戴 茜，黃心淵，蔣 蕊，王 旭

(1.北京林業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，北京，100083；2.中國(guó)傳媒大學(xué)動(dòng)畫(huà)與數(shù)字藝術(shù)學(xué)院，北京，100024)

0 引言

作為計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，VR)的特別之處在于能夠模擬出逼真的三維虛擬空間，人們可以利用一些特殊設(shè)備與該空間的物體實(shí)現(xiàn)交互，獲得虛擬世界的真實(shí)感。如今VR在園林規(guī)劃設(shè)計(jì)中得到較多的使用，其具備的直觀性與交互性使園林設(shè)計(jì)師更容易掌控整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)空間的把握也更加自如，方案設(shè)計(jì)趨向于科學(xué)和完美。無(wú)論是方案的決策者還是社會(huì)公眾，都可以在VR演示系統(tǒng)中深入園林場(chǎng)景，能夠多角度實(shí)時(shí)感受設(shè)計(jì)意圖。VR還可以模擬園林施工現(xiàn)場(chǎng)，能夠更加合理地安排施工進(jìn)度，從而使整個(gè)施工過(guò)程得到科學(xué)的指導(dǎo)，確保工程安全。VR的發(fā)展?jié)摿O大，是實(shí)現(xiàn)當(dāng)前施工現(xiàn)代化的一個(gè)創(chuàng)新性方向。VR所展現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)園林規(guī)劃設(shè)計(jì)提供更多的幫助，深入研究該技術(shù)在園林規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，有著較大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論概述

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及虛擬環(huán)境介紹

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是上世紀(jì)八十年底末開(kāi)始興起的一門(mén)綜合性信息技術(shù)，涵蓋了多個(gè)學(xué)科，最早主要用在計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域，另外在多媒體、傳感、圖像學(xué)等領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用。該技術(shù)的原理是通過(guò)計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件對(duì)真實(shí)環(huán)境進(jìn)行模擬，用戶可以利用專(zhuān)用的設(shè)備沉浸到模擬環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)與該環(huán)境的交流與感受。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心在于對(duì)真實(shí)環(huán)境的虛擬，主要有三種：（1）還原真實(shí)的環(huán)境。這種環(huán)境有些已經(jīng)存在，有些正在形成的過(guò)程中，有些是遭到了一定的破壞，包括住宅區(qū)、校園、戰(zhàn)場(chǎng)等。（2）還原并不存在的環(huán)境。這種環(huán)境處于人腦的想象之中，例如科幻電影場(chǎng)景、游戲場(chǎng)景等，能夠展現(xiàn)出人類(lèi)豐富的想象力。（3）還原真實(shí)存在的但未被人類(lèi)感知到的環(huán)境。這種環(huán)境包括宏觀的天體運(yùn)動(dòng)、微觀的分子結(jié)構(gòu)等，以人類(lèi)的能力還不能直接感知，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行模擬仿真，可以將它們展現(xiàn)在人們的眼前。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

當(dāng)前公認(rèn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三角形架構(gòu)理論為I3，即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涵蓋了三個(gè)通用的特點(diǎn)：交互性（Interaetivity）、沉浸感（Immersion）、想象力(linagination)。

（1）交互性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的交互性，指的是用戶利用專(zhuān)用的輸入、輸出設(shè)備，可以與虛擬環(huán)境中的各個(gè)物體進(jìn)行交互，通過(guò)這些專(zhuān)用設(shè)備用指令的方式指揮虛擬環(huán)境內(nèi)的物件，電腦可以根據(jù)用戶的需求完成相關(guān)的指令和操作。（2）沉浸感。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的沉浸感是指用戶的身臨其境的程度，在專(zhuān)用設(shè)備的協(xié)助下，用戶可以與虛擬環(huán)境交互并感知，產(chǎn)生一種真實(shí)的感覺(jué)，與現(xiàn)實(shí)的環(huán)境感受越接近，用戶的沉浸感越強(qiáng)。（3）想象力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的想象力，指的是用戶在判斷、推理、想象虛擬環(huán)境的過(guò)程中，以感受到的物體變化為基礎(chǔ)，所發(fā)揮出的想象能力，并根據(jù)想象力不斷改進(jìn)、創(chuàng)造和完善虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)建與分類(lèi)

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)建

VR系統(tǒng)一般由VR軟件、VR數(shù)據(jù)庫(kù)、VR輸入設(shè)備、VR輸出設(shè)備構(gòu)成。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的分類(lèi)

