数字城市解决方案

1、中视典数字科技 城市规划虚拟仿真系统解决方案打造世界级的三维互动平台软件，提供高品质的虚拟仿真解决方案 中视典数字科技有限公司2006年10月 目录第 一 部分 中视典数字科技简介.4第 二 部分 虚拟现实技术简介 .5第 三 部分 虚拟现实技术的重要技术特征 6第 四 部分 数字城市国内外发展现状和趋势 .6第 五 部分 虚拟现实技术在城市规划中的应用.8第 六 部分 在数字城市中一些仿真系统基本常用命令和名称解释.10第 七 部分 VR-Platform应用在数字城市规划系统功能13第 八 部分 三维虚拟数字城市拟解决的技术难点以及主要创新点.28第 九 部分 数字城市的实施方法.32第

2、十 部分 本系统采用的关键技术.34第十一部分 项目的技术特性及实现可行性. .40第十二部分 数字城市规划带来的经济效益. .41第十三部分 数字城市带来的社会作用.42 引言 为什么许多城市都在建立数字城市的数字规划篇？ 为什么许多城市已经建成城市规划馆？ 为什么国家决定建立100个数字城市？ 每个知名的城市、有着丰富历史内涵的城市、招商引资的重点城市都非常注重各自城市规划的合理性。上海、宁波、苏州等一些全国投资的热点城市几乎全部有自己城市的规划馆，为什么呢？就是因为他们的政府看到了一个好的规划蓝图、一个好的规划展示馆可以给一个城市在招商引资、提升城市形象、架起良好的沟通桥梁、提高政府工作

3、的透明度等方面起到十分明显的提升功能。也由于城市规划的关联性和前瞻性要求很高，城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一。正是因为政府看到了可视化技术为城市的可持续发展带来的巨大的经济和社会效益，所以中国政府已经明确的提出要建立100个数字城市。城市规划的三维实时仿真多媒体演示必将在国家重点发展的数字化信息化研究及正在兴起的数字城市的建设、数字社区多维信息可视化研究方面得到广泛应用。凯信国际提供的这套城市规划可视化审批方案是结合了凯信国际在虚拟现实领域软硬件技术优势和凯信国际在城市规划行业应用的成熟性。这套数字北京数字城市规划管理系统为北京带来以下价值1、 避免规划中出现的设计问题

4、，节约大量资金2、 可以为大型项目前期规划使用，一次性投入带来长期经济和社会效益3、 可携带的演示条件，为招商引资带来机会4、 城市整体美好蓝图的全方位展现，为投资者带来信心，增加投资机会5、 城市整体规划的可视化和公示化，增加政府工作的透明度和可信度6、 提升城市的整体形象，增加旅游收入7、 走在全国城市规划建设的前列，起到很好的示范作用8、 体现榆林是中国新能源基地、东方“科威特”的新城市形象随着全球知识经济的兴起，信息产业正以前所未有的速度蓬勃发展，上至政府、军队，下到各企事业单位都开始重视信息技术的创新研究和长远发展，并已经或准备给予大量的投入。而作为信息技术发展重要驱动力的“虚拟现实

5、”技术，也随之成为人们关注的热点之一。 什么是“虚拟现实”？“虚拟现实”即Virtual Reality，简称VR，是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界进行浏览和交互考察。由于其独有的多感知性、沉浸感、交互性及自主性，虚拟现实技术已经广泛应用于航天、军事、医疗，教育甚至游戏领域。由于城市规划的关联性和前瞻性要求很高，城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一。从总体规划到城市设计，在规划的各个阶段，通过对现状和未来的描绘（身临其境的城市感受、实时景观分析、建筑高度控制、多方案城市

6、空间比较等），为改善人居生活环境，以及形成各具特色的城市风格提供了强有力的支持。规划决策者、规划设计者、城市建设管理者以及公众，在城市规划中扮演不同的角色，有效的合作是保证城市规划最终成功的前提。VR技术为这种合作提供了理想的桥梁，运用VR技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图，这样决策者的宏观决策将成为城市规划更有机的组成部分，公众的参与也能真正得以实现。这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。 一、中视典数字科技简介中视典数字科技有限公司，由海仕通投资有限公司投资建立，总部注册

7、于深圳高新技术园区，成立于2002年，北京分公司成立于2005年1月。是从事虚拟现实软件开发、虚拟现实硬件集成、多媒体技术、三维动画研究与开发的专业机构，是国际领先的虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）整体解决方案供应商和相关服务提供商。本公司是专业从事虚拟现实软硬件和计算机图形图像研究与开发的高新科技企业，是国内较早可提供虚拟可视化技术解决方案的开发商和服务商之一。公司在自主技术平台上所开发的地产仿真系统、城市规划仿真系统和工业仿真系统在国际同行业中处于领先地位。2002年，本公司与中科院遥感所合作，成功开发出国内第一个数字地球原型系统，使地球上的地理资源、生

