虚拟现实技术在园林规划设计中的应用*

戴 茜，黄心渊，蒋 蕊，王 旭

(1.北京林业大学艺术设计学院，北京，100083；2.中国传媒大学动画与数字艺术学院，北京，100024)

0 引言

作为计算机辅助技术，虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)的特别之处在于能够模拟出逼真的三维虚拟空间，人们可以利用一些特殊设备与该空间的物体实现交互，获得虚拟世界的真实感。如今VR在园林规划设计中得到较多的使用，其具备的直观性与交互性使园林设计师更容易掌控整个设计过程，对空间的把握也更加自如，方案设计趋向于科学和完美。无论是方案的决策者还是社会公众，都可以在VR演示系统中深入园林场景，能够多角度实时感受设计意图。VR还可以模拟园林施工现场，能够更加合理地安排施工进度，从而使整个施工过程得到科学的指导，确保工程安全。VR的发展潜力极大，是实现当前施工现代化的一个创新性方向。VR所展现出的优势，可以对园林规划设计提供更多的帮助，深入研究该技术在园林规划设计中的应用，有着较大的现实意义。

1 虚拟现实技术的理论概述

1.1 虚拟现实技术及虚拟环境介绍

虚拟现实技术是上世纪八十年底末开始兴起的一门综合性信息技术，涵盖了多个学科，最早主要用在计算机仿真领域，另外在多媒体、传感、图像学等领域也得到了一定的应用。该技术的原理是通过计算机及相关软件对真实环境进行模拟，用户可以利用专用的设备沉浸到模拟环境中，从而实现与该环境的交流与感受。虚拟现实技术的核心在于对真实环境的虚拟，主要有三种：（1）还原真实的环境。这种环境有些已经存在，有些正在形成的过程中，有些是遭到了一定的破坏，包括住宅区、校园、战场等。（2）还原并不存在的环境。这种环境处于人脑的想象之中，例如科幻电影场景、游戏场景等，能够展现出人类丰富的想象力。（3）还原真实存在的但未被人类感知到的环境。这种环境包括宏观的天体运动、微观的分子结构等，以人类的能力还不能直接感知，利用虚拟现实技术进行模拟仿真，可以将它们展现在人们的眼前。

1.2 虚拟现实技术的特点

当前公认的虚拟现实技术三角形架构理论为I3，即虚拟现实技术涵盖了三个通用的特点：交互性（Interaetivity）、沉浸感（Immersion）、想象力(linagination)。

（1）交互性。虚拟现实技术中的交互性，指的是用户利用专用的输入、输出设备，可以与虚拟环境中的各个物体进行交互，通过这些专用设备用指令的方式指挥虚拟环境内的物件，电脑可以根据用户的需求完成相关的指令和操作。（2）沉浸感。虚拟现实技术中的沉浸感是指用户的身临其境的程度，在专用设备的协助下，用户可以与虚拟环境交互并感知，产生一种真实的感觉，与现实的环境感受越接近，用户的沉浸感越强。（3）想象力。虚拟现实技术中的想象力，指的是用户在判断、推理、想象虚拟环境的过程中，以感受到的物体变化为基础，所发挥出的想象能力，并根据想象力不断改进、创造和完善虚拟现实系统。

1.3 虚拟现实系统的构建与分类

（1）虚拟现实系统的构建

VR系统一般由VR软件、VR数据库、VR输入设备、VR输出设备构成。

（2）虚拟现实系统的分类

当前，常用的虚拟现实系统主要有桌面式、沉浸式、增强式、分布式等。

桌面式：这种系统由于价格较低且携带方便，适用的范围也广，所以得到广泛使用。该系统主要是利用三维鼠标、数据手套、力反馈器等输入设备进行场景的感受，其缺点是用户的沉浸感不高，选用该系统的通常是对虚拟现实效果要求较低的用户，本次研究由于经费不足，也是以此系统为基础进行虚拟现实技术的应用研究。

沉浸式：这种系统有较强的沉浸感，给用户带来的感受体验非常真实，一般有头盔显示的、三维投影的、座舱类的，但是其价格昂贵，所以远不如桌面式的普及。

增强式：这种系统可以将虚拟环境叠加在真实环境之中，是一种组合式的系统，交互性极强，一般在军事、医学及文物估计复原等领域应用得较多。

分布式：这种系统提供的虚拟环境允许多个用户同时参与，并能实现协同工作的效果，主要用在多人网络游戏、远程虚拟会议、虚拟现实社区等领域。

2 虚拟现实技术在园林规划设计中的应用

在园林规划设计中，虚拟现实技术有着较大优势，并贯穿整个设计过程的每一个阶段，对于三维建模软件以及虚拟现实平台的选择非常重要，关系到园林景观的建模方式。

2.1 虚拟现实技术在园林规划设计中的优势

2.1.1 对方案设计进行更好的辅助

在虚拟现实技术的帮助下，园林设计师可以利用人机交互深入到多维仿真的场景之中，其观察与体验设计方案能够从任意一个角度展开，使设计更加的直观，亲身感受到设计方案的材料、光照、空间的合理性，并且可以对比分析多种方案，及时发现存在的问题，防止重大设计失误发生。此外，身临其境的感觉有助于设计师激发出设计灵感，使设计思维得到扩展。

