三維城市信息系統設計與實現范文
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【摘要】針對目前的三維城市信息系統（3DUIS）是以2D的屏幕為載體,使得現有的城市空間信息得不到充分地表達和可視化的問題，提出了將增強現實技術應用于3DUIS的方案，改變3DUIS的載體，從2D屏幕視角載體轉向3D視角載體，并提供了基于規則的快速三維城市場景建模和人機交互的設計思路，基于舊金山的基礎二維地理數據以及微軟增強現實設備MicrosoftHoloLens實現了AR-3DUIS應用程序。結果表明AR-3DUIS提供給用戶更強、更真實的三維城市信息體驗，以及更自然的UIS交互方式。
【關鍵詞】3DUIS；增強現實；MicrosoftHoloLens；AR-3DUIS
0引言
三維城市信息系統（UrbanInformationSystem，UIS）試圖從三維空間的視角去理解和表達真實的世界。目前，3DUIS的載體是二維的（如電腦屏幕），而不是三維的（如頭戴設備），這使得現有的空間信息得不到充分地表達和可視化，2D扁平的實體屏幕會影響我們對所研究的城市實體的認知和理解[1]。隨著虛擬現實技術的發展，出現了基于“眼鏡”的增強現實技術。增強現實技術AR（AugmentedReality,AR）是將計算機生成的虛擬物體疊加到現實世界當中，并產生新的可視化環境，虛實結合并提供實時互動[2-4]。本文將AR技術引入3DUIS，改變3DUIS傳統的體感和互動方式，從傳統二維的空間向三維空間轉化，從更高的維度理解虛擬世界。但是，3DUIS與增強現實的結合存在著接入問題，目前比較流行的開發VR(VirtualReality，VR)、AR、MR(MixedReality，MR)的引擎（Unity、Unreal、CryENGINE、Cocos3D）并沒有提供開發城市地理信息的接口，所以城市地理信息內容很難直接架構到增強現實平臺之上，實現內容與平臺的拼接。基于AR技術的城市地理數據可視化方法，雖然還存在一系列的問題，但對比普通的地理數據可視化方法，AR技術實現對數據的可視化更簡單、直觀、真實感更強[5]。目前，具有代表性的AR頭戴設備是微軟的MicrosoftHoloLens，HoloLens相比于傳統的增強現實設備具有更高級的功能，如具有3D立體顯示，對凝視、手勢的捕捉，空間聲音與空間映射等功能[6]。基于上述優勢,HoloLens被廣泛地應用于可視化應用程序的研究當中，如將HoloLens應用于災難和緊急事件的管理，虛擬實驗室的構建[7]，醫學解剖學、藥學等領域[8]。本文主要的研究內容是將微軟增強現實設備HoloLens應用于3D城市信息的渲染，開發增強城市信息系統（AR-3DUIS）。為了實現AR-3DUIS應用，本文設計了基于規則的三維城市場景建模方法，實現快速從二維城市地理數據建模成三維城市地理場景模型；繼而，設計了AR-3DUIS應用的交互方式，通過Unity3D游戲引擎設計用戶與三維數字城市交互的接口，實現用戶與虛擬三維數字城市、虛擬三維數字城市與物理世界的交互；最后，通過實驗，實現了將全息數字城市映射到物理世界，成功地將AR技術應用于三維城市信息系統。HoloLens與3DUIS的集成對于城市的規劃設計具有重要的意義：①從視覺的角度，通過HoloLens眼鏡，數字城市是以全息的3D影像展示，3D的物體在3D空間展示，用戶可以獲取最佳城市三維視角。②從交互的角度，改變傳統用戶與三維城市信息的交互方式，從鼠標轉向語音、凝視、手勢的交互。
1AR-3DUIS系統設計
本文的主要目標是實現將HoloLens應用于三維城市場景的展示，將三維城市信息引入物理真實世界，兩者融為一體，帶來全新的視覺體驗和更高效、自然的交互方式。要實現上述目標，主要包括AR-3DUIS應用資源的創建、AR-3DUIS應用程序的開發以及AR-3DUIS應用程序的部署3個流程。如圖1所示是系統架構設計圖，其中AR-3DUIS應用資源創建層為AR-3DUIS應用程序開發提供三維城市場景內容，AR-3DUIS應用程序開發層提供三維城市場景與用戶之間的交互接口，AR-3DUIS應用程序部署層提供將應用程序部署到HoloLens的方法。