8、态环境、人口统计、军事信息、社会经济活动、灾情灾害预测等复杂信息数字化，可以让人们在有准确坐标，时间和对象属性的多维虚拟地球环境中，进行规划、科学研究、决策管理。该系统为数字地球的研究工作提供了一个可操作的虚拟平台，已经在能源、灾害、数字城市、数字战场等各个方面的研究提供服务，该系统在国家重点项目数字奥运仿真中发挥了重要的作用。 2004年， 经过长达三年的潜心研发，我公司运用世界领先的图形图象和硬件技术，对数字城市、建筑规划、工业仿真的核心技术虚拟现实技术整体解决方案进行研究，成功开发出拥有自主知识产权的三维互动平台软件VR-Platform，并获得国家著作权登记。该平台产品自从问世以来，一

9、举突破该领域被国外软件所垄断的局面，以其极高的性价比获得国内广大客户的喜爱，已经成为目前国内使用最为广泛的一款国产VR平台软件。二、虚拟现实技术简介虚拟现实技术（VirtualReality），又称灵境技术，是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。它以模拟方式

10、为使用者, 在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中, 使设计者可以深入探索、参与者可以直接参与虚拟对象在所处环境中的作用和变化, 仿佛置身于一个虚拟的世界中, 产生融合性。从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。三、虚拟现实技术的重要技术特征虚拟现实的定义可以归纳如下：虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境（如一栋大楼、一个城市等），通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实技术因此具有以下四个重要

11、特征：3.1多感知性 所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。3.2存在感又称临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。3.3交互性交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。3.4自主性是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到

12、力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。四、数字城市国内外发展现状和趋势4.1、国外发展现状：美国副总统戈尔继在1998年1月提出“数字地球”的概念后，同年9月又提出了“数字化舒适社区建设”，即数字城市建设的倡议。“数字城市”是综合运用GIS、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术对城市的基础设施、功能机制进行信息自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统；它具有城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等复杂系统的数字化、网络化、虚拟仿真，优化决策支持和可视化表现等强大功能。它是由UGIS WEB UGIS COM UGIS VR UGIS CYBER UGIS发

13、展而成的，具有UGIS的全部功能，但功能更强、更丰富，它与其前身-城市地理信息系统的主要区别在于对城市有关数据能够自动采集、处理分析、传输分发、自动或半自动智能决策，可直接为社会公众提供便利的信息服务。事实上，一些发达国家在五年前就开始了智能大厦、数字家庭、数字社区和数字城市的实验。新加坡首先提出了智能城市的设想，并在积极进行中。美国与日本等已分别建成一批智能化生活小区（数字社区）的示范工程，美国约有50个城市正在打算建设“数字城市”。4.2、国内发展情况自80年代中期以来，我国许多城市就已经开始应用“城市规划管理信息系统”，进入90年代，随着GIS(地理信息系统)、MIS(计算机管理信息系统

14、)、OA(办公自动化)技术的推广和应用，更多的城市已开始将计算机技术应用到城市规划管理与设计中。目前，我国已将数字城市的相关技术平台软件研制列入国家“九五”和“十五”863计划的重中之重项目，将“数字城市”项目列入国家“十五”重大科技攻关项目，将数字城市信息系统软件产业发展作为我国软件产业发展的首要产业。但与发达国家相比，我国数字城市起步较晚，从国内数字城市发展阶段的状况来看，我国处于四个阶段并举的局面。相对而言，通讯基础设施的进展速度比较快，政府和企业内部信息化的进展比较缓慢，且水平参差不齐；政府、企业互联互通刚刚起步、企业信息间的互联互通更需发展和提高。以政府网站为例，比之全国3、4万个市

15、、县、镇政府的总量来说，现已上网的不足3000个政府网站仅占到10%弱。数字城市的研究在我国虽然刚起步，但已经出现了很强的发展势头。上海市已率先进行城市骨干ATM网的建设，并同时组建IP电话系统、电子商务ICP、电子社区等增值系统，国际远程医疗中心等；深圳、北海等城市均已初步建成覆盖全市区的ATM骨干网络，并正在向数字城市的纵深方向发展。4.3、 三维虚拟数字城市的发展趋势随着计算机及网络技术的飞速发展，数字城市在城市管理和规划中得到越来越多的应用。传统的城市地理信息系统都是在二维空间上进行的，城市管理规划大多数是靠专家凭借经验和感觉来确定的。而相对于传统2维，2.5维的城市地理信息系统，三维

16、虚拟城市系统对客观世界的表达能给人以更真实的感受。它不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系；可以通过数据接口与相关信息系统相结合，随时获取项目的数据资料；它具备对空间对象进行三维空间分析和操作等特有的功能，方便了城市管理规划需要。三维虚拟城市继承了二维地理信息系统的优点，却有效避免了其缺点，成为目前实现“数字城市”的最佳选择。也正是基于这点，目前国内许多省市都开展了三维数字虚拟城市的研究和建设工作。五、虚拟现实技术在城市规划中的应用由于城市规划的关联性和前瞻性要求较高，城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一。从总体规划到城市设计，在规划的各个阶段，

