栗功 王澤燁

摘 要： 為了解決傳統(tǒng)虛擬規(guī)劃設(shè)計存在數(shù)據(jù)收集不準確、虛擬畫面不真實，無法滿足景觀精準規(guī)劃標準的問題，在大數(shù)據(jù)分析下，提出基于三維景觀可視化虛擬系統(tǒng)設(shè)計。融入建筑外觀和道路設(shè)計，同時對場景進行動態(tài)瀏覽，并制作真實渲染圖以及三維虛擬動畫，對場景進行多方位、多角度展示。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，運用虛擬技術(shù)突出仿真效果；采用規(guī)則網(wǎng)格法完成地形設(shè)計，利用局部插值算法對地形表面數(shù)字化采樣點或等高線數(shù)據(jù)進行收集，進而對植被進行構(gòu)造，并轉(zhuǎn)換為規(guī)則的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，由此完成三維景觀虛擬規(guī)劃。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)收集準確、虛擬畫面真實等特點，能快速完成景觀虛擬規(guī)劃。

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù)； 三維景觀； 虛擬設(shè)計； 規(guī)則網(wǎng)格法； 局部插值； 渲染圖

中圖分類號： TN911.73?34； TP391.72 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）11?0046?04

Study on 3D landscape virtual design system by means of big data analysis

LI Gong， WANG Zeye

（Yanshan University， Qinhuangdao 066000， China）

Abstract： Since the traditional design about virtual planning has the problems of inaccurate data collection and unreal virtual image， and can′t satisfy the precise planning standard of the landscape， a visualization virtual system based on 3D landscape is put forward by means of big data analysis， which can integrate the architectural appearance and road design， browse the scene dynamically， fabricate the real rendering pictures and three?dimensional virtual animation and perform multi?faceted and multi?angle display of the scene. In the system， the virtual technology is used to highlight the simulation effect according to the system structure， the regular grid method is adopted to accomplish the terrain design， the local interpolation algorithm is used to acquire the digital sampling points and contours line data of the terrain surface to construct the vegetation， and then convert it into the regular grid data， so as to accomplish the three?dimensional landscape virtual planning. The experimental results show that the system has the characteristics of accurate data collection and real virtual picture， and can accomplish the landscape virtual planning quickly.

Keywords： big data； 3D landscape； virtual design； regular grid method； local interpolation； rendering picture

0 引 言

景觀設(shè)計需要運用風(fēng)景景觀設(shè)計理念，將科學(xué)、技術(shù)與藝術(shù)融入到理念當(dāng)中，該部分的設(shè)計不僅要求視覺上的享受，還需與周圍環(huán)境進行相互協(xié)調(diào)，其中包括建筑、廣場、道路周圍環(huán)境的綠化，既需要景觀與生活文化相互融合，又需將生態(tài)植被的可持續(xù)發(fā)展考慮其中。為此，合理利用與保護資源是景觀虛擬規(guī)劃的前提。由于景觀設(shè)計不論規(guī)模大小，在預(yù)期設(shè)計中都需達到景隨步移的效果，因此，如何將作品設(shè)計得更加真實生動是設(shè)計關(guān)鍵所在[1]。

采用傳統(tǒng)虛擬設(shè)計方法存在數(shù)據(jù)收集不準確、虛擬畫面不真實等問題，人們已不再滿足對虛擬環(huán)境的瀏覽，為此，提出基于三維景觀可視化虛擬系統(tǒng)設(shè)計。在大數(shù)據(jù)分析下，借助計算機輔助設(shè)計，對地形、規(guī)劃、種植等景觀內(nèi)容展開分析，并具有針對性地開發(fā)不同模塊的功能，完成系統(tǒng)硬件部分設(shè)計；采用規(guī)則網(wǎng)格法設(shè)計地形，并對設(shè)計原理進行分析。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可彌補傳統(tǒng)景觀設(shè)計只能使用平面圖進行虛擬規(guī)劃的缺陷，并通過三維虛擬技術(shù)分析數(shù)據(jù)，生動再現(xiàn)景觀的三維立體動畫，大大提高了系統(tǒng)真實性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，對三維景觀進行虛擬設(shè)計需利用網(wǎng)絡(luò)進行輔助，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)達、功能全面，可提高設(shè)計速度。在景觀設(shè)計中，其主要內(nèi)容有：地形規(guī)劃、植被種植，將建筑外觀與周圍環(huán)境綠化考慮在內(nèi)，設(shè)計場景動態(tài)瀏覽畫面，并制作真實渲染圖和三維虛擬動畫，對場景進行多方位、多角度展示[2]。該系統(tǒng)分為建模編輯、規(guī)劃設(shè)計、噴灌設(shè)計、數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計、種植設(shè)計、渲染動畫制作等幾大模塊，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

