最刺激的VR游戲是什么？生化危機(jī)？節(jié)奏光劍？那你大概沒有聽說過虛擬城市。明明是在虛擬的世界里完成的操作，卻能在真實(shí)世界中影響數(shù)百萬人的生活，這是怎么做到的？天津理工大學(xué)羅訓(xùn)教授，帶你踏上虛擬城市的頭號(hào)玩家之旅。
我是一名做計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究者，我研究的方向是“虛擬現(xiàn)實(shí)”，也就是VR。我的母親和她的朋友們經(jīng)常給我下達(dá)一些計(jì)算機(jī)方面非常困難的研究問題，比如說鍵盤和鼠標(biāo)是從京東買好還是從淘寶買好？比如說office到底應(yīng)該是裝正版的還是應(yīng)該裝盜版的？這些年來我一直在回答這些問題。
這些問題真讓人頭大……
但是2016年的時(shí)候，我媽媽有一天忽然問了我一個(gè)問題，讓我覺得自己的春天來了。她問我說：“羅訓(xùn)，這些年你做的到底是VR還是AR？”這個(gè)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)連我媽媽都知道了，真的太棒了，我感覺這個(gè)時(shí)代屬于我了。
我博士讀了六年，之后工作了十多年，這么多年我一直在做虛擬現(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)并不是一個(gè)很新的學(xué)科，上世紀(jì)60年代的時(shí)候，虛擬現(xiàn)實(shí)就已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生了；90年代的時(shí)候，就已經(jīng)有說“我已經(jīng)沒有自己的身體”這樣的說法了。
盡管我的研究方向一直是虛擬現(xiàn)實(shí)，但是我做的項(xiàng)目是在不斷演進(jìn)的。今天我想給大家介紹的一個(gè)項(xiàng)目，就是我和我的團(tuán)隊(duì)最近正在做的一件事情，我們對(duì)它非常有興趣，我們也充滿了激情，這個(gè)項(xiàng)目叫做 “數(shù)字仿真城市” 。
現(xiàn)在有一款非?；鸬耐婢咛准?，小朋友們特別愛玩，就是小火車的游戲。小火車的套件里有很多積木，有商場(chǎng)，有農(nóng)場(chǎng)，有學(xué)校，孩子們可以自由地把這些積木拿來組合，用軌道把這些社區(qū)連起來，讓小火車在里面跑，非常好玩。它的創(chuàng)意來自英國的一個(gè)動(dòng)畫片，叫做《托馬斯和他的朋友們》。
動(dòng)畫片《托馬斯和他的朋友們》。圖片來源：騰訊視頻
在這部動(dòng)畫片里，小火車們居住的地方叫多多島，是一個(gè)寧靜有序的小城市。我的兒子特別喜歡這部動(dòng)畫片，也特別愛用小火車玩具，搭建多多島。多多島有多大呢？大概100個(gè)居民，五十輛小火車，就這樣規(guī)模的城市，我兒子要一整個(gè)下午什么都不干才能搭出來。當(dāng)然，你搭積木肯定比我兒子快多了，因?yàn)樗挥辛鶜q，這周才剛剛成為一名小學(xué)生。
可是，如果給你一個(gè)挑戰(zhàn)，讓你用積木來建像北京這樣規(guī)模的一座城市，這個(gè)事情可就不是那么容易了。北京有多大呢？北京有2200萬常住人口，有600萬輛車。如果我們要把北京這樣的城市給你積木塊讓你搭出來，毫不夸張地說，可能要花費(fèi)你一輩子的時(shí)間。而且你還要考慮到，萬一你不小心把積木碰倒了，這個(gè)怎么辦？
我來做這件事情要多長(zhǎng)時(shí)間呢？在我們現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)里頭，我們做這個(gè)事情大概不到八個(gè)小時(shí)。 我們?cè)谝惶斓臅r(shí)間里頭，可以搭出像北京這么一座大的城市。 所以我也就可以自豪地說，我是“虛擬城市里面的頭號(hào)玩家”。不但我自己和我們的實(shí)驗(yàn)室能夠做到這個(gè)事情，其實(shí)我想把搭建出來的數(shù)字城市拿出來讓大家都來用，讓大家都來玩這個(gè)數(shù)字城市構(gòu)造這樣的游戲。
我們?yōu)槭裁匆獦?gòu)建這個(gè)數(shù)字城市呢？?jī)H僅是為了玩嗎？
全世界有70%的人住在城市中，但城市的面積只占陸地面積的3%不到，70%的人口居住在不到3%的陸地上，而且據(jù)說每周還以三百萬人的速度涌入到大大小小的城市。擁擠的交通、污染的空氣、糟糕的規(guī)劃成為了很多大城市的常態(tài)。我們經(jīng)常也想說我們?cè)趺磥砀淖冞@樣的城市。我們做的虛擬城市實(shí)際上就是讓大家可以用玩游戲的方法來做城市的規(guī)劃。當(dāng)然這當(dāng)中有很多很多挑戰(zhàn)。
