虛擬現實技術在園林規劃設計中的應用*

戴 茜，黃心淵，蔣 蕊，王 旭

(1.北京林業大學藝術設計學院，北京，100083；2.中國傳媒大學動畫與數字藝術學院，北京，100024)

0 引言

作為計算機輔助技術，虛擬現實技術(Virtual Reality，VR)的特別之處在于能夠模擬出逼真的三維虛擬空間，人們可以利用一些特殊設備與該空間的物體實現交互，獲得虛擬世界的真實感。如今VR在園林規劃設計中得到較多的使用，其具備的直觀性與交互性使園林設計師更容易掌控整個設計過程，對空間的把握也更加自如，方案設計趨向于科學和完美。無論是方案的決策者還是社會公眾，都可以在VR演示系統中深入園林場景，能夠多角度實時感受設計意圖。VR還可以模擬園林施工現場，能夠更加合理地安排施工進度，從而使整個施工過程得到科學的指導，確保工程安全。VR的發展潛力極大，是實現當前施工現代化的一個創新性方向。VR所展現出的優勢，可以對園林規劃設計提供更多的幫助，深入研究該技術在園林規劃設計中的應用，有著較大的現實意義。

1 虛擬現實技術的理論概述

1.1 虛擬現實技術及虛擬環境介紹

虛擬現實技術是上世紀八十年底末開始興起的一門綜合性信息技術，涵蓋了多個學科，最早主要用在計算機仿真領域，另外在多媒體、傳感、圖像學等領域也得到了一定的應用。該技術的原理是通過計算機及相關軟件對真實環境進行模擬，用戶可以利用專用的設備沉浸到模擬環境中，從而實現與該環境的交流與感受。虛擬現實技術的核心在于對真實環境的虛擬，主要有三種：（1）還原真實的環境。這種環境有些已經存在，有些正在形成的過程中，有些是遭到了一定的破壞，包括住宅區、校園、戰場等。（2）還原并不存在的環境。這種環境處于人腦的想象之中，例如科幻電影場景、游戲場景等，能夠展現出人類豐富的想象力。（3）還原真實存在的但未被人類感知到的環境。這種環境包括宏觀的天體運動、微觀的分子結構等，以人類的能力還不能直接感知，利用虛擬現實技術進行模擬仿真，可以將它們展現在人們的眼前。

1.2 虛擬現實技術的特點

當前公認的虛擬現實技術三角形架構理論為I3，即虛擬現實技術涵蓋了三個通用的特點：交互性（Interaetivity）、沉浸感（Immersion）、想象力(linagination)。

（1）交互性。虛擬現實技術中的交互性，指的是用戶利用專用的輸入、輸出設備，可以與虛擬環境中的各個物體進行交互，通過這些專用設備用指令的方式指揮虛擬環境內的物件，電腦可以根據用戶的需求完成相關的指令和操作。（2）沉浸感。虛擬現實技術中的沉浸感是指用戶的身臨其境的程度，在專用設備的協助下，用戶可以與虛擬環境交互并感知，產生一種真實的感覺，與現實的環境感受越接近，用戶的沉浸感越強。（3）想象力。虛擬現實技術中的想象力，指的是用戶在判斷、推理、想象虛擬環境的過程中，以感受到的物體變化為基礎，所發揮出的想象能力，并根據想象力不斷改進、創造和完善虛擬現實系統。

1.3 虛擬現實系統的構建與分類

（1）虛擬現實系統的構建

VR系統一般由VR軟件、VR數據庫、VR輸入設備、VR輸出設備構成。

（2）虛擬現實系統的分類

當前，常用的虛擬現實系統主要有桌面式、沉浸式、增強式、分布式等。

桌面式：這種系統由于價格較低且攜帶方便，適用的范圍也廣，所以得到廣泛使用。該系統主要是利用三維鼠標、數據手套、力反饋器等輸入設備進行場景的感受，其缺點是用戶的沉浸感不高，選用該系統的通常是對虛擬現實效果要求較低的用戶，本次研究由于經費不足，也是以此系統為基礎進行虛擬現實技術的應用研究。

沉浸式：這種系統有較強的沉浸感，給用戶帶來的感受體驗非常真實，一般有頭盔顯示的、三維投影的、座艙類的，但是其價格昂貴，所以遠不如桌面式的普及。

增強式：這種系統可以將虛擬環境疊加在真實環境之中，是一種組合式的系統，交互性極強，一般在軍事、醫學及文物估計復原等領域應用得較多。

分布式：這種系統提供的虛擬環境允許多個用戶同時參與，并能實現協同工作的效果，主要用在多人網絡游戲、遠程虛擬會議、虛擬現實社區等領域。

2 虛擬現實技術在園林規劃設計中的應用

在園林規劃設計中，虛擬現實技術有著較大優勢，并貫穿整個設計過程的每一個階段，對于三維建模軟件以及虛擬現實平臺的選擇非常重要，關系到園林景觀的建模方式。

2.1 虛擬現實技術在園林規劃設計中的優勢

2.1.1 對方案設計進行更好的輔助

在虛擬現實技術的幫助下，園林設計師可以利用人機交互深入到多維仿真的場景之中，其觀察與體驗設計方案能夠從任意一個角度展開，使設計更加的直觀，親身感受到設計方案的材料、光照、空間的合理性，并且可以對比分析多種方案，及時發現存在的問題，防止重大設計失誤發生。此外，身臨其境的感覺有助于設計師激發出設計靈感，使設計思維得到擴展。

