基于3D图像处理技术的景观设计系统研究

马前进

摘  要： 文中设计一种基于3D图像处理技术的景观设计系统。设计人员可在景观设计数据获取单元获取景观设计素材，然后在模型场景设计单元中，基于景观设计素材通过三维模型实现地形设计、种植设计、建筑设计、喷灌设计。设计过程可对3D景观图像进行预处理，去除噪声信息与冗余信息，并采用3D景观图像特征增强方法实现3D景观图像特征增强，提高景观设计图像的清晰度。采用3ds MAX材质编辑器将增强后的3D景观设计图进行贴图完成设计，且系统数据统计单元中会保存所设计的景观特征数据，以供后期查询。研究结果显示，所设计系统设计效果图清晰度极高，质量较好，对庭院景观、园林景观的设计中评分较高，且系统应用成本较低、耗能少、作业效率高。

关键词： 景观设计系统; 3D图像处理; 三维模型; 图像预处理; 图像特征增强; 设计效果分析

中图分类号： TN911.73?34; TU990.3                   文献标识码： A                文章编号： 1004?373X（2020）09?0071?04

Research on landscape design system based on 3D image processing technology

MA Qianjin

（Zhengzhou Business University， Gongyi 451200， China）

Abstract： A landscape design system based on 3D image processing technology is designed. The designer can obtain landscape design materials from the data acquisition unit of landscape design， and then realize topographical design， planting design， architectural design and sprinkling irrigation design by 3D model in the model scene design unit according to landscape design materials. In the design process， the 3D landscape image can be preprocessed to remove noise information and redundant information. The 3D landscape image feature enhancement method is used to enhance the 3D landscape image feature and improve the sharpness of the landscape design image. The enhanced 3D landscape design drawing is mapped with 3ds Max material editor to complete the design， and the designed landscape feature data is conserved in the system data statistical unit for later query. The research results show that the designed system effect map is of high sharpness and good quality， which gets high scores in the design of courtyard and garden landscapes， and makes the application cost and energy consumption of the system low， and its working efficiency high.

Keywords： landscape design system; 3D image processing; 3D model; image preprocessing; image feature enhancement; design effect analysis

0  引  言

景觀设计需要使用景观设计内容，将科学、技术和艺术相融合，设计过程中不仅需要具有视觉享受，还应和附近环境互相均衡[1]，并且景观设计时还包含建筑、广场、道路附近环境的绿化，不单需要景观和生活文化相结合，也必须重视生态植被的可持续发展。所以，正确使用和保护资源是景观规划过程中需要考虑的约束条件。景观设计不管规模如何，景观设计必须实现景随步移的宗旨，所以，提高景观设计作品的真实性成为景观设计的核心问题[2]。

传统方法通常采用虚拟设计方法来提高景观设计作品的真实性。但是虚拟设计方法具有数据采集误差大、画面失真等弊端。随着电子科技的快速发展，电子制图和计算机可视化技术逐渐优化，自20世纪60年代开始，二维制图演变成现在的三维虚拟仿真方法，三维虚拟仿真方法可以高精度地呈现实际环境，在军事、医疗、城市规划以及设计制造等领域中具有重要的应用价值[3]。因此，本文将3D图像处理技术应用于景观设计中，设计基于3D图像处理技术的景观设计系统。

1  基于3D图像处理技术的景观设计系统

1.1  硬件设计

基于3D图像处理技术的景观设计系统属于计算机辅助设计系统，可以协助设计者高效实现前期方案设计和后期效果渲染[4]。系统主要分成三大功能单元，依次是景观设计数据获取单元、模型场景设计单元以及数据统计单元。

3D图像处理技术的景观设计系统结构如图1所示。

1.1.1  景觀设计数据获取单元

景观设计数据获取单元中，资源库主要用于保存园林设计样例、植物图片集、植物平面符号库以及配景图片集，用于为设计人员提供景观设计素材[5]。

景观设计数据获取单元结构如图2所示。

1.1.2  模型场景设计单元

模型场景设计单元景观规划时，场景设计主要通过三维模型完成，其中，包含地形设计、种植设计、建筑设计模块、喷灌设计模块，三维模型结构如图3所示。

该模块主要用于设计地形、建筑、种植以及喷灌。其中，建筑景观点要素直接使用Arc GIS 10.2制作，建筑物采用3ds MAX软件生成。

首先构建三维几何模型，把建筑物基础信息和景观设计二维CAD分布图引进3ds MAX里，并引进建筑物高程数据构建建筑物立体模型[6]。对建筑物设定真实的纹理，实现具有贴近实际性的景观设计。设计时可对3D景观图像进行预处理，去除噪声信息与冗余信息，再采用3D景观图像特征增强方法实现3D景观图像特征增强，提高景观设计图像的清晰度，最后，采用3ds MAX材质编辑器将增强后的3D景观设计图进行贴图实现景观设计[7]。

