虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

Word版本，下載可自由編輯虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市設(shè)計(jì)中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的進(jìn)展在城市規(guī)劃、建造設(shè)計(jì)、空間環(huán)境設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來了不斷深化的技術(shù)革命。首先是CAD技術(shù)使繪圖自動(dòng)化得以普及，隨后，三維效果圖與動(dòng)畫在具體規(guī)劃和建造設(shè)計(jì)中得到推廣應(yīng)用。最近幾年，地理信息系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市規(guī)劃和城市設(shè)計(jì)中進(jìn)展起來。

1、城市設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及其對(duì)計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)的要求

城市設(shè)計(jì)簡(jiǎn)要地說就是為人們?cè)O(shè)計(jì)聚居地的一種藝術(shù)，它是城市規(guī)劃的重要組成部分。城市設(shè)計(jì)所關(guān)懷的是建造實(shí)體的視覺效果；人與場(chǎng)所的銜接性；活動(dòng)空間與舒服環(huán)境的制造；囫圇城市景觀改善的進(jìn)程。城市設(shè)計(jì)要為建造物實(shí)體及其空間布局，為建造形式構(gòu)圖及其與周圍空間的三維關(guān)系，為獲得美學(xué)與社會(huì)質(zhì)量成就舉行視景布置建立整體框架。

1.1城市設(shè)計(jì)內(nèi)容的層次性。城市設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容分為宏觀、中觀、微觀三個(gè)層次。

宏觀層次：城鎮(zhèn)分布與城市形象。城市設(shè)計(jì)的宏觀層次包括在一定區(qū)域內(nèi)的城鎮(zhèn)分布；城鄉(xiāng)一體化規(guī)劃與景觀設(shè)計(jì)；城市的格局與形態(tài)、功能組團(tuán)、環(huán)境庇護(hù)、基礎(chǔ)設(shè)施、分區(qū)特色與舒服的環(huán)境、城市出入口、土地通過與活動(dòng)場(chǎng)所等。城市設(shè)計(jì)的宏觀層次內(nèi)容與城鎮(zhèn)體系規(guī)劃相輔相成，不過城市設(shè)計(jì)更注意于城市的關(guān)鍵性特征與自然景觀的構(gòu)成；注意城市開發(fā)建設(shè)對(duì)自然景觀、文化或社會(huì)經(jīng)濟(jì)資源的物質(zhì)的和視覺質(zhì)量的直接和間接影響。在對(duì)宏觀層次的城市設(shè)計(jì)舉行評(píng)價(jià)時(shí)，制造高質(zhì)量的城市環(huán)境和柔美的城鄉(xiāng)視野成為重要準(zhǔn)則。包括對(duì)自然山水景觀的組織與通過，視覺特征物的相宜性和可視性，整體高度輪廓和體量的協(xié)調(diào)性，與傳統(tǒng)景觀的協(xié)調(diào)性等等。為應(yīng)用ArcGIS對(duì)炎陵縣的自然地理、人口分布、交通條件等舉行綜合分析作出的城鎮(zhèn)布局。為應(yīng)用ArcGIS對(duì)炎陵縣重點(diǎn)進(jìn)展地區(qū)的用地空間進(jìn)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：建造物與空間。中觀層次城市設(shè)計(jì)內(nèi)容包括用地布局、建造設(shè)計(jì)、交錯(cuò)口與廣場(chǎng)、街道和路網(wǎng)格局、視線走廊、銜接度與整體性、體量與高度、地標(biāo)物、開敞空間和公園、人行道與步行系統(tǒng)的銜接等等內(nèi)容。中觀層次城市設(shè)計(jì)內(nèi)容與城市總體或分區(qū)規(guī)劃相輔相成，不過城市設(shè)計(jì)主要關(guān)注開發(fā)建設(shè)對(duì)自然景觀的物質(zhì)和視覺質(zhì)量的直接和間接影響；人工建筑物的相宜性和視角的關(guān)系；對(duì)光和空氣的穿透性影響；與步行道格局的協(xié)調(diào)性；與城市整體立面輪廓和體量的協(xié)調(diào)性；與地方傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)和對(duì)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(shè)計(jì)內(nèi)容包括建造物的人的尺度、街道陳列、材質(zhì)色彩和紋理、過渡的處理、廣告和標(biāo)志、街道景觀等。微觀層次的城市設(shè)計(jì)與具體規(guī)劃設(shè)計(jì)相輔相成。在對(duì)微觀層次城市設(shè)計(jì)舉行評(píng)價(jià)時(shí)，自然方面主要關(guān)注功能上的相宜性。人造方面關(guān)注街道結(jié)構(gòu)和功能的相宜性，制造好的步行環(huán)境，人的尺度和生活質(zhì)量的提升，空間的制造等。

