海南大學(xué)三亞學(xué)院 王宏信 趙月寧

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在園林景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

海南大學(xué)三亞學(xué)院 王宏信 趙月寧

風(fēng)景園林設(shè)計(jì)學(xué)是建立在自然科學(xué)和人文藝術(shù)科學(xué)基礎(chǔ)上的一門(mén)應(yīng)用學(xué)科。這門(mén)學(xué)科是以生物、生態(tài)學(xué)科為主，并與其他非生物學(xué)科（土木、建筑、城市規(guī)劃）、哲學(xué)、歷史和文學(xué)藝術(shù)等學(xué)科相結(jié)合的綜合學(xué)科。傳統(tǒng)的風(fēng)景園林設(shè)計(jì)表現(xiàn)方式可分為語(yǔ)言文字、手繪圖紙（示）、實(shí)物模型和計(jì)算機(jī)表現(xiàn)4種類型。隨著多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，基于數(shù)字仿真技術(shù)、三維模型技術(shù)、交互多媒體技術(shù)的虛擬設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、交互、動(dòng)態(tài)和主動(dòng)地園林設(shè)計(jì)表現(xiàn)方式，且完全不同于以往的表現(xiàn)形式。本文，筆者從園林景觀設(shè)計(jì)師的角度出發(fā)，闡述了在多媒體技術(shù)支持下的虛擬植物造景。

一、多媒體技術(shù)支持下風(fēng)景園林設(shè)計(jì)的必然性

1.園林景觀設(shè)計(jì)。園林景觀設(shè)計(jì)就是在一定的地域范圍內(nèi)，運(yùn)用園林藝術(shù)和工程技術(shù)等手段，通過(guò)改造地形、種植植物、營(yíng)造建筑和布置園路等途徑創(chuàng)造優(yōu)美自然環(huán)境的過(guò)程。通過(guò)景觀設(shè)計(jì)，使環(huán)境具有美學(xué)欣賞價(jià)值和日常使用的功能，并能夠保證生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

2.虛擬園林景觀。風(fēng)景園林師和城市規(guī)劃者設(shè)計(jì)的虛擬世界，通常都是三維的，包括I維（寬度）、Y維（廣度）和Z維（高度或深度）。這種根據(jù)歐幾里得定理和笛卡兒公式創(chuàng)造的傳統(tǒng)坐標(biāo)系，使我們可以對(duì)立體幾何進(jìn)行詳細(xì)的描述，它也是所有的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和地理信息系統(tǒng)（GIS）表現(xiàn)方式的基礎(chǔ)。同時(shí)，近幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)一直沿用至今的表現(xiàn)方式是二維的，比如地圖、平面圖、紙張上印刷的圖像或是在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的圖像。二維平面不能描述景觀的一個(gè)重要特性即動(dòng)態(tài)性。景觀時(shí)時(shí)刻刻都在變化，當(dāng)我們走過(guò)或者通過(guò)一個(gè)景觀時(shí)，我們對(duì)它的理解也在不停地變化。雖然建筑或機(jī)械物體能夠成功地表現(xiàn)為靜止或孤立的物體，并且固定在抽象的數(shù)學(xué)描述中。但是，景觀以及其他復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比如生物和社會(huì)，則是在運(yùn)動(dòng)、生長(zhǎng)和不斷變化的。

3.虛擬園林景觀設(shè)計(jì)。虛擬園林景觀設(shè)計(jì)在二維平面上實(shí)現(xiàn)四維視、聽(tīng)覺(jué)虛擬空間，利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)逼真的、可感知的虛擬園林場(chǎng)景，通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、傳感設(shè)備與人們進(jìn)行互動(dòng)，當(dāng)人們進(jìn)入虛擬園林空間后，便成為虛擬空間的參觀者，可以對(duì)虛擬園林環(huán)境中的植物、建筑、地形和配套設(shè)施進(jìn)行實(shí)地考察。

二、多媒體技術(shù)支持下的風(fēng)景園林設(shè)計(jì)的優(yōu)越性

1.交互性。風(fēng)景園林師可以在任意時(shí)間或任意階段“走進(jìn)”園林，通過(guò)任意視角來(lái)觀察和體驗(yàn)自己的設(shè)計(jì)作品，身臨其境地感受空間、尺度、材料、質(zhì)感甚至聲音的印象，這比坐在屏幕前通過(guò)觀看二維的設(shè)計(jì)圖來(lái)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題和錯(cuò)誤要容易得多。

