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城市仿真概述 | |||
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一、什么是“城市仿真”(Urban Simulation) 城市仿真(Urban Simulation)对大多数人来说，还是一个比较陌生的概念。简单来说，“城市仿真”就是将“虚拟现实”技术应用在城市规划、建筑设计等领域。近几年，城市仿真在国内外已经得到了越来越多的应用，其前所未有的人机交互性、真实建筑空间感、大面积三维地形仿真等特性，都是传统方式所无法比拟的。
需要说明的是，真正的虚拟现实，除了应用软件和计算机外，还需要借助一定的硬件设备，如大视角投影系统、数据头盔、位置跟踪器、立体眼镜、数据手套等，来实现真正沉浸式环境中的人机交互体验。而“城市仿真”既可以显示在大型虚拟现实系统中，如PowerWall，也可以显示在一般的计算机显示器上，并不一定要求有“沉浸感”(Immersive)。 城市仿真技术的特点为：交互式实时三维(Interactive Realtime 3D)。“交互式”即指人机互动——人有输入，机器立即有相应的输出；“实时”是“在当时立即发生”。三维就不用多说了。“实时三维”要求计算机在仿真程序运行时要有30－60Hz的图形更新率，也就是说，将当前三维场景渲染为一幅画面的时间仅在0.03-0.16秒。这是什么概念呢？想一想动画软件渲染出一幅图需要多长时间吧！ 这对机器的硬件提出了非常高的要求，特别是其图形显示能力。以往虚拟现实应用只能在SGI高端图形系统的基础上实现，但近年来，随着PC机计算能力、图形显示能力的迅猛提升，高端的NT图形工作站已基本能够满足要求。从另一角度，当机器图形显示能力既定时，则需要考虑当前三维场景的复杂程度和优化程度。从经验而言，当前最顶级的WindowsNT图形工作站，当前屏可显示的多边形数一般在8－15万。 二、与传统方法的比较 传统的建筑设计/表现方法基本包括以下4种：人工手绘、建筑微缩模型、建筑效果图、建筑动画。其中，人工手绘（或非真实渲染-NPR）只是偶尔作为点缀用在早期的概念设计中。建筑效果图、建筑动画、建筑模型是目前广泛采用的三种方式。由于其市场的成熟，单做其中某一个或几个方面即可支撑一个中型公司(100人以下)的发展。在这方面，水晶石公司(效果图/动画)、斯伟、建境（建筑模型）比较有代表性。 这三种方法虽然流行，但它们各自的不足还是很明显的。制作建筑微缩模型需要经过大比例尺缩小，因此只能获得建筑的鸟瞰形象，无法以正常人的视角来感受建筑空间，无法获得在未来建筑中人的真正感受；常用的效果图表现也只能提供静态局部的视觉体验；三维动画虽然有较强的动态三维表现力，但不具备实时的交互性，人是被动的，而且对方案的修改以及观察路线的变化需要重新计算，几天甚至几周后才能看到结果。 而在城市仿真应用中，人们能够在一个虚拟的三维环境中，用动态交互的方式对未来的建筑或城区进行身临其境的全方位的审视：可以从任意角度、距离和精细程度观察场景；可以选择并自由切换多种运动模式，如：行走、驾驶、飞翔等，并可以自由控制浏览的路线。而且，在漫游过程中，还可以实现多种设计方案、多种环境效果的实时切换比较。这是传统的建筑效果图和预渲染回放的三维动画所无法达到的。 三、城市仿真技术的重点 1、在一定软硬件的基础之上，创建尽可能真实的场景 在城市仿真中，场景的真实感是最为关键一个一个因素。而如前面已提到过的，由于实时三维渲染的要求及硬件显示能力的限制，场景的复杂程度不能太高。同时，由于实时仿真技术的限制，一些比较费时的渲染选项，如动态阴影、Bump map等实现起来还有一定困难。这些都会直接影响场景的真实感。
在硬件渲染能力的限制下，为创建尽可能真实的场景，一方面需要发掘各种软件的功能，进行优化组合；另一方面，要发展更为高级的算法，如程序几何（Procedural Geometry）和分形算法（Fractal Mathematics）。但“发展算法”不是一件简单的事，非个人所能为，只能是由某家公司（如BlueBerry 3D－http://www.blueberry3d.com）开发出相应的软件，我们再来应用。 所以，从一般的制作者而言，要创建真实场景还是在于充分利用各种已存在的软件工具。从实际的开发经验来看，主要有以下几种软件： 主创软件：
MultiGen-Paradigm公司的Creator建模平台是所有实时三维建模软件中的佼佼者，它的数据库格式OpenFlight已成为仿真领域事实上的业界标准，它在专业市场的占有率高达80% 以上，是虚拟现实/仿真业界的首选产品。Creator是一个功能强大、交互的三维建模工具。在它所提供的“所见即所得”(WYSIWYG)建模环境中，你可以建立你所期望的、优化的三维模型。
纹理处理软件Photoshop：由于模型精细程度的限制，场景的真实感很大程度上要靠纹理来体现。在城市仿真中，纹理占据着非常重要的地位。
Vega是MultiGen-Paradigm公司应用于实时视景仿真、声音仿真、虚拟现实及其他可视化领域的世界领先的软件环境。Vega和其他同类型软件的相比较，除了其强大的功能外，它的LynX图形用户界面是独一无二的。在Vega的LynX图形用户界面中只需利用鼠标点击就可配置/驱动图形，在一般的城市仿真应用中，几乎不用编任何源代码就可以实现三维场景漫游。 同时，Vega还包括完整的C语言应用程序接口API，在NT下以VC6.0为开发环境，以满足软件开发人员要求的最大限度的灵活性和功能定制。
辅助软件：
在项目之初，就要详细规划、分配任务，根据任务思考如何充分利用上述各种软件达到最终效果！除了从这几个方面着手以外，我们所能期待的就只能是计算机硬件显卡能力的迅速提高了。 2、在三维漫游的基础之上，开拓新功能 不满足于仅仅简单的三维场景漫游，在此基础之上进行人机互动效果的开发，并和用户应用紧密结合！如在Vega/VC下开发数据库点击查询、三维/二维结合、多媒体结合、3D GIS(地理信息系统)等！ 四、城市仿真应用实例 1、美国UCLA城市仿真小组（http://www.ust.ucla.edu/ustweb/ust.html） 这是世界上最为著名的城市仿真小组，从90年代中期开始城市仿真研究，致力于“虚拟洛杉矶”项目。至今已成功完成十多个城市仿真项目。应用软件：Multigen Creator/Vega
2、深圳规划国土局 致力于深圳中心区仿真。应用软件：Multigen Creator/Vega
3、福建漳州市九龙江西溪综合整治规划设计 设计单位：上海市政工程设计研究院。应用软件：Multigen Creator/Vega开发：赛四达公司
五、结语 以上只是对城市仿真一个概念性的描述，今后将对整个城市仿真的开发过程及相关技术做详细的描述。计算机图形学的发展必将越来越以“人”为中心，而虚拟现实/视景仿真技术是最为贴近我们现实生活的一种方式。随着软硬件技术的迅猛发展，它将成为三维计算机图形发展的一个必然方向和最终的集大成者。 |
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