VR技術在城市綠化設計中的應用?
——以風景園林為例

孫漪南 李方正 李 雄

北京林業大學園林學院 北京 100083

VR技術在城市綠化設計中的應用?
——以風景園林為例

孫漪南 李方正 李 雄

北京林業大學園林學院 北京 100083

隨著VR技術的不斷發展，技術門檻不斷下降，使更多風景園林工作者開始使用這一蓬勃發展的技術。文章對VR技術進行了簡要介紹，并針對風景園林設計、風景園林教育和風景園林研究這3個方面與VR技術結合的可能性進行了探索，探討了如何利用VR技術來促進城市綠化設計的發展，為各位同行起到拋磚引玉的作用。

VR，風景園林設計，風景園林教育，風景園林研究

VR(Virtual Reality)是虛擬現實的英文簡稱。它是一種以計算機技術為核心，并與相關領域技術相結合，生成一個一定范圍的真實環境，在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環境。通過借助必要的裝備，用戶便可以與數字化環境中的虛擬對象進行交互作用、相互影響，產生親臨對應真實環境的感受和體驗的技術[1]。隨著VR技術的發展和設備的不斷便捷化、低成本化，VR領域于2016年進入了“VR商用元年”[2]，越來越多的廠商開發便攜式、低成本的VR體驗設備，VR技術也逐漸走入尋常人家，更多的行業也開始研究如何與VR技術相結合，利用VR技術改變行業的發展。如今，VR技術在風景園林領域的應用也開始逐漸興起。本文將從風景園林設計、風景園林教育與風景園林研究3個方面來探討VR技術與傳統風景園林領域的融合可能性。

1VR技術概況

1.1VR技術的發展

自從1929年發明了第一個具有飛行感覺體驗的飛行模擬器[1]，人類進行現實模擬的腳步從未停歇。1989年，Lanier首次提出了Virtual Reality一詞，并被大家普遍接受。隨著20世紀90年代后計算機技術的發展，VR的發展步入了快車道。1993年，Heim在其著作《Metaphysics of Virtual R eality》中提出了包括模擬性、交互作用、人工現實、沉浸感、遙在、全身沉浸和網絡通信7個VR特征[1]。目前，VR的發展一方面朝著高精尖仿真應用方向(如航空航天、軍事模擬、手術模擬等)，另一方面則朝著民間娛樂的民用商業方向發展(如電子游戲、電影、全景直播等)[3]。VR技術兩條線共同發展與風景園林的發展方向產生了交點，越來越多的同行開始嘗試使用VR技術來從事風景園林設計與研究。

1.2VR技術流程

VR技術是參照真實的世界而模擬、仿真出一個與真實世界相接近的假想世界，并通過用戶與假想世界的操作和交互，體驗一種在真實世界的感覺，甚至能夠對真實世界產生影響。實現這一目標的核心為對模擬真實世界的建模、模擬真實世界的表現、用戶與虛擬世界的交互3個步驟。

隨著計算機技術的發展，建模的方法與軟件日益豐富，對真實情況的還原也日益提高。目前建模的常用手法有結合3D掃描儀、360°攝影機等對真實世界進行測量掃描的數字測量法，利用物理仿真數學計算而進行建模的數字生成法和利用計算機建模軟件(如Auto CAD、Revit、Sketchup)進行計算機建模的人工建模法[1]。其中，在風景園林領域常用的為人工建模法及數字測量法。

當建立起虛擬世界的模型之后，為了能夠形成與真實世界貼近的逼真效果，需要對建立的模型進行渲染處理，并導入VR展示設備進行表達，使觀看的用戶具有置身真實世界的沉浸感。目前，利用計算機設備可以對光線、物理運動軌跡、復雜的紋理、自然景物等進行極為真實的模擬；同時也可以利用圖像(如全光函數、全景圖、分層深度圖像等)生成技術，較為便捷地對真實世界進行模擬和展示[1]。其中全景圖無論在拍攝、渲染表達均便捷方便，已經在道路評價、三維數字展示等領域有著較為廣泛的應用[4-5]。隨著技術的發展，對于聲音、觸覺、味覺等其他感知的表達技術也在不斷地進步和發展，以期能夠全方位對真實的環境進行模擬和還原。

