虚拟现实技术在园林景观设计中的应用

海南大学三亚学院 王宏信 赵月宁

虚拟现实技术在园林景观设计中的应用

海南大学三亚学院 王宏信 赵月宁

风景园林设计学是建立在自然科学和人文艺术科学基础上的一门应用学科。这门学科是以生物、生态学科为主，并与其他非生物学科（土木、建筑、城市规划）、哲学、历史和文学艺术等学科相结合的综合学科。传统的风景园林设计表现方式可分为语言文字、手绘图纸（示）、实物模型和计算机表现4种类型。随着多媒体技术的飞速发展和广泛应用，基于数字仿真技术、三维模型技术、交互多媒体技术的虚拟设计实现了实时、交互、动态和主动地园林设计表现方式，且完全不同于以往的表现形式。本文，笔者从园林景观设计师的角度出发，阐述了在多媒体技术支持下的虚拟植物造景。

一、多媒体技术支持下风景园林设计的必然性

1.园林景观设计。园林景观设计就是在一定的地域范围内，运用园林艺术和工程技术等手段，通过改造地形、种植植物、营造建筑和布置园路等途径创造优美自然环境的过程。通过景观设计，使环境具有美学欣赏价值和日常使用的功能，并能够保证生态的可持续发展。

2.虚拟园林景观。风景园林师和城市规划者设计的虚拟世界，通常都是三维的，包括I维（宽度）、Y维（广度）和Z维（高度或深度）。这种根据欧几里得定理和笛卡儿公式创造的传统坐标系，使我们可以对立体几何进行详细的描述，它也是所有的计算机辅助设计（CAD）和地理信息系统（GIS）表现方式的基础。同时，近几个世纪以来一直沿用至今的表现方式是二维的，比如地图、平面图、纸张上印刷的图像或是在计算机屏幕上显示的图像。二维平面不能描述景观的一个重要特性即动态性。景观时时刻刻都在变化，当我们走过或者通过一个景观时，我们对它的理解也在不停地变化。虽然建筑或机械物体能够成功地表现为静止或孤立的物体，并且固定在抽象的数学描述中。但是，景观以及其他复杂的结构，比如生物和社会，则是在运动、生长和不断变化的。

3.虚拟园林景观设计。虚拟园林景观设计在二维平面上实现四维视、听觉虚拟空间，利用计算机生成一个逼真的、可感知的虚拟园林场景，通过键盘、鼠标、传感设备与人们进行互动，当人们进入虚拟园林空间后，便成为虚拟空间的参观者，可以对虚拟园林环境中的植物、建筑、地形和配套设施进行实地考察。

二、多媒体技术支持下的风景园林设计的优越性

1.交互性。风景园林师可以在任意时间或任意阶段“走进”园林，通过任意视角来观察和体验自己的设计作品，身临其境地感受空间、尺度、材料、质感甚至声音的印象，这比坐在屏幕前通过观看二维的设计图来发现设计中的问题和错误要容易得多。

2.实时性。风景园林师可以实时地对设计要素进行修改和完善，较好地保证了设计思维的连续性。园林漫游使得风景园林师的设计体验不再是简单的线性片断，而是将其整合为多感知、生动和有机的整体，从而使设计体验更加真实。当沉浸在更加真实的设计体验中时，风景园林师的思维、创造力和灵感也将被极大地激发。

三、虚拟园林景观设计的技术支持

1.园林场景数字库的建立。利用先进的工程测绘、三维扫描、数字摄影、图像处理等技术，实现建筑结构、植物、地形、配套设施信息的高精度获取与保存。这些数据将被添加到场景数字库中，方便用户检索和查找。

2.三维建模、仿真贴图和渲染环境。3dsmax软件广泛应用于建筑装潢、产品、游戏和影视后期等领域。例如，在3dsmax中完成园林三维模型的建模，制作流程可分为以下几个步骤：三维建模（Modeling），赋予仿真贴图材质（Texturing），灯光设置（Lighting），动画设置（Animation），渲染合成输出（Rending）。最后的渲染输出可以配合Brazil r/s渲染器、finalRender渲染器、FinalShader渲染器材质插件、V Ray渲染器和Mental Ray渲染器等部件，对灯光、材质、动画、渲染、卡通效果和贴图烘焙等内容进行完美地渲染。

3.多媒体与虚拟现实技术的支持。Virtools、Cult3D、Quest3D和MultigenVega等都是当今流行的多媒体虚拟现实软件，现已广泛应用于游戏开发、产品展示和虚拟仿真等领域。为了保障教学中虚拟三维园林场景的实时计算并减少延迟，多媒体教室的硬件和软件条件也是不容忽视的。