2.1.2 方案的展示可以通过多维全景、实时互动的方式实现

利用虚拟现实技术，观众可以基于自身的意愿对方案进行多角度的实时观察，体验触觉、听觉、视觉、味觉等多种真实的感受，还可以利用互联网让更多的人进行体会。

2.1.3 提高公众的参与度

作为可以多方沟通的平台，虚拟现实技术能够让公众有效参与，根据直观感受，公众可以评价设计方案并提出相关意见，从而成为方案设计的参与者之一。

2.1.4 模拟施工过程

虚拟现实技术可以对园林的施工过程进行模拟，以论证施工计划的合理性，从而有效掌握整个项目的施工进度，对施工工序进行合理的安排，防止施工安全隐患，并对节约施工材料有很大的帮助，实现了施工过程的可视化。

2.1.5 有效降低方案展示与人员沟通的成本

虚拟现实技术的应用在方案展示方面有着较大的优势，有效降低动画与模型制作、效果图打印等方面的成本，并且利用网络平台的沟通，还能降低各方之间的沟通成本。

2.2 虚拟现实的关键技术及建模软件选择

2.2.1 三维建模技术

该技术实现虚拟现实环境，首先要保障场景模型的流畅运行，因此要求建立起来的三维模型文件小、面数少、造型准。虚拟现实环境的三维建模有一定的难度，在传统的园林模型建立中，使用较多的是AutoCAD与3DSMAX相结合的技术组合方式，首先用AutoCAD导入平面图，再用3DSMAX建模，而虚拟现实环境则需要考虑园林的典型景观要素，因此还结合了SketchUp。

2.2.2 图像立体显示技术与立体声技术

图像立体显示并加入立体的背景声，是提高虚拟现实技术沉浸感的直接要素。当前较为流行的图像三维立体显示技术包括全息式、光栅式、全真式、时分法、光分法、补色法等，其中使用较多的是时分法、光分法、补色法。此外，背景立体声可以实现3D仿真声音，当观众接近声源时，声音将逐步变大，反之则变小，提高了观众的临场参与感。

2.2.3 三维图像的实时生成技术

在传统的三维图像生成的过程中，静态渲染生成的时间不确定一直是一个难题，而且渲染一张图片的时间较长。动画渲染的帧数较多，占用的时间更久。显然，传统方式并不适合虚拟场景图的生成，虚拟现实要求对三维图像实时生成。可以利用烘焙技术，整个场景经过烘焙可以一次生成，有一些虚拟现实平台具备烘焙功能，还可以利用GPU渲染技术实时编辑3D场景。

在建模软件的选择环节，可以考虑一些主流建模软件，例如3DSMAX、SkctchUp、Maya等。在这三种建模软件中，建模能力Maya最强，建模速度SketchUP最快，修改便利性SketchUP最强。本文选择的建模软件是SketchUP。

2.3 基于SketchUP的园林景观模型的建立

2.3.1 建筑物建模

建筑物是园林场景中的重点部分，其建模量较大，其中难度最高的是古建筑模型的创建，SketchUp中的照片建模是一种很好的古建筑建模方式，如图1所示。

图1 SketchUp的照片建模

2.3.2 植物建模

在三维建模中，植物建模是一个难点，这是因为每一棵植物的树叶较多，其模型所形成的面数有可能达到百万数量级，而且一个园林场景的数目极多。SkctchUP提供了较好的三维树木模型建立功能，效果图如图2所示。

图2 三维树木模型

2.3.3 水体建模

水体的存在形式多样化，静水与动水是完全不同的结构。SketchUp能够制作出水的透明度以及水面的材质纹理，但是对水体的反射、折射等并不支持。因此要实现动水的建模，可以先制作成静水，然后导入动画漫游软件，这类软件能够生成逼真的动水效果，如图3所示。

图3 SketchUp结合动画漫游软件生成的动水效果图

3 结语

基于虚拟现实技术的园林场景的建立，需要对比及筛选合适的建模软件和虚拟现实系统平台，并实现模型的建立。本文选择了SketchUP，论述了各类景观建模，包括园林场景中的地形建模、建筑物建模、植物建模、水体建模等。本文的创新之处：用面向设计师的SkctchUp作为建模工具，相对于3DSMAX来说，园林设计师能够更加方便地进入虚拟现实场景。

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