基于三维虚拟VR技术的景观规划系统设计

张慧

摘  要： 为了获取生动、可视化的景观规划方案，设计基于三维虚拟VR技术的景观规划系统。主要从三维景观建模与虚拟VR技术两方面展开虚拟景观规划，构建景观三维模型时，利用点云数据在3ds MAX中构建三维建筑、道路模型，通过缩放、修改模型方式优化虚拟景观场景;设计VR虚拟景观仿真支撑平台时，在VR场景编辑模块中编辑景观虚拟场景，仿真核心工作模块负责地形、流体、阳光雨雪模拟特效，最后采用建模及输出模块输出虚拟景观规划结果。由仿真实验结果得出，该系统可根据地形坡度规划合理的景观数量，处理三维点云数据准确率高达99%，是一种满意度较高的景观规划系统。

关键词： 三维虚拟VR技术; 景观规划; 系统设计; 三维点云数据; 虚拟场景; 仿真支撑平台

中图分类号： TN911.73?34; TP391.9               文献标识码： A                 文章编号： 1004?373X（2019）12?0132?04

Abstract： A landscape planning system based on the 3D VR technology is designed to obtain a vivid and visualized landscape planning scheme. The virtual landscape planning is carried out mainly from two aspects of 3D landscape modeling and VR technology. The point cloud data is used to build the 3D architecture and road model in the 3ds MAX during the construction of the 3D landscape model. The virtual landscape scene is optimized by scaling and modifying the model. The VR scene editing module is used to edit the virtual scene of the landscape， the simulation core work module is responsible for the special effect simulation of terrain， fluid， sunlight， rain and snow， and the modeling and output module is used to output the planning result of the virtual landscape during the design of the VR virtual landscape simulation support platform. The results of the simulation experiment show that the system designed in this paper can plan a reasonable number of landscapes according to the terrain slope， and has a 3D point cloud data processing accuracy of 99%， which is a highly?satisfied landscape planning system.

Keywords： 3D VR technology; landscape planning; system design; 3D point cloud data; virtual scene; simulation support platform

当前三维建模工具与计算机图形技术逐渐发展[1]，三维虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）逐渐走向成熟。三维虚拟VR技术是感知能力与信息交互相结合的一项先进技术，其融合了互联网技术、多媒体技术和三维制图技术，用户通过该技术感受到直观并真实的虚拟与现实交互体验[2]。融合科学技术与艺术气息成为现代景观规划设计的重要理念，所以景观设计要求不断提高[3]，不仅要考虑视觉感受，还要将所设计景观融入周边环境之中，并且要考虑生态植被是否处于可持续发展状态。所以普通景观设计系统不能满足现代景观规划的高需求。例如，基于GIS的景观规划系统采集到的实景景观数据不准确，构建的虚拟景观模型可视化效果较差;分段控制景观规划系统规划景观过程中融合景观与周围环境的效果较差，未达到三维虚拟景观规划与设计的标准。本文利用三维虚拟VR技术设计景观规划系统，提高了景观规划的效果与有效性，对于不同景观规划类型均能达到现代规划标准[4]，并在多个方面获得广大群众的一致好评。

1  景观规划系统设计研究

1.1  三维虚拟景观规划系统总体架构

本文从三维景观建模与虚拟VR技术两方面进行虚拟景观规划。通过三维激光扫描技术，得到某处景观扫描主要点云数据。采用3ds MAX软件和云数据构建主要景观规划模型，利用卫星地图等数据获取该景观平面图。基于该平面图规划景观的主要建筑物、花草树木、道路以及其他景观设施[5]。利用PS技术和实景拍摄照片得到实际景观情况，设置灯光和材质贴图，并引入处理后的照片到VR虚拟景观仿真平台中，设计VR界面并添加脚本，得到三维虚拟景观规划漫游系统，并且该系统含有多种漫游方式。图1是三维虚拟VR技术的景观规划系统设计框架图。

图1  景观三维虚拟系统框架图

通过Trimble TX5三维激光扫描仪扫描某景观的建筑物，得到彩色点云。以某建筑物为例，由于该建筑物分为多个组成部分，结构复杂，为保证后期配准精确并且减少冗余数据，设立多个扫描站点，确保站点与站点之间有重叠部分的同时避免设立过多站点，配准和拼接扫描得到的点云数据，配准得到的点云数据需要经过进一步处理后保存[6]。点云数据的处理包括过滤噪音、删掉无用点、处理多余点以及数量优化等过程。最后，改变点云数据的格式，导入3ds MAX中构建虚拟景观三维模型。

1.2  虚拟景观三维模型建立

系统在3ds MAX软件中制作景观三维模型，三维模型是三维虚拟VR技术景观规划系统设计的基础，三维虚拟VR技术通过三维模型制作场景并达到漫游景观效果，三维模型的优劣严重影响系统交互效果。依据景观实际状况构建三维模型，在景观中选取大型建筑物以及建筑物周边的所有对象逐步构建模型，形成完整的景观，按照比例大小合理构建三维模型，并安排到合适位置。