2.1.2 方案的展示可以通過多維全景、實時互動的方式實現

利用虛擬現實技術，觀眾可以基于自身的意愿對方案進行多角度的實時觀察，體驗觸覺、聽覺、視覺、味覺等多種真實的感受，還可以利用互聯網讓更多的人進行體會。

2.1.3 提高公眾的參與度

作為可以多方溝通的平臺，虛擬現實技術能夠讓公眾有效參與，根據直觀感受，公眾可以評價設計方案并提出相關意見，從而成為方案設計的參與者之一。

2.1.4 模擬施工過程

虛擬現實技術可以對園林的施工過程進行模擬，以論證施工計劃的合理性，從而有效掌握整個項目的施工進度，對施工工序進行合理的安排，防止施工安全隱患，并對節約施工材料有很大的幫助，實現了施工過程的可視化。

2.1.5 有效降低方案展示與人員溝通的成本

虛擬現實技術的應用在方案展示方面有著較大的優勢，有效降低動畫與模型制作、效果圖打印等方面的成本，并且利用網絡平臺的溝通，還能降低各方之間的溝通成本。

2.2 虛擬現實的關鍵技術及建模軟件選擇

2.2.1 三維建模技術

該技術實現虛擬現實環境，首先要保障場景模型的流暢運行，因此要求建立起來的三維模型文件小、面數少、造型準。虛擬現實環境的三維建模有一定的難度，在傳統的園林模型建立中，使用較多的是AutoCAD與3DSMAX相結合的技術組合方式，首先用AutoCAD導入平面圖，再用3DSMAX建模，而虛擬現實環境則需要考慮園林的典型景觀要素，因此還結合了SketchUp。

2.2.2 圖像立體顯示技術與立體聲技術

圖像立體顯示并加入立體的背景聲，是提高虛擬現實技術沉浸感的直接要素。當前較為流行的圖像三維立體顯示技術包括全息式、光柵式、全真式、時分法、光分法、補色法等，其中使用較多的是時分法、光分法、補色法。此外，背景立體聲可以實現3D仿真聲音，當觀眾接近聲源時，聲音將逐步變大，反之則變小，提高了觀眾的臨場參與感。

2.2.3 三維圖像的實時生成技術

在傳統的三維圖像生成的過程中，靜態渲染生成的時間不確定一直是一個難題，而且渲染一張圖片的時間較長。動畫渲染的幀數較多，占用的時間更久。顯然，傳統方式并不適合虛擬場景圖的生成，虛擬現實要求對三維圖像實時生成。可以利用烘焙技術，整個場景經過烘焙可以一次生成，有一些虛擬現實平臺具備烘焙功能，還可以利用GPU渲染技術實時編輯3D場景。

在建模軟件的選擇環節，可以考慮一些主流建模軟件，例如3DSMAX、SkctchUp、Maya等。在這三種建模軟件中，建模能力Maya最強，建模速度SketchUP最快，修改便利性SketchUP最強。本文選擇的建模軟件是SketchUP。

2.3 基于SketchUP的園林景觀模型的建立

2.3.1 建筑物建模

建筑物是園林場景中的重點部分，其建模量較大，其中難度最高的是古建筑模型的創建，SketchUp中的照片建模是一種很好的古建筑建模方式，如圖1所示。

圖1 SketchUp的照片建模

2.3.2 植物建模

在三維建模中，植物建模是一個難點，這是因為每一棵植物的樹葉較多，其模型所形成的面數有可能達到百萬數量級，而且一個園林場景的數目極多。SkctchUP提供了較好的三維樹木模型建立功能，效果圖如圖2所示。

圖2 三維樹木模型

2.3.3 水體建模

水體的存在形式多樣化，靜水與動水是完全不同的結構。SketchUp能夠制作出水的透明度以及水面的材質紋理，但是對水體的反射、折射等并不支持。因此要實現動水的建模，可以先制作成靜水，然后導入動畫漫游軟件，這類軟件能夠生成逼真的動水效果，如圖3所示。

圖3 SketchUp結合動畫漫游軟件生成的動水效果圖

3 結語

基于虛擬現實技術的園林場景的建立，需要對比及篩選合適的建模軟件和虛擬現實系統平臺，并實現模型的建立。本文選擇了SketchUP，論述了各類景觀建模，包括園林場景中的地形建模、建筑物建模、植物建模、水體建模等。本文的創新之處：用面向設計師的SkctchUp作為建模工具，相對于3DSMAX來說，園林設計師能夠更加方便地進入虛擬現實場景。

[1]楊璐.虛擬現實技術在園林景觀設計中的應用[J].藝術科技,2013(7):297.

[2]李國松,楊柳青. 虛擬現實技術在風景園林規劃與設計中的應用研究——幾種常見虛擬現實技術的應用評價分析[J].中國園林,2008(2):32-36.

[3]李承清. 虛擬現實技術在風景園林設計中的應用[J].城市建筑,2013(22):204.

[4]王宏信,趙月寧.虛擬現實技術在園林景觀設計中的應用[J].河南科技,2011(15):53-54.

[5]Francisco,R. Paulo,N. Emflia,D.Marcelo,S. Using Virtual Reality to Assess User Experience [J]. Human factors,2012,54(6):49-55.