城市仿真系统关键问题研究

城市仿真系统关键问题研究

方　浩　廖启鹏　李待宾

【摘要】把虚拟现实技术引入城市规划领域的城市仿真，已经在国内外的许多方面都得到了应用。它的许多特性，例如灵活的人机交互性，真实建筑空间感、大面积三维地形仿真等特性，已经给城市规划领域带来了巨大的变革。在城市仿真系统中，如何应对在交互式漫游中实时渲染与仿真真实感之间的冲突是一个关键的问题。本文针对这一问题展开研究，具体地分析了在城市仿真中实时渲染所涉及问题的因素，并提出解决此问题的方法，以达到基于多尺度变换基础上的仿真真实感与实时渲染之间的平衡。

【关键词】城市仿真　实时渲染　多尺度变换

1.引　　言

城市仿真(Urban Simulation)就是将“虚拟现实”技术应用在城市规划、建筑设计等领域，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。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。

在城市仿真(Urban Simulation)中，有一些关键性问题需要解决，首先是真实场景的生成问题;其次是实时显示问题。所谓大规模或大范围的城市仿真的实时视景生成和显示问题，主要是指当三维实时仿真模型的数据量大到一定程度时，而在硬件(CPU、图形处理器)处理能力有限的情况下，如何实现视景的实时生成和显示，如图1所示。

图1

2.实时视景生成和渲染研究

2.1　真实感场景生成研究

城市建模是城市仿真中最重要的研究领域之一。要在计算机中模拟现实世界，就必须建成在外形、光照、质感等各方面都与真实对象相似的对象模型。城市仿真三维建模主要包括三维视觉建模。目前实时三维仿真的建模方法主要有:基于三维几何造型(图形)的建模方法、基于图像的建模方法和基于数字摄影测量的建模方法^［1］。

2.1.1　基于三维几何造型(图形)的建模方法

这种建模方法是通过一些基本的造型元素构筑环境和物体的三维形体轮廓，然后给环境和物体的形体轮廓赋予材质和纹理，再配置灯光等，便构成可供实时仿真驱动的三维模型，如图2所示。

(1)在城市仿真建模中，静态对象的几何模型所表示的内容包括以下几点。

·对象的几何形状及其属性。

几何形状可以用点、直线或多边形图形、曲线、曲面方程等方法来表示。但出于对计算机存储和计算开销的综合考虑，一般都采用点、直线或多边形图形表示。几何形状的各种属性，例如颜色、质地等可以直接在描述对象几何形状的多边形里添加。

·对象在整个场景中的坐标位置。

一个大的场景是由许多各种不同的对象构成的，每个具体对象应该有自己的坐标位置。坐标位置建立了场景中各个模型互相连接关系。这样，就能方便地把所感兴趣的对象独立出来，单独对它进行修改，然后再把它集成进整个场景中。

·对象需要说明的属性信息。

图2

这些属性信息不一定与对象的几何形状有关，例如对象的名字、对象的特点等。

(2)几何模型建模要求。

在城市仿真建模中，对模型主要有下面几个要求:

·模型精确性。

模型的精确性是指模型要能精确地反映出原型的基本特征。例如，楼房的模型与实际楼房在外形尺寸、外表纹理等方面的差异要控制在一个可以接受的范围之内。

·模型简要性。

模型的简要性是指模型在描述原型的基本特征时，要对原型作某种简化，突出其主要部分，略去次要部分，集中反映原型最本质的特征，或者反映人们最感兴趣的部分。

·建模综合考虑。

建模时，应先考虑模型的简要性，然后再逐步细化，构造出一个精确模型。第一步是建立概略模型，反映原型的整体特征。原型越复杂，越需要从整体上把握，概略模型越重要。概略模型一般把复杂的原型分成几个简单的主要部分，使人们从总体上了解整个原型的结构。每个部分可以看做是一个子模型。第二步是对子模型建模，同样可以对子系统进一步分解，分析子模型由哪几个部件组成。第三步是综合模型，子模型确立以后，可以根据系统概略模型的结构把子模型综合为原型的总体精确模型。

(3)建模原则与工作流程。

建造模型时，要明确建模的目的和要求。一般来说，模型的建造要遵循两条最基本原则:第一，数据的可靠性。在城市仿真建模时，要求不但要收集到最新的、准确的资料信息，而且要到实地进行考察。第二，模型必须与原型具有某种程度的相似性，这就是相似性原理，它是建模的基础。模型建好后，还应该反复验证，直到满意为止。

建造模型的首要工作是收集模型的数据资料，同时为了数据准确可靠和数据的全面起见，还应该到实地去考察。并确定应建造模型种类、数量、位置以及对应名称，根据物体尺寸建造几何模型。几何模型建完后，还应该对所采集的纹理做适当的加工处理，然后根据实际情况对几何模型进行纹理映射。从而得出初步的模型，接着要把初步模型加入仿真系统进行验证，直到确认模型符合实际要求后，才成立最终模型。

