虛擬現實技術在“風景園林設計”課程教學中的應用

(北京林業大學園林學院，北京 100083)

一、“風景園林設計”課程教學現狀

“風景園林設計”課程是我國風景園林專業本科重要的設計基礎課程。課程教學目標是要培養學生具備園林景觀設計的基本理念、設計思維，熟悉掌握園林景觀設計的程序和環節，能夠獨立完成設計方案的創造及表達[1]。課程在大二下學期至大四上學期開設，教研組根據不同年級和專業的需求，每個學期安排1～2個設計作業，每個設計作業在8～10周內完成。

“風景園林設計”課程的授課內容包括風景園林設計原理、各種類型的園林綠地及城市公共空間設計。在課程教學中，教師會安排不同的設計專題對學生開展重點訓練，如功能布局、空間設計、地形設計、植物設計、圖紙表達等[2]。教師在課上進行理論傳授、任務講解、案例分析、實地調查方法的講解和設計指導，學生在課上與課后進行方案設計，最終形成正式設計方案，以完整的圖紙形式對設計方案進行表達。其中，空間設計是“風景園林設計”課程的核心內容，它貫穿課程教學的始終，主要是幫助學生建立空間思維模式，增進空間設計能力，培養學生掌握園林空間的尺度、比例、氛圍、布局和組合之間的關系[3]。

不同于傳統的授課方式，“風景園林設計”課程的教學需要借助一定的媒介開展師生間的交流及思想的碰撞，并最終形成園林景觀設計方案。據了解，目前國內外大部分“風景園林設計”課程的教學主要依靠教師的案例講授，以手工制圖、手工模型制作及講評等方式對設計方案進行繪制和推敲。高年級的課程教學能夠結合計算機輔助設計軟件，如AutoCAD、Photoshop、Sketch-up、Lumion等，進行空間設計的推敲。

二、“風景園林設計”課程教學面臨的問題

(一)課程教學的空間維度有限

目前“風景園林設計”課程教學，如教師的案例講解、學生的圖紙繪制與表達等，大多停留在二維空間層面。對于方案三維空間的推敲，只限于小尺度的手工模型與計算機輔助設計軟件的表達。這對于尚未建立良好空間尺度關系的初學者來說，要認知和掌握三維的風景園林空間設計是有一定限制和難度的。

(二)課程教學形式單一

“風景園林設計”課程教學多以教師收集的二維圖片與視頻作為展示媒介，這種傳統的以教師講，學生被動聽的授課方式，無法較好地調動學生的學習積極性，學生也缺少空間的感受。

(三)學生的學習效率較低

課程初學者一般不具備良好的駕馭空間設計的能力，他們需要通過教師的輔導，對設計方案進行反復推敲，甚至有時會推翻方案進行重做。每一次修改，學生都要重新完成新一輪圖紙的繪制過程，學生修改制圖的時間耗費過多，而進行思考的時間較少，造成了學習效率低下的結果。

(四)課程設計成果有待豐富

風景園林是一門應用學科，園林設計的成果需要向公眾展示。目前課程教學成果展示多以二維空間為主，公眾必須具有較強的專業知識和理解能力才能完整理解設計內容和設計效果，但無法全方位感受設計的空間效果。

三、虛擬現實技術及其教學應用方法

(一)虛擬現實技術

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)技術是一種多通道的新型人機交互接口，人們通過使用虛擬現實頭盔，再結合物理空間環境，從而產生具有真實感的圖像、聲音和其他感覺，也就是在一個虛擬的環境中模擬用戶與該環境的交互行為[4]。目前VR系統主要由圖形處理計算機、應用軟件系統、輸入設備和輸出設備組成，具有沉浸性、交互性和構想性3種特性[5]。

虛擬現實技術最早起源于19世紀60年代的美國，到了20世紀80年代，虛擬現實技術的概念被逐漸推廣到醫療、飛行模擬、汽車工業設計以及軍事訓練等領域。從1990年開始，虛擬現實技術開始被廣泛用于商業，并隨著VR頭盔及簡易VR眼鏡等顯示設備產品的不斷更新，虛擬現實技術開始進入大眾視野，并成為游戲行業的主流。目前，我國各大科技公司均有專門開發虛擬現實產品的項目部門，虛擬現實技術開始被用于更廣闊的領域當中[6]。

虛擬現實技術使用戶與計算機的交互方式變得更加自然，就像現實中人與自然的交互方式一樣，用戶完全沉浸在由計算機生成的虛擬環境中，使之產生一種身臨其境的互動觀感。同時，這種互動也便于設計師在設計過程中對方案進行推敲，感受設計的真實效果。此外，虛擬現實技術的展示操作成本相對較低，一般學習幾分鐘就能夠熟練地進行操作，即使普通大眾不具備較強的專業技能也能夠清晰地感受到場地的真實情景，使大眾更便于了解園林設計的效果，提升了對公眾進行科普教育的成效。

