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    三維虛擬仿真技術和應用

    2015/9/23??????點擊:

    1. 概述

      三維虛擬仿真平台旨在建設一個具有大範圍的海量城市數據一體化管理、無縫三維實時漫遊,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爲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、産業和經濟的制高點之一。爲了加速城市的發展,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後的手工操作方式,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、相對獨立地和非標准地管理模式,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爲核心,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,並且制作周期長。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,隨著空間範圍的擴大,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、需要准確定位等特點,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,使之産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. 虚拟城市与仿真技術發展

      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、台北、深圳、廣州、南海、廈門市等也正在積很籌建之中。普遍認爲,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,主要爲城市服務。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*早主要应用在军事领域,从国内近几年来的發展情况,三维虛擬仿真技術在国内外快速發展,目前国内已有多家公司開發出城市仿真应用平台,已在城市设计和决策中得到很好的应用,同时积累了一批优秀的三维虛擬仿真開發技術人才,北京利来w66国际平台公司就是一個專門研究三維虛擬仿真软件,硬件的公司,并取得了突出的成绩。

      2.1 三维仿真技術

      虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)

      是用计算机生成逼真的三维视、听、触觉等感觉,使人能通过适当装置对虚拟世界进行交互式体验。70年代Even & Sutherland公司引入计算机作为场景图像生成设备發展出计算机虚拟现实。Silicon Graphic Inc.公司制定了開發图形系统的运用程序标准OpenGL,同时为视景仿真实时漫游提供了一套Performer。Multigen-Paradigm、Coryphaeus等软件均以Performer为基础,进行二次開發。*初的仿真主要用于飞行模拟。 

      城市仿真(Urban Simulation)

      是虛擬現實技術应用于城市的一种视景仿真(Visual Simulation 简称VisSim)。城市仿真具备几个特点:其一是良好的交互性,提供了任意角度、速度的漫游方式,可以快速替换不同的建筑;其二是形象直观,为专业人士和非专业人士之间提供了沟通的渠道;其三由于采用数字化手段,其维护和更新变得比较容易。仿真系统可利用地理信息系统(GIS)的数据生成三维地形模型,再利用卫星影像和航空影像作为真实的纹理贴图,充分展示了城市仿真与GIS的结合。 
     2.2 国外城市仿真主要实例

      虚拟洛杉矶(Virtual Los Angeles) 

     


      是美国加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)始于1994年的一个科研与运用相结合的项目,计划覆盖面积超过10,000平方英里,是当今城市仿真系统中*成功*为复杂的系统。视景包括从洛杉矶盆地的卫星影像到街道景观,准确到植物、建筑物的窗口、外墙的纹理等。其中洛杉矶大学医院的仿真详细到可以对建筑内部的每一个层面进行漫游,用鼠标点击墙面或天花板就能得到平面设计图及相应的属性数据,实现了在仿真中对GIS、CAD及对象属性的实时查询。该系统作为城市规划和建设的重要手段,在加州Pico Union区地震破坏的重建中得到应用。设计人员通过仿真模型和地理信息数据来确定毁坏的建筑物数量以及需要改造的街道、绿地、房屋等,对重建城区进行规划设计,再将新数据存入该系统,实现了信息系统的良性循环。

      费城城市模型(ModelCity Philadelphia)

     


      由美国Bentley公司利用MicroStation和MasterPiece软件以及自我開發的软件工具于1996年开始制作,已完成费城中心区35个街区。该项目主要特点是将整个费城的模型以VRML数据格式,通过Internet网让任何人可以享受到实时费城旅游的体验。城市设计人员和建筑师通过Internet浏览器对城市三维景观进行直接的漫游,可以对真实的城市景观进行分析,获得准确的土地和建筑结构方面的资料信息,解决了在委托设计项目时缺乏资料的问题。费城模型同时提供准确可视的三维地下管线系统,方便城市地下管网系统的维护和更新,因此获得美国建筑师学会(AIA)高度评价。

      2.3 三维仿真和其他展示方式的比较

      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,産生平滑連續的運動,並以一定的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,並馬上看到結果。如:飛行訓練、影視遊戲和交互建築演示。

    3. 三维仿真平台功能特点

      三維虛擬仿真平台旨在建設一個具有大範圍的海量城市數據一體化管理、無縫三維實時漫遊,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台具有獨特的特性和強有力的可擴展性能,使用了利来w66国际平台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 顶级三维游戏的视觉享受

      精美的三維場景 
      光影效果 
      多種氣候條件(白天、夜晚、雲、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 灵活的人机交互

      任何位置/任意角度觀察場景; 
      多種運動方式隨時切換
     。ㄐ凶摺Ⅰ{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、彙報) 
      整個交互過程可以記錄爲動畫保存。

      3.3 强大的可擴展性

      區域類型擴展
      建築內/外景;
      小區/街道;
      城區;
      大面積野外場景。
     。ú捎脛討B內存管理,甚至可以模擬整個數字地球。
      地域覆蓋範圍從小至大 

       顯示方案擴展
      單PC顯示;
      PC Cluster + 投影系统;
      SGI Onyx + 投影系统;
      立体显示 / 无缝拼接选项.
      特定类型的应用擴展 
      应用领域擴展

      国土资源局/城市规划部门 / 建筑设计单位;
      房地産公司——展示/銷售、項目評估和報批;
      园区规划、管理及展示,開發区招商;
      文物/古迹的展示、複原、保護部門;

    4. 三维仿真平台性能指标

      4.1 数据要求

      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 场景编辑

      數據資料采集,包括科學城各棟房屋建築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,以符合建模標准; 
      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,主要包括建築物、路面、河流、路燈、花壇等; 
      可以对地形、模型、二维矢量数据、注记、场景贴图、环境、光源、模型贴图、动态贴图 、摄像机等进行编辑处理,生成三维场景;并整体实现模型优化和拼凑。 
      支持模型庫和貼圖庫管理。

      4.3 实时浏览和可视化

      實時浏覽三維場景。 
      矢量數據的三維可視化表現。 
      支持行走,駕駛,飛行,UFO等多種浏覽方式。 
      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遊,漫遊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遊到室內漫遊的無縫切換。

      4.4 数据管理和数据查询

      属性数据支持(支持Access、SQL Server、Oracle数据库等)和属性数据查询。 
      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 跨平台

      Windows操作系統。 
      其它操作系統。 

      4.6 支持多种格式输出

      支持生成高分辨率屏幕圖。 
      可以將實時浏覽結果輸出成AVI和影像序列。

      4.7 面向对象的管理方式

      實現場景及路徑漫遊方式的編輯。

      4.8 特效模拟方式的支持

      可以對環境進行設置,包括雲、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. 虚拟城市应用展示

      虛擬現實實時浏覽平台可以對虛擬場景實現交互式的全方位漫遊,三維數字景象和模型將複雜的數據進行可視化處理和顯示,爲客戶帶來的大視景,高沈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。