2.1.2　基于图像的建模方法

采用几何模型的实时动态显示技术有许多优点，主要是观察点和观察方向可以随意改变，不受限制。但是，三维场景的造型过程比较繁琐、工作量大;而且每一个观察点或观察方向都需要进行复杂的成像计算。因此，近几年来的新研究热点是直接用图像来实现复杂环境的实时动态显示。目前，基于此原理的相关技术主要有两种:图像镶嵌(Mosaic)技术和图像插值及视图变换技术^［2］。

图像镶嵌(Mosaic)技术首先需要在三维场景中选定某一观察点(即视点)设置摄像机，然后在场景中每旋转一定的角度，便摄入一幅图像，并将它们存储在计算机中;接着便是在此基础上实现图像的拼接，即将物体空间中同一点在相临图像中对应的像素点对准;最后，对拼接好的图像实行切割及压缩存储，从而形成关于这一场景的全景图。用户从存储介质中调出全景图即可形成对三维复杂场景的漫游。这种方法的优点是可以直接由摄像机获取三维场景，而无需再进行繁琐的几何造型。其缺点是场景本身必须是静态的，而且只能在所设定的观察点位置上对三维场景进行漫游。如果要换一个观察点，就必须再重新摄取一组图像后，才能构成新视点下的全景图。另外，此种技术还需要预留出较大的存储空间来保存图像信息。

为了解决图形镶嵌技术中只能在原图像摄取点进行漫游这一问题，目前正在研究如何在不同图像之间进行插值或在不同视图中进行插值，以生成新的视图的方法。其基本思路是:在不同的观察点取得三维场景或某一物体的多幅图像，交互地给出或自动求出每两幅图像之间的对应点，再用图像插值或视图变换的方法求出该物体对应于其他观察点的图像。

采用图像插值及视图变换技术进行实时动态显示，基本上解决了多视点漫游的需求，但是它也仍然存在不少问题需要进一步研究。例如:如何确定在不同的已知图像中同一物体的对应点，并找到它所求图像中的位置;如何解决图像插值时可能出现的空间或物体重叠;以及如何在所求图像中正确反映出物体之间的前后关系等。

可以将基于图像的建模方法和基于三维几何造型的建模方法结合起来，用于规划和建筑设计方案的研究，尤其特别适用于旧城改造中某些关键建筑物的复原或改造方案的研究。基本方法是:先用三维几何造型方法建立旧城中某关键建筑物的三维几何模型，再用基于图像的建模方法建立周边环境的图像模型，在建立周边环境图像模型的相同视点上对关键建筑物的三维几何模型进行渲染，将生成的建筑物图像叠加到周边环境的图像模型上，观察规划建筑物与周边环境的协调。

2.1.3　基于数字摄影测量的建模方法

这种建模方法的特点是其建筑物模型的坐标、体量、高度信息从航空航天影像及地形图提取，地物信息准确，而且，结合地面高程模型数据(DEM)，其可模拟大范围的地形地貌仿真^［3］，依靠测绘遥感技术可以比较方便地实现地形坡度分析、可视域分析、洪水淹没分析等功能。这种三维仿真技术大多用于大面积的现状仿真，地面纹理多以地面高程模型叠加航片实现，其缺点是对建筑物和环境的细节表现能力非常有限，在环境光影特效、纹理处理等方面功能都很薄弱，如图3所示。

图3

综上所述，应该说目前在三维视景仿真的建模中，往往采用牺牲场景复杂度的方法来换取快速的交互成像。但是从长远来看，除了从软件算法上着手外，硬件技术的潜在能力也有待进一步挖掘。

2.2　真实感场景实时渲染研究

在城市仿真中，场景的真实感是最为关键的一个因素。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。如何在最大限度保证场景真实感的前提下，进行实时渲染一直是城市仿真中一个关键问题。

三维实时仿真模型的数据量一般用多边形的数量(有时加上纹理数据量)来表示，模型的数据量非常巨大。在硬件(CPU、图形处理器)确定的情况下，选择合适的软件算法来降低场景的复杂度(即降低图形系统处理的多边形数目)是关键。目前，用于降低场景的复杂度以提高三维场景动态显示速度的常用方法有场景分块、可见性判断和消隐、实例技术、细节层次模型(Level of Detail)和纹理映射技术。

2.2.1　场景减少渲染方法

(1)场景分块。

场景分块的方法是指把一个复杂的场景划分为多个相互之间几乎或完全不可见的子场景。这样做系统就能大量地减少在任一时刻需要显示的多边形数目，从而有效地降低可视场景复杂度。但是，这种方法的缺点是它仅对封闭空间有效，对开放空间就难以处理了。