1.1AR-3DUIS應用資源創建層
AR-3DUIS應用資源創建層為AR-3DUIS應用程序開發提供素材和內容。利用傳統三維建模軟件（Maya、3DMAX、CAD）實現對三維城市場景的創建成本大、效率低、耗時長。針對該問題，本文采用基于規則文件驅動的方式實現快速三維城市建模。快速三維城市建模的思想是使用2D地理信息的組合數據、屬性數據和過程定義的規則，反復優化規則，創建高質量的3D內容。本文在CityEngine平臺下，利用預處理過的GIS矢量、柵格數據的輪廓和屬性信息，通過CGA（ComputerGeneratedArchitecture）規則文件驅動快速、批量地生成城市場景中建筑物、基礎公共設施、道路等數據的三維模型，提高了城市三維建模的效率[9]。CGA規則文件驅動的方法流程是通過對需要建模的物體進行拆分和細分割，然后進行分類，對相同的類別進行批量建模，提高建模的效率。表1是建筑物三維建模的一般流程，其中extrude、comp、split、texture是CityEngine提供的用于拉伸、分割、拆分、貼紋理的函數。建筑物快速三維建模的步驟如下：首先，通過高度信息對建筑物的面要素進行拉伸；然后將拉伸后的建筑物按照實際的需要進行拆分和細分割，對細分割后的要素進行分類并定義相應的規則進行批量建模；最后通過貼圖函數為各拆分部分貼上紋理。通過規則文件生成的模型同樣可以采用手動調整模型的高度、紋理等屬性，方便個性化定制。
1.2AR-3DUIS應用開發層
AR-3DUIS應用程序開發層用于設計交互接口，實現用戶與虛擬三維數字城市以及虛擬三維數字城市與物理世界之間的交互。本文采用Unity3D游戲引擎作為開發的核心平臺，另外，利用集成于Unity3D的HolotoolkitSDK，可以加快AR-3DUIS應用的開發。Holotoolkit開發包集成了負責交互設計的基礎類庫，包括語音設計、凝視設計、手勢設計，用于實現用戶與三維數字城市自然、簡潔地交互。空間映射設計負責實現虛擬世界與物理世界的交互，通過空間映射實現三維城市場景與物理世界無縫的融合。如圖2所示是交互設計邏輯關系圖，其中，凝視設計的原理是根據用戶頭部的位置和方向進而確定視線的方向，該視線與全息場景發生碰撞，碰撞點即為視線焦點位置；手勢設計的思想是先對手勢分類，按手勢的類型可分為操縱手勢、導航手勢和離散手勢，然后根據用戶輸入的手勢做判斷，離散手勢用于實現對全息物體的單擊和雙擊操作，操縱手勢用于對全息物體的移動和縮放，導航手勢用于對全息場景的旋轉；語音設計主要是將特定的語句、短語與相對應的程序綁定，并存入哈希表當中，當系統捕捉到語音時，自動向哈希表查詢相匹配的語音，執行對應的程序以實現通過語音控制應用程序。
1.3AR-3DUIS應用部署層
AR-3DUIS應用部署層提供將AR-3DUIS應用部署到HoloLens設備的方法，部署時需要建立HoloLens與開發者工具VisualStudio2015Upadate3之后的專業版/企業版/教育版或者Unity3D引擎之間的連接。通過VisualStudio部署AR-3DUIS應用有兩種方式，通過Wi-Fi或者USB部署。通過Wi-Fi部署的步驟如下：①在HoloLens設備上開啟開發者模式；②將VisualStudio編譯配置設為x86；③部署目標選擇遠程機器（RemoteMachine）；④輸入設備IP地址或者設備名稱；⑤第一次部署應用到HoloLens上，需要驗證PIN碼。通過USB部署與通過Wi-Fi部署類似，無需步驟③。另外，通過Unity3D部署AR-3DUIS應用，主要是利用HolographicRemotePlayer技術，通過該技術可以實現將全息應用程序部署并運行在PC計算機上，計算機將渲染計算之后的全息影像通過Wi-Fi并以幀的形式傳給HoloLens，HoloLens只負責顯示以及對用戶手勢和語音等交互信息的捕捉并實時傳輸給PC計算機。通過這兩種方式可以實現將AR-3DUIS應用部署到HoloLens上，利用HoloLens渲染三維城市地理信息，用戶可以與AR-3DUIS應用以自然的人機交互方式（手勢、凝視、語音）進行交互。