1.2城市設(shè)計(jì)對(duì)信息技術(shù)的要求

從城市設(shè)計(jì)各層次的內(nèi)容及評(píng)價(jià)原則來看，人與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)，恰當(dāng)?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)劃和建造設(shè)計(jì)因?yàn)槭艿郊夹g(shù)手段的限制，規(guī)劃師和建造師主要是利用二維圖形加空間想象來構(gòu)思和評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)計(jì)劃，僅在舉行建造單體設(shè)計(jì)或很小的群體設(shè)計(jì)中才應(yīng)用三維效果圖，或固定路徑的動(dòng)畫來模擬建成后的空間關(guān)系和視覺效果。眾所周知，傳統(tǒng)的效果渲染需要耗費(fèi)大量時(shí)光和占用大量計(jì)算機(jī)內(nèi)存。因此多計(jì)劃的交互式設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)動(dòng)畫根本不行能舉行。

城市設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)視景仿真需要解決幾個(gè)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，舉行坡度、坡向、高程、填挖、沉沒、視線視域分析。其二，舉行建造密度、容積率、可達(dá)性、緩沖、選址可行性分析，用以評(píng)價(jià)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效果。以上兩項(xiàng)是GIS的典型功能。其三，大面積多單體的迅速三維建模，包括建造物、構(gòu)筑物、城市家俱、廣告牌、樹木、車輛、人物等。普通GIS惟獨(dú)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(duì)象建模與實(shí)時(shí)掃瞄任務(wù)。其四，實(shí)時(shí)虛擬。要能迅速地重繪畫面，包括對(duì)場(chǎng)景對(duì)象、天光背景、動(dòng)畫路徑、視點(diǎn)視角等的轉(zhuǎn)變均能立刻作出反應(yīng)。從理論上說，以上四大問題可以在一個(gè)GIS平臺(tái)或統(tǒng)一的VR系統(tǒng)中得到解決，不過目前這種平臺(tái)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(shè)計(jì)技術(shù)計(jì)劃

2.1虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)集成。無論是GIS還是VR，當(dāng)前國內(nèi)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(jìn)的地理信息系統(tǒng)，不過它的三維建模功能不強(qiáng)，且沒有實(shí)時(shí)虛擬動(dòng)畫的功能。美國Multigen-Paradigm公司的Multigen-Vega是當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)的旗艦軟件，其強(qiáng)大的三維建模工具Creator和虛擬仿真引擎Vega有機(jī)結(jié)合能很好地滿足虛擬城市實(shí)時(shí)動(dòng)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(jīng)有了一個(gè)綜合兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)來解決城市設(shè)計(jì)技術(shù)問題的計(jì)劃。這就是ESRI公司托付Multigen-Paradigm公司開發(fā)了一個(gè)ArcGIS擴(kuò)展模塊SiteBiulder，該模塊使得ArcGIS具備了實(shí)時(shí)動(dòng)畫功能并且能接受Multigen的三維模型。于是我們就有了一個(gè)基于GIS與VR的應(yīng)用于城市設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

2.2系統(tǒng)應(yīng)用步驟。該系統(tǒng)的完整的應(yīng)用包括場(chǎng)景的規(guī)劃設(shè)計(jì)、單體的建造設(shè)計(jì)、三維建模并貼圖、實(shí)時(shí)虛擬動(dòng)畫幾部分內(nèi)容。

