三維虛擬仿真技術和應用
1. 概述
三維虛擬仿真平臺旨在建設一個具有大范圍的海量城市數據一體化管理、無縫三維實時漫游，包容和拓展常規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。
近年來，數字省市、數字城鎮很快已經成為世界各國發達省市和地區21世紀的發展戰略、爭先搶占科技、產業和經濟的制高點之一。為了加速城市的發展，提高管理水平，需要借助于現代化的科學手段進行城市體系規劃與管理。
據目前對我國大部分城市的摸底調查，除少數大、中城市已建立了城市管理信息系統外，而絕大部分地區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（GIS）管理著空間數據，但仍停留在簡單的二維數據管理、顯示的基本功能，分散地、相對獨立地和非標準地管理模式，很難進行地域管理的三維綜合研究和空間分析，使各級領導部門不可能及時地得到對空間的清晰、直觀的認識。
另外，城市規劃設計的主要研究對象是城市的體形結構與各個要素，在設計過程中需要進行大量的空間形象思維。同時，在設計中又應以城市的使用者的感覺為核心，分析城市設計各空間要素之間的關系。傳統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。這些傳統技術只能實現簡單、固定的演示功能，尚不能很好地滿足當前城市設計的需要。另外，隨著空間范圍的擴大，傳統的方法也無法勝任空間數據的管理和維護。
同樣，在城市中存在大型的港口、工廠、地下管網、人防設施等部門，它們具有地形起伏較大、管網密集、需要準確定位等特點，用傳統二維的表示方法很難加以描述和信息管理。
虛擬環境是由計算機生成的，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產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識深化和技術發展趨勢的必然結果。
2. 虛擬城市與仿真技術發展
美國目前已經有50個城市計劃建立了“數字虛擬城市”。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。普遍認為，3D-GIS、空間視景數據庫的建立是建立數字虛擬城市首先要解決的問題。國際上已經專門成立了類似組織，主要為城市服務。如德國的Rostock、Stuttgart等研究機構，對一些城市進行了研究，建立了原型系統。三維虛擬仿真技術*早主要應用在軍事領域，從國內近幾年來的發展情況，三維虛擬仿真技術在國內外快速發展，目前國內已有多家公司開發出城市仿真應用平臺，已在城市設計和決策中得到很好的應用，同時積累了一批優秀的三維虛擬仿真開發技術人才，北京萬視達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
虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)
是用計算機生成逼真的三維視、聽、觸覺等感覺，使人能通過適當裝置對虛擬世界進行交互式體驗。70年代Even & Sutherland公司引入計算機作為場景圖像生成設備發展出計算機虛擬現實。Silicon Graphic Inc.公司制定了開發圖形系統的運用程序標準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，進行二次開發。*初的仿真主要用于飛行模擬。
城市仿真(Urban Simulation)
是虛擬現實技術應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，為專業人士和非專業人士之間提供了溝通的渠道；其三由于采用數字化手段，其維護和更新變得比較容易。仿真系統可利用地理信息系統（GIS）的數據生成三維地形模型，再利用衛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洛杉磯分校（UCLA）始于1994年的一個科研與運用相結合的項目，計劃覆蓋面積超過10,000平方英里，是當今城市仿真系統中*成功*為復雜的系統。視景包括從洛杉磯盆地的衛星影像到街道景觀，準確到植物、建筑物的窗口、外墻的紋理等。其中洛杉磯大學醫院的仿真詳細到可以對建筑內部的每一個層面進行漫游，用鼠標點擊墻面或天花板就能得到平面設計圖及相應的屬性數據，實現了在仿真中對GIS、CAD及對象屬性的實時查詢。該系統作為城市規劃和建設的重要手段，在加州Pico Union區地震破壞的重建中得到應用。設計人員通過仿真模型和地理信息數據來確定毀壞的建筑物數量以及需要改造的街道、綠地、房屋等，對重建城區進行規劃設計，再將新數據存入該系統，實現了信息系統的良性循環。
