基于數字虛擬技術的環境藝術設計研究

陳增輝

摘? 要： 由于對傳統環境藝術進行設計時，存在對數字虛擬技術的過度依賴，因此，提出新的基于數字虛擬技術的環境藝術設計研究方法。深入考慮環境景觀和環境形態兩種環境藝術屬性，獲取圖形以及影像圖層，以三維環境區域的比例和尺寸為依據，獲取環境區域的二維矢量圖后，融合全部小角度拍攝獲取的紋理，得到總體環境圖像紋理，在此基礎上采用Google Sketchup平臺繪制虛擬環境初步模型;將二維矢量圖嵌入到Google Sketchup平臺內的地形和影像兩個圖層后，融合環境初步模型，構建三維環境景觀模型。采用混沌式生成法，在三維環境景觀模型的基礎上，實現虛擬環境形態的混沌式生成，依據虛擬現實觀，通過環境體驗演變獲取環境形態設計圖。實驗結果表明，所提方法的三維建模誤差低于1.2%，環境藝術設計的逼真度、效率、成本指標都較優。

關鍵詞： 環境藝術設計; 數字虛擬; 三維建模; 圖層獲取; 形態設計; 實驗分析

中圖分類號： TN919?34; TU986? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）04?0134?03

Design of environmental art based on digital virtual technology

CHEN Zenghui

（Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China）

Abstract： In allusion to the over?dependence on digital virtual technology in the design of traditional environmental art， a new research method of the environmental art design based on the digital virtual technology is proposed. Two kinds of environmental art attributes of environmental landscape and environmental form are deeply considered to obtain graphics and image layers. On the basis of the scale and size of the three?dimensional environment region， the two?dimensional vector image of the environment region is obtained， and the texture acquired from small angle shooting are fused to get the overall environment image texture. On this basis， the preliminary model of virtual environment is drawn by means of the Google Sketchup platform. The 2D vector image is embed into both the terrain layer and image layer in the Google Sketchup platform， the environment preliminary model is fused to build the 3D environment landscape model. The chaos generation of virtual environment form is realized based on the 3D environment landscape model by means of the chaos generation method. The design drawing of the environment form is obtained through the evolution of environmental experience according to the virtual reality view. The experimental results show that the 3D modeling error of the proposed method is lower than 1.2%， and the fidelity， efficiency and cost of environmental art design are better.

Keywords： environment art design; digital virtualization; 3D modeling; layer obtain; form design; experiment analysis

0? 引? 言

數字虛擬技術突破了環境藝術設計形式，它以信息技術為基礎，對環境藝術設計進行創新[1]。近年來環境藝術設計的快速發展取決于數字虛擬技術的廣泛應用，但由于對數字虛擬技術的過度依賴，使環境藝術設計欠缺深入思考，未能全面研究環境景觀以及環境形態，導致環境藝術的設計質量較低[2]。

隨著城市環境的快速發展，要求環境規劃和建設所用時間必須縮短，由此提出一種環境三維景觀快速建模方法[3]。該方法以Google Sketchup為平臺，不僅提高了環境三維景觀建模的效率，也降低了成本。因此本文提出新的基于數字虛擬技術的環境藝術設計方法，深入考慮環境藝術設計的環境景觀和環境形態兩種屬性[4]，在Google Sketchup為平臺獲取三維環境景觀模型的基礎上，設計者采用虛擬現實技術和通過采用混沌式生成法，實現虛擬環境形態的混沌式生成，并通過虛擬現實觀對環境體驗的過程實現環境形態的構建，增強體驗者對環境藝術設計效果的直觀感受。

1? 基于數字虛擬技術的環境藝術設計方法

1.1? 三維景觀模型構建流程

對環境三維模型進行構建常用Google Sketchup平臺實現，采用該平臺對Google Earth建模區域的地形和影像數據進行提取，采用Google Sketchup平臺對環境進行三維建模，構建三維環境景觀模型[5]，詳細流程見圖1。