(2)可见消隐。

可见消隐方法是指系统仅显示用户当前能“看见”的场景。它与场景分块方法有所不同:场景分块方法仅与用户所处的场景位置有关，而可见消隐方法则与用户的视点关系密切。使用这种方法，当用户“看到”的场景较为简单或很少时，将大大减少所需显示的多边形数目，有效地降低场景的复杂度，但是一旦用户“看见”的场景比较复杂时，这种方法就不起作用了。体现这种方法的有四叉树算法和八叉树算法。

(3)实例技术。

当三维复杂模型中具有多个几何形状相同但位置不同的物体时，可以采用内存实例的方法，相同的模型只在内存中存放一份实例，将一个模型进行改变之后就可以得到所有相同结构的模型，因而大大地节约了内存空间。

2.2.2　细节层次模型(Level of Detail)

细节层次模型就是为每个物体建立多个相似的模型，不同模型对物体的细节描述不同。对物体细节的选择越精确，模型也就越复杂。城市仿真系统将根据物体在屏幕上所占区域的大小及用户视点等因素自动为各物体选择不同细节层次的模型，从而减少所需显示的多边形数目。有了物体的细节层次模型之后，如何选择物体当前的细节层次描述呢?这需要进行不同细节层次模型的切换。根据人的视觉特性，主要依据以下标准:

·根据物体与视点的距离。

·根据物体在投影平面所占空间的大小(即物体在屏幕上所占像素的大小)。

·根据物体与视线方向的夹角。

·根据人与物体是否存在相对运动。

在建立细节层次模型中，较好的方法是利用变换域的方法，比如使用在建立多分辨率模型方面比较好的小波变换方法，已经提出基于小波分析理论的虚拟现实场景中的图像处理方法，旨在对用于景物表面的纹理贴图或背景图像进行小波分解，在量化编码中以视点与图像的距离作为量度，选取一系列不同的阈值对图像进行压缩处理，从而得到一系列不同质量的图像，然后在虚拟现实场景中根据视点与景物的距离调用不同级的图像文件^［4］。此方法对于降低系统负荷，提高图像的实时显示速度有一定的价值。

2.2.3　纹理映射技术

纹理映射就是将二维的纹理映射到三维的物体表面，模拟物体表面细节和光照。纹理映射给城市仿真带来了许多好处。环境模型中的图形仅有体和面的几何结构，是不能产生仿真环境的真实感觉(如地理、几何结构只体现其范围、海拔高度、山脉走向等线条框架)的，还需对其表面进行处理即加表面反射和纹理。目前图形硬件允许二维图像位图上的像素值加到三维实体模型的对应顶点上，以增强图像的真实感;同时为了达到绘制实时，也可以通过用简化的、带有法向映射的三角形模型来逼近原始复杂模型再进行纹理映射，这有比较好的效果^［5］。

总而言之，使用纹理映射技术有以下优点:

·增加了细节水平及景物的真实感。

·由于透视交换，纹理提供了良好的三维线素。

·纹理大大减少了环境模型的多边形数目，提高图形显示的刷新频率，如图4所示。

图4

3.结　束　语

各种模型生成与优化技术，都有其针对性，需要根据模型的具体情况和特点、仿真表现的侧重点不同来选择相应的优化方法。在城市仿真中，需要各种方法的结合使用，特别是要注意计算机图形图像方面的最新进展，尤其是细节层次模型和纹理映射技术，对于提高模型(尤其是大数据量模型)的实时生成效率，具有较明显的效果，很值得研究和总结。

【参考文献】

［1］邹杰，邹峥嵘，周春艳，丁孝兵，历华.大范围城市VR仿真系统的研究与实现［J］.系统仿真学报，Vol.18，No.8，August2006:142～145

［2］Ji Zhen，Li Qi，Zhang Jihong.IMAGE PANORAM ICMOSA ICINGWITH GLOBAL AND LOCAL REGISTRATION.Transactions of Nanjing University of Aeronaut ics ＆ Ast ronaut ics，Vo l.18.No.1，pp.68-74

［3］刘建永，王源，陆云，许继恒.多分辨率地形模型动态构建与实时显示研究［J］.系统仿真学报，Vol.16，No.4，April 2004:754～756

［4］蒋亚军，朱理，邹北骥，邹昊.基于小波变换的虚拟现实场景中的图像处理［J］.武汉大学学报(工学版)Vol.36，No.3，2003:99～101，128

［5］张华琪，王毅刚.基于法向映射的复杂模型的实时绘制技术［J］.系统仿真学报，Vol.15 No.3，March 2003:343～346