基于图形处理技术的三维景观设计系统实现

张成红

（榆林职业技术学院人文社科学院，陕西 榆林 719000）

目前，已经有不少学者研制出了三维景观设计系统，但对于图形的优化过于简单，不能将图形中的细节进行强化，没有很好的视觉效果，而且设计复杂、成本高、效率低。本系统利用图形处理技术，可多角度、多层次展示实物细节，因而能大大提高设计效率，降低园林景观的设计成本，对以后的城市规划以及环境美化具有重要意义[1]。

1 基于图形处理技术的三维景观设计系统

1.1 系统总体结构

设计基于图形处理技术的三维景观设计系统，利用以计算机为硬件，使用三维图像处理技术实现景观初期设计与后期景观设计效果展示。基于图形处理技术的三维景观设计系统总体结构图如图1所示。其主要包括景观设计数据采集模块、景观模型场景设计模块、数据统计模块。该系统通过景观设计数据采集模块读取各种类型文件，资源库存储景观设计所需基本素材；通过三维建模和三维纹理渲染完成景观模型场景设计；数据统计模块使用用户桌面组件实现景观数据统计。

图1 景观设计系统总体结构图

1.2 景观模型场景设计模块

三维建模是景观模型场景设计模块的核心，主要负责地貌模型、建筑物模型、种植树木模型、规划模型设计。依据模型设计结果绘制施工图，完成景观模型场景的编制和标注，并通过三维纹理渲染实现景观优化。

1.2.1 种植树木模型设计

三维景观设计采用树状节点的实物组织结构，利用节点式分布，实现对每种要素的构建。在进行纹理渲染时，能够以节点为单位进行，方便操作。树状节点结构还能详细地显示信息。在对景观进行调整修改时，不需要舍弃整个设计，只需要针对某一节点进行，极大地增加了设计灵活性[2]。通过将Tree Engine引擎集成到系统中，实现种植树木的渲染构建，其渲染流程图如图2所示。

图2 种植树木模型载入场景的渲染流程

1.2.2 三维纹理渲染的景观优化

对于景观三维设计模型的渲染，必须根据实景采集的图像所呈现的色彩进行，而在户外拍摄的图像难免有些干扰，或者图像中有大量的信息冗余，所以需要对采集后的图像数据进行预处理。设原始图像的观测变量为p，依据变量之间的函数关系，得到新的变量L，L与p成正交关系。并将权重大的变量当作主影响因子，因子数量记为a，最后得到清除干扰信息后的B维特征矩阵。为避免由于原始图像的参数过大，可对图像数据降维，且经过降维后的图像不会因为数据减少而使模糊[3]。

不同范围内的位置坐标关系可由坐标矩阵表示。通过矩阵的平移变化，可将空间局部坐标原点移动到全局坐标原点，找出序列中的冗余信息，然后对结构进行优化，平移变化表达式如式（1）所示。

式中，变换前的横坐标、纵坐标以及竖坐标为x、y、z，分别与平移向量相加就是平移后的坐标，变换后的横坐标、纵坐标以及竖坐标为x1、y1、z1。对于矩阵的缩放变换和旋转变换，可将变换前的坐标与变换矩阵相乘，得到变换后的坐标。

2 实验结果与分析

对本系统分别进行功能测试以及对比测试。功能测试是为了检验本系统每个功能模块运行情况。至于对比测试，本系统与基于单目视觉三维重建系统和基于虚拟仿真技术的三维态势显示系统进行对照试验，从系统响应时间、图像效果以及设计成本三个方面比对。

2.1 系统的功能测试

对系统各项功能进行测试，对于文件读写模块，测试其是否可以正常读取各类文件信息，是否能够采集到基础数据；对于资源库、景观平面符号库、景观图片库、植物图片库以及景观品类库等这些景观数据的基本数据库，需要测试是否能够有效地存储数据，是否能对存储的数据进行正常的提取与运用；对于编辑模块，需要测试其基本拓展功能；对于三维建模模块，测试对各种景观模型的设计效果[4]；对于建筑物、地貌、种植树木模型设计模块，测试构建功能；还要测试规划模型设计的三维规划能力，以及施工图的景观设计效果和三维纹理渲染的优化效果。最后测试并显示出成本预算以及对工程统计的数据信息。本系统主要模块功能测试结果如表1所示。

表1 本系统主要模块功能测试结果

2.2 系统响应测试

应用三个系统对某一场景的景观进行三维设计。为避免偶然性，测试20次，然后计算出平均值，具体参数如表2所示。

表2 三个系统的景观设计响应时间数据统计（ms）

由表1可知，所有功能都能正常运行，证明该系统功能良好，运行稳定，可应用于景观设计行业。

由测试结果可知，按照本文所设计系统、三维重建系统以及态势显示系统三种系统，最短响应时间分别为428 ms、778 ms、1 560 ms，最长响应时间分别为431 ms、998 ms、1 604 ms，三者的平均响应时间为430 ms、908 ms、1 587 ms。三维重建系统波动为20 ms，态势显示系统，波动为44 ms。相比之下，本文所设计系统具有很好的稳定性，其响应时间至少提高了一倍。说明该系统的响应速度非常快，可快速对用户的输入或请求做出应答，因而能够缩短设计作业时间，提高效率。

2.3 系统设计效果测试

本文所设计系统的设计效果明显增强，不仅有着清晰的纹理，使得图像更加逼真，而且对于地貌、建筑物以及种植树木的多层次细节以及轮廓都表现得淋漓尽致，有着很好的渲染效果，对于光线的明暗分布也富有层次感，使得整张图片具有很高的清晰度，设计质量提升明显[5]。

2.4 系统设计成本测试

分别对6个居民区进行了景观设计，设计成本如图3所示。由图可知，三维态势显示系统费用处于中间，将近是本文所设计系统的两倍，三维重建系统的设计成本最高，当景观设计个数为1个时，与本文所设计系统相比，成本相差了将近6倍，高达6万元，本文所设计系统成本低，有着很大的市场价值。

图3 三个系统的居民景观项目设计成本

3 结束语

本文利用计算机图形处理技术，对三维景观设计系统进行了实现，系统功能测试表明，该系统运行稳定，满足市场功能需求。为证明该系统有着优秀的特性，与已经实现的基于单目视觉三维重建系统和基于虚拟仿真技术的三维态势显示系统进行对比实验，结果证实，该系统不仅响应速度快、运行稳定，而且有着很好的设计效果。在行业内注重的设计成本方面，本系统也具有成本优势。总体来说，该系统可使景观设计由传统的设计模式向自动化、智能化的设计模式转变，为景观设计工作者提供了有力的工具。未来，可将人工智能技术与该系统相结合，设计出更加逼真的三维景观。■