1.1.1? 二維矢量圖編輯

原始圖像的處理首先要去除沒有價值的圖層，保留數字虛擬環境三維景觀所需要的湖泊、樹木、草坪、道路等塊狀環境形態。為了保證Google Sketchup平臺不受雜亂線性干擾，提高數字虛擬環境模型的整體效果，需將雜亂疊合的線類去除[6]，對塊狀環境形態進行查看，必須保證該塊狀環境形態是閉合狀態、轉角線不能相交等問題。

1.1.2? 環境紋理與屬性數據采集

使用專業數碼相機拍攝真實環境，可使Google Sketchup平臺內虛擬環境更具有真實效果。根據拍攝的環境圖片也可有效提取虛擬環境的紋理信息和環境層數，對拍攝的環境圖片進行編號處理并保存。使用圖形編輯軟件對拍攝環境照片中存在的角度問題進行處理[7]。為了保證虛擬環境紋理的完整性，需要按照所需環境進行攝像機角度選取。通過小角度拍攝正面的紋理，可解決受到不同遮擋物的干擾，導致攝像機無法獲取完整環境圖像的問題，再依據環境普通外表面的相似性屬性，融合全部小角度拍攝獲取的紋理，得到總體環境圖像紋理[7]。

1.1.3? 環境三維初步模型

為了保證虛擬環境三維初步模型的真實感，需對初步模型進行紋理貼圖。紋理貼圖分為兩種情況：一種是對采集的真實紋理進行Photoshop處理后，對初步模型進行紋理貼圖;另一種是一部分使用采集的真實紋理進行貼圖，其余部分使用軟件設置的紋理進行貼圖。Google Sketchup平臺自帶紋理和材質編輯器[8]，使用起來方便簡單，且只在個別位置使用真實紋理貼圖，其余位置使用軟件自帶的紋理圖，整體效果會更逼真，所以第二種情況的使用更為廣泛。

1.1.4? 三維環境景觀構建

將獲取的二維矢量圖嵌入到Google Sketchup平臺內的地形和影像兩個圖層，將這些進行數據調整，數據相匹配后，將構建完成的環境三維初步模型和其他輔助三維環境模型，都嵌入到環境三維景觀模型中。該環境三維景觀模型要以SKP格式進行保存，并把保存后的環境三維景觀模型嵌入到Google Sketchup平臺內，根據二維矢量圖確定環境三維景觀模型具體位置點[9]。當環境三維景觀模型構建完成后，可使用Google Sketchup平臺發送到Google Earth建模區域上進行瀏覽，也可在Google Sketchup view或其他平臺上瀏覽。

1.2? 基于虛擬現實的環境形態創作

依據三維環境景觀模型進行環境藝術設計，要以虛擬現實的環境形態創作為基礎，從客觀存在的物理層面和主觀審美的精神層面來認識環境形態，并對藝術觀、審美觀、技術觀進行改革創新，圖2為虛擬現實觀圖示。

1.3? 基于虛擬現實觀的環境形態混沌式生成

混沌式生成原理是在三維環境景觀模型的基礎上，以環境形態的局部開始，從整體環境的最下層到最上層進行設計，該設計方法稱之為混沌式生成方法。荷蘭物理學家洛倫茲曾經對氣象變化數據進行繪制，并將繪制完成的圖像嵌入到相位空間圖內，原本雜亂無章的數據點組成了雙螺旋線圖，該圖形軌跡永無交集，且運動永不停止。混沌模型示意圖如圖3所示。

由天氣數據嵌入到相位空間圖，引起的這一現象證明不確定數據流具有確定性特性，而隨著初始環境內部的細微差異量的不斷增大，使整體結果產生巨大差異。產生該差異的原理便是洛倫茲的“蝴蝶效應”原理。

混沌式生成方法對初始條件具有很高的辨識度，且具有感官隨意，客觀有序的特征。虛擬現實觀是通過體驗者對環境體驗的過程實現環境形態的構建，該過程的混沌性較為明顯[10]。