(二)虛擬現實技術在課程教學中的應用方法

目前常見的虛擬現實技術的展示有兩種形式：一種是運用全景相機對實際環境進行信息采集而獲得的真實場景；一種是經過電腦制圖軟件渲染出虛擬的場景。這兩種技術的展示方法雖然有所區別，但都能為用戶提供沉浸式的體驗。教師如果掌握了這兩種技術展示方式，就可以將虛擬現實技術應用在設計類的相關課程教學中。

1.真實場景的全景數據采集與合成

真實場景的全景數據采集需要運用全景攝影設備進行實景拍攝。目前市場上有專業的獨立全景相機，如得圖(Detu)F4、Insta360 Pro、GoPro360等，也有支持手機連接的便攜式設備，如Insta360 one、理光(Ricoh)、THETA等。該類設備的工作原理是通過不同方向(2～6個)的全玻璃魚眼鏡頭，拍攝下不同方向的數據信息，之后經過圖片縫合技術，合成得到全景照片或視頻。例如，在進行風景園林實體空間信息采集時，全景攝影設備首先要對采集對象進行樣點選取，開敞空曠的場地是最佳采集地點，同時還要盡量避開游人，以確保得到高品質的原始數據。當數據采集完畢后，利用圖片縫合技術，得到所需要的全景照片或視頻，之后再通過VR設備投影到使用者眼中。利用全景相機拍攝的意大利蘭特莊園全景見圖1。

圖1 全景相機拍攝的意大利蘭特莊園全景

2.虛擬場景的模型制作與生成

(1)虛擬場景模型的構建

首先，虛擬場景模型的構建需要利用電腦軟件制作所需要展示的場景。對于風景園林學來說，是由風景園林要素所構成的戶外空間，包括山體、水景、植被、地形、構筑物、廣場、道路等。常用的軟件包括SketchUp草圖大師軟件、Lumion軟件等。制作者先在SketchUp草圖大師軟件中按照比例完成場景的地形、道路、水體、廣場、構筑物等基礎模型構建，再將模型倒入Lumion軟件中，調整材質、增加植物、進行配景以及環境光影設置，之后得到較為真實的場景模型。

(2)虛擬場景模型的渲染

制作者運用Lumion軟件中的“VR全景設置”功能對制作好的場景模型進行虛擬現實渲染。目前有兩種格式可供制作者選擇，一種是“立方全景”格式，其渲染結果為拼接在一起的12張正方形圖片。這種圖片精度雖高，但需要后期手動圖片縫合才能運用到VR設備產品中。通過Lumion軟件渲染形成的立方全景格式場景見圖2。

另一種是“等距長方投影全景”格式，其渲染速度快，渲染成果可直接適用于VR大部分設備產品。通過Lumion軟件渲染形成的等距長方全景格式場景見圖3。

圖2 Lumion軟件渲染形成的立方全景格式場景

圖3 Lumion軟件渲染形成的等距長方全景格式場景

(3)虛擬場景成果的生成方式

設計者將渲染后的全景內容上傳到互聯網專業VR播放平臺“720云平臺”上，該平臺能夠將全景圖轉化為適合手機和簡易VR設備觀看的格式，觀眾通過VR設備可以進行觀看體驗。同時，該平臺也會將成果上傳至互聯網服務器中，通過生成成果連接方式，便于分享給他人觀看。

四、虛擬現實技術在“風景園林設計”課程教學中的具體應用

(一)教學準備

“風景園林設計”課程需要大量的教學案例作為支撐，而利用虛擬技術則可以建立一個風景園林案例的三維全景課件庫，這樣學生可以打破地域的限制，進入到虛擬場景中體驗世界各地優秀的園林景觀，感受園林景觀的空間尺度，深入體會創作者的設計意圖，并吸收其中優秀的設計思想，在自己的設計中加以實踐。

在此環節中，教師可根據教學主題，選擇優秀園林空間案例，進行VR信息的采集，利用360度全景相機進行照片或短片拍攝。再將VR模型源文件與基本信息、平面圖、分析圖進行合成、編輯，制作虛擬空間案例，從而形成真實、立體的三維園林交互體驗案例課件。利用VR全景相機拍攝合成的園林景觀，見圖4。