17、通过对现状和未来的描绘（身临其境的城市感受、实时景观分析、建筑高度控制、多方案城市空间比较等），为改善人居生活环境，以及形成各具特色的城市风格提供了强有力的支持。规划决策者、规划设计者、城市建设管理者以及公众，在城市规划中扮演不同的角色，有效的合作是保证城市规划最终成功的前提。VR技术为这种合作提供了理想的桥梁，运用VR技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图，这样决策者的宏观决策将成为城市规划更有机的组成部分，公众的参与也能真正得以实现。这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。 5

18、.1仿真的虚拟环境:类似于时下流行的三维动画，同样是通过强大的三维建模技术建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现”。但是VR技术建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求，属于科学仿真系统；而传统动画的三维场景则是由动画制作人员根据资料或想象绘制而成，与真实的环境和数据有较大的差距，严格意义上来说属于一种演示作品。5.2多方式、运动中感受城市空间：在虚拟现实系统中，可以全方位,多种样式（步行、驱车、飞行、UFO等）,完全由用户自由控制在场景中漫游。VR技术与传统的三维动画最根本的区别就是：传统动画的观察路径都是预先设定好的，用户只能按照事先设

19、定的路径浏览场景；而VR技术可以由用户在三维场景中任意漫游，人机交互，甚至还可以使用专用的头盔把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来，产生一种身临其境的错觉。这样一来，很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。5.3实时多方案比较：运用虚拟现实系统，我们可以很轻松随意的进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，所看即所得，只要修改系统中的参数即可，而不需要象传统三维动画那样，每做一次修改都需要对场景进行一次渲染。这样不同的方案、不同的规划设计意图通过VR技术实时的反映出来，用户可以做出很全面的对比

20、，并且虚拟现实系统可以很快捷、方便的随着方案的变化而作出调整，辅助用户作出决定。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率，也节省了大量的资金。4.4三维空间信息交流：虚拟现实系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口与GIS信息相结合，即所谓的VR-GIS，从而可以在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理等需要。此外，虚拟现实系统还可以与网络信息相结合，实现三维空间的远程操作。5.5公众参与与方案展示：对于公众关心的大型规划项目，在项目方案设计过程中，虚拟现实系统

21、可以将现有的方案导出为视频文件用来制作多媒体资料予以一定程度的公示，让公众真正的参与到项目中来。当项目方案最终确定后，也可以通过视频输出制作多媒体宣传片，进一步提高项目的宣传展示效果。六、在数字城市中一些仿真系统基本常用命令和名称解释当前视点：表示当前时间，在场景显示区域中所见到的内容对应当前视点所在的位置。有xyz坐标值表示。自由漫游：该方式是指用户可在场景中任意漫游，仿真系统默认漫游方式。可用键盘和鼠标操作前进、后退、向左、向右、抬高、降低、左平移、右平移、左转、右转、视角放大、视角缩小等相应操作，键盘操作命令如下：键盘上的W、S、A、D表示前后左右。 表示左传右转，SHIFT（功能键）+

22、 +或者SHIFT（功能键）+ -表示视点的扩大视角、缩小视角QE表示视点的平移抬台高、降低.自动漫游：沿着事先设置好的路径进行自动的漫游方式。漫游无须人工干预，只需预先设置好路径及漫游参数，点击自动漫游，场景就自动漫游起来，自动漫游的同时点下空格键则漫游停止。碰撞检测：虚拟场景也是由实际模型构成，打开碰撞检测，视点则不能穿越有障碍的物体，关闭碰撞检测，视点可以穿越模型障碍。路 径：虚拟场景搭建完毕后，就成为一个虚拟的空间，用户视点可以在场景任意漫游，用户也可以根据自己的喜好在运行的时候点下F11就可以随时把自己想要的路径保存下来，作为自动漫游的路径。导航图：通过导航图可以容易明确自己的位置定

23、位。也可以想到那里去通过导航图单击某位置，就可以直接到达。室内场景：在城市的重点区域，可以将户内也按照要求虚拟搭建出来，这样就可以一目了然感觉户内空间。通过可视化仿真应用在城市规划的价值以及对虚拟现实技术的描述，阐述了虚拟现实技术的优势，并将其应用在城市规划方面的系统功能如下。七、VR-Platform应用在数字城市规划系统功能7.1、在虚拟现实系统中，可以全方位,多种样式（步行、驱车、飞行、UFO等）,完全由用户自由控制在场景中漫游。本系统提供交互式漫游的方式，即用户可以使用人机接口设备模拟多种运动方式 ， 在虚拟环境中漫游，使用户产生身临其境的感受。 7.2、可实时的进行方案替换，这样不同

24、的方案、不同的规划设计意图通过VR技术实时的反映出来，用户可以做出很全面的对比，并且虚拟现实系统可以很快捷、方便的随着方案的变化而作出调整，辅助用户作出决定。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率。原方案与替换后方案比较 7.3、改变楼层的高度和层数，进行方案比较，哪个方案与周边环境更合适原楼层与改变楼层后比较 7.4、提供三维场景中的日照分析、景观展示、方案比选等功能来实现决策支持功能。通过模型数据库中模型的存在时间甚至还可以表现出城市变迁等；在一天或者四季的每个时间段的日照情况，每个建筑对周遍建筑日照影响等。 7.5、区域的划分，整体规划、城市的商业区域、居住区域、

