计算机增强现实(AR)技术在园林景观设计中的应用

赵晓静

（德州职业技术学院 山东省德州市 253034）

随着互联网的普及和电子信息化时代的到来，虚拟技术已经应用到各行各业，但是，随着虚拟技术的不断发展，其弊端也逐渐被人们所发现。人们应用这项技术的目的只是为了满足自身需求，想对真实环境有一个更为细致和全面的观察，避免因一些客观因素导致对环境的观察有所缺漏，而并非是想利用虚拟环境来代替真实的环境场所，但是由于一些技术上的问题，如设备的运行速度以及建模的质量等，非但不能还原现实场景，还会使图像失真，造成信息损失，导致用户的体验并不理想，限制了用户对环境的观察与认知，因此，为了改善这一问题，人们又发明了一项新的技术——增强现实技术。作为虚拟技术的一种，增强现实技术将计算机技术与现实情境相结合，生成十分逼真的三维虚拟环境，使用户可以通过各种传感设备进行体验。现如今，这项技术已经被应用于科技、娱乐、医疗以及军事等行业，具有很好的发展前景。

增强现实技术，利用计算机设备生成的虚拟场景或其他信息的提示，将它们与现实场景进行叠加，从而增强场景的现实感，提升用户的使用体验。也是由于其这一独特的优点，使其在科研领域中具有较高的研究价值，国外有很多高校和科研机构都在这一领域展开了相应的研究和探索，研究成果也是较为可喜。现如今，增强现实技术已经同园林景观设计相结合，与传统的准三维设计图，也就是通过平面效果图以及模型和三维动画来展示环境的方式表现不同，设计者通过这项技术，利用多种传感器为用户带来视觉上的直观感受，帮助用户更好地了解和观察所设计的环境。不过，对于这项技术的研究，在国内还处于初始阶段，并未有较大的研究投入，主要的应用也是为用户提供浏览功能，目前人们更希望科研人员及设计者能够在交互体验这一方面进行研发，以增强用户的视觉体验。

现在，本文将围绕计算机增强现实技术与园林景观设计相结合这一主题，从增强现实技术的发展及特点、增强现实技术与园林景观相结合的应用实例以及发展前景这几方面进行一定的分析和探究，以期能够为国内这项技术的发展做出一定的贡献。

1 增强现实技术的发展

1.1 增强现实技术的原理

增强现实技术是虚拟技术的一种，算是在其基础上发展的一个新型技术，传统意义上的虚拟技术并不能将显示与虚拟进行交互叠加，而增强现实技术则可以。其工作原理大致可分为这几个步骤：首先通过实时追踪摄像机和传感器进行场景的定位和传输，再通过计算机识别图像，进行三维跟踪注册，合成虚拟模型进行渲染，最后将生成的画面传输到显示界面，完成增强实现的全过程。

1.2 增强现实技术的发展

二十世纪中叶，摄影师Morton Heilig 发明了一个可以模拟街道场景的机器人；在1968年，一台可以虚拟现实的原型机器诞生于世；之后，便是对虚拟技术的显示系统不断地进行更新与创新，采用显示屏或者透明设备来进行场景与人之间的交互显示；在1990年，针对于这项能够实现交互作用的虚拟技术，人们赋予了它新的名字——增强现实技术；之后增强现实技术的发展便开始停滞不前，直至2018年，虚拟技术与增强现实技术的发展迎来了上升期。目前，5G 时代即将到来，由于其具有覆盖广和高网速的优点，能够为计算机技术的发展提供很好的互联网基础，这为虚拟技术与增强现实技术的发展带来了新的契机。

1.3 增强现实技术的研究现状

增强现实技术由于其自身优势和较大的发展潜力，被越来越多的人所关注，目前已成为一个新兴的科研领域，但相较于虚拟技术的研究成果而言，增强现实技术还处在实验室阶段，在实际应用中，搜索浏览是较为常用的一种功能，尽管注册技术已经被成功开发，但是要想得到精确的结果，还是要受到环境的影响，室外增强现实技术的跟踪方案还不成熟，而一套成熟的方案在设计前期需要大量的测试和准备工作，这就导致其实际应用的发展受到了较多限制。

目前增强现实技术的开发难题，主要是如何及时地将用户观察角度的场景准确地呈现出来，使虚拟场景与实际环境两者严丝合缝地叠加在一起。目前为解决这一难题，通常选用的方法是三维跟踪注册，针对这种方法，科学家们还研发出了两种工具，但这两种工具的使用要求是需要事先通过摄像机进行精准定位，同时，摄像机的内部参数还不能发生变化，很明显，这与增强现实技术的实际应用要求并不相符。不过，科研人员开始增加相关会议召开的频率，这使得问题的解决取得了一定的进展。

与国外相比，在这一领域的研究，我国还处于初始阶段，虽然提出了很多的相关理论和解决方案，但仍未研究出完善的系统，还需要再进一步的研究。

2 增强现实技术的特点

2.1 虚实结合性

增强现实技术可以将真实环境进行虚拟渲染后传输到显示屏上，实现虚拟环境与真实场所的叠加，用户可通过眼睛凝视或者用手指点击的方式对设备进行调控，使三维图像以全景的方式呈现在用户面前，并根据用户的指示进行场景的及时准确的切换，同时，还可以在三维虚拟情景中插入地图导航等提示，以便帮助用户观察环境，引导用户行为等。