如果僅僅能夠對真實環境進行仿真模擬，那只是一種3D場景展示。當用戶與虛擬環境進行交互時，才能夠展現出VR技術真實的魅力。通過VR設備，用戶可以觸碰虛擬世界內的物體、可以操作虛擬世界中的機關來產生一系列的變化。使用戶好像真的置身“真實世界”一般。Google公司開發的一款名為Tilt Brush的軟件，就將VR控制器作為畫筆，使用戶可以在虛擬世界中進行創作立體作品，甚至可以與自己創作的作品進行互動。

2VR在風景園林領域的應用

隨著VR的發展，使技術、成本門檻變得越來越低，風景園林行業享受VR技術紅利的機會也越來越多。VR技術對于虛擬世界、空間感的良好模擬以及交互操作等優點可以極大地簡化風景園林領域存在的一些難解問題。

2.1 在風景園林設計中的應用

2.1.1 現狀調研

現狀調研是設計師設計工作開展的基礎，需要對設計場地現狀進行充分的了解和記錄。現階段設計師們比較常見的記錄手法為相機拍照和文字記錄，同時結合一些甲方提供的基礎數據。這種方法雖然可以較為完整地了解現狀情況，但是由于拍照記錄信息數量有限，設計師離開現場后難免會出現遺忘現場細節、對于現場空間感受模糊等問題，這些對后期的設計造成了一定的影響，并有可能需要設計師多次前往現場進行踏查和記錄。利用360°攝像機可全方位記錄場地的信息，同時利用計算機軟件(pano2、PanoramaStudio等)進行處理，形成可漫游的全景圖。或將照片上傳至www.720yun.com等全景圖云網站，形成可在線瀏覽的全景圖，并可以通過網站的路徑功能，設置不同全景圖場景之間連接關系，形成一個連續的全景圖瀏覽路徑。當設計師離開現場后，只要登錄自己的賬號，隨時利用自己的手機搭載VR頭顯設備觀看自己拍攝的全景圖，并根據自己設置的路徑來對場地進行瀏覽。若將攝像機與無人機進行搭載，可實現多角度全面的信息提取，同時也可以觀測到一些人難以到達的區域，保證了場地內部信息的全紀錄[6]。逼真的場景展示、還原的空間感受都能夠隨時為設計師回想現場細節提供充分的支持。

2.1.2 設計推敲

在設計過程中，目前最為常用的方案推敲手段為草圖、建工作模型等手法。利用計算機輔助建造技術雖然可以十分便捷地建造出工作模型來推敲方案，但是設計師仍處于設計空間外圍對場地進行推敲。經驗豐富的設計師可以憑借長時間的經驗積累，通過平面圖與工作模型來想象實際建成后的空間開合關系、對位關系、高低關系等，但對工作經驗不足的設計師來說，仍有一定困難。而利用VR表現平臺，將建成的工作模型進行一定的渲染與處理，導入VR頭顯設備，可以讓設計師從“空間之外”來到設計場地“空間之內”。能夠身臨其境的感受自己的設計成果，十分直觀地看到未來建成的效果。利用VR的漫游技術，設計師可以在自己設計的場地之中進行移動，多角度多方位地觀察自己的設計作品，驗證自己設計意圖是否實現。隨著VR軟件的不斷發展，設計師甚至可以現場修改自己的設計作品，以達到最優的效果。

2.1.3 設計表現

設計表現在設計過程中也是十分重要的步驟，是設計師將自己的想法通過直觀的形式，呈現給甲方和業主。目前主流的展示方法包括彩色平面圖、全局鳥瞰圖、局部效果圖、漫游動畫等。這些表現手法各有各的優點，但是也有各自的局限。部分非專業的甲方或業主，很多時候并不能對設計成果有全方位的認識。設計師可以將設計模型通過多種軟件平臺(如UC-WIN-ROAD、Lumion、Virtools、Quest3d，Converse3D)加以渲染表現[7]，并置入頭顯設備使甲方或業主可以在模型中漫游，好似置身于真實場景之中，親身感受設計的不同角度和不同方面。同時，還可以在漫游時設置游覽路徑，使甲方和業主可以按照自己日常行走習慣來“參觀”設計成果，具有強烈的直觀感受。這樣便于甲方理解設計師的意圖，能夠平等地與設計師交流設計想法，使最后建成的設計成果達到多方滿意的效果。