2AR-3DUIS實驗結果與討論
本文基于CityEngine2014.0example中提供的舊金山基礎地理數據以及微軟的全息眼鏡HoloLens開發者版本，開展了基于增強現實與三維城市信息系統集成的實驗。實驗目標如下：①通過空間映射技術將虛擬三維舊金山數字城市中引入真實的物理世界，虛實結合融為一體；②利用HoloLens3D立體顯示技術為用戶帶來全新的真三維的視覺體驗；③通過凝視、手勢、語音等自然的交互手段操縱全息數字城市，改變傳統的三維地理信息系統的交互方式。實驗主要內容如下：
2.1虛實融合
如圖3所示是數字舊金山引入物理世界的示意圖，是全息數字城市與物理世界疊加融合為一體的結果。虛擬數字城市與物理世界的融合是基于空間映射技術，空間映射是將真實環境的環境信息掃描數字化到設備中，使得全息數字城市可以識別真實的物理場景，從而達到可以將虛擬對象與真實世界相結合的效果。如圖4所示是空間映射流程圖，具體實現步驟如下：①基于規則實現快速三維城市建模，獲取實驗需要的三維城市地理場景；②通過內置于Unity3D的HolotoolkitSDK為該三維地理場景創建SurfaceObserver對象，該對象調用SetVolumeAsSphere、SetVolumeAsAxisAlignedBox、SetVolumeAsOrientedBox、或SetVolumeAsFrustum方法為三維城市地理場景SurfaceObserver對象指定需要的空間范圍，渲染出一個圍繞全息三維城市場景的立方體邊框，以顯示數字城市映射時的實際尺寸；③實時監測SurfaceObserver對象區域中空間表面發生的變化，針對不同的狀態（Add/Update狀態和remove狀態），指陳冠臣,等.基于AR的三維城市信息系統設計與實現定對應事件的處理方法；④通過HoloLens對物理空間掃描數字化之后與三維城市的ObserverSurfaces對象做空間運算，判斷物理空間能否容納三維城市虛擬場景。具體的空間運算步驟如下，首先，通過從observersurface立方體的中心和邊界4個角進行光線投射，確定全息三維城市是否匹配到了物理表面上；然后，檢查物理空間表面法線以確定它是否足夠平滑以使全息三維城市齊平，若可以則完成三維場景跟蹤注冊，實現虛擬數字城市與物理空間的融合。本實驗通過空間映射技術實現的增強城市信息系統（AR-3DUIS）相比于傳統的3DUIS具有如下特殊功能：①AR-3DUIS中數字舊金山中的地理場景和物體是通過用戶周邊世界的光線和聲音所創建，所以它是物理世界中的一部分，具有虛擬對象真實感官特性；②可交互性：AR-3DUIS應用中的數字城市能夠響應用戶的凝視、手勢和語音指令。該數字城市除了能與人發生交互，同時作為物理世界的一部分也可以與物理世界的表面發生交互；③深度信息和視角信息：當AR-3DUIS中的數字城市被放置在物理世界時，該數字城市便具有深度信息和視角信息，用戶與數字城市實體距離和角度是可量測的；④空間持久性：用戶使用空間錨點將數字城市插入現實世界中，當用戶重新返回的時候，該數字城市依然保持在原來放置的位置。
2.2人機交互方式