2.2.1城市規(guī)劃設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)目標(biāo)，提出社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境方面的要求。按照要求，舉行自然條件、建設(shè)條件等一系列的基礎(chǔ)分析。在分析基礎(chǔ)上完成土地通過、道路交通、建造布局、豎向規(guī)劃、工程設(shè)施等規(guī)劃設(shè)計(jì)計(jì)劃。值得注重的是，以往規(guī)劃設(shè)計(jì)僅用CAD舉行輔助設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)應(yīng)用ArcGIS技術(shù)輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)，緣由有兩個(gè)方面。其一，CAD不具備所要求的空間分析功能；其二，惟獨(dú)ArcGIS主題及主題中的特征才干被引入到SiteBiulder中舉行實(shí)時(shí)動(dòng)畫。

2.2.2建造設(shè)計(jì)。在規(guī)劃布局的基礎(chǔ)上，舉行建造設(shè)計(jì)計(jì)劃。各單體設(shè)計(jì)成績(jī)?nèi)砸云?、立、剖面圖為主。為協(xié)作下階段的Creator三維建模和紋理貼圖，建造師繪制的單體立面效果圖很實(shí)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(chǎng)景中具有相當(dāng)?shù)牧Ⅲw效果。如有須要，某些單體可設(shè)計(jì)出多個(gè)，供虛擬替代計(jì)劃優(yōu)化所用。

2.2.3組織ArcGIS主題。在SiteBiulder三維場(chǎng)景中，各虛擬對(duì)象是以ArcGIS主題來組織并引入的。進(jìn)入三維場(chǎng)景的主要是三維地形、道路、建造、樹木、鋪地和草地。主題中的特征并不要表現(xiàn)對(duì)象的詳細(xì)幾何外形，而只要確定各對(duì)象的詳細(xì)位置。例如用點(diǎn)主題表示建造布局，每棟建造物僅需要一個(gè)點(diǎn)來表示，每個(gè)點(diǎn)代表的建造物的模型被存放在數(shù)據(jù)庫中，徹低相同的建造物如住所只須保存一個(gè)實(shí)例就行了。只要建立起點(diǎn)對(duì)象與建造實(shí)例的關(guān)聯(lián)，則不同的建造物模型都會(huì)被引入場(chǎng)景中。

2.2.4創(chuàng)建三維模型。本虛擬系統(tǒng)采納MultiGen公司的Creator作為三維場(chǎng)景建模工具，它的Open-Flight采納樹狀層次結(jié)構(gòu)來組織管理場(chǎng)景數(shù)據(jù)。城市設(shè)計(jì)所涉及的場(chǎng)地中的模型包括天空、地面、單體建造、構(gòu)造物、樹木、街道陳列物、廣告牌等等，建模工作量巨大。因此在建立模型之前，應(yīng)按照?qǐng)鼍爸忻總€(gè)實(shí)體的幾何空間位置以及模型內(nèi)部與模型之間的互相關(guān)系，確定虛擬場(chǎng)景中全部單體模型的層次歸屬，以有利于模型的修改、調(diào)用。三維模型并非越細(xì)越好。我們要在幾何真切與紋理真切之間取得某種協(xié)調(diào)。適當(dāng)?shù)貏澐謳缀蚊婧皖A(yù)備適當(dāng)辨別率的圖片是建造虛擬的關(guān)鍵。

2.3.5創(chuàng)建虛擬動(dòng)畫場(chǎng)景。起動(dòng)ArcGIS及其擴(kuò)展模塊SiteBiulder，將模型庫中的各模型實(shí)例與主題中的各特征建立起聯(lián)系，各虛擬對(duì)象將依各自的空間位置展現(xiàn)在三維場(chǎng)景中。SiteBiul-der有一套自己的菜單和工具，完成實(shí)時(shí)動(dòng)畫。

3、新建校內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用實(shí)例

某中學(xué)新建校內(nèi)臨城市主次干道之一角，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是在規(guī)劃計(jì)劃和單體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上舉行的。首先，應(yīng)用ArcGIS按照等高線建立原始地形的數(shù)字高程模型在充分結(jié)合地形、削減填挖量的原則下舉行多計(jì)劃的豎向規(guī)劃設(shè)計(jì)，為建造基地和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地預(yù)備合適高程的臺(tái)地。隨后，應(yīng)用Creator建立各虛擬對(duì)象