2.2 在風景園林教育中的應用

VR技術目前已經逐漸被應用到教學領域中，如郭勇陳等將VR技術應用于經濟管理類實驗教學之中[8]。北京印刷學院藝術設計學院基于3DVIA Virtools平臺開發的“現代印刷機虛擬現實互動教學系統”取代價格昂貴的實體機器，仿真真實印刷機工作流程，以便學生可以了解印刷機內部構造與印刷原理。風景園林教育是培養未來風景園林人才的重要途徑，而設計教學需要調動學生想象力，例如設計專業的學生需要學習掌握的如空間感、距離感、平面立面轉換能力、想象力等素養，這些抽象的、感知層面的內容很難僅憑借教師的圖畫和語言來描述。這就造成許多學生在早期學習的過程中因對空間認知能力差、立體想象力不足等問題而對設計無從下手，也不知道什么樣的設計是更好的設計，也就是大家常說的“入門難”的問題。基于VR對于空間的還原與虛擬建模功能，可以作為教學輔助道具來訓練學生對于空間的感知力和三位空間與平面轉換能力，能夠在入門教學的時候更加直觀、有效地培養學生們的設計感覺。

風景園林設計師是創造和設計空間的職業，組合不同類型空間以產生豐富的體驗感是風景園林設計師的基本素養之一。在設計過程中，設計師會運用多種方法來圍合、創造空間的情況(植物、墻、建筑等)。而初學者往往不具備空間想象力，很難理解教師口中所說的“空間圍合”“空間轉換”含義，也很難理解構筑物或植物的不同擺放位置會對空間造成什么樣的影響。VR的空間體驗特性，可以通過讓學生親身感受不同狀態空間場景，來向其傳達不同的空間信息，讓其通過自己的感受來理解不同空間性質的區別和差異。同時，也可以利用VR的交互性功能(如使用Tilt Brush軟件)，讓學生親自在空間中營造，去感受不同材質、不同高度、不同布局對空間感受產生的變化。這種直觀而具有互動性的教學手法可以迅速提高初學者的空間感受能力。如果結合平面圖與對應的立體模型，還可以進行學生對于平面圖讀圖能力的訓練，使學生親身感受自己在具有比例的平面圖上所繪制的空間，在真實比例下會給人什么樣的空間感受。

2.3 在風景園林研究中的應用

2.3.1 遺產保護

對于遺產保護領域，VR技術的應用在國外開展較早。如2001年美國加州大學洛杉磯分校的Wiiliam·JePson帶領他的城市仿真團隊在以色列戴維森展覽中心虛擬重建了古耶路撒冷聚落，使這個已經消失的古代耶路撒冷風貌得以重現[9]。2007年，法國建筑師Jean-Pierre·Houdin利用于虛擬現實平臺Virtools實時3D解決方案幫助其建立了歷史上第一個解釋金字塔建造工法的理論[10]。目前，國內也有很多遺產保護項目開始使用VR技術。例如惠山古鎮的保護開發項目中，利用VR技術建立了三位虛擬仿真系統[10]。在國家古村落名錄中，許多古村落也采用航拍、全景圖拍攝等多種技術，在www.720yun.com等網站為古村落建立VR視覺檔案，為古村落的研究和保護提供了豐富的資料，同時也為游客提前了解古村落遺址提供了良好的平臺。

2.3.2 風景園林評價

風景園林評價中比較核心的問題是通過何種方法可以將人們主觀情感量化，形成一套衡量景觀好壞的評價體系，因此常選擇采用將景觀場景拍成照片，進行大量問卷調查的方式來獲得主觀評價傾向(如美景度法)。但是由于評價測試材料多為平面化的照片，這些評價很難對具有較強主觀感受的因素(如空間感受等)進行評價。同時，一張照片所能展現出的視角、內容均十分有限，所展示出的內容在一定程度上受到攝影師主觀好惡影響，因此無法真實展示一個場景所包含的全部信息。這些局限使得評價者很難對一個多維度的景觀場景進行真實的評價。