交通擁擠是大城市的常態(tài)。圖片來源：pexels
數(shù)字城市對(duì)我們的幫助是明顯的。
第一它能夠讓更多的人廣泛地參與到城市的變化和演進(jìn)當(dāng)中來。 每一個(gè)對(duì)解決城市問題有熱情的居民，或者專業(yè)的城市規(guī)劃者都可以在數(shù)字世界中嘗試，就像在多多島上改變鐵軌方向或者增加減少建筑的孩子們一樣。
第二就是多元性。 我們所在的城市應(yīng)該怎么樣，男生和女生可能有不一樣的看法，男生可能希望有更多的足球場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)的設(shè)施，可能希望道路上的限速更高一點(diǎn)，讓自己開車的時(shí)候能享受到駕駛的快樂；而女生可能會(huì)想為什么購物街離我就這么遠(yuǎn)，或者為什么我想去吃的那家韓國餐館要坐這么久的地鐵才能達(dá)到？
一個(gè)城市的規(guī)劃者和一個(gè)城市的使用者想法也是不一樣的，城市規(guī)劃者想的可能更多的是宏觀，而城市使用者想的是微觀。人類社會(huì)的優(yōu)勢(shì)在于可以集中很多很多人的智慧和力量，從不同的角度來解決一個(gè)問題，讓這個(gè)問題得到最全面、利益最大化地解決。
第三個(gè)能避免試錯(cuò)成本。 城市的規(guī)模是很大的，在城市里面修一個(gè)公園、修一個(gè)新的商業(yè)區(qū)、建一條新的道路，花費(fèi)的成本是非常高的。再精心的規(guī)劃也難以完全避免紕漏，世界上沒有完美的設(shè)計(jì)，所以試錯(cuò)是一個(gè)必然的過程。但是在真實(shí)世界中試錯(cuò)卻可能付出很高的代價(jià)。我這里有兩件真事兒和大家分享一下。
擁堵是城市中都有的普遍現(xiàn)象，科學(xué)家們做了很多嘗試來治理城市擁堵。比如在武漢就進(jìn)行了這樣的嘗試。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)上班和下班的時(shí)候，大家進(jìn)城和出城的方向是不一樣的?？茖W(xué)家們最后設(shè)想出一個(gè)方案， 就是根據(jù)上下班不同時(shí)間的車流方向不同，在城市里劃定潮汐車道。 簡(jiǎn)單的說就是不同時(shí)間，可以通行的方向不一樣的車道，并且專門改造了一種車輛來鋪設(shè)潮汐車道，花了很多的精力，花了很多的錢。大家猜結(jié)果怎么樣？改進(jìn)非常小，后來這個(gè)事情就取消了——這些鋪設(shè)車輛被撤回，潮汐的車道被取消。付出了很大的成本，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒有改進(jìn)。
另外一個(gè)例子是濟(jì)南，濟(jì)南也是一個(gè)省會(huì)級(jí)城市，擁堵同樣很嚴(yán)重，科學(xué)家們換了一種方法，根據(jù)道路上的車輛擁堵情況，動(dòng)態(tài)地調(diào)整交通路口信號(hào)等的時(shí)長(zhǎng)，結(jié)果效果特別明顯。
根據(jù)上下班不同時(shí)間的車流方向不同，在城市里劃定潮汐車道。
其實(shí)科學(xué)的過程本來就是一個(gè)提出假設(shè)、驗(yàn)證假設(shè)，是不斷試錯(cuò)的過程。但是當(dāng)我們?cè)诔鞘欣飦碜鲵?yàn)證的時(shí)候，試錯(cuò)成本是非常高的。 如果我們能夠在數(shù)字的城市里面試錯(cuò)，那么這些試錯(cuò)成本就可以大大降低。 這也是促進(jìn)我們?nèi)プ鰯?shù)字城市的另一個(gè)動(dòng)機(jī)。
當(dāng)然，想法總是很美好的，但是要攀登的高峰和要經(jīng)歷的道路往往是很曲折的。要解決數(shù)字城市的建設(shè)，不但要有美好的愿望和強(qiáng)大的內(nèi)心，更需要有超人的能力。
傳統(tǒng)的建模方法需要大量人工，建造一座虛擬城市的工作量，并不比建造一座真實(shí)的城市少多少。而且建立的城市哪怕是要做一點(diǎn)點(diǎn)的修改都非常麻煩。此外，城市不僅僅包括靜態(tài)的道路和建筑，也包括動(dòng)態(tài)的人流、車輛和社會(huì)活動(dòng)，這些在數(shù)字城市中也需要進(jìn)行模擬重現(xiàn)。最后，這些動(dòng)態(tài)還得靠譜，也就是模擬結(jié)果的大致規(guī)律和真實(shí)的城市相同，只有這樣當(dāng)我們用數(shù)字城市去做模擬工作的時(shí)候，才能真正有助于現(xiàn)實(shí)的城市。