本實驗AR-3DUIS應用實現了凝視、手勢和語音等自然人性的人機交互方式，3種交互方式中凝視用于捕捉用戶視線與數字舊金山碰撞的具體位置，手勢以及語音交互用于實現對捕捉點所在的地理實體的操作。人機交互的具體實現是基于Unity3D游戲引擎，每種交互方式的實現過程如下：①凝視設計：凝視是通過用戶頭部的位置（UnityEngine.Camera、main、transform、position）和方向（UnityEngine、Camera、main、transform、forward）并調用Physics.RayCast發出射線后得到射線與全息數字場景碰撞的結果，該結果包含了碰撞點的3D位置參數和碰撞對象，通過3D位置參數生成凝視的圖標，實現對凝視的響應。如圖5所示是凝視示意圖，藍色小圓圈所在的位置表示用戶視線在數字舊金山中變壓器上的位置，用于實現對用戶視線的反饋。②手勢設計：手勢識別可以通過HoloLens提供的高級API實現，首先，創建手勢識別GestureRecognizer實例；然后，為該對象注冊指定的手勢類型（GestureSettings.Tap、GestureSettings、Hold和NavigationGesture等手勢）；之后，為每一種手勢類型訂閱手勢事件和方法；最后，手勢識別對象GestureRecognizer實例開始手勢識別。如圖6所示是通過手勢查看三維數字城市中的實體變壓器零件信息的示意圖，手勢交互是在凝視的基礎上實現的。本實驗主要實現了air-tap、NavigationGesture和Manipulation3種方式，其中，air-tap方式實現對數字舊金山具體實體的查詢；NavigationGesture方式實現對數字場景的旋轉，方便用戶從不同的角度瀏覽數字舊金山；Manipulation方式用于對數字場景的縮放，實現用戶從不同的尺度瀏覽數字舊金山。
2.3討論
本文實驗實現了將增強現實技術應用于三維城市信息系統，通過MicrosoftHoloLens頭戴設備，將三維數字城市映射到物理世界當中，提供給用戶真三維數字城市的視覺體驗，并且用戶能感知數字場景中的深度信息和視角信息。雖然本文實現了將AR應用于3DUIS，但也存在技術上的限制與不足，具體如下：1）HoloLens渲染能力有限，為了兼顧ATOM處理器和本身的性能，微軟對HoloLens應用程序的大小進行了限制，所以，AR-3DUIS應用程序不能超過900MB。2）開發AR-3DUIS應用有兩種方式，采用Unity3D游戲引擎和HolographicDirectX3DAPI。基于Unity3D可以實現快速開發AR-3DUIS應用，但該開發方式會受制于Unity3D；基于HolographicDirectX3DAPI，缺少人機交互的基礎類庫，需要從底層設計人機交互接口，開發難度系數較大。3）AR-3DUIS應用適合第一人視角，也可以采用第三人稱瀏覽，對比兩種視角，后者的視覺效果不如前者。第三人稱視角依賴于HoloLensMixedRealityCapture系統，該系統采用的是200萬像素的RGB攝像頭。本文實驗截圖是通過第三人稱捕捉的視屏流獲得，畫面像素低質量差，畫面質量不如直接穿戴HoloLens全息眼鏡。解決第三人稱視角像素的問題可以采用SpectatorView對增強現實畫面拍攝，該方法需要兩臺HoloLens、一臺可以輸出HDMI的攝錄設備和一套高性能的計算機系統，采用該方法其輸出畫面分辨率可以達到1080p甚至4K左右。
3結束語
本文提出的基于AR的三維城市信息系統設計方法，以Unity3D游戲引擎為核心開發平臺，以HoloToolkit為開發包，以增強現實設備HoloLens為應用展示平臺，改變傳統的三維城市信息的載體和視覺體驗，從二維的電腦屏幕視角到增強現實眼鏡HoloLens三維的全息視角，使得UIS用戶能體驗真正的3DUIS；另外改變UIS的體感和交互方式，從傳統的鼠標和鍵盤的交互轉向凝視、手勢和語音的交互方式。未來對于AR-3DUIS的研究將集中關注以下方面：①將地理分析模型、空間分析服務集成到AR-3DUIS當中，豐富增強城市信息系統的計算分析能力，使其能動態展示城市演變的過程；②建立城市信息系統與增強現實之間通用的數據接口和標準，降低兩者數據格式轉換帶來的成本。
作者：陳冠臣1，吳星星2，王偉2，趙雯婷3單位：1.天水三和數碼測繪院，2.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，3.武漢大學經濟與管理學院