當(dāng)前，常用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要有桌面式、沉浸式、增強(qiáng)式、分布式等。

桌面式：這種系統(tǒng)由于價(jià)格較低且攜帶方便，適用的范圍也廣，所以得到廣泛使用。該系統(tǒng)主要是利用三維鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套、力反饋器等輸入設(shè)備進(jìn)行場(chǎng)景的感受，其缺點(diǎn)是用戶的沉浸感不高，選用該系統(tǒng)的通常是對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)效果要求較低的用戶，本次研究由于經(jīng)費(fèi)不足，也是以此系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用研究。

沉浸式：這種系統(tǒng)有較強(qiáng)的沉浸感，給用戶帶來(lái)的感受體驗(yàn)非常真實(shí)，一般有頭盔顯示的、三維投影的、座艙類(lèi)的，但是其價(jià)格昂貴，所以遠(yuǎn)不如桌面式的普及。

增強(qiáng)式：這種系統(tǒng)可以將虛擬環(huán)境疊加在真實(shí)環(huán)境之中，是一種組合式的系統(tǒng)，交互性極強(qiáng)，一般在軍事、醫(yī)學(xué)及文物估計(jì)復(fù)原等領(lǐng)域應(yīng)用得較多。

分布式：這種系統(tǒng)提供的虛擬環(huán)境允許多個(gè)用戶同時(shí)參與，并能實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作的效果，主要用在多人網(wǎng)絡(luò)游戲、遠(yuǎn)程虛擬會(huì)議、虛擬現(xiàn)實(shí)社區(qū)等領(lǐng)域。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在園林規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在園林規(guī)劃設(shè)計(jì)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著較大優(yōu)勢(shì)，并貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的每一個(gè)階段，對(duì)于三維建模軟件以及虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的選擇非常重要，關(guān)系到園林景觀的建模方式。

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在園林規(guī)劃設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

2.1.1 對(duì)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行更好的輔助

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助下，園林設(shè)計(jì)師可以利用人機(jī)交互深入到多維仿真的場(chǎng)景之中，其觀察與體驗(yàn)設(shè)計(jì)方案能夠從任意一個(gè)角度展開(kāi)，使設(shè)計(jì)更加的直觀，親身感受到設(shè)計(jì)方案的材料、光照、空間的合理性，并且可以對(duì)比分析多種方案，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，防止重大設(shè)計(jì)失誤發(fā)生。此外，身臨其境的感覺(jué)有助于設(shè)計(jì)師激發(fā)出設(shè)計(jì)靈感，使設(shè)計(jì)思維得到擴(kuò)展。

2.1.2 方案的展示可以通過(guò)多維全景、實(shí)時(shí)互動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，觀眾可以基于自身的意愿對(duì)方案進(jìn)行多角度的實(shí)時(shí)觀察，體驗(yàn)觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、味覺(jué)等多種真實(shí)的感受，還可以利用互聯(lián)網(wǎng)讓更多的人進(jìn)行體會(huì)。

2.1.3 提高公眾的參與度

作為可以多方溝通的平臺(tái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠讓公眾有效參與，根據(jù)直觀感受，公眾可以評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案并提出相關(guān)意見(jiàn)，從而成為方案設(shè)計(jì)的參與者之一。

2.1.4 模擬施工過(guò)程

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)園林的施工過(guò)程進(jìn)行模擬，以論證施工計(jì)劃的合理性，從而有效掌握整個(gè)項(xiàng)目的施工進(jìn)度，對(duì)施工工序進(jìn)行合理的安排，防止施工安全隱患，并對(duì)節(jié)約施工材料有很大的幫助，實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程的可視化。

2.1.5 有效降低方案展示與人員溝通的成本

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用在方案展示方面有著較大的優(yōu)勢(shì)，有效降低動(dòng)畫(huà)與模型制作、效果圖打印等方面的成本，并且利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的溝通，還能降低各方之間的溝通成本。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)及建模軟件選擇

2.2.1 三維建模技術(shù)

該技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，首先要保障場(chǎng)景模型的流暢運(yùn)行，因此要求建立起來(lái)的三維模型文件小、面數(shù)少、造型準(zhǔn)。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的三維建模有一定的難度，在傳統(tǒng)的園林模型建立中，使用較多的是AutoCAD與3DSMAX相結(jié)合的技術(shù)組合方式，首先用AutoCAD導(dǎo)入平面圖，再用3DSMAX建模，而虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境則需要考慮園林的典型景觀要素，因此還結(jié)合了SketchUp。

