂的计算机使用基础。通过三维场景编辑程序，设计师可以对建造好的3D模型进行更细致的装饰摆放，对城市建筑模型进一步的细节优化，不仅可以提高3D模型整体的分辨率，同时，还可以改变模型各部分的明暗对比度，提高整体的三维立体感，其应用功能如图5所示。

对于可视化应用项目的用户来说，三维场景编辑不需任何成本费用，解决了传统方式设计时间长、维护难度大、资金花费高等问题，为刚刚起步创业的人员提供了便利。同时，该程序自带二次软件开发包，方便使用者根据自己的需要对程序进行一定的修改，并且可以随时与第三方软件进行数据对接，并将数据上传到云端以实现资源共享和二次利用。

3  仿真测试

3.1  实验目的

为检测本文设计的基于三维虚拟技术的城市规划系统设计的应用性能，设计对比实验，选用传统城市规划的设计模式和本文的设计系统对同一城市进行相同的规划，分析二者的应用能力。

3.2  设计对比

实验环境设置如下：

输入设备：三维立体扫描仪;数据传输接口：USB;计算机操作系统：Windows 10;输出设备：头显、眼镜;建模软件：3D建模程序三维场景编辑程序;人机交互设备：数据手套。

3.3  实验结果与分析

根据上述实验参数，选用传统图纸和沙盘两种城市规划方式，以及本文设计的基于三维虚拟技术的城市规划系统，对同一城市进行相同的规划，得到的实验结果如表1所示。

根据表1的实验结果可以分析出，采用本文设计的基于三维虚拟技术的城市环境规划系统能够大大减少城市规划的整体设计和展示时间，提高了城市规划的效率，既便于后续问题的改动，弥补了传统模式改动难度大的问题，又能节约城市规划的成本，减少了不必要的经济损失。

为了突出本文设计的城市环境规划系统在展示方面的高度仿真性，针对以上三种城市规划方式进行仿真度对比，得到对比结果如图6所示。

分析图6可知：普通的二维视图的仿真度仅有30%，存在许多的视觉死角，表现力比较差;沙盘的整体效果比图纸较好，但在细节方面存在明显不足，无法看到建筑内部的具体结构。对比以上两种传统模式，本文设计的城市规划系统的仿真度高达99%，且具有强大的表现力，沉浸式的显示系统和先进的人机交互设备使设计师的整体构思完整地展现在眼前，更加符合未来高科技时代的发展，更能满足当代人的应用需求。

4  结  语

以三维虚拟技术为基础的城市规划系统，使设计师可以根据自己的构思去规划城市，并可以任意在虚拟环境中随意活动，不断地变换自己的视角去观察设计效果，直到达到满意的效果，既节约了城市规划的时间，也节省了许多做模型的费用。本文设计的系统设备操作简单易懂，不仅可以应用于本文设计的系统，也可以被其他系统应用，扩大了三维虚拟技术应用领域，加速了虚拟技术的发展。

参考文献

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