費城城市模型(ModelCity Philadelphia)
由美國Bentley公司利用MicroStation和MasterPiece軟件以及自我開發的軟件工具于1996年開始制作，已完成費城中心區35個街區。該項目主要特點是將整個費城的模型以VRML數據格式，通過Internet網讓任何人可以享受到實時費城旅游的體驗。城市設計人員和建筑師通過Internet瀏覽器對城市三維景觀進行直接的漫游，可以對真實的城市景觀進行分析，獲得準確的土地和建筑結構方面的資料信息，解決了在委托設計項目時缺乏資料的問題。費城模型同時提供準確可視的三維地下管線系統，方便城市地下管網系統的維護和更新，因此獲得美國建筑師學會(AIA)高度評價。
2.3 三維仿真和其他展示方式的比較
仿真和動畫應用都是模擬真實和想象的世界，用高度細節模型，產生平滑連續的運動，并以一定的FPS（幀/秒）進行繪制來達到無縫的演示。動畫主要用于電影、印刷圖畫以及預先設計好的演示。仿真主要用實時互動演示，需要對于用戶輸入做出反應，并馬上看到結果。如：飛行訓練、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一個具有大范圍的海量城市數據一體化管理、無縫三維實時漫游，包容和拓展常規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。系統所采用三維仿真平臺具有獨特的特性和強有力的可擴展性能，使用了萬視達公司的邊緣融合處理機，畫面和文字都能實現高度清晰。
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——創建一個充滿生機的世界。
3.2 靈活的人機交互
任何位置/任意角度觀察場景；
多種運動方式隨時切換
（行走、駕駛、飛翔…）
任意位置停止，切換多種參數/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 強大的可擴展性
區域類型擴展
建筑內/外景；
小區/街道；
城區；
大面積野外場景。
（采用動態內存管理，甚至可以模擬整個數字地球！）
地域覆蓋范圍從小至大
顯示方案擴展
單PC顯示；
PC Cluster + 投影系統；
SGI Onyx + 投影系統；
立體顯示 / 無縫拼接選項.
特定類型的應用擴展
應用領域擴展
國土資源局/城市規劃部門 / 建筑設計單位；
房地產公司——展示/銷售、項目評估和報批；
園區規劃、管理及展示，開發區招商；
文物/古跡的展示、復原、保護部門；
4. 三維仿真平臺性能指標
4.1 數據要求
支持BMP、GIF、PNG、JPG等格式。
三維模型：支持3DS、DXF、VRML格式。
DEM數據：支持各種矢量等高線數據。
4.2 場景編輯
數據資料采集，包括科學城各棟房屋建筑外立面多角度數碼拍照，路面、河流、樹木、標志性物體數碼拍照等。
圖片處理，對外業采集的數字照片進行圖片編輯處理，以符合建模標準；
地形建模，基于DEM（數字高程模型）數據和DOM（正射影像圖）數據疊加生成地形；
地物建模，用內業處理完畢的數字圖片構造地物模型，主要包括建筑物、路面、河流、路燈、花壇等；
可以對地形、模型、二維矢量數據、注記、場景貼圖、環境、光源、模型貼圖、動態貼圖 、攝像機等進行編輯處理，生成三維場景；并整體實現模型優化和拼湊。
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。
矢量數據的三維可視化表現。
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的三維場景。
系統可實現實時隨機漫游，漫游的方向和起點完全由用戶自己進行選擇。
系統可實現從室外漫游到室內漫游的無縫切換。
4.4 數據管理和數據查詢
屬性數據支持（支持Access、SQL Server、Oracle數據庫等）和屬性數據查詢。
數據條件定位查詢，根據查詢條件，自動定位目標查詢物。
4.5 跨平臺
Windows操作系統。
其它操作系統。
4.6 支持多種格式輸出
支持生成高分辨率屏幕圖。
可以將實時瀏覽結果輸出成AVI和影像序列。
4.7 面向對象的管理方式
實現場景及路徑漫游方式的編輯。
4.8 特效模擬方式的支持
可以對環境進行設置，包括云、霧、能見度等等；也可以實現諸如噴泉效果、旗幟飛揚等效果。
5. 虛擬城市應用展示
虛擬現實實時瀏覽平臺可以對虛擬場景實現交互式的全方位漫游，三維數字景象和模型將復雜的數據進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)規劃、虛擬建造、裝飾裝修等方面具有廣闊的應用前景。
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