25、高科技区域，中心区域等，用色块的形式来体现出来，让人一目了然。以及每个区域的大小、面积、长宽等。每个城市都有它的重点规划区域，对于它的整体规划市委市政府都会参与其设计和审批。利用虚拟现实系统，重点区域就会真实的展现出来，根据虚拟现实系统的实时修改功能我们能够使不合理的规划布局更加合理化。虚拟现实也可以作为一个专业设计人士与非专业人士的沟通桥梁，减小沟通障碍，作为更直接的审批工具。对与不同区域的划分城市服务导航功能对整个城市的服务行业的数据查询功能查询结果 7.6、时实导航，在整个城市的导航图当中浏览时，身在哪个位置都会很精确的显示出来，并且想去哪个位置，通过导航图上点击某个位置，就可以直接快速

26、准确的到达某个位置进行浏览。 7.7、重点建筑区域的规划说明，包括重点的建筑，区域上面会有一活动图标表示出来，在招商引资的时候，外地客户能在很短的时间里把本市的规划环境了解。单楼的功能说明 7.8、场景管理器的编辑。系统管理制作人员可以以可视化的方法很便捷的编辑管理场景中模型。模型的平移，缩放，旋转，镜像，纹理改变，透明度，场景的天空盒，雾效，镜头的太阳眩光等都可以很方便的实现。在规划好的场景中，可将建筑物的位置及方向进行编辑，实时的做出调整，可及时发现规划中存在的问题，进行处理。7.9、可加入视频和声音说明，可通过一个按纽来调出视频和声音文件，随着自助漫游，每到一处，便可随着人走的路线对该处

27、进行配音介绍，并可加入视频以及文字和图片的说明，使管理中更加人性化。并可对每个楼进行声音和视频等介绍，点击该楼可以对该楼的一些数据进行查询。（里面所有公司等）视频的加载 7.10、数据库查询，主要包括场景管理数据库和外部数据接口。场景管理数据库主要管理三维场景中模型的唯一标示，坐标，纹理信息，模型数据，存在时间，是否显示等数据信息。系统可根据此数据动态生成三维场景。外部数据接口主要是“三维虚拟城市”系统和“城市规划设计平台”、“房产信息平台”、“城市公共应急指挥平台”等等的数据交换接口等等。这样，用户在点击三维场景中模型的时候，也可以很方便的定位相对应的信息记录、不管是规划的实施还是房产信息的

28、查询还是应急平台的指挥，都可以很方便的开展工作。 图：数据库支持模块案例截图在场景中点击查询的按纽便可出来对整个城市的数据查询，包括某楼，某公司，某园区，某单位，医院，酒店等，查询的结果可快速的出现该目标点位置进行事件处理，浏览等。目标点的楼层结构，单位的网址，联系方式等。次数据管理和数据服务的基础上，是管理部门更加方便快捷的查询和处理事物，同过搜索可以直接找到需要查询的位置的信息对于重点区域查询某楼可以查询到该楼的每层的结构图，可以提供给消防人员，防止火灾予警，让人员快速撤离。各个楼层整体布局情况如果对某个地区的数据变更，用户可以直接修改数据库，数据库修改的时候可以把数据库加密，需要密码输入

29、才能修改，不需要专业人员来维护。数据库以记事本的形式来保存，让普通的工作人员经过简单培训便可操作。7.11、对于大型规划项目，在项目方案设计过程中，虚拟现实系统可以将现有的方案导出为视频文件用来制作多媒体资料予以一定程度的公示，让公众真正的参与到项目中来。当项目方案最终确定后，也可以通过视频输出制作多媒体宣传片，进一步提高项目的宣传展示效果。7.12、嵌入地下管网管理系统，管线的三维显示功能将各种管线间的空间位置关系直观形象地表达出来。三维可视化地下管网设计的特点：1 因系统可从任意角度,任意距离观察场景内的物体, 所以地下管线的排列尽收眼底,彻底解决地下管线施工、维修时的难题；2 三维立体环

30、境真实、直观，有助于提高设计质量；3 方便、简单，易于掌握；4 所想即所见，便于决策；5 三维立体环境下容易判识地形、地貌和地物，利用保护良田及生态环境；6 使勘测与设计更加紧密结合，有助于实现勘测设计一体化。针对城市地下综合管网有电情、电力、给水、排水、燃气、暧气等多种类型的特点，设计分层管理体制，可方便的对不同层综合管网和地图进行开关操作，允许不同层综合管网具有不同的属性结构，并可按道路、街区地址、用户单位、图幅等多种形式调图，采用VR虚拟现实技术，把实际工作环境的管网和阀门在电脑中以三维立体的形式表现出来，动态的开关法门操作，管道的半透明可以使人们清楚的看到液体的流动情况，操作错误时报警

