基于圖形處理技術(shù)的三維景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

張成紅

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院人文社科學(xué)院，陜西 榆林 719000）

目前，已經(jīng)有不少學(xué)者研制出了三維景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)，但對于圖形的優(yōu)化過于簡單，不能將圖形中的細(xì)節(jié)進(jìn)行強(qiáng)化，沒有很好的視覺效果，而且設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高、效率低。本系統(tǒng)利用圖形處理技術(shù)，可多角度、多層次展示實(shí)物細(xì)節(jié)，因而能大大提高設(shè)計(jì)效率，降低園林景觀的設(shè)計(jì)成本，對以后的城市規(guī)劃以及環(huán)境美化具有重要意義[1]。

1 基于圖形處理技術(shù)的三維景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)基于圖形處理技術(shù)的三維景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)，利用以計(jì)算機(jī)為硬件，使用三維圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)景觀初期設(shè)計(jì)與后期景觀設(shè)計(jì)效果展示。基于圖形處理技術(shù)的三維景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其主要包括景觀設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊、景觀模型場景設(shè)計(jì)模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊。該系統(tǒng)通過景觀設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊讀取各種類型文件，資源庫存儲景觀設(shè)計(jì)所需基本素材；通過三維建模和三維紋理渲染完成景觀模型場景設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊使用用戶桌面組件實(shí)現(xiàn)景觀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

圖1 景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 景觀模型場景設(shè)計(jì)模塊

三維建模是景觀模型場景設(shè)計(jì)模塊的核心，主要負(fù)責(zé)地貌模型、建筑物模型、種植樹木模型、規(guī)劃模型設(shè)計(jì)。依據(jù)模型設(shè)計(jì)結(jié)果繪制施工圖，完成景觀模型場景的編制和標(biāo)注，并通過三維紋理渲染實(shí)現(xiàn)景觀優(yōu)化。

1.2.1 種植樹木模型設(shè)計(jì)

三維景觀設(shè)計(jì)采用樹狀節(jié)點(diǎn)的實(shí)物組織結(jié)構(gòu)，利用節(jié)點(diǎn)式分布，實(shí)現(xiàn)對每種要素的構(gòu)建。在進(jìn)行紋理渲染時，能夠以節(jié)點(diǎn)為單位進(jìn)行，方便操作。樹狀節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)還能詳細(xì)地顯示信息。在對景觀進(jìn)行調(diào)整修改時，不需要舍棄整個設(shè)計(jì)，只需要針對某一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，極大地增加了設(shè)計(jì)靈活性[2]。通過將Tree Engine引擎集成到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)種植樹木的渲染構(gòu)建，其渲染流程圖如圖2所示。

圖2 種植樹木模型載入場景的渲染流程

1.2.2 三維紋理渲染的景觀優(yōu)化

對于景觀三維設(shè)計(jì)模型的渲染，必須根據(jù)實(shí)景采集的圖像所呈現(xiàn)的色彩進(jìn)行，而在戶外拍攝的圖像難免有些干擾，或者圖像中有大量的信息冗余，所以需要對采集后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。設(shè)原始圖像的觀測變量為p，依據(jù)變量之間的函數(shù)關(guān)系，得到新的變量L，L與p成正交關(guān)系。并將權(quán)重大的變量當(dāng)作主影響因子，因子數(shù)量記為a，最后得到清除干擾信息后的B維特征矩陣。為避免由于原始圖像的參數(shù)過大，可對圖像數(shù)據(jù)降維，且經(jīng)過降維后的圖像不會因?yàn)閿?shù)據(jù)減少而使模糊[3]。

不同范圍內(nèi)的位置坐標(biāo)關(guān)系可由坐標(biāo)矩陣表示。通過矩陣的平移變化，可將空間局部坐標(biāo)原點(diǎn)移動到全局坐標(biāo)原點(diǎn)，找出序列中的冗余信息，然后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，平移變化表達(dá)式如式（1）所示。

式中，變換前的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)以及豎坐標(biāo)為x、y、z，分別與平移向量相加就是平移后的坐標(biāo)，變換后的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)以及豎坐標(biāo)為x1、y1、z1。對于矩陣的縮放變換和旋轉(zhuǎn)變換，可將變換前的坐標(biāo)與變換矩陣相乘，得到變換后的坐標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對本系統(tǒng)分別進(jìn)行功能測試以及對比測試。功能測試是為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)每個功能模塊運(yùn)行情況。至于對比測試，本系統(tǒng)與基于單目視覺三維重建系統(tǒng)和基于虛擬仿真技術(shù)的三維態(tài)勢顯示系統(tǒng)進(jìn)行對照試驗(yàn)，從系統(tǒng)響應(yīng)時間、圖像效果以及設(shè)計(jì)成本三個方面比對。

