基于3D圖像處理技術的景觀設計系統研究

馬前進

摘? 要： 文中設計一種基于3D圖像處理技術的景觀設計系統。設計人員可在景觀設計數據獲取單元獲取景觀設計素材，然后在模型場景設計單元中，基于景觀設計素材通過三維模型實現地形設計、種植設計、建筑設計、噴灌設計。設計過程可對3D景觀圖像進行預處理，去除噪聲信息與冗余信息，并采用3D景觀圖像特征增強方法實現3D景觀圖像特征增強，提高景觀設計圖像的清晰度。采用3ds MAX材質編輯器將增強后的3D景觀設計圖進行貼圖完成設計，且系統數據統計單元中會保存所設計的景觀特征數據，以供后期查詢。研究結果顯示，所設計系統設計效果圖清晰度極高，質量較好，對庭院景觀、園林景觀的設計中評分較高，且系統應用成本較低、耗能少、作業效率高。

關鍵詞： 景觀設計系統; 3D圖像處理; 三維模型; 圖像預處理; 圖像特征增強; 設計效果分析

中圖分類號： TN911.73?34; TU990.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）09?0071?04

Research on landscape design system based on 3D image processing technology

MA Qianjin

（Zhengzhou Business University， Gongyi 451200， China）

Abstract： A landscape design system based on 3D image processing technology is designed. The designer can obtain landscape design materials from the data acquisition unit of landscape design， and then realize topographical design， planting design， architectural design and sprinkling irrigation design by 3D model in the model scene design unit according to landscape design materials. In the design process， the 3D landscape image can be preprocessed to remove noise information and redundant information. The 3D landscape image feature enhancement method is used to enhance the 3D landscape image feature and improve the sharpness of the landscape design image. The enhanced 3D landscape design drawing is mapped with 3ds Max material editor to complete the design， and the designed landscape feature data is conserved in the system data statistical unit for later query. The research results show that the designed system effect map is of high sharpness and good quality， which gets high scores in the design of courtyard and garden landscapes， and makes the application cost and energy consumption of the system low， and its working efficiency high.

Keywords： landscape design system; 3D image processing; 3D model; image preprocessing; image feature enhancement; design effect analysis

0? 引? 言

景觀設計需要使用景觀設計內容，將科學、技術和藝術相融合，設計過程中不僅需要具有視覺享受，還應和附近環境互相均衡[1]，并且景觀設計時還包含建筑、廣場、道路附近環境的綠化，不單需要景觀和生活文化相結合，也必須重視生態植被的可持續發展。所以，正確使用和保護資源是景觀規劃過程中需要考慮的約束條件。景觀設計不管規模如何，景觀設計必須實現景隨步移的宗旨，所以，提高景觀設計作品的真實性成為景觀設計的核心問題[2]。

傳統方法通常采用虛擬設計方法來提高景觀設計作品的真實性。但是虛擬設計方法具有數據采集誤差大、畫面失真等弊端。隨著電子科技的快速發展，電子制圖和計算機可視化技術逐漸優化，自20世紀60年代開始，二維制圖演變成現在的三維虛擬仿真方法，三維虛擬仿真方法可以高精度地呈現實際環境，在軍事、醫療、城市規劃以及設計制造等領域中具有重要的應用價值[3]。因此，本文將3D圖像處理技術應用于景觀設計中，設計基于3D圖像處理技術的景觀設計系統。

1? 基于3D圖像處理技術的景觀設計系統

1.1? 硬件設計

基于3D圖像處理技術的景觀設計系統屬于計算機輔助設計系統，可以協助設計者高效實現前期方案設計和后期效果渲染[4]。系統主要分成三大功能單元，依次是景觀設計數據獲取單元、模型場景設計單元以及數據統計單元。