2.2 与人类之间的交互性

增强现实技术可以将整个环境都进行精准的定位，将正在简简单单地浏览和发出指令的人从屏幕前拉拽到虚拟环境中，使人与周围的虚拟环境融合到一起，不再有意识地去向运行系统发出指令，而是沉浸其中，实时地与环境进行交互，看得见，但摸不着。增强信息技术的交互系统并非仅有一处明确的位置，而是将整个目标环境都涵盖其中，使用户得到极佳的使用体验，同时采用三位跟踪注册系统，使用户彷如置身其中，能够更好地感知目标环境。

2.3 可添加定位虚拟物体

增强现实技术可以添加定位虚拟物体，以便更改和修饰环境的设计，为用户提供更为便捷舒适的服务。

3 增强现实技术与园林景观相结合的应用

3.1 辅助设计

增强现实技术具有辅助设计的作用，由UAP 设计的一款顶棚装置，在设计过程中就采用了增强现实技术。由于这款顶棚装置结构十分复杂，对材质也有着特殊的要求，为了便于观察和分析其构造，在设计初期，UAP 团队首先将计算机生成的模型导入增强现实技术系统，利用其三维跟踪标注功能，利用CAD 制图软件绘出顶棚装置的CAD 三维立体模型图，并根据该图制出实物投影，进而通过一系列的操作完成了顶棚装置的设计。采用增强现实技术后，不仅快速完成了设计，效果及质量也都得到了保障。

3.2 丰富文化体验

在2019年的北京国际设计周中，有一件设计品便采用了增强现实技术，这件设计品叫做“墨城视觉展馆”。这件设计品利用增强现实技术的交互特点，采用三维跟踪标注技术，将墨西哥城真实景物的视频音频上传到计算机设备中，进行识别，再将其与实际场景进行叠加，增强用户的体验感，使参观者如亲身置于墨西哥城中，体验当地的风土人情并沉浸其中。增强现实技术使这个设计品不仅是一处景观，更是将其化为一件文化的载体和传播者，丰富了参观者的文化体验。

3.3 修复破损的历史文物

作为世界闻名的历史遗迹，圆明园由于损毁严重，至今仅有几根石柱屹立着，修复难度很大，至今也没能进行修复，后在有关部门的支持下，北京理工大学的信息科学技术学院就对损毁的圆明园展开了增强信息技术的修复这一任务展开了相关研究，并在研究过程中，对西洋楼大水法景区进行了虚拟修复，并设计了真实、虚拟和增强这三种模式，完成了虚拟与现实的结合，再现了圆明园当初的盛景。

4 增强现实技术与园林景观相结合的发展前景分析

结合上述增强现实技术的特点与生活中的实际应用，不难分析出其发展前景。

4.1 辅助园林景观的设计

增强现实技术可以应用在园林景观的设计中。它是对真实场景的一种加强技术，给用户带来的强烈的真实感受，且在建模过程中，能够减少一定的工作量。应用于园林景观的设计中，可以将真实的植被和建筑物应用其中，将设计效果直观地展现在众人面前，将真实世界与虚拟世界交叠在一起，互为补充，同时，还能通过增强现实技术及时发现设计中出现的问题，防患于未然。同时，对于复杂的建筑设计，增强现实技术的辅助设计作用可以帮设计团队保质保量的、快速的完成任务，极大的降低了工作难度，减轻了设计师的负担。

4.2 帮助人们体验不一样的人文风景

作为一种文化载体，园林承担着复兴和传承文化的作用，设计师需要妥善利用增强现实技术，将园林的文化载体这一优势发扬光大，让参观者享受到园林的文化内涵。同时，增强现实技术还可以将不同的文化和风景“移”到别处，不仅可以传播我们的文化，也可以领略不同的风土人情，增长阅历和见识，同时，也极大地降低了时间与空间带来的限制。

4.3 修复损毁的历史文物

历史文物，作为历史留于人类的遗产，有着极高的历史价值，一旦损毁，必然要进行修复。但类似于圆明园这类历史遗迹、文化瑰宝，由于损毁严重而导致的无法修复，对人类来说，这无疑是一笔巨大的损失。所幸，随着增强现实技术的出现，不仅可以将损毁的物品以虚拟的方式重新限于人间，以在进行一定程度的弥补和挽救，还为推动文化和科技的发展做出了重要的贡献，。设计师可以预先在电脑中绘制历史文物的补全图，再对实际场景做出一定的修复，将虚拟世界和真实世界两者结合起来，完成历史遗迹的修复。

5 结语

随着时代的发展和科学技术的不断进步，5G 即将被普及，这意味着数字化、信息化也要全面覆盖人民的生活，这对虚拟技术和增强现实技术的发展提供了重要的物质基础，在这两项技术发展的过程中，起着重要的推动作用。我相信，虚拟技术与增强现实技术将会在人类的生活中有着极大的占比，在军事还有娱乐等各个行业中，都将全面普及。在未来的园林设计中，不仅可以帮助人类设计具有复杂结构的建筑，还对文物的修复、文化历史的发展与推动都起到了重要作用，同时，增强现实技术也可以极大地减低由人口增长和环境污染带来的压力，满足人们对拓展空间的需求，避免资源的浪费，让我们足不出户便可享受大自然的宁静与美好，那时，时间与空间也都不再会产生距离。