馬博華

摘? 要： 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)存在系統(tǒng)負(fù)載能力差、運(yùn)行效率低等問(wèn)題，為此，提出并設(shè)計(jì)了基于VR技術(shù)的建筑景觀特征三維整合仿真系統(tǒng)。將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)層、數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用層4個(gè)部分，利用GB信號(hào)分配器將建筑景觀信息傳送到顯示器上，通過(guò)采集器獲取數(shù)據(jù)，以命令碼的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送至軟件。軟件部分對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用數(shù)據(jù)查詢模塊獲取建筑景觀特征數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)匹配模塊，計(jì)算特征數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)的相似度，獲取最佳匹配特征數(shù)據(jù)，構(gòu)建3D整合模型，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和服務(wù)器吞吐量均能滿足用戶需求，系統(tǒng)負(fù)載能力好，且系統(tǒng)運(yùn)行效率在90%左右，高于傳統(tǒng)方法，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的性能。

關(guān)鍵詞： 建筑景觀特征; 三維整合仿真; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); VR技術(shù); 信息采集; 數(shù)據(jù)傳送

中圖分類號(hào)： TN911.73?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）20?0153?04

Design of VR technology based 3D integration simulation system for

architectural landscape features

MA Bohua

（Shenyang Ligong University， Shenyang 110000， China）

Abstract： As the traditional data integration system has the problems of poor load capacity and low operation efficiency， a VR technology based 3D integration simulation system of architectural landscape features is proposed and designed. The system is divided into four parts of data layer， virtual database layer， data processing layer and application layer. The GB signal distributor is used to transmit architectural landscape information to the display， and the data is obtained by the collector and sent to the software with the form of command code. In the software part， the obtained data is preprocessed. The architectural landscape feature data is acquired by means of the data query module， and then inputted into the data matching module to calculate the similarity between feature data and target data and obtain the best matching feature data. A 3D integration model is constructed， so that the system design is completed. The experimental results show that the running time and the server throughput of the system can meet the requirements of users， the system load capacity is excellent， and the operation efficiency of the system is about 90%， which is higher than that of the traditional method. It verifies the performance of the system.

Keywords： architectural landscape features; 3D integration simulation; system design; VR technology; information collection; data transfer

0? 引? 言

計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，目前已應(yīng)用到社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，數(shù)字化潮流已成為全球發(fā)展趨勢(shì)，尤其是數(shù)字化城市的發(fā)展，大大吸引了人們的關(guān)注。融合計(jì)算機(jī)技術(shù)規(guī)劃建筑景觀，不僅能提升整體視覺(jué)感受，還能夠充分滿足建筑規(guī)劃中的其他需求，利用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)構(gòu)造并分析建筑景觀，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[1?2]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)多媒體等多項(xiàng)技術(shù)，通過(guò)用戶與計(jì)算機(jī)的交互，模擬出虛擬環(huán)境，為用戶和操作者提供一個(gè)三維實(shí)景建筑景觀圖[3]。信息數(shù)據(jù)整合是實(shí)現(xiàn)資源共享和完整展示的重要方法，能夠有效利用已知資源，幫助人們獲取需要的信息。而建筑景觀是城市規(guī)劃發(fā)展的重點(diǎn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)建筑景觀特征整合進(jìn)行研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

胡小玲對(duì)VR技術(shù)的特性進(jìn)行了分析，利用三維建模、可視化設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)、三維虛擬等方法，對(duì)建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，展示了建筑的三維設(shè)計(jì)效果，但該方法的運(yùn)行效率相對(duì)較低[5];陽(yáng)小蘭等基于VR技術(shù)，設(shè)計(jì)了三維動(dòng)態(tài)激光成像方案，并通過(guò)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、場(chǎng)景構(gòu)建等過(guò)程，塑造了三維動(dòng)態(tài)成像場(chǎng)景，在該場(chǎng)景下，對(duì)激光成像的動(dòng)態(tài)路徑進(jìn)行調(diào)控，完成三維成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但該系統(tǒng)的負(fù)載能力不高，無(wú)法在大量數(shù)據(jù)條件下平穩(wěn)運(yùn)行[6];周波利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建地物模型與地形模型，通過(guò)對(duì)2個(gè)模型的差異分析，完成多視圖立體視覺(jué)特征點(diǎn)提取，重構(gòu)得到城市三維鄉(xiāng)土景觀[7];謝遷研究了古老建筑三維景觀特征的整合方法，首先提取建筑特征，然后計(jì)算三維景觀特征的概率分配函數(shù)和似然函數(shù)，最后采用D?S證據(jù)完成特征整合，效果較好，但整合過(guò)程較為繁雜，運(yùn)行效率低[8]。

