虛擬現(xiàn)實技術在城市設計中的應用

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計算機信息技術的發(fā)展在城市規(guī)劃、建筑設計、空間環(huán)境設計領域帶來了不斷深入的技術革命。首先是CAD技術使繪圖自動化得以普及，隨后，三維效果圖與動畫在詳細規(guī)劃和建筑設計中得到推廣應用。最近幾年，地理信息系統(tǒng)（GIS）與虛擬現(xiàn)實（VR）技術在城市規(guī)劃和城市設計中發(fā)展起來。

　　1、城市設計的主要內容及其對計算機圖形圖像技術的要求

　　城市設計簡要地說就是為人們設計聚居地的一種藝術，它是城市規(guī)劃的重要組成部分。城市設計所關心的是建筑實體的視覺效果；人與場所的連接性；活動空間與舒適環(huán)境的創(chuàng)造；整個城市景觀改善的進程。城市設計要為建筑物實體及其空間布局，為建筑形式構圖及其與周圍空間的三維關系，為獲得美學與社會質量成就進行視景布置建立整體框架。

　　1.1城市設計內容的層次性。城市設計的基本內容分為宏觀、中觀、微觀三個層次。

　　宏觀層次：城鎮(zhèn)分布與城市形象。城市設計的宏觀層次包括在一定區(qū)域內的城鎮(zhèn)分布；城鄉(xiāng)一體化規(guī)劃與景觀設計；城市的格局與形態(tài)、功能組團、環(huán)境保護、基礎設施、分區(qū)特色與舒適的環(huán)境、城市出入口、土地利用與活動場所等。城市設計的宏觀層次內容與城鎮(zhèn)體系規(guī)劃相輔相成，不過城市設計更注重于城市的關鍵性特征與自然景觀的構成；注重城市開發(fā)建設對自然景觀、文化或社會經濟資源的物質的和視覺質量的直接和間接影響。在對宏觀層次的城市設計進行評價時，創(chuàng)造高質量的城市環(huán)境和優(yōu)美的城鄉(xiāng)視野成為重要準則。包括對自然山水景觀的組織與利用，視覺特征物的適宜性和可視性，整體高度輪廓和體量的協(xié)調性，與傳統(tǒng)景觀的協(xié)調性等等。為應用ArcGIS對炎陵縣的自然地理、人口分布、交通條件等進行綜合分析作出的城鎮(zhèn)布局。為應用ArcGIS對炎陵縣重點發(fā)展地區(qū)的用地空間發(fā)展所作的規(guī)劃。規(guī)劃在宏觀上充分考慮了炎陵縣作為人文與生態(tài)旅游縣的自然環(huán)境特色。

　　中觀層次：建筑物與空間。中觀層次城市設計內容包括用地布局、建筑設計、交叉口與廣場、街道和路網格局、視線走廊、連接度與整體性、體量與高度、地標物、開敞空間和公園、人行道與步行系統(tǒng)的連接等等內容。中觀層次城市設計內容與城市總體或分區(qū)規(guī)劃相輔相成，不過城市設計主要關注開發(fā)建設對自然景觀的物質和視覺質量的直接和間接影響；人工建造物的適宜性和視角的關系；對光和空氣的穿透性影響；與步行道格局的協(xié)調性；與城市整體立面輪廓和體量的協(xié)調性；與地方傳統(tǒng)的協(xié)調和對周圍環(huán)境的影響等等。

　　微觀層次：使用者環(huán)境。微觀層次的城市設計內容包括建筑物的人的尺度、街道陳設、材質顏色和紋理、過渡的處理、廣告和標志、街道景觀等。微觀層次的城市設計與詳細規(guī)劃設計相輔相成。在對微觀層次城市設計進行評價時，自然方面主要關注功能上的適宜性。人造方面關注街道結構和功能的適宜性，創(chuàng)造好的步行環(huán)境，人的尺度和生活質量的提高，空間的創(chuàng)造等。

　　1.2城市設計對信息技術的要求

　　從城市設計各層次的內容及評價原則來看，人與自然環(huán)境的協(xié)調，恰當?shù)目臻g組織，悅目的視覺效果均是共同的追求。以往城市規(guī)劃和建筑設計由于受到技術手段的限制，規(guī)劃師和建筑師主要是通過二維圖形加空間想象來構思和評價設計方案，僅在進行建筑單體設計或很小的群體設計中才應用三維效果圖，或固定路徑的動畫來模擬建成后的空間關系和視覺效果。眾所周知，傳統(tǒng)的效果渲染需要耗費大量時間和占用大量計算機內存。因此多方案的交互式設計和實時動畫根本不可能進行。

　　城市設計計算機視景仿真需要解決幾個方面的問題。其一，處理數(shù)字高程模型，生成并修改三維地形，進行坡度、坡向、高程、填挖、淹沒、視線視域分析。其二，進行建筑密度、容積率、可達性、緩沖、選址可行性分析，用以評價社會經濟與環(huán)境效果。以上兩項是GIS的典型功能。其三，大面積多單體的快速三維建模，包括建筑物、構筑物、城市家俱、廣告牌、樹木、車輛、人物等。一般GIS只有二維拉伸功能，稱為2.5維，不是真三維。而流行的3Dmax三維建模不勝任大量對象建模與實時瀏覽任務。其四，實時虛擬。要能快速地重繪畫面，包括對場景對象、天光背景、動畫路徑、視點視角等的改變均能立即作出反應。從理論上說，以上四大問題可以在一個GIS平臺或統(tǒng)一的VR系統(tǒng)中得到解決，不過目前這種平臺還處在研發(fā)之中，但是我們可以借助GIS與VR綜合集成來解決問題。