還好我們有計(jì)算機(jī)，和使用計(jì)算機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。VR的進(jìn)展，可以一一解決這些挑戰(zhàn)問題。
在孩子們玩小火車玩具的時(shí)候怎么做呢，第一，準(zhǔn)備積木塊。第二，把積木塊搭成不同的功能的社區(qū)。第三，在社區(qū)當(dāng)中放上小火車讓它動(dòng)起來。建立數(shù)字城市的過程很像是用小火車玩具套件搭積木。
數(shù)字城市的積木塊就是各種風(fēng)格的建筑物的數(shù)字模型，我們可以用無人機(jī)繞著一座建筑物拍很多張照片，然后用計(jì)算機(jī)把這些照片組合成三維模型，一個(gè)積木塊就出來了。這個(gè)視頻就是我們用這種方法重建的天津理工大學(xué)圖書館。這只是我們做的上百上千塊積木之一。
有了很多這樣的積木塊之后，就可以按一定方式把他們組合起來變成街區(qū)，比如北京，我們知道它是一環(huán)圍一環(huán)的，就可以用這種叫做“環(huán)形路擴(kuò)張技術(shù)”的方式來生成街區(qū)，這樣生成的街區(qū)也是一環(huán)一環(huán)的。這樣的城市就具備了仿真城市的雛形。
光有了這個(gè)街區(qū)和積木塊，其實(shí)還不夠，還要把積木塊放到街區(qū)里面去，要把很多積木塊組合起來，讓不同的街區(qū)具有不同的功能。在做這個(gè)功能的時(shí)候，我們還不能亂放。比如說如果搭出來一座北京城，結(jié)果在故宮的位置，你發(fā)現(xiàn)是三里屯的結(jié)構(gòu)，那這樣的城市建設(shè)出來是不行的。
這個(gè)時(shí)候就用到一個(gè)超級(jí)玩家的超級(jí)道具——社交網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)了。 你在發(fā)朋友圈，曬美食，曬狗糧的時(shí)候，有一些單身狗在注視著你，其實(shí)還有一些計(jì)算機(jī)科學(xué)的單身狗也在注視著你。他除了被虐以外，他還在想一個(gè)想法，你這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)我有啥用。然后他默默地寫一行程序，把這個(gè)數(shù)據(jù)扒下來，你這一行數(shù)據(jù)來講可能是虐了他，但是100萬人這樣的數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)工作者可不是這樣的，它就有規(guī)律了，它可以讓我們知道哪些街區(qū)是干啥的，告訴我們?cè)趺窗堰@些基木塊搭進(jìn)去。
你在發(fā)朋友圈，曬美食，曬狗糧的時(shí)候，一些計(jì)算機(jī)科學(xué)的單身狗也在注視著你，然后默默地寫一行程序，把這個(gè)數(shù)據(jù)扒下來。圖片來源：pixabay
另外，一些公開的數(shù)據(jù)庫，例如城市里面的停車場(chǎng)、醫(yī)院、學(xué)校等的黃頁地址，也可以用計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換到地圖上的位置。這樣我們就能搭成不同的街區(qū)。
這樣建成的城市是靜態(tài)的，想讓它“活”起來，還要有人。這個(gè)時(shí)候我們就用到另外一種數(shù)據(jù)，叫做 “時(shí)空數(shù)據(jù)” 。
“時(shí)空數(shù)據(jù)”指的是數(shù)據(jù)本身和特定的時(shí)間和特定的位置是相關(guān)的，聽起來比較抽象，給大家舉兩個(gè)最鮮活的時(shí)空數(shù)據(jù)的例子，一個(gè)是網(wǎng)約車的數(shù)據(jù)，一個(gè)是出租車的數(shù)據(jù)。網(wǎng)約車和出租車占了咱們這個(gè)城市里面運(yùn)行的車輛的相當(dāng)大的部分，用它們來做抽樣，我們基本上可以復(fù)原出城市里面的交通是什么樣的，就能猜出城市里面的車在怎么動(dòng)，以及能夠大致猜出城市里面的人在怎么動(dòng)。這樣一來我們就能生成動(dòng)態(tài)的城市。
下面這個(gè)視頻是國外的學(xué)者做的一些初步的研究，他們做了一個(gè)比較小的城市，但是可以看到這樣小的城市里已經(jīng)具有了其模塊的多元性，也具有了組合出來的視覺和功能上的近似性，我們能在這里看到不同的停止的或者運(yùn)行的車輛。