31、并提示正确的操作。 7.13网络场景发布/更新模块于三维场景的数据量比较大，如果每次调用三维模型显示时，客户端IE浏览器都实时从服务器获取数据，系统的响应时间会较长。因此，本方案采用增量更新的方式，当服务器数据库中纪录的三维模型有改变时，可以命令系统打包改变的数据供用户单独下载，使用户在更新完客户端后显示最新的场景。这种解决方案有助于提高三维系统的运行效率，切实可行。由于有强大的数据支持，系统可以很方便的实现信息的查询、检索。例如可以快速显示并按比例缩放建模区域的数字图形、建筑物实际影像、并可根据单位名称、公安门牌坐落快速在场景上定位；对内除对外应用的功能外，通过与房产管理局房产权属与交易办公

32、自动化系统连接，根据图纸内容可快速定位于相对应的房产权属属性记录、房产平面分幅图与分层分户图，或者根据产权登记纪录快速定位到三维场景中的建筑。八、三维虚拟数字城市拟解决的技术难点以及主要创新点8.1、 难点：由于“三维虚拟城市”系统是设计在网络环境下运行的，设计和组织数据要充分考虑到空间数据量大和单位时间内网络传输量有限这一现实存在的矛盾。为了解决这一问题，达到较好的效果。我们在系统设计中采取了一系列的优化方案。例如三维数据的增量更新、三维漫游时数据分区动态调度、三维模型建模优化、模型网格压缩算法、视锥裁剪、遮挡裁减、贡献度裁减、多层次细节模型算法等。8.2、基于难点解决应用的主要创新点(1)

33、三维数据的增量更新由于三维场景的数据量比较大，如果每次调用三维模型显示时，客户端IE浏览器都实时从服务器获取数据，系统的响应时间会较长。因此，本方案采用增量更新的方式，当服务器数据库中纪录的三维模型有改变时，可以命令系统打包改变的数据供用户单独下载，使用户在更新完客户端后显示最新的场景。这种方法可极大的提高三维虚拟现实城市系统的运行效率。(2)几何数据压缩与传输功能本项目的核心关键技术包括三维场景数据的表示、压缩、传输、渲染以及基于Internet的虚拟场景浏览器的结构设计。对于精确的三维形体常用解析曲面和参数曲面表示（如NURBS曲面），而对于虚在常用的图形显示卡也只能直接处理三角形这种几何

34、元素，其他的几何元素，如四边形或者参数曲面等，都要离散成三角形才能被显示卡处理。因此，本系统采用三角形为虚拟场景的表示元素。而对于规模较大的场景来说其中三角形的数量非常巨大，为了减少数据量我们需要选择合适的表示方式以及进行适当的压缩。为了实现几何模型的累进传输，我们必须应用到另外一项技术多边形网格简化技术。该技术的主要目的就是在保留模型拓扑一致的情况下，最大或者一定程度地去除一些顶点、边和三角形。现在常用的方法包括：顶点消去法、边消去法以及三角形消去法。其中常用的方法是顶点消去法和边消去法，如图四所示。利用多边形简化技术可以大幅度降低模型的数据量，平均来说，最大程度简化的模型和原始模型之间的数

35、据量之比为1：50左右，对于一些规则的网格，如每个顶点关联的三角形数目一致的模型网格，这个比例还会降低。(3)快速高效的超大规模动态场景渲染通过结合使用多种有效的可见面检测算法，多层次精度模型以及充分发挥计算机硬件的潜力，我们可以实现对超大规模动态场景的实时渲染。可见面检测和多层次精度模型算法可以令渲染的三角面片大幅度减少，充分使用硬件能力使得我们有可能以更高的帧速率渲染出更为逼真的画质。(4)逼真的物理仿真在我们的浏览器中，虚拟场景中的物体的运动都将遵循刚体力学规律，可以较为精确的模拟真实世界中物体的运动规律，重力和碰撞等效果都以一种很自然的方式得到表现。(5)模型编辑功能在城市规划等应用中

36、，人们除了对场景浏览之外，还经常对场景中的对象，如楼宇、树木等，进行删除、移动、插入以及替换等操作。这个操作的执行过程一般为：选择对象选择操作方式编辑显示模型对模型数据进行后台更新结束操作。这个过程中关键的操作为选择操作，因为这个过程涉及一系列的求交运算，当模型数目很多时，该操作是十分费时的。(6)虚拟场景中对象信息的查询、修改、添加功能该功能主要是对模型数据库进行维护而设计的，另外，一般用户除了通过虚拟场景浏览了解某个区域外观视觉上的效果之外，有时还需要其他信息，如模型对象的所有者、建筑单位以及时间等属性信息。为了满足用户的这个要求本系统要实现模型信息查询功能。而一些对某个场景数据库具有修改