2.1 系統(tǒng)的功能測試

對系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行測試，對于文件讀寫模塊，測試其是否可以正常讀取各類文件信息，是否能夠采集到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；對于資源庫、景觀平面符號庫、景觀圖片庫、植物圖片庫以及景觀品類庫等這些景觀數(shù)據(jù)的基本數(shù)據(jù)庫，需要測試是否能夠有效地存儲數(shù)據(jù)，是否能對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行正常的提取與運(yùn)用；對于編輯模塊，需要測試其基本拓展功能；對于三維建模模塊，測試對各種景觀模型的設(shè)計(jì)效果[4]；對于建筑物、地貌、種植樹木模型設(shè)計(jì)模塊，測試構(gòu)建功能；還要測試規(guī)劃模型設(shè)計(jì)的三維規(guī)劃能力，以及施工圖的景觀設(shè)計(jì)效果和三維紋理渲染的優(yōu)化效果。最后測試并顯示出成本預(yù)算以及對工程統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)信息。本系統(tǒng)主要模塊功能測試結(jié)果如表1所示。

表1 本系統(tǒng)主要模塊功能測試結(jié)果

2.2 系統(tǒng)響應(yīng)測試

應(yīng)用三個系統(tǒng)對某一場景的景觀進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。為避免偶然性，測試20次，然后計(jì)算出平均值，具體參數(shù)如表2所示。

表2 三個系統(tǒng)的景觀設(shè)計(jì)響應(yīng)時間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（ms）

由表1可知，所有功能都能正常運(yùn)行，證明該系統(tǒng)功能良好，運(yùn)行穩(wěn)定，可應(yīng)用于景觀設(shè)計(jì)行業(yè)。

由測試結(jié)果可知，按照本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)、三維重建系統(tǒng)以及態(tài)勢顯示系統(tǒng)三種系統(tǒng)，最短響應(yīng)時間分別為428 ms、778 ms、1 560 ms，最長響應(yīng)時間分別為431 ms、998 ms、1 604 ms，三者的平均響應(yīng)時間為430 ms、908 ms、1 587 ms。三維重建系統(tǒng)波動為20 ms，態(tài)勢顯示系統(tǒng)，波動為44 ms。相比之下，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，其響應(yīng)時間至少提高了一倍。說明該系統(tǒng)的響應(yīng)速度非常快，可快速對用戶的輸入或請求做出應(yīng)答，因而能夠縮短設(shè)計(jì)作業(yè)時間，提高效率。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果測試

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果明顯增強(qiáng)，不僅有著清晰的紋理，使得圖像更加逼真，而且對于地貌、建筑物以及種植樹木的多層次細(xì)節(jié)以及輪廓都表現(xiàn)得淋漓盡致，有著很好的渲染效果，對于光線的明暗分布也富有層次感，使得整張圖片具有很高的清晰度，設(shè)計(jì)質(zhì)量提升明顯[5]。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本測試

分別對6個居民區(qū)進(jìn)行了景觀設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成本如圖3所示。由圖可知，三維態(tài)勢顯示系統(tǒng)費(fèi)用處于中間，將近是本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的兩倍，三維重建系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本最高，當(dāng)景觀設(shè)計(jì)個數(shù)為1個時，與本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)相比，成本相差了將近6倍，高達(dá)6萬元，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)成本低，有著很大的市場價值。

圖3 三個系統(tǒng)的居民景觀項(xiàng)目設(shè)計(jì)成本

3 結(jié)束語

本文利用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，對三維景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)功能測試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足市場功能需求。為證明該系統(tǒng)有著優(yōu)秀的特性，與已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的基于單目視覺三維重建系統(tǒng)和基于虛擬仿真技術(shù)的三維態(tài)勢顯示系統(tǒng)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)，該系統(tǒng)不僅響應(yīng)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定，而且有著很好的設(shè)計(jì)效果。在行業(yè)內(nèi)注重的設(shè)計(jì)成本方面，本系統(tǒng)也具有成本優(yōu)勢。總體來說，該系統(tǒng)可使景觀設(shè)計(jì)由傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式向自動化、智能化的設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)變，為景觀設(shè)計(jì)工作者提供了有力的工具。未來，可將人工智能技術(shù)與該系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出更加逼真的三維景觀。■