1.1.3  数据统计单元

数据统计单元是基于3D图像处理技术的景观设计系统的核心[8]。把景观名字、基本功能、占地范围、高程数据等特征数据都用Arcmap实现优化，构建景观设计的特征数据库。

1.2  3D图像处理

1.2.1  3D景观图像预处理

景观三维设计中模型色彩的渲染必须根据现实景观的图像实施，但获取的原始3D景观图像会具有很多噪声、信息冗余等弊端，所以，必须实行图像预处理[9]。假设3D景观原始图像的观测变量数是[q]，同时，变量间存在一定关联性，按照主成分分析原理，对[q]个原变量实行变换，获取[q]互相正交的崭新变量[Lw]，并将其中[a]个能量很大的变量设成主成分，获取无冗余信息的[Ba]维特征空间。

按照有关理论将[Lw]的协方差[DLw]进行分解：

[DLw=FLTw=FEFT] （1）

式中：[E]代表特征值对角阵;[F]代表正交矩阵。那么线性白化矩阵为：

[U=E-12FT] （2）

通过上述分析，可得到[s]个协方差矩阵：

[Ds=FssT=UFLwLTwUT=E-12FTFEFTFE12=1]  （3）

为了克服3D图像基过大致使运算难度增加的弊端，必须对3D图像特征进行降维处理[10?11]。对特征值实行降序分布，并选择数值很大的[a]个特征值，得到降维后的对角阵[E]，则有：

[U=E-12D-T] （4）

式中：[D]描述方差;[U]表示降维后的3D景观图像。

经过上述操作后，3D景观图像的观察向量[st=s1t，s2t，…，satT]，符合：

[st=ULwt] （5）

则3D景观图像独立成分的统计[zjt]为：

[zjt=βj1，βj2，…，βjas1ts2t?sat]   （6）

式中[βja]描述3D景观图像独立成分。

综上所述，选取合理的3D景观图像的图像基，能在最小化降低运算量的同时，不会导致3D图像失真[12]。

1.2.2  3D景观图像特征增强

3D景观图像预处理后，增强3D景观图像时，先将3D景观图像进行频域增强，把图像的像素灰度基于固定函数的转换变成新的图像灰度，获取图像灰度特征。获取图像边缘灰度对比度的增强函数，实现3D景观图像特征增强[13?14]。假设用[ga，b]描述预处理后的3D景观图像，[y′jui]描述3D景观图像里随机像素[d′sg]的邻域，[v′wer]描述各个图像特征取值的数目，[c′wer]描述图像像素数目总值，那么，使用式（7）将图像进行频域增强：

[K′qwu=c′wep×ga，by″jui*d′sg×v′wer⊕h′gtu] （7）

式中[h′gtu]描述3D景观图像灰度值分布情况。

假定将3D景观图像中各类灰度值出现的次数设成[θ]，[a，b]描述图像随机一点，[a+n，b+m]描述图像扰动点，[a+n，b+mkl]描述[a，b]与[a+n，b+m]的对应点，那么通过式（8）获取新的图像灰度：

[c′poi=a+n，b+mkla，b×a+n，b+m⊕θy′jui] （8）

假定图像的1阶微分函数是[?′poi]，3D景观图像的内在特征是[u′wer]，将幅频特性函数设成[e′sgh]，那么，通过式（9）获取图像的灰度特征：

[r′yup=e′sgh±?′poiu′wer±e′sgh]  （9）

假定原图像块和各个邻近基本图像块合并后的方差是[φ′uip]，每个图像分块占据全部图像之比设成[λ′wepp]。3D景观图像边缘灰度对比度的增强函数为：

[ε=λ′wepp×φ′uipg′tu×g′rty] （10）

式中：[g′tu]为掩模算子;[g′rty]为低频范围的纹理属性。

假定低频范围的纹理属性权值空间是[η′XZ]，3D景观图像信号里每个像素在空域近邻时所具有的关联性设成[M′POL]，那么3D景观图像特征增强方法为：

[?′po=M′POL×η′XZZ′sdj×K′qwu??″po×c′poir′yup×ε]    （11）

式中：[Z′sdj]描述3D景观图像的结构信息;[?″po]描述原图像块和各个近邻基本图像块合并后的方差。

基于上述处理便可实现3D景观图像特征增强，提高了景觀设计图像的清晰度[15]。

2  实验结果与分析

为验证本文系统的有效性，将本文系统应用于仿真测试中，系统开发工具使用Visual++ 6.1，平台是Windows XP，CPU主频是1.87 GHz，计算机内存是10 GB。为测试本文系统的设计效果，采用基于三维虚拟VR技术的景观规划系统设计以及基于增强现实技术的景观规划系统与本文系统进行对比实验。图4～图6依次是三种系统对同一景观的设计效果图。