3D圖像處理技術的景觀設計系統結構如圖1所示。

1.1.1? 景觀設計數據獲取單元

景觀設計數據獲取單元中，資源庫主要用于保存園林設計樣例、植物圖片集、植物平面符號庫以及配景圖片集，用于為設計人員提供景觀設計素材[5]。

景觀設計數據獲取單元結構如圖2所示。

1.1.2? 模型場景設計單元

模型場景設計單元景觀規劃時，場景設計主要通過三維模型完成，其中，包含地形設計、種植設計、建筑設計模塊、噴灌設計模塊，三維模型結構如圖3所示。

該模塊主要用于設計地形、建筑、種植以及噴灌。其中，建筑景觀點要素直接使用Arc GIS 10.2制作，建筑物采用3ds MAX軟件生成。

首先構建三維幾何模型，把建筑物基礎信息和景觀設計二維CAD分布圖引進3ds MAX里，并引進建筑物高程數據構建建筑物立體模型[6]。對建筑物設定真實的紋理，實現具有貼近實際性的景觀設計。設計時可對3D景觀圖像進行預處理，去除噪聲信息與冗余信息，再采用3D景觀圖像特征增強方法實現3D景觀圖像特征增強，提高景觀設計圖像的清晰度，最后，采用3ds MAX材質編輯器將增強后的3D景觀設計圖進行貼圖實現景觀設計[7]。

1.1.3? 數據統計單元

數據統計單元是基于3D圖像處理技術的景觀設計系統的核心[8]。把景觀名字、基本功能、占地范圍、高程數據等特征數據都用Arcmap實現優化，構建景觀設計的特征數據庫。

1.2? 3D圖像處理

1.2.1? 3D景觀圖像預處理

景觀三維設計中模型色彩的渲染必須根據現實景觀的圖像實施，但獲取的原始3D景觀圖像會具有很多噪聲、信息冗余等弊端，所以，必須實行圖像預處理[9]。假設3D景觀原始圖像的觀測變量數是[q]，同時，變量間存在一定關聯性，按照主成分分析原理，對[q]個原變量實行變換，獲取[q]互相正交的嶄新變量[Lw]，并將其中[a]個能量很大的變量設成主成分，獲取無冗余信息的[Ba]維特征空間。

按照有關理論將[Lw]的協方差[DLw]進行分解：

[DLw=FLTw=FEFT] （1）

式中：[E]代表特征值對角陣;[F]代表正交矩陣。那么線性白化矩陣為：

[U=E-12FT] （2）

通過上述分析，可得到[s]個協方差矩陣：

[Ds=FssT=UFLwLTwUT=E-12FTFEFTFE12=1]? （3）

為了克服3D圖像基過大致使運算難度增加的弊端，必須對3D圖像特征進行降維處理[10?11]。對特征值實行降序分布，并選擇數值很大的[a]個特征值，得到降維后的對角陣[E]，則有：

[U=E-12D-T] （4）

式中：[D]描述方差;[U]表示降維后的3D景觀圖像。

經過上述操作后，3D景觀圖像的觀察向量[st=s1t，s2t，…，satT]，符合：

[st=ULwt] （5）

則3D景觀圖像獨立成分的統計[zjt]為：

[zjt=βj1，βj2，…，βjas1ts2t?sat]? ?（6）

式中[βja]描述3D景觀圖像獨立成分。

綜上所述，選取合理的3D景觀圖像的圖像基，能在最小化降低運算量的同時，不會導致3D圖像失真[12]。

1.2.2? 3D景觀圖像特征增強

3D景觀圖像預處理后，增強3D景觀圖像時，先將3D景觀圖像進行頻域增強，把圖像的像素灰度基于固定函數的轉換變成新的圖像灰度，獲取圖像灰度特征。獲取圖像邊緣灰度對比度的增強函數，實現3D景觀圖像特征增強[13?14]。假設用[ga，b]描述預處理后的3D景觀圖像，[y′jui]描述3D景觀圖像里隨機像素[d′sg]的鄰域，[v′wer]描述各個圖像特征取值的數目，[c′wer]描述圖像像素數目總值，那么，使用式（7）將圖像進行頻域增強：

[K′qwu=c′wep×ga，by″jui*d′sg×v′wer⊕h′gtu] （7）

式中[h′gtu]描述3D景觀圖像灰度值分布情況。

假定將3D景觀圖像中各類灰度值出現的次數設成[θ]，[a，b]描述圖像隨機一點，[a+n，b+m]描述圖像擾動點，[a+n，b+mkl]描述[a，b]與[a+n，b+m]的對應點，那么通過式（8）獲取新的圖像灰度：