四、虚拟园林景观设计的具体应用

对于风景园林设计师来说，虚拟现实技术能为其创建的多维空间提供强有力的技术支持，在计算机建立的环境模拟系统中，用户可以身临其境地在规划设计好的公园、居住区和广场中进行体验。

1.在运动中感受风景园林的空间。戈登·卡伦认为，理解空间不仅需要观察，而且要通过运动来观察它。这个运动既包括对空间的静态观察，也包括对空间的动态观察。只有通过运动才能获得一个连续的、整体的统一空间印象。以往，风景园林师通过绘制一系列的透视草图，拍摄一系列照片来进行空间体验分析。但是，这种技术存在明显的局限性，与真实的感受相去甚远。例如，系列透视草图和照片只是截取片段的叠加，而动画则是沿着一条既定的路线在建筑内外绕圈子，一旦观察路径或角度有所调整，用户需要几天甚至几周才能够看到结果，因此，不具备实时的交互能力，缺乏用户体验空间所必需的自主性。更重要的是，这些方法都是基于视觉、听觉的，而真正的空间体验是视觉、听觉和触觉等多种感官共同作用的结果。虚拟现实技术的出现，使我们对空间的体验更加真实。在虚拟系统里，用户可以自主地选择行进路线和观察角度。视觉画面的变化只是体验空间的开始，由明到暗、由冷到热、由闹到静，脚下地面的触觉都对用户积累空间感受产生了积极作用。

2.多种运动方式的模拟。人们对风景园林空间的感受是多样的，人们可以以步行、乘梯，甚至飞行等方式来感受风景园林的形象。因此，虚拟现实系统提供了多种运动方式的模拟，如飞行、盘旋、乘车等。在虚拟现实环境里，用户可以自行选择运动方式，设定相应的观察高度和运动速度，以及其他的相关参数。如以步行速度在风景园林中穿行时，通过风景园林的外部空间，在电梯中欣赏视野的改变，在空中鸟瞰整个风景园林。这些正是未来风景园林的全新感受方式。

3.特定角度观察环境。在风景园林中，某些特定观察角度的景观是设计中的研究重点。如风景园林入口处和主要节点处。利用多媒体虚拟现实技术可以在风景园林中预定多种观察角度。场景转换也可以通过鼠标在场景中直接定位。

4.实时风景园林设计元素的编辑。与传统的手段不同，虚拟现实技术支持对风景园林设计元素的实时编辑。除了可以实时地在某些部位替换不同色彩和形式的构件来研究对空间的组合外，还可实时布置环境和进行绿化，模拟随着时间的推移绿化后的街景。实际上，只要经过精心地安排，虚拟现实技术就能够支持对风景园林的任意元素进行编辑以适应设计的需要。如风景园林中经常应用的植物，其本身是会生长、变化和死亡的。因此，设计师在做环境设计时常常会遇到这样的烦恼，在环境中布置的植物，在其未成熟的时候看起来效果很好，但随着植物的生长，它们会在空间中逐渐衰败。或者，在它们成熟的时候看起来效果很好，但是由于生长速度太慢，以至于在种植几年之后，它们仍显得十分矮小，很不适合观赏。利用虚拟现实技术，不仅可以实现实时地调换植物种类，比较在相同条件下不同植物的生长效果，而且可以模拟植物在不同生长阶段和不同季节的绿化效果。其中，最简单的方法是使用处于不同生长阶段和不同季节的植物照片。因此，需要建立一个巨大的、标志分明的植物图像库。

5.模拟和建模软件的使用。现在，专用的植物生长模拟和建模软件也已经得到开发。它们利用植物学的规律和观测结果，生成随时间变化的植物模型。这些软件可以生成像照片一样的二维图像或二维模型，这些图像或模型可以输入到虚拟现实系统中，以模拟不同植物的生长阶段。而图像处理和专用软件参数化生成技术可用于生成不同季节树叶的颜色和密度，以模拟在不同季节下的植物。在树木历经多个季节的生长后，由于光照和树木互相竞争空间的原因，使得园林景观发生了变化，与原先设想的景观出现偏差。利用虚拟现实技术的实时编辑功能，可以对这种现象进行模拟，防止错误设计的产生。

现在，虚拟现实技术已经取得了一系列的成果，在风景园林设计中的应用空间也很广阔，但由于其本身的研究仍处于发展阶段，在风景园林业界的应用也是刚刚起步，虽然在某些方面取得了令人瞩目的成绩，但就其技术实质来说，它给风景园林设计所带来的影响和变革是十分巨大的，因此，我们需要进行更进一步研究探索，使虚拟现实技术在风景园林领域中得到全更面的应用。