37、权的用户还可以利用相应的信息修改和添加功能及时更新虚拟场景数据库。(7)常用计算功能常用计算主要包括指定区域面积或者指定两点之间的距离计算，这也是用户常用的功能，如一条路上不同两点之间的实际距离或者一块未开发的空地的实际面积。利用这个功能用户可以获得两个不同地点之间距离信息或者某个区域的面积信息。这些信息属于随即信息，它随用户不同的需求而不同。(8)统一的数据库管理功能在虚拟场景的数据库中要包含：模型几何数据、模型纹理数据以及其他属性数据。如何将这些数据集成在统一的数据库中，也是本系统解决的一个关键技术。现存商用数据库一般是关系型的数据库，不能直接适用于虚拟场景数据的存储。为了实现用通用数据库

38、存储这些数据，我们在系统设计时将上述各种数据按数据块的方式保存在通用数据库中，而这些数据之间的关系单独保存为一张表中。(9)基于Server/Client的系统结构中Server端软件功能Server端软件的功能概括来说就是接收来自Client端的请求，并根据具体请求计算分发其需要的数据。因为场景数据中的几何数据采用了累进传输技术，因此Server端软件应具备计算累进模型功能，也就是将一个高分辨率的模型分解为一系列多分辨模型，然后按照从低分辨率模型到高分辨率模型依次分发。并且在分发时，要对所传输的数据进行压缩，以降低有限的网络带宽资源的占用。(10)Client端浏览软件插件功能Client端

39、浏览插件在用户第一次访问数据时下载并安装在本机。这是直接与用户交互的软件，因此其交互功能的设计对其功能和性能的影响较大。它的主要工作就是快速正确地理解用户需求，将用户的需求转化为Server端软件能理解的格式向Server端软件发出数据请求，并将请求结果及时反馈给用户。除此之外，该软件还应该具备几何模型的递增显示功能，因为Server端软件在分发几何模型数据时是按照从低分辨率到高分辨率地顺序依次发送的，所以Client端软件应相应地递增显示所接收到的数据。功能强大的vrp专业的项目制作团队专业的虚拟城市管理系统虚拟城市管理系统的功能需求艺术设计人员程序设计人员 总体规划设计现有的vrp软件 图

40、： 虚拟城市开发流程图 我们计划采取以上的研究体系进行虚拟城市仿真系统的开发，在现有的vrp软件的基础上，增强vrp软件的互动仿真功能，更多的满足各种行业的需求。由于中视典 自己开发的软件vrp有自主的知识产权，我们拥有强大的技术支持和需求支持，我们完全有能力把更多仿真的功能融入到vrp软件当中，从而满足虚拟现实城市仿真的体系要求九、数字城市的实施方法后台数据库图形表现控制设备接口虚拟场景浏览器虚拟城市管理系统 SDK二次开发 功能强大的vrp专业的项目制作团队专业的虚拟城市管理系统虚拟城市管理系统的功能需求艺术设计人员程序设计人员 总体规划设计现有的vrp软件 图： 虚拟城市开发流

41、程图 我们计划采取以上的开发体系进行虚拟城市仿真系统的开发，在现有的vrp软件的基础上，增强vrp软件的互动仿真功能，更多的满足各种行业的需求。由于中视典 自己开发的软件vrp有自主的知识产权，我们拥有强大的技术支持和需求支持，我们完全有能力把更多仿真的功能融入到vrp软件当中，从而满足虚拟现实城市仿真的体系要求。9.1、硬件环境三维仿真数字城市系统要建立各种复杂的模型和环境，运行时需要进行实时的场景计算和显示，故需要较高的机器配置。由于vrp强大的海量数据处理功能以及对硬件需求较低的优势，因此本系统计划采用高配置的PC机，而不采用价格昂贵的工作站，来达到比较良好的运行效果。人机接口设备只采用

42、PC机基本配置：大屏幕显示器、鼠标、键盘。运行机器的配置为：Pentium IV 主频3.0G，内存2G，硬盘160GB，显卡qudro FX3450以及以上配置即可。9.2、 软件环境系统开发软件环境采用 windows xp操作系及Micorsoft Access 2000数据库系统。三维建模软件为3dmax系列，仿真驱动软件为vrp,软件编程工具采用vc+。系统运行软件环境为Windows 98，windows 2000，windows XP 等，（目前不支持unix和linux操作系统）。采用Micorsoft Access 2000数据库系统, 另外还需仿真驱动软件VRP运行许可。9

43、.3、系统开发过程本系统开发过程可以大致分为纹理采集、单体建模、模型集成和系统功能开发四个部分。为了避免使用者在虚拟环境中漫游时迷失方向，我们开发了二维导航的功能，实时显示和跟踪使用者的当前位置；为了辅助规划管理，开发了实时属性查询和方案替换等功能。单体建模模型集成系统功能开发纹理采集图 三维虚拟数字城市系统开发过程图用户数据文件三维引擎输出设备接口环境编辑器输出设备接口数据库管理和维护环境数据库三维模型数据处理9.三维虚拟数字城市平台结构图9.4、建模方法对现状城市景观部分,我们采用现场拍照的方式获得表面纹理,经过艺术处理后用贴图非常逼真地模拟现状。对于未来城市景观,我们主要依据已完成的设计