2.實(shí)時(shí)性。風(fēng)景園林師可以實(shí)時(shí)地對(duì)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行修改和完善，較好地保證了設(shè)計(jì)思維的連續(xù)性。園林漫游使得風(fēng)景園林師的設(shè)計(jì)體驗(yàn)不再是簡(jiǎn)單的線性片斷，而是將其整合為多感知、生動(dòng)和有機(jī)的整體，從而使設(shè)計(jì)體驗(yàn)更加真實(shí)。當(dāng)沉浸在更加真實(shí)的設(shè)計(jì)體驗(yàn)中時(shí)，風(fēng)景園林師的思維、創(chuàng)造力和靈感也將被極大地激發(fā)。

三、虛擬園林景觀設(shè)計(jì)的技術(shù)支持

1.園林場(chǎng)景數(shù)字庫(kù)的建立。利用先進(jìn)的工程測(cè)繪、三維掃描、數(shù)字?jǐn)z影、圖像處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)、植物、地形、配套設(shè)施信息的高精度獲取與保存。這些數(shù)據(jù)將被添加到場(chǎng)景數(shù)字庫(kù)中，方便用戶檢索和查找。

2.三維建模、仿真貼圖和渲染環(huán)境。3dsmax軟件廣泛應(yīng)用于建筑裝潢、產(chǎn)品、游戲和影視后期等領(lǐng)域。例如，在3dsmax中完成園林三維模型的建模，制作流程可分為以下幾個(gè)步驟：三維建模（Modeling），賦予仿真貼圖材質(zhì)（Texturing），燈光設(shè)置（Lighting），動(dòng)畫(huà)設(shè)置（Animation），渲染合成輸出（Rending）。最后的渲染輸出可以配合Brazil r/s渲染器、finalRender渲染器、FinalShader渲染器材質(zhì)插件、V Ray渲染器和Mental Ray渲染器等部件，對(duì)燈光、材質(zhì)、動(dòng)畫(huà)、渲染、卡通效果和貼圖烘焙等內(nèi)容進(jìn)行完美地渲染。

3.多媒體與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持。Virtools、Cult3D、Quest3D和MultigenVega等都是當(dāng)今流行的多媒體虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于游戲開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品展示和虛擬仿真等領(lǐng)域。為了保障教學(xué)中虛擬三維園林場(chǎng)景的實(shí)時(shí)計(jì)算并減少延遲，多媒體教室的硬件和軟件條件也是不容忽視的。

四、虛擬園林景觀設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用

對(duì)于風(fēng)景園林設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能為其創(chuàng)建的多維空間提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，在計(jì)算機(jī)建立的環(huán)境模擬系統(tǒng)中，用戶可以身臨其境地在規(guī)劃設(shè)計(jì)好的公園、居住區(qū)和廣場(chǎng)中進(jìn)行體驗(yàn)。

1.在運(yùn)動(dòng)中感受風(fēng)景園林的空間。戈登·卡倫認(rèn)為，理解空間不僅需要觀察，而且要通過(guò)運(yùn)動(dòng)來(lái)觀察它。這個(gè)運(yùn)動(dòng)既包括對(duì)空間的靜態(tài)觀察，也包括對(duì)空間的動(dòng)態(tài)觀察。只有通過(guò)運(yùn)動(dòng)才能獲得一個(gè)連續(xù)的、整體的統(tǒng)一空間印象。以往，風(fēng)景園林師通過(guò)繪制一系列的透視草圖，拍攝一系列照片來(lái)進(jìn)行空間體驗(yàn)分析。但是，這種技術(shù)存在明顯的局限性，與真實(shí)的感受相去甚遠(yuǎn)。例如，系列透視草圖和照片只是截取片段的疊加，而動(dòng)畫(huà)則是沿著一條既定的路線在建筑內(nèi)外繞圈子，一旦觀察路徑或角度有所調(diào)整，用戶需要幾天甚至幾周才能夠看到結(jié)果，因此，不具備實(shí)時(shí)的交互能力，缺乏用戶體驗(yàn)空間所必需的自主性。更重要的是，這些方法都是基于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)的，而真正的空間體驗(yàn)是視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等多種感官共同作用的結(jié)果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，使我們對(duì)空間的體驗(yàn)更加真實(shí)。在虛擬系統(tǒng)里，用戶可以自主地選擇行進(jìn)路線和觀察角度。視覺(jué)畫(huà)面的變化只是體驗(yàn)空間的開(kāi)始，由明到暗、由冷到熱、由鬧到靜，腳下地面的觸覺(jué)都對(duì)用戶積累空間感受產(chǎn)生了積極作用。