[c′poi=a+n，b+mkla，b×a+n，b+m⊕θy′jui] （8）

假定圖像的1階微分函數是[?′poi]，3D景觀圖像的內在特征是[u′wer]，將幅頻特性函數設成[e′sgh]，那么，通過式（9）獲取圖像的灰度特征：

[r′yup=e′sgh±?′poiu′wer±e′sgh]? （9）

假定原圖像塊和各個鄰近基本圖像塊合并后的方差是[φ′uip]，每個圖像分塊占據全部圖像之比設成[λ′wepp]。3D景觀圖像邊緣灰度對比度的增強函數為：

[ε=λ′wepp×φ′uipg′tu×g′rty] （10）

式中：[g′tu]為掩模算子;[g′rty]為低頻范圍的紋理屬性。

假定低頻范圍的紋理屬性權值空間是[η′XZ]，3D景觀圖像信號里每個像素在空域近鄰時所具有的關聯性設成[M′POL]，那么3D景觀圖像特征增強方法為：

[?′po=M′POL×η′XZZ′sdj×K′qwu??″po×c′poir′yup×ε]? ? （11）

式中：[Z′sdj]描述3D景觀圖像的結構信息;[?″po]描述原圖像塊和各個近鄰基本圖像塊合并后的方差。

基于上述處理便可實現3D景觀圖像特征增強，提高了景觀設計圖像的清晰度[15]。

2? 實驗結果與分析

為驗證本文系統的有效性，將本文系統應用于仿真測試中，系統開發工具使用Visual++ 6.1，平臺是Windows XP，CPU主頻是1.87 GHz，計算機內存是10 GB。為測試本文系統的設計效果，采用基于三維虛擬VR技術的景觀規劃系統設計以及基于增強現實技術的景觀規劃系統與本文系統進行對比實驗。圖4～圖6依次是三種系統對同一景觀的設計效果圖。

基于視覺角度能夠直接看出，本文系統設計效果圖清晰度極高，基于三維虛擬VR技術的景觀規劃系統設計以及基于增強現實技術的景觀規劃系統的效果圖視覺效果不如本文系統。

為深度分析三種系統的設計效果，將需要設計的景觀類型分為庭院設計、園林設計。通過專家打分的形式進行設計效果打分，主要以清晰度為評分內容，共5名景觀設計專家，每名專家可評分滿分是20分。結果如圖7，圖8所示。

由圖7，圖8可知：本文系統對庭院景觀、園林景觀設計后的5位專家評分數值的總數依次是98分、99分;基于三維虛擬VR技術的景觀規劃系統設計對庭院景觀、園林景觀設計后的評分數值總數依次是63分、86分;基于增強現實技術的景觀規劃系統對庭院景觀、園林景觀設計后的評分數值總數依次是89分、82分。則本文系統設計效果分數最高，對不同景觀設計效果最好。

采用三種系統依次對園林景觀與庭院景觀進行6次設計，測試三種系統設計過程中系統響應時延數據，結果如表1所示。

根據表1數據顯示：采用本文系統依次對園林景觀與庭院景觀設計時，本文系統設計過程中系統響應時延均值依次是422 ms，396 ms，與基于三維虛擬VR技術的景觀規劃系統、基于增強現實技術的景觀規劃系統相比，本文系統省時超過1 000 ms，則本文系統設計景觀時，系統響應速度快，操作較為靈敏。

由于景觀設計系統的應用與建筑企業的經濟效益有關，為此，系統的工程費用率、耗能以及作業效率十分關鍵。因此，實驗測試三種系統在對同一建筑景觀進行設計時，工程費用率、耗能以及作業效率的具體情況，結果如表2所示。

由表2可知，本文系統的作業效率高達0.96，耗能僅有0.21，與另外兩種系統相比，耗能最小，且工程費用率較低，企業在使用本文系統設計景觀時，應用成本較低，耗能少，作業效率高。

3? 結? 論

本文設計一種基于3D圖像處理技術的景觀設計系統，并將其應用于仿真測試中，經驗證本文系統對庭院景觀、園林景觀設計后的評分數值總數依次是98分、99分，與同類設計系統相比，本文系統對不同景觀設計效果最好。采用本文系統依次對園林景觀與庭院景觀進行設計時，本文系統設計過程中系統響應時延均值依次是422 ms，396 ms，系統響應速度快，操作較為靈敏，且本文系統的作業效率高達0.96，耗能僅有0.21，與同類兩種系統相比，耗能最小。

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