44、图等资料完成模型建立。仿真建模与传统CAD建模、动画建模有着本质上的区别,其主要区别有:（1）仿真建模中要说明的内容更多,除说明造型外还要说明许多系统连接,如自由度（DOF）（2）由于要实时运行三维模型,其建模方法与以造型为主的建模有很大的不同, 大多用其他技术(如纹理)而不是增加几何造型复杂度来提高逼真度。另外,为烘托气氛,我们使用动态贴图和动态模型来创造出波光粼粼的流水和飞驰的汽车。十、本系统采用的关键技术10.1核心关键技术本系统的核心关键技术包括三维场景数据的表示、压缩、传输以及基于Internet的虚拟场景浏览器的结构设计。对于精确的三维形体常用解析曲面和参数曲面表示（如NURBS曲

45、面），而对于虚拟现实和计算机游戏中的对象通常用三角形来表示，之所以如此是因为任何形式几何物体的表面都可以离散成多个三角形的集合，并且现在常用的图形显示卡也只能直接处理三角形这种几何元素（有一些显示卡可以处理NURBS曲面），其他的几何元素，如四边形或者参数曲面等，都要离散成三角形才能被显示卡处理。因此，本项目采用三角形为虚拟场景的表示元素。而对于规模较大的场景来说其中三角形的数量非常巨大，为了减少数据量我们选择合适的表示方式以及进行适当的压缩。对于三角形组成的几何体来说，最直接的表示方式就是用三角形顶点索引表示每个三角形，而这种直接存储方式带来相当大的数据冗余，也不适用于实际应用程序的处理，例

46、如，对于一个含有V个顶点和T个三角形的模型，如果用三角形顶点索引表来表示，我们需要 位（bit）来表示该索引表，也就是平均每个三角形需要 位，根据欧拉公式 ，则每个顶点需要 位。然而在三角网格中，从统计观点来看平均每个顶点关联6个三角形，也就是在三角形顶点索引表中要保存一个顶点的6个索引，这就造成数据冗余，我们可以对其进行压缩。为了压缩这种数据，我们可以采用MPEG4中相应的方法，该方法称为“外科手术法”，它是由IBM的研究人员提出的。其实该方法并不是最优方法，我们还可以进一步改善它以获得更大的数据压缩率。“外科手术法”是一种无损邻接关系压缩方法。除此之外我们还可以引入有损压缩方法，有损压缩的

47、方法通常来自于多边形简化算法。上述是三角网格压缩的相关方法，为了在Internet中顺利地传输这些数据，常用的传输方法称为累进传输方法，这种方法在图像和视频的传输中得到广泛应用，而对于三角网格来说还处于研究阶段。所谓累进传输就是在全部内容传输完成之前，用户就可以对全部内容有一个概括的认识，并可以进行一些对整个内容的操作。图三中所示即为累进传输的例子。我们可以基于现有方法做进一步研究以获得一个综合性能良好的累进传输模型。图： 飞机模型累进传输为了实现几何模型的累进传输，我们必须应用到另外一项技术多边形网格简化技术。该技术的主要目的就是在保留模型拓扑一致的情况下，最大或者一定程度地去除一些顶点、边

48、和三角形。现在常用的方法包括：顶点消去法、边消去法以及三角形消去法。其中常用的方法是顶点消去法和边消去法，如图四所示。利用多边形简化技术可以大幅度降低模型的数据量，平均来说，最大程度简化的模型和原始模型之间的数据量之比为1：50左右，对于一些规则的网格，如每个顶点关联的三角形数目一致的模型网格，这个比例还会降低。对模型的压缩除了上述数据的压缩之外，还包括纹理（图像）数据，几何坐标数据以及顶点法线数据的压缩，相关的压缩方法可以采用一些相关的标准，如纹理数据的压缩可以采用静止图像的压缩方法JPEG。图：多边形模型简化方法实时三维渲染是一项计算量非常庞大的工作，它不仅需要占用大量的CPU运算而且对显

49、示系统也有着很高的要求，因此运行效率便成为一个极其重要问题。通过使用以下技术，本项目可以支持超大规模完全动态场景的实时渲染。l 高效的可见面检测系统。 对于一个具有上千万或更多三角形的超大规模场景，在浏览场景时并不是所有的面片都可以看到。通过只渲染可见的面将大大减少硬件系统的负担从而有效的提高运行效率。我们将结合使用多种可见面检测算法来最大效率的减少需要渲染的三角形数量。a)视锥剪裁（Frustum Culling） 每个人的视野都是有限的，任何不在视点和视角所包围的锥体内的物体都可以忽略不去渲染。为了加速计算物体是否在视锥之内，我们使用包围盒与包围球来代替物体进行视锥检测。对于一个大规模场景