　　2、一種基于GIS與VR的城市設計技術方案

　　2.1虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)集成。無論是GIS還是VR，當前國內外均有多種商業(yè)軟件可供選用。美國ESRI的ArcGIS是世界上最先進的地理信息系統(tǒng)，不過它的三維建模功能不強，且沒有實時虛擬動畫的功能。美國Multigen-Paradigm公司的Multigen-Vega是當前虛擬現(xiàn)實的旗艦軟件，其強大的三維建模工具Creator和虛擬仿真引擎Vega有機結合能很好地滿足虛擬城市實時動畫要求，不過它不具備空間分析的功能。其它的GIS與VR軟件大體也是如此。所幸的是，我們已經有了一個綜合兩個方面的優(yōu)勢來解決城市設計技術問題的方案。這就是ESRI公司委托Multigen-Paradigm公司開發(fā)了一個ArcGIS擴展模塊SiteBiulder，該模塊使得ArcGIS具備了實時動畫功能并且能接受Multigen的三維模型。于是我們就有了一個基于GIS與VR的應用于城市設計的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

　　2.2系統(tǒng)應用步驟。該系統(tǒng)的完整的應用包括場景的規(guī)劃設計、單體的建筑設計、三維建模并貼圖、實時虛擬動畫幾部分內容。

　　2.2.1城市規(guī)劃設計。無論是新城區(qū)的開發(fā)還是老城區(qū)的改建均要先確定規(guī)劃設計目標，提出社會、經濟、環(huán)境方面的要求。根據(jù)要求，進行自然條件、建設條件等一系列的基礎分析。在分析基礎上完成土地利用、道路交通、建筑布局、豎向規(guī)劃、工程設施等規(guī)劃設計方案。值得注意的是，以往規(guī)劃設計僅用CAD進行輔助設計。本系統(tǒng)強調應用ArcGIS技術輔助規(guī)劃設計，原因有兩個方面。其一，CAD不具備所要求的空間分析功能；其二，只有ArcGIS主題及主題中的特征（對象）才能被引入到SiteBiulder中進行實時動畫。

　　2.2.2建筑設計。在規(guī)劃布局的基礎上，進行建筑設計方案。各單體設計成果仍以平、立、剖面圖為主。為配合下階段的Creator三維建模和紋理貼圖，建筑師繪制的單體立面效果圖很有用處。整幅有陰影的彩色立面圖可以代替多塊片的煩瑣貼圖，在三維場景中具有相當?shù)牧Ⅲw效果。如有必要，某些單體可設計出多個，供虛擬替代方案優(yōu)化所用。

　　2.2.3組織ArcGIS主題。在SiteBiulder三維場景中，各虛擬對象是以ArcGIS主題來組織并引入的。進入三維場景的主要是三維地形、道路、建筑、樹木、鋪地和草地。主題中的特征并不要表現(xiàn)對象的具體幾何形狀，而只要確定各對象的具體位置。例如用點主題表示建筑布局，每棟建筑物僅需要一個點來表示，每個點代表的建筑物的模型被存放在數(shù)據(jù)庫中，完全相同的建筑物如住宅只須保存一個實例就行了。只要建立起點對象與建筑實例的關聯(lián)，則不同的建筑物模型都會被引入場景中。

　　2.2.4創(chuàng)建三維模型。本虛擬系統(tǒng)采用MultiGen公司的Creator作為三維場景建模工具，它的Open-Flight采用樹狀層次結構來組織管理場景數(shù)據(jù)。城市設計所涉及的場地中的模型包括天空、地面、單體建筑、構造物、樹木、街道陳設物、廣告牌等等，建模工作量巨大。因此在建立模型之前，應根據(jù)場景中每個實體的幾何空間位置以及模型內部與模型之間的相互關系，確定虛擬場景中所有單體模型的層次歸屬，以有利于模型的修改、調用。三維模型并非越細越好。我們要在幾何真實與紋理真實之間取得某種協(xié)調。適當?shù)貏澐謳缀蚊婧蜏蕚溥m當分辨率的圖片是建筑虛擬的關鍵。

　　2.3.5創(chuàng)建虛擬動畫場景。起動ArcGIS及其擴展模塊SiteBiulder，將模型庫中的各模型實例與主題中的各特征建立起聯(lián)系，各虛擬對象將依各自的空間位置呈現(xiàn)在三維場景中。SiteBiul-der有一套自己的菜單和工具，完成實時動畫。

　　3、新建校園虛擬現(xiàn)實應用實例

　　某中學新建校園臨城市主次干道之一角，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是在規(guī)劃方案和單體設計基礎上進行的。首先，應用ArcGIS根據(jù)等高線建立原始地形的數(shù)字高程模型（DEM）在充分結合地形、減少填挖量的原則下進行多方案的豎向規(guī)劃設計，為建筑基地和運動場地準備合適高程的臺地。隨后，應用Creator建立各虛擬對象的三維模型，從而建立起模型庫，層次結構。

　　校園設計虛擬動畫場景由SiteBiulder實現(xiàn)。由于在模型庫中儲存有多種建筑單體，樹木模型等等，在ArcGIS視圖中準備了多種布局方案的主題，因此虛擬校園場景有多種方案，更換一種方案僅幾分鐘時間，其交互性遠非傳統(tǒng)三維動畫效果可比。校園虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)為確定最終的設計方案和施工設計提供了從定性到定量的可視化依據(jù)。