2.2.2 圖像立體顯示技術(shù)與立體聲技術(shù)

圖像立體顯示并加入立體的背景聲，是提高虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)沉浸感的直接要素。當(dāng)前較為流行的圖像三維立體顯示技術(shù)包括全息式、光柵式、全真式、時(shí)分法、光分法、補(bǔ)色法等，其中使用較多的是時(shí)分法、光分法、補(bǔ)色法。此外，背景立體聲可以實(shí)現(xiàn)3D仿真聲音，當(dāng)觀眾接近聲源時(shí)，聲音將逐步變大，反之則變小，提高了觀眾的臨場(chǎng)參與感。

2.2.3 三維圖像的實(shí)時(shí)生成技術(shù)

在傳統(tǒng)的三維圖像生成的過(guò)程中，靜態(tài)渲染生成的時(shí)間不確定一直是一個(gè)難題，而且渲染一張圖片的時(shí)間較長(zhǎng)。動(dòng)畫(huà)渲染的幀數(shù)較多，占用的時(shí)間更久。顯然，傳統(tǒng)方式并不適合虛擬場(chǎng)景圖的生成，虛擬現(xiàn)實(shí)要求對(duì)三維圖像實(shí)時(shí)生成?？梢岳煤姹杭夹g(shù)，整個(gè)場(chǎng)景經(jīng)過(guò)烘焙可以一次生成，有一些虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)具備烘焙功能，還可以利用GPU渲染技術(shù)實(shí)時(shí)編輯3D場(chǎng)景。

在建模軟件的選擇環(huán)節(jié)，可以考慮一些主流建模軟件，例如3DSMAX、SkctchUp、Maya等。在這三種建模軟件中，建模能力Maya最強(qiáng)，建模速度SketchUP最快，修改便利性SketchUP最強(qiáng)。本文選擇的建模軟件是SketchUP。

2.3 基于SketchUP的園林景觀模型的建立

2.3.1 建筑物建模

建筑物是園林場(chǎng)景中的重點(diǎn)部分，其建模量較大，其中難度最高的是古建筑模型的創(chuàng)建，SketchUp中的照片建模是一種很好的古建筑建模方式，如圖1所示。

圖1 SketchUp的照片建模

2.3.2 植物建模

在三維建模中，植物建模是一個(gè)難點(diǎn)，這是因?yàn)槊恳豢弥参锏臉?shù)葉較多，其模型所形成的面數(shù)有可能達(dá)到百萬(wàn)數(shù)量級(jí)，而且一個(gè)園林場(chǎng)景的數(shù)目極多。SkctchUP提供了較好的三維樹(shù)木模型建立功能，效果圖如圖2所示。

圖2 三維樹(shù)木模型

2.3.3 水體建模

水體的存在形式多樣化，靜水與動(dòng)水是完全不同的結(jié)構(gòu)。SketchUp能夠制作出水的透明度以及水面的材質(zhì)紋理，但是對(duì)水體的反射、折射等并不支持。因此要實(shí)現(xiàn)動(dòng)水的建模，可以先制作成靜水，然后導(dǎo)入動(dòng)畫(huà)漫游軟件，這類(lèi)軟件能夠生成逼真的動(dòng)水效果，如圖3所示。

圖3 SketchUp結(jié)合動(dòng)畫(huà)漫游軟件生成的動(dòng)水效果圖

3 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的園林場(chǎng)景的建立，需要對(duì)比及篩選合適的建模軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)模型的建立。本文選擇了SketchUP，論述了各類(lèi)景觀建模，包括園林場(chǎng)景中的地形建模、建筑物建模、植物建模、水體建模等。本文的創(chuàng)新之處：用面向設(shè)計(jì)師的SkctchUp作為建模工具，相對(duì)于3DSMAX來(lái)說(shuō)，園林設(shè)計(jì)師能夠更加方便地進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。

[1]楊璐.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在園林景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].藝術(shù)科技,2013(7):297.

[2]李國(guó)松,楊柳青. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究——幾種常見(jiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用評(píng)價(jià)分析[J].中國(guó)園林,2008(2):32-36.

[3]李承清. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在風(fēng)景園林設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].城市建筑,2013(22):204.

[4]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[J].河南科技,2011(15):53-54.

[5]Francisco,R. Paulo,N. Emflia,D.Marcelo,S. Using Virtual Reality to Assess User Experience [J]. Human factors,2012,54(6):49-55.