1.2.1  主要建筑物景观三维模型建立

以某景观建筑物为例，分析在3ds MAX中利用点云数据构建模型的整个环节。构建三维模型时，将点云数据视作参考物，捕获建筑物点云数据，绘制出建筑物主要轮廓线，在修改器中选择挤出命令，把勾勒的建筑物样条线转换为三维墙体模型，即可编辑的多边形，接着通过分割、连接、轮廓以及倒角等操作依据点云数据绘制建筑的门、窗等配件。

如果建筑物景观三维模型要达到漫游的效果，则需要将其导入VR设计软件中，因此要求构建三维模型时模型的面片數不可过多，尽量简化模型，实现速度、精度共存;模型如果有连接紧密或者距离小的情况，则将上述模型合并[7]。需要特别注意的是，构建的每个子模型均要求采用树状命名法命名[8]，最后得到景观建筑物的三维模型。

1.2.2  景观中道路三维模型建立

基于上述景观建筑物三维模型建立方法构建道路三维模型[9]，下列为道路的主要数据信息：

1） 道路平曲线。由道路中心线、道路红线以及两条行车道边线组成。

2） 道路竖向信息。确定方法为道路竖曲线或道路端点标高。

3） 道路离散间距。参考系统默认值，可根据具体情况修改。

道路三维建模流程如图2所示，可以看出，输入数据后，面临道路曲直选择，若道路不是直线型需离散道路点云数据再进行下一步操作，最后将制作完成的道路模型保存输出即可。

图2  道路三维建模流程图

1.2.3  VR设计场景优化

导入VR后建筑景观场景容易出现部分面片不显示、闪烁等状况，应在三维建模时，将建好部分模型及时导入VR设计平台中，确定该部分模型是否有问题，若有问题要及时修正[8]，防止后续三维建模产生同样问题，按照此方法逐步导入建好的建筑物景观三维模型。减少烘焙后产生的问题，避免增加工作量。场景经过烘焙并导入VR设计平台后，详细检验场景中的模型，若模型出现接缝问题，则在VR设计平台中缩放该模型;若模型产生破损等情况，则模型需要通过3ds MAX再一次修正。利用VR设计平台中的编辑器调整场景的阴影、纹理等现象;通过PS匹配颜色，调整场景饱和度和贴图色相，通过改变曲线、锐化等命令提升贴图色调的明暗比较[9]。值得注意的是，当3ds MAX中的玻璃材质导入VR设计平台后，因玻璃材质在VR中不能自动呈现透明的效果，则需要对其进行修改。

1.3  VR虚拟景观仿真平台设计

VR虚拟仿真作为一项新技术，对于经济和社会的发展意义重大，并且有很大的拓展空间[10]。图3为VR虚拟景观仿真平台。

图3  VR虚拟景观仿真平台设计框图

由图3可知，VR虚拟景观仿真平台由集群仿真及网络通信模块、仿真核心工作模块、VR场景编辑模块、建模及输出等模块组成[11]。分析VR虚拟景观仿真平台各模块的功能，结果如下：

1） 集群仿真及网络通信模块。该模块的主要作用为达到异地仿真的目的，主要功能是有效发挥景观规划VR虚拟设计的计算能力。

2） 仿真核心工作模块。以OSG三维虚拟模块为中心点，调整内核仿真任务调度，包含仿真数据库管理模块、大规模地形模块，该模块为基于OSG三维仿真支撑平台的大规模地形模拟模块、流体动力学粒子系统仿真模块、特效仿真模块。

3） 建模及输出模块。利用该模块建立模型以及三维漫游中的场景，导入模型到VR中构建VR场景，并且添加仿真属性。

4） VR场景编辑模块。通过上一模块构建的VR场景，利用VR场景编辑模块在场景中加入多个属性，实现建筑景观的3ds MAX建模。

2  实验分析

为验证通过本文系统规划景观的有效性，展开仿真实验研究。实验对比系统为分段控制景观规划系统和基于GIS的景观规划系统。

2.1  不同坡度的景观规划

采用本文系统规划某公园景观布局，包括景观的坡度和坡向等因素，从数据角度分析本文系统的景观规划性能。三维景观虚拟建设受到地形坡度干扰，需根据虚拟景观等级拟定规划适宜表，表1为三维景观坡度适宜性分级情况。

表1  基于三维坡度景观适宜性分级

2.2  三维点云数据处理准确率分析

分析三种系统景观规划过程中处理三维点云数据的准确率对比情况如图4所示。

图4  三维点云数据处理准确率对比

分析图4得到，在相同处理时间下本文系统比其他两种系统的点云数据处理准确率高很多，最高达到99%，并且随着处理时间的增加本文系统处理数据的准确率也随着增加。若景观规划设计工作量多，本文系统占据很大的优势。分段控制景观规划系统处理点云数据的准确率基本在80%～90%以上，最高达到89%，但相比本文系统而言，仍有较大的提升空间;基于GIS的景观规划系统的准确率基本在50%～60%，最高达到59%。因此，本文系统在景观规划三维点云数据处理方面的准确率高，为景观总体规划降低难度。