科學(xué)家做出來的虛擬城市。
那么我們建設(shè)的城市只是用來看的嗎？其實(shí)不是，我們可以做很多有意義的事情。
比如說在拉美的城市里，棚戶區(qū)是一種廣泛的存在。棚戶區(qū)是由于在城市擴(kuò)張的過程中，人口數(shù)量急劇增加，而基礎(chǔ)設(shè)施缺乏規(guī)劃，或者是有規(guī)劃但建設(shè)速度跟不上造成的。
這樣的棚戶區(qū)造成了很多城市問題，亟需改造，但棚戶區(qū)的改造不僅僅是拆除或者是重建這么簡(jiǎn)單，需要為好幾個(gè)問題找到答案。比如棚戶區(qū)里的居民該怎么辦？他們都在從事哪些職業(yè)，平時(shí)通勤去城市的哪些地方？棚戶區(qū)改造后，地塊是用作商業(yè)區(qū)合適，還是作為住宅區(qū)合適？如果改造為商業(yè)區(qū)，應(yīng)該是哪一種類型？如果只是簡(jiǎn)單魯莽地做出決定，不僅不能解決現(xiàn)有的問題，還可能帶來新的問題。
中國在治理棚戶區(qū)方面已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，也摸索出來了很多成熟的方式方法?？刹豢梢园堰@些經(jīng)驗(yàn)和方法用到拉美城市中呢？這個(gè)時(shí)候， 如果我們把拉美地區(qū)的一座大城市，構(gòu)建為數(shù)字城市。那么，就可以把中國類似城市的棚戶治理模式，在數(shù)字城市中進(jìn)行仿真和嘗試。 充分考慮各種各樣可能的結(jié)果，最大程度地綜合專業(yè)人士的觀點(diǎn)，制定出最好的治理方案。這是非常有意義的嘗試，在一帶一路國家中，可以這樣做的城市還有很多很多。
數(shù)字仿真城市可以幫助城市的管理者，解決當(dāng)下城市中的問題。它還可以幫助城市的使用者，來探索在城市中應(yīng)用未來科技的方式。
自動(dòng)駕駛是當(dāng)下的一個(gè)熱詞，自動(dòng)駕駛技術(shù)中最核心的，是計(jì)算機(jī)對(duì)海量環(huán)境感知數(shù)據(jù)的處理算法。這些感知數(shù)據(jù)包括攝像頭數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)等等。對(duì)于算法單元來說，只要能獲得城市級(jí)的數(shù)據(jù)，并不需要車輛真的上路，在實(shí)驗(yàn)室中就可以完成數(shù)十億次出行，驗(yàn)證在不同情形下，油門、車速、變道等控制算法的正確性。它的好處是顯而易見的。首先，它能夠減少排放，更重要的是它很安全，我們說哪怕是100萬次實(shí)驗(yàn)當(dāng)中撞到一次人，其實(shí)在幾十億次這種危險(xiǎn)性都是很大的，而如果我們能夠用仿真的城市來做這樣，就會(huì)好很多。
Google的自動(dòng)駕駛汽車。
各種游戲都有自己的玩家地圖。作為一個(gè)虛擬城市的頭號(hào)玩家，我的地圖特別特別大，游戲里的角色也特別特別多。我們最近重建了五個(gè)數(shù)字的城市，有中國的兩座，成都和西安，還有北美的三座。我們目前正在建設(shè)五座南美地區(qū)的城市，包括哥倫比亞的三座，波哥大、麥德林和卡利，還有包括厄爾多爾的兩座，基多和瓜亞基爾。這些城市人口加起一共有1690萬。
我們團(tuán)隊(duì)的愿景是為了在第一步讓1690萬的人們，他們的城市生活有三分鐘的體驗(yàn)，可以變得更好，那么1690萬人的三分鐘加起來就是5070萬分鐘，大概相當(dāng)于100年，這也是一個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)家能夠活得最長(zhǎng)的壽命。如果我們的小小愿景如果能實(shí)現(xiàn)，這一生也就很滿足了。
我喜歡虛擬現(xiàn)實(shí)，它能讓我們?nèi)ンw驗(yàn)和感受當(dāng)下的世界，但更重要的是可以在虛擬現(xiàn)實(shí)里創(chuàng)造和想象未來的世界 。這也就是作為一個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)家所不知疲倦，能夠堅(jiān)持自己所做的這個(gè)事情的一個(gè)動(dòng)力和理由。我相信我們今天想要的將是我們城市的未來，愿意和你分享。
謝謝大家的聆聽。
演講嘉賓羅訓(xùn)：《虛擬城市的頭號(hào)玩家》
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