針對(duì)上述研究方法存在的問(wèn)題，本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于VR技術(shù)的建筑景觀特征三維整合仿真系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較好的系統(tǒng)負(fù)載能力，且系統(tǒng)運(yùn)行效率較高。

1? 建筑景觀特征三維整合系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本文基于VR技術(shù)進(jìn)行建筑景觀特征三維整合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，VR技術(shù)應(yīng)用于建筑景觀的最終目的是為用戶生動(dòng)、形象地展現(xiàn)建筑景觀場(chǎng)景。因此，在VR技術(shù)使用中，應(yīng)用層與用戶的有效交互是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)[9]。本文基于VR技術(shù)的建筑景觀特征三維整合系統(tǒng)框架主要包含數(shù)據(jù)層、虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)層、數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用層4個(gè)部分，具體如圖1所示。

數(shù)據(jù)層使用采集器來(lái)采集建筑景觀數(shù)據(jù)，作為數(shù)據(jù)源，這些數(shù)據(jù)形態(tài)多樣，可以是結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，也可以是非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，每一個(gè)數(shù)據(jù)源放置于系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)上的不同站點(diǎn)，使用相應(yīng)的方式對(duì)其進(jìn)行管理[10?11]。虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)層主要基于VR技術(shù)構(gòu)建虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)建筑景觀的數(shù)據(jù)和用戶信息。數(shù)據(jù)處理層負(fù)責(zé)完成所需建筑景觀特征數(shù)據(jù)的處理，該層設(shè)置了數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、匹配模塊，在實(shí)現(xiàn)形式上使用Web Service技術(shù)，在發(fā)布數(shù)據(jù)方面使用標(biāo)準(zhǔn)接口形式，方便系統(tǒng)操作。應(yīng)用層是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最高層，通過(guò)傳感器信息交互，采用建模模塊生成3D整合模型，使用接口直接與用戶連接，顯示建筑景觀特征數(shù)據(jù)整合效果。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)上述整體框架設(shè)計(jì)，基于硬件結(jié)構(gòu)完成信息采集、分配、控制、顯示，以及后臺(tái)仿真軟件，通過(guò)發(fā)送指令控制系統(tǒng)模擬建筑景觀特征，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。給出基于VR技術(shù)的建筑景觀特征三維整合系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用RGB信號(hào)分配器傳送建筑景觀信息到顯示器上，操作者通過(guò)對(duì)建筑景觀的全方位測(cè)量，和通過(guò)信號(hào)采集電路獲取特征信息，以命令碼的形式發(fā)送至軟件部分，利用3D模擬裝置生成整合模型[12]。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，給出建筑景觀特征三維整合處理的過(guò)程，具體如下：

1） 應(yīng)用層的操作者發(fā)起建筑景觀特征數(shù)據(jù)整合要求，傳送信號(hào)至系統(tǒng)請(qǐng)求具體數(shù)據(jù)支持;

2） 數(shù)據(jù)整合模塊收到系統(tǒng)傳送信息后，首先在緩存數(shù)據(jù)中查詢是否存在整合數(shù)據(jù)，若存在，直接傳送至至系統(tǒng)應(yīng)用層，若不存在，則開(kāi)展下述操作;

3） 使用采集器采集建筑景觀數(shù)據(jù)，并輸入數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化、語(yǔ)義轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，使其形式統(tǒng)一，方便后續(xù)操作;

4） 數(shù)據(jù)查詢模塊依據(jù)整合需求，查詢得到建筑景觀的特征信息;