基于视觉角度能够直接看出，本文系统设计效果图清晰度极高，基于三维虚拟VR技术的景观规划系统设计以及基于增强现实技术的景观规划系统的效果图视觉效果不如本文系统。

为深度分析三种系统的设计效果，将需要设计的景观类型分为庭院设计、园林设计。通过专家打分的形式进行设计效果打分，主要以清晰度为评分内容，共5名景观设计专家，每名专家可评分满分是20分。结果如图7，图8所示。

由图7，图8可知：本文系统对庭院景观、园林景观设计后的5位专家评分数值的总数依次是98分、99分;基于三维虚拟VR技术的景观规划系统设计对庭院景观、园林景观设计后的评分数值总数依次是63分、86分;基于增强现实技术的景观规划系统对庭院景观、园林景观设计后的评分数值总数依次是89分、82分。则本文系统设计效果分数最高，对不同景观设计效果最好。

采用三种系统依次对园林景观与庭院景观进行6次设计，测试三种系统设计过程中系统响应时延数据，结果如表1所示。

根据表1数据显示：采用本文系统依次对园林景观与庭院景观设计时，本文系统设计过程中系统响应时延均值依次是422 ms，396 ms，与基于三维虚拟VR技术的景观规划系统、基于增强现实技术的景观规划系统相比，本文系统省时超过1 000 ms，则本文系统设计景观时，系统响应速度快，操作较为灵敏。

由于景观设计系统的应用与建筑企业的经济效益有关，为此，系统的工程费用率、耗能以及作业效率十分关键。因此，实验测试三种系统在对同一建筑景观进行设计时，工程费用率、耗能以及作业效率的具体情况，结果如表2所示。

由表2可知，本文系统的作业效率高达0.96，耗能仅有0.21，与另外两种系统相比，耗能最小，且工程费用率较低，企业在使用本文系统设计景观时，应用成本较低，耗能少，作业效率高。

3  结  论

本文设计一种基于3D图像处理技术的景观设计系统，并将其应用于仿真测试中，经验证本文系统对庭院景观、园林景观设计后的评分数值总数依次是98分、99分，与同类设计系统相比，本文系统对不同景观设计效果最好。采用本文系统依次对园林景观与庭院景观进行设计时，本文系统设计过程中系统响应时延均值依次是422 ms，396 ms，系统响应速度快，操作较为灵敏，且本文系统的作业效率高达0.96，耗能仅有0.21，与同类两种系统相比，耗能最小。

参考文献

[1] 陈曼莎，周建华.节约型高校校园景观设计策略研究[J].西南师范大学学报（自然科学版），2016，41（5）：62?68.

[2] 张文瑞.土地生态化整治与农业景观设计实证研究[J].中国农业资源与区划，2016，37（4）：224?227.

[3] 郭平平.生态茶园景观设计及其环境品质分析[J].福建茶叶，2016，38（11）：143?144.

[4] 韩坤.技术条件下的现代景观设计美学特征研究[J].艺术百家，2016，32（5）：243?244.

[5] 孙明阳，邹元春，于晓菲，等.湿地景观生态美学感知与评估体系研究[J].湿地科学，2018，16（6）：700?706.

[6] 董天阳，杨丽锦，张鑫鹏.用户多维感知的3D图像体验质量评价[J].中国图象图形学报，2019，24（5）：782?793.

[7] 吴峥，赵新灿，王宗敏.基于3D基元的交互式单幅图像建模[J].计算机工程与设计，2016，37（2）：470?474.

[8] 张洪彬，伏长虹，苏卫民，等.3D?HEVC深度图像帧内编码单元划分快速算法[J].电子与信息学报，2016，38（10）：2523?2530.

[9] 何柏华，张晓勉，王双玲，等.广西弄岗自然保护区景观格局研究[J].浙江林业科技，2016，36（1）：19?23.

[10] HWANG Y H， FENG Y， TAN P Y. Managing deforestation in a tropical compact city （Part B）： urban ecological approaches to landscape design [J]. Smart & sustainable built environment， 2016， 5（1）： 73?92.

[11] 冯承婷，赵强民，甘美娜.关于景观水体生态修复沉水植物生物量配置探讨[J].中国园林，2019，35（5）：117?121.

[12] 黄巧洁，邓华秋，刘建成.基于光照?反射模型的图像增强算法的FPGA设计[J].高技术通讯，2019，29（8）：758?766.

[13] 梁海涛，陈晓冬，徐怀远，等.基于深度图预处理和图像修复的虚拟视点绘制[J].计算机辅助设计与图形学学报，2019，31（8）：1278?1285.

[14] 范榕，李卫正，乌日汗.基于无人机图像分割的环太湖绿道景观空间视觉吸引特性研究[J].中国园林，2019，35（5）：74?79.

[15] OTHMAN R， KASIM S Z A. Assessment of plant materials carbon sequestration rate for horizontal and vertical landscape design [J]. International journal of environmental science & development， 2016， 7（6）： 410?414.