2.多種運(yùn)動(dòng)方式的模擬。人們對(duì)風(fēng)景園林空間的感受是多樣的，人們可以以步行、乘梯，甚至飛行等方式來(lái)感受風(fēng)景園林的形象。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了多種運(yùn)動(dòng)方式的模擬，如飛行、盤(pán)旋、乘車等。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境里，用戶可以自行選擇運(yùn)動(dòng)方式，設(shè)定相應(yīng)的觀察高度和運(yùn)動(dòng)速度，以及其他的相關(guān)參數(shù)。如以步行速度在風(fēng)景園林中穿行時(shí)，通過(guò)風(fēng)景園林的外部空間，在電梯中欣賞視野的改變，在空中鳥(niǎo)瞰整個(gè)風(fēng)景園林。這些正是未來(lái)風(fēng)景園林的全新感受方式。

3.特定角度觀察環(huán)境。在風(fēng)景園林中，某些特定觀察角度的景觀是設(shè)計(jì)中的研究重點(diǎn)。如風(fēng)景園林入口處和主要節(jié)點(diǎn)處。利用多媒體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在風(fēng)景園林中預(yù)定多種觀察角度。場(chǎng)景轉(zhuǎn)換也可以通過(guò)鼠標(biāo)在場(chǎng)景中直接定位。

4.實(shí)時(shí)風(fēng)景園林設(shè)計(jì)元素的編輯。與傳統(tǒng)的手段不同，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持對(duì)風(fēng)景園林設(shè)計(jì)元素的實(shí)時(shí)編輯。除了可以實(shí)時(shí)地在某些部位替換不同色彩和形式的構(gòu)件來(lái)研究對(duì)空間的組合外，還可實(shí)時(shí)布置環(huán)境和進(jìn)行綠化，模擬隨著時(shí)間的推移綠化后的街景。實(shí)際上，只要經(jīng)過(guò)精心地安排，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就能夠支持對(duì)風(fēng)景園林的任意元素進(jìn)行編輯以適應(yīng)設(shè)計(jì)的需要。如風(fēng)景園林中經(jīng)常應(yīng)用的植物，其本身是會(huì)生長(zhǎng)、變化和死亡的。因此，設(shè)計(jì)師在做環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)常常會(huì)遇到這樣的煩惱，在環(huán)境中布置的植物，在其未成熟的時(shí)候看起來(lái)效果很好，但隨著植物的生長(zhǎng)，它們會(huì)在空間中逐漸衰敗?；蛘?，在它們成熟的時(shí)候看起來(lái)效果很好，但是由于生長(zhǎng)速度太慢，以至于在種植幾年之后，它們?nèi)燥@得十分矮小，很不適合觀賞。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地調(diào)換植物種類，比較在相同條件下不同植物的生長(zhǎng)效果，而且可以模擬植物在不同生長(zhǎng)階段和不同季節(jié)的綠化效果。其中，最簡(jiǎn)單的方法是使用處于不同生長(zhǎng)階段和不同季節(jié)的植物照片。因此，需要建立一個(gè)巨大的、標(biāo)志分明的植物圖像庫(kù)。

5.模擬和建模軟件的使用?，F(xiàn)在，專用的植物生長(zhǎng)模擬和建模軟件也已經(jīng)得到開(kāi)發(fā)。它們利用植物學(xué)的規(guī)律和觀測(cè)結(jié)果，生成隨時(shí)間變化的植物模型。這些軟件可以生成像照片一樣的二維圖像或二維模型，這些圖像或模型可以輸入到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，以模擬不同植物的生長(zhǎng)階段。而圖像處理和專用軟件參數(shù)化生成技術(shù)可用于生成不同季節(jié)樹(shù)葉的顏色和密度，以模擬在不同季節(jié)下的植物。在樹(shù)木歷經(jīng)多個(gè)季節(jié)的生長(zhǎng)后，由于光照和樹(shù)木互相競(jìng)爭(zhēng)空間的原因，使得園林景觀發(fā)生了變化，與原先設(shè)想的景觀出現(xiàn)偏差。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)時(shí)編輯功能，可以對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行模擬，防止錯(cuò)誤設(shè)計(jì)的產(chǎn)生。

現(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)取得了一系列的成果，在風(fēng)景園林設(shè)計(jì)中的應(yīng)用空間也很廣闊，但由于其本身的研究仍處于發(fā)展階段，在風(fēng)景園林業(yè)界的應(yīng)用也是剛剛起步，雖然在某些方面取得了令人矚目的成績(jī)，但就其技術(shù)實(shí)質(zhì)來(lái)說(shuō)，它給風(fēng)景園林設(shè)計(jì)所帶來(lái)的影響和變革是十分巨大的，因此，我們需要進(jìn)行更進(jìn)一步研究探索，使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在風(fēng)景園林領(lǐng)域中得到全更面的應(yīng)用。