5） 將特征信息輸入數(shù)據(jù)匹配模塊中，與預(yù)設(shè)的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)多個(gè)匹配器的匹配結(jié)果，計(jì)算得出各特征數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)之間的相似度，依據(jù)相似度大小建立映射關(guān)系，挑選出匹配度較高的數(shù)據(jù)，完成建筑景觀特征匹配[13];

6） 對(duì)匹配完成的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模分析，構(gòu)建3D整合模型，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，為有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，對(duì)每個(gè)模塊中的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，方便直接使用。使用流程圖來(lái)描述整個(gè)建筑景觀特征三維整合仿真流程，如圖3所示。

4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)整合系統(tǒng)的性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，本實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)MultiGen—Paradigm公司推出的Vega軟件，該軟件包括完整的C語(yǔ)言程序接口和清晰的圖像顯示界面，可應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的視景仿真及可視化，能夠很好地支持虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1） 以某建筑景觀為研究對(duì)象，采集特征數(shù)據(jù)，并對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;

2） 根據(jù)采集得到的建筑景觀特征數(shù)據(jù)，使用Google SketchUp建立靜態(tài)模型;

3） 利用Vega軟件中的可視化界面設(shè)置場(chǎng)景，生成應(yīng)用程序文件，再利用VC++.NET進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，整合建筑景觀特征數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置如表1所示。

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置下，以系統(tǒng)負(fù)載能力、系統(tǒng)運(yùn)行效率為指標(biāo)測(cè)試本文系統(tǒng)，具體如下：

在用戶量或數(shù)據(jù)量過(guò)大的情況下，系統(tǒng)有可能會(huì)出現(xiàn)崩潰的現(xiàn)象，因此對(duì)系統(tǒng)負(fù)載能力測(cè)試非常重要。主要通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和服務(wù)器吞吐量來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2可以看出，在不同系統(tǒng)并發(fā)數(shù)條件下，本文系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間均較短，能在10 s以內(nèi)快速完成系統(tǒng)運(yùn)行，且服務(wù)器對(duì)事務(wù)吞吐量也能夠滿足用戶需求，由此驗(yàn)證了本文系統(tǒng)具有很好的負(fù)載能力，能夠滿足實(shí)際需求。

將本文系統(tǒng)的運(yùn)行效率與文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

分析圖4可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，本文系統(tǒng)的運(yùn)行效率始終處于90%左右，且波動(dòng)較小，文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)的運(yùn)行效率相對(duì)較高，在80%左右，運(yùn)行效率最低的是文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)。在系統(tǒng)運(yùn)行10 s的時(shí)候，文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的運(yùn)行效率高于文獻(xiàn)[6]，但其他時(shí)間內(nèi)文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的運(yùn)行效率最低，平均在60%左右，且波動(dòng)幅度較大，運(yùn)行不穩(wěn)定。

根據(jù)上述分析可以看出，本文系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，且運(yùn)行效率高，這是因?yàn)楸疚南到y(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)每個(gè)模塊中的有效數(shù)據(jù)均有緩存，這樣在系統(tǒng)需求發(fā)送后，若存在滿足系統(tǒng)需求的數(shù)據(jù)，則無(wú)需進(jìn)行新一輪的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，由此大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。

5? 結(jié)? 論

虛擬現(xiàn)實(shí)是借助人工手段，通過(guò)計(jì)算機(jī)建模和計(jì)算，模擬出一個(gè)虛擬環(huán)境，從而使人感受真實(shí)場(chǎng)景的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代建筑景觀建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。本文提出并設(shè)計(jì)了基于VR技術(shù)的建筑景觀特征三維整合仿真系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)建筑景觀數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、特征查詢、匹配和整合，完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較好的負(fù)載能力和運(yùn)行效率，能夠滿足實(shí)際需求，具有較好的性能。

然而，本文研究仍舊存在一些不足，對(duì)建筑景觀特征的定義不夠具體，在接下來(lái)的研究中，還需要針對(duì)特征進(jìn)行更為詳細(xì)的分析，以獲取更加精準(zhǔn)的結(jié)果。

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