2.3  建模数据准确性和可靠性分析

实验设定8个实验公园景观模型，分析本文系统构建公园三维景观模型时连接点数量和模型定向精度，验证本文系统构建三维景观模型时摄取景观点准确性和稳定性，表2为得到的实验结果。

表2  实验结果

分析表2得到，本文系统测量得到的景观连接点数量均在1 500以上，并且精度在0.2～0.6像素之间，说明对于模型间相互连接和定向而言，本文系统可以准确并有效地得到数量充足的连接点，为计算模型参数提供帮助;另外，模型定向精度区间波动较小，说明本文系统三维建模的稳定性较优。因此本文系统在三维虚拟景观建模方面具有较高的可靠性和稳定性，为景观规划奠定坚实的基础。

3  结  论

本文系统的优势在于通过三维激光扫描技术准确获取景观的三维点云数据，基于点云数据信息构建三维模型，创建景观三维立体画面，提高三维虚拟景观的真实感。仿真实验结果显示，本文系统在景观规划方面的满意度较高，为城市景观建设提供帮助，在三维虚拟景观规划设计方面具有很好的应用前景。

参考文献

[1] 王丹婷，蒋友燏.古建筑三维虚拟建模与虚实交互软件实现[J].计算机应用，2017，37（z2）：186?189.

WANG Danting， JIANG Youyu. 3D?virtual modeling for historic architecture and realization of virtual interactive software [J]. Journal of computer applications， 2017， 37（S2）： 186?189.

[2] 万隆君，涂婉丽，徐轶群，等.基于VR技术的船舶管路装配虚拟仿真系统设计[J].中国造船，2017，58（1）：186?192.

WAN Longjun， TU Wanli， XU Yiqun， et al. Virtual assembly of ship piping system based on VR technology [J]. Shipbuilding of China， 2017， 58（1）： 186?192.

[3] 淮永建，张晗，张帅.面向VR应用的花卉植物物理渲染技术研究与实现[J].电子与信息学报，2018，40（7）：1627?1634.

HUAI Yongjian， ZHANG Han， ZHANG Shuai. Research and implementation on flower plants rendering technology based on physical light simulation for VR application [J]. Journal of electronics & information technology， 2018， 40（7）： 1627?1634.

[4] ATHREYA V， ODDEN M， LINNELL J D C， et al. A cat among the dogs： leopard panthera pardus diet in a human?dominated landscape in western Maharashtra， India [J]. Oryx， 2014， 50（1）： 156?162.

[5] 胡映东，沈百琦.VR虚拟技术在建筑设计研究中的应用初探：以交通枢纽过渡空间研究为例[J].建筑科学，2017，33（12）：165?171.

HU Yingdong， SHEN Baiqi. Application of virtual reality technology in architectural research and design： case study of transitional space of traffic hubs [J]. Building science， 2017， 33（12）： 165?171.

[6] 李雅楠，左国坤，崔志琴，等.虚拟现实技术在康复训练中的应用进展[J].中国康复医学杂志，2017，32（9）：1091?1094.

LI Yanan， ZUO Guokun， CUI Zhiqin， et al. Application progress of virtual reality technology in rehabilitation training [J]. Chinese journal of rehabilitation medicine， 2017， 32（9）： 1091?1094.

[7] 茅洁.基于VR、AR、MR技术融合的大学体育教学应用研究[J].武汉体育学院学报，2017，51（9）：76?80.

MAO Jie. Application of college P.E. based on VR， AR and MR [J]. Journal of Wuhan Institute of Physical Education， 2017， 51（9）： 76?80.

[8] 周晓燕，崔然.国外VR技术与虚拟图书馆研究综述[J].情报科学，2018，36（3）：164?168.

ZHOU Xiaoyan， CUI Ran. Overview of VR technology and virtual library research abroad [J]. Information science， 2018， 36（3）： 164?168.

[9] VAUGHAN N， DUBEY V N， WAINWRIGHT T W， et al. A review of virtual reality based training simulators for orthopaedic surgery [J]. Medical engineering & physics， 2016， 38（2）： 59?71.

[10] 王长柳，麦贤敏，赵兵，等.风景园林合理分布三维图像仿真系统设计[J].计算机仿真，2017，34（8）：265?268.

WANG Changliu， MAI Xianmin， ZHAO Bing， et al. Design of three dimensional image simulation system for landscape architecture [J]. Computer simulation， 2017， 34（8）： 265?268.

[11] KUSTERS K， BUCK L， GRAAF D G， et al. Participatory planning， monitoring and evaluation of multi?stakeholder platforms in integrated landscape initiatives [J]. Environmental management， 2018， 62（1）： 170?181.

[12] 崔丽.VR虚拟现实技术在三维游戏设计中的开发与实现[J].电视技术，2018，42（5）：44?48.

CUI Li. Development and realization of VR virtual reality technology in 3D game design [J]. Video engineering， 2018， 42（5）： 44?48.