2? 實驗分析

某市打造以家庭娛樂為主題的公園，其占地面積68.2×104? m2，建造成本為300萬元。

圖4為本文方法設計的某城市公園環境三維效果圖，由效果圖可看出，整體環境形態效果逼真，布局合理，具有一定的藝術性。

為突出本文方法的優勢，采用高空GIS三維建模方法、數字攝影三維建模方法進行對比測試，以實驗公園三維建模誤差為目標，三種方法誤差對比結果見表1。

從表1中數據可知：本文方法對實驗公園的三維建模誤差均低于1.2%;高空GIS三維建模方法的三維建模誤差在2.2%～3.6%之間;數字攝影三維建模方法的三維建模誤差均高于4.1%。證明本文方法的三維建模誤差小、精度高，為構建數字虛擬技術環境藝術設計三維模型提供有利的數據條件。

使用Zbrush三維建模軟件對實驗公園進行環境藝術設計，用時42天，環境藝術設計花費共計12萬元。

為了驗證本文方法在提高實驗公園環境藝術設計的逼真度和效率，同時降低了設計成本，以相關性能數據為目標，對三種方法的藝術設計性能和Zbrush三維建模軟件設計性能進行對比如表2所示。

從表2可知，本文方法設計實驗公園環境藝術的逼真度平均值96.6%，設計效率相對于Zbrush三維建模軟件提高的平均值為33.2%，相對于Zbrush三維建模軟件的設計成本降低率平均值為38.9%。高空GIS三維建模方法和數字攝影三維建模方法，進行實驗公園藝術設計的逼真度低于本文方法，且兩種對比方法設計過程中相對于Zbrush三維建模軟件的設計效率提高值、成本降低值都低于本文方法。說明本文方法可以有效地提高環境藝術設計的逼真度和效率，并且大幅度降低了藝術設計成本。

3? 結? 論

在數字虛擬技術基礎上，對環境藝術進行設計，不僅提高了環境藝術設計的逼真度以及效率，并且降低了藝術設計成本。本文提出新的基于數字虛擬技術的環境藝術設計方法，深入考慮環境藝術設計過程中環境景觀和環境形態兩種環境藝術屬性，采用Google Sketchup平臺依據環境二維矢量圖，結合小角度拍攝的環境紋理融合得到整體環境紋理，構建環境初步模型，獲取構建三維環境景觀模型。設計者采用混沌式生成法，實現虛擬環境形態的混沌式生成，并依據虛擬現實觀實現環境體驗，是環境藝術設計創新的一次重大突破，具有深遠的意義。

參考文獻

[1] 蔣琤琤，張顯斗.基于虛擬仿真的室內照明評價體系研究與設計[J].系統仿真學報，2016，28（10）：2573?2577.

[2] 欒建霞.矛盾空間的三維交互教學演示系統設計[J].北京工業大學學報（社會科學版），2016，16（1）：78?84.

[3] 高璐，張曉紅，金海威，等.虛擬現實技術在口腔頜面部解剖及三維數字模型構建中的應用[J].中國組織工程研究，2015，19（46）：7492?7497.

[4] 任巖，閆素英，萬元，等.基于3D虛擬現實技術的風電場全數字化巡檢及監測平臺[J].可再生能源，2016，34（10）：1497?1502.

[5] 石濤，張麗，馬菊.市級氣象高清數字虛擬演播室建設研究[J].電視技術，2015，39（24）：78?80.

[6] 姜雨晨，姜俊，王福波，等.數字虛擬人體上針刺手法學的VR再現[J].中國組織工程研究，2016，20（44）：6643?6648.

[7] 田杰，劉慧卿，龐占喜，等.高壓環境雙水平井SAGD三維物理模擬實驗[J].石油學報，2017，38（4）：453?460.

[8] 王小麗.三維圖像繪制過程優化處理方法研究與仿真[J].計算機仿真，2017，34（4）：327?330.

[9] 盧健，陳桂芬，孟穎，等.基于三維GIS的農田環境模擬監測的研究及系統實現[J].中國農業科技導報，2017，19（3）：50?55.

[10] 杜召平，杜艷.一種基于虛擬仿真技術的三維態勢顯示系統設計[J].艦船科學技術，2018，40（9）：137?139.