利用VR全景圖技術進行景觀視覺評價，一方面可以再現場景的真實空間感受，進行平面照片所不便進行的主觀感受因子的評價，還可以通過對360°場景的全方位還原來減少拍照者對測試過程的影響，從而提高測試結果的真實性。此外，VR素材采集簡單，通過前后左右上下6個方向拍攝的照片進行拼合，或手持單個相機環繞一周360°采集圖像，即可攝取擁有重疊區域覆蓋水平360°方位的圖像。這使測試過程中需要觀看的場景數量遠遠小于平面照片的數量，減少測試者工作量。另外，研究人員也可以通過觀測被試者在虛擬VR場景中的活動，記錄其行為來分析研究景觀對于人活動產生的影響，以及人們對于景觀的喜好傾向等。因此，VR技術在景觀評價中的應用具有較為廣泛的前景，具有探討和研究價值。

3 展望

風景園林的發展需要跟上時代的步伐，需要享受先進技術帶來的紅利。目前，VR技術處于優勢與缺點都十分明顯的階段。優點是我們現在已經可以僅僅通過一部手機、一個簡易VR頭顯設備就可以開展VR的研究工作；但是也不能長時間佩戴觀看，否則會產生眩暈和視覺疲勞，現行VR設備與傳統園林設計軟件之間需要進行平臺轉換。同時，目前VR技術僅對空間感知及視覺模擬程度較好，如何實現同步的其他感知途徑的模擬仍處于研究狀態。

筆者認為目前VR與風景園林結合的關鍵是打通VR操作平臺與園林計算機設計平臺之間的障礙，能夠實現即時操作即時反饋的無縫銜接，成品的格式能夠得到共享，使VR技術可以銜接在設計的各個階段，建立一套全面的空間設計信息模型。目前，各個設計單位已經出現了一些自行研發設計的平臺轉換途徑和軟件，但是還遠遠沒有成為一套連貫的技術鏈條，VR仍被應用于設計的最后一步——即展示環節。但是相信隨著計算機技術的不斷進步與更新，能夠將VR技術融入城市綠化的各個領域，可以使設計更加直觀、讓表現更加真實、讓教育更加便捷、讓研究渠道更加豐富。

[1]趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學(F輯:信息科學)，2009，39(1):2-46.

[2]陳海燕.VR進入商用元年[J].商業觀察，2016(2):24-27.

[3]王健美，張旭，王勇，等.美國虛擬現實技術發展現狀、政策及對我國的啟示[J].科技管理研究，2010(14):37-40，56.

[4]張霞，趙瑋丹，江文萍，等.基于網絡熱度的道路景觀評價與最美路徑推薦[J].同濟大學學報(自然科學版)，2016(3): 383-388.

[5]李萌.基于體感交互的沉浸式森林景觀展示研究[D].北京:北京林業大學，2013.

[6]馮瀟，王文韜.計算機輔助建造技術(CAM)在風景園林規劃設計階段的應用探索[J].風景園林，2016(2):20-25.

[7]王施施.BIM建筑模型在VR系統中數據轉換研究探討[J].價值工程，2016(14):211-213.

[8]郭勇陳，賈佳麗，王皎琳，等.VR技術在高校經管類實驗教學中的應用研究[J].實驗室科學，2016(2):70-75.

[9]李蘇旻.虛擬現實技術在建筑與城市規劃中的應用研究[D].長沙:長沙理工大學，2008.

[10]章立.虛擬現實技術在建筑遺產保護中的應用研究[D].江蘇無錫:江南大學，2009.

Application of VR Technology to Urban Landscape Architecture

Sun Yinan Li Fangzheng Li Xiong
(School of Landscape Architecture，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China)

With the constant development of virtual reality(VR)technology，the technical threshold is declining.As the result，more landscape architects began to use VR technology.This paper briefly introduced the VR technology，and explored the possibility to use the VR in the field in terms of landscape architecture design，landscape architecture education and the research.The paper also discussed how to use VR technology to promote the development of the landscape design，with the aim to provide a reference for the colleagues to take further discussions.

virtualreality，landscapearchitecturedesign，landscapearchitectureeducation，landscape architecture research

10.3969/j.issn.1672-4925.2017.02.012

2016-09-17

國家自然科學基金“基于森林城市構建的北京市生態綠地格局演變機制及預測預警研究”(31670704)

孫漪南(1988-)，女，博士，研究方向為風景園林設計，E-mail:mhxiaojie＠bjfu.edu.cn

李雄(1964-)，男，教授，博導，副校長，研究方向為風景園林規劃設計理論與實踐，E-mail:bearlixiong＠sina.com