圖4 VR全景相機拍攝合成的園林景觀

(二)課堂講授

課堂講授環節主要包括兩個方面。一是課堂上的案例講授。教師可以通過投影設備或學生借助簡易VR眼鏡，觀看已經制作好的全景案例。在觀看時，學生仿佛置身在真實的學習案例中，能以360度旋轉視角對學習案例進行觀看與研究，這將極大提高學生的學習興趣，使其加深對案例的理解程度，將被動學習變為主動學習。二是空間設計方法的講授。教師通過SketchUp草圖大師與Lumion軟件，參照上文介紹的技術手段，為學生講授VR全景模型的生成方法，此技術將輔助學生完成園林設計。

(三)園林空間設計方案的推敲

“風景園林設計”課程需要學生在課后投入一定的時間去深化與推敲設計方案。在這個過程中，傳統的方法是借助實體模型與軟件進行。但虛擬現實技術為設計師提供了更加真實且更具有交互性的設計體驗，它能夠準確地展現場地的光照、地形、土壤、植物等多種要素，這使得設計師抽象思維的表達更加接近于實際情況。因此，在園林空間設計方案的推敲環節，學生可以結合虛擬現實技術，對風景園林的細部設計、空間構造效果、環境的模擬和施工等進行仔細推敲，從而使設計方案達到最優化。

當學生掌握了虛擬現實全景模型的生成技巧后，可以將自己所設計的園林場景與“720云平臺”手機端連接，生成全景效果的鏈接，再通過VR簡易眼鏡，進入全景體驗界面，繼續推敲該設計方案空間尺度的設計是否合理與舒適。如果不合理，學生可以迅速在模型中進行調整，以獲得最滿意的園林空間設計方案。學生園林設計作業——園林景觀虛擬現實場景見圖5。

圖5 學生課程設計作業——園林景觀虛擬現實場景

(四)優秀學生作業的成果展示

“風景園林設計”課程教學結束后，會舉行一次全學年優秀學生作業成果展示活動。以往的作業成果展示多采用PPT與圖紙展示的形式，由于學生匯報經驗不足等因素，在較短的時間內，學生無法將自己設計的核心內容與特色展示出來。而當“風景園林設計”課程引入虛擬現實技術后，學生可以將其最終設計成果生成虛擬現實全景模型，觀眾通過手機云端就可以獲取全景信息，實現多人同時出現在同一虛擬園林空間中，同步進行游覽體驗，同時通過麥克風還可以進行實時交流。虛擬現實技術使學生作業成果展示從以往的圖紙文本變為方便快捷的聯網匯報交流，具有較強的參與性和互動性。利用VR技術進行作業成果互動展示與體驗見圖6。

圖6 學生課程設計作業以虛擬現實全景模型進行的互動式展示與體驗

五、虛擬現實技術在“風景園林設計”課程教學中的應用成效

(一)學生的空間感受更加真實和直觀，有利于提高學習效率

虛擬現實技術能夠使用戶與計算機的交互方式更加自然，就像現實中人與自然的交互方式一樣，用戶完全沉浸于由計算機生成的虛擬環境中，產生一種身臨其境的互動觀感。教師利用虛擬現實技術進行“風景園林設計課”課程教學課件的制作，使學生能夠更加直觀感受園林空間的設計方法，提高了教學效率。同時，虛擬現實技術給學生帶來了沉浸式體驗，學生仿佛置身于真實的園林空間，對自己的設計進行不斷推敲，判斷自己所設計的空間尺度是否合理，如有不足，可以及時調整設計方案，提高了學生的學習效率。

(二)VR操作技術易于掌握，有利于激發學生的學習興趣

虛擬現實的操作技術較為簡單，易于掌握，學生可以熟練地生成虛擬現實園林模型，以便在設計過程中對方案進行反復推敲，感受設計效果，提高了學生的學習興趣。學生在進行作業成果的交流展示時，新的展示模式也會更加容易被大眾接受。

(三)運用VR技術可以對設計方案進行反復修改和調整，有利于降低教學成本

對于教學成本來說，現有的虛擬現實技術能夠與互聯網結合，將園林空間生成鏈接，在電腦與手機App中展示，師生可以通過簡易的VR眼鏡或手觸模型進行推敲，大大降低傳統教學模型制作中木材、石膏、混凝土、塑料、金屬等材料的成本投入，也節約了學生的時間。

資助項目：北京林業大學2018年教育教學研究項目——虛擬現實(VR)技術在“風景園林設計”課程教學中的應用研究，項目編號BJFU2018JY022；北京市2017年科技計劃項目“園林景觀設計資源服務平臺建設”，項目編號D171100000217002；教育部2017年第二批產學合作協同育人項目“精品國際風景園林案例虛擬現實(VR)課件制作”，項目編號201702142009。