50、，通过这一步骤，我们可以非常快速的丢弃几乎70%以上的无需渲染的物体。b)遮挡物剪裁（Occlusion Culling） 即使是在视锥内也会有许多物体被其他物体遮挡而无法看到。通过遮挡物剪裁，我们可以剔除大多数被遮挡的物体。具体做法是根据场景的特点对整个空间进行分割并在每个子空间决定数个潜在的遮挡物并与视点形成阴影体。最后再将位于阴影体内的物体予以排除。c)贡献剪裁(Contribution Culling) 最后，对于可见的物体来讲，如果它的位置很远或者体积很小以至于真正渲染到屏幕的部分非常小而不会引人注意，我们也可以忽略此物体。我们可以使用投影物体的包围球来计算该物体对渲染图像的贡献。l

51、 多层次细节模型(LOD) 遮蔽性消除可将渲染的速度提升到只和可看见的几何量有关。然而，可看见的物体模型的几何量仍然可能十分庞大，尤其是非常精细复杂的模型。为了达成交互式显像速率，目前多层次精细度模型为一普遍使用的方法。所谓多层次精细度，即是在环境中每一个物体皆具有数个不同层次精细度的多边形表示数据，而于视觉仿真中显像时，显像软件再根据使用者和物体之距离及其视角等决定物体该使用何种精细度之资料做显像。其用意在于：因为物体模型是以多边形的方式呈现，因此只要减少在复杂的虚拟环境中的多边形面总数，便可加速显像速率，达成交互式显像速率。对于那些离视点较远的物体，因其投影在视平面上可能只含少数像素，故以

52、较低精细度的模型显像产生的影像和采用完整精细度的模型显像产生的影像相差细微，视觉上不易感受两影像间的差异，但在速度却有相当大的提升。我们可以针对那些离视点较远、较偏离视线的或不重要的物体，采用较为粗糙、简单的模型来代替，使得整个场景的多边形数较以所有物体都采用完整精细度模型少了许多，因此可大量减少硬件所需处理的多边形个数而大大地改善显像整个场景的速率。目前的VR软件都必须在仿真前产生数套不同精细度的简化模型提供给系统使用。此种做法我们称之为静态多层次精细度模型。因为两显像画面间多层次精细度模型的选取与切换很难达到理想，所以我们采用的方法为在时间控制的条件下动态地、依据视点视角动态地调整场景模型

53、的精细度，实时产生显像所需的几何模型。除了使用多层次细节模型以外，针对当今的显示硬件，我们还将使用一些基于纹理映射和可编程顶点管道的方法，使一个本来精度比较低的模型渲染出高精度模型的效果。这种方法的原理是将物体表面的高精度细节不是直接用三角面片，而是把表面的法向量保存进入纹理贴图。在渲染的时候通过光照数学模型来计算每个像素点的颜色，这样在最终的输出图像中就可以获得接近高精度模型的渲染效果。这些计算全部都在显示硬件中进行，不占用任何CPU资源，并且可以和CPU并行工作，因此十分快速高效。 多层次细节模型方法在计算层次细节的时候要占用很多CPU，但是在没有光照的情况下可以正常工作，也适用于大多数机

54、型，基于纹理映射和硬件可编程顶点管道的方法具有更高的运行效率，不过必须在有合适的光照的情况下运用，并且对硬件要求比较高。我们将根据不同的情况来灵活选择这两种方法。l 最大化发挥硬件设备的能力 现在主流的显示硬件以及CPU都具有非常强大的处理能力，拥有很大的数据吞吐量，并且保持着高速发展的趋势，但是大多数VR软件并未充分利用现有的硬件资源，其中原因之一是为了兼容较低机型。本项目中我们将会根据运行硬件环境采用多种渲染模式，在高档的显示系统中将会渲染出最佳的效果和更高的速率，而在低档的机型中则以牺牲一部分画质来换取可以接受的运行速率。当今的大多数VR软件的一个共同不足之处就是对于动态光影效果的表现，

55、表现在画面呆板，感染力不足。本项目中，我们将大量运用当今硬件的顶点编程(Vertex Programming)以及片断编程(Fragment Shader)技术以表现逼真的光影效果，包括动态天空天气效果，水波的反射折射，更为精细的物体表面细节等种种炫目效果。除了绚丽的画面以外，真实的物理特性是表现虚拟现实世界的一个不可忽略的重要方面。其核心是物体间的碰撞检测(Collision Detection)以及碰撞反应(Collision Response)。精确及灵敏的碰撞检测是实现物理特性模拟的中心部分。对于一个拥有数以万计的面片的大规模动态场景，碰撞检测是一个极其耗时的操作。我们将采用空间分割以及层次包围体(Hierarchy Bounding Volumes)来加速物体间求交的操作。对于物体的碰撞反应的计算我们可以通过刚体力学理论来进行模拟以表现真实世界中的物体运动规律。10.2 基于CAD、3DSMAX、MAYA等建模工具的二次开发技术作为一款大众化产品，我们将提供一系列的开发工具，支持用户将自己建好的3D模型导入并且利用我们的工具进行编辑以添加各种交互功能并且最终进行发布。因此，我们必须支持市场上的大多数常用的建模软件例如CAD, 3DSMAX，MAYA等。我们将为这些软件开发插件以使得用户能够将建好的模型保存为我们的格式，并且将我们特有的编辑功能嵌