三維景觀設(shè)計系統(tǒng)在開發(fā)與設(shè)計過程中，需與專業(yè)景觀設(shè)計進行多次接觸，充分了解當(dāng)前景觀輔助設(shè)計系統(tǒng)各方面功能需求，具有針對性地開發(fā)不同模塊的功能。由圖1可知該系統(tǒng)硬件由三部分組成，分別是文件讀寫、資源庫，模型場景設(shè)計，數(shù)據(jù)統(tǒng)計。專業(yè)化種植設(shè)計、施工圖設(shè)計面向國內(nèi)應(yīng)用范圍，為了使二維畫面與三維畫面之間的關(guān)系更加密切，將地理信息加入到景觀設(shè)計之中，使虛擬技術(shù)更好地表現(xiàn)出來，達到預(yù)期的仿真效果。

在該系統(tǒng)硬件設(shè)計過程中，并非所有情況都適用于大規(guī)模精細網(wǎng)格，粗糙網(wǎng)格在某些場景中同樣適用[3]。輪廓線需要進行特殊處理，為此，提出輪廓光滑算法[4]：

1） 對輪廓線與相關(guān)三角形進行計算；

2） 將計算后的輪廓線投影到二維平面上，并由此獲取二維線段；

3） 用光滑曲線替代二維線段；

4） 將光滑曲線投影到平面上，并由此獲取相應(yīng)的輪廓線；

5） 在三維平面上對曲線進行采樣，獲取計算后的坐標點；

6） 采用三角處理方式改變網(wǎng)格形態(tài)，映射紋理，繪制模型。

該算法只需提取輪廓邊對粗糙網(wǎng)格進行計算，節(jié)省了大量時間。

2 軟件設(shè)計

2.1 三維地形設(shè)計

三維景觀設(shè)計虛擬系統(tǒng)采用規(guī)則網(wǎng)格法完成地形設(shè)計，并采用局部插值算法將有關(guān)地形全部數(shù)據(jù)進行處理，利用三角形對點方法進行地形構(gòu)造，進而轉(zhuǎn)換為規(guī)則的網(wǎng)格數(shù)據(jù)[5]。利用局部插值算法將地形轉(zhuǎn)化為數(shù)字化形式，并對采樣點進行規(guī)劃。針對三維地形的模擬精準度主要取決于目標地形的采樣精度與數(shù)據(jù)信息，將獲取的信息轉(zhuǎn)換為三維數(shù)字模型。為了減小數(shù)據(jù)采樣所帶來的誤差影響模擬效果，采用人工干預(yù)的方法進行誤差控制，可達到預(yù)期效果[6]。利用模型進行三維地形設(shè)計，不僅可對場地進行模擬，還可完成場地分析、平整與改造，如圖2所示。

由圖2所示的設(shè)計流程對設(shè)計原理進行分析：

1） 以方格平面為基礎(chǔ)，計算景觀設(shè)計的坡度與坡向。

2） 坡向為垂足線在水平面上的投影與正北方向之間的夾角。

3） 坡度是水平面與三維平面的夾角。如圖3所示。

4） 坡度計算。對兩點之間的坡度進行計算如下：

[L%=地表兩點間最高點與最低點等高線差地表兩點之間水平距離×100%] （1）

2.2 三維景觀虛擬種植設(shè)計

2.2.1 景觀設(shè)計方式

按照常規(guī)方式自動完成種植，并通過不同方式進行組合，進而形成相應(yīng)的景觀效果[7]。設(shè)計與數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的圖形，不但提高系統(tǒng)繪圖功能，還具有良好的輔助功能。作為景觀設(shè)計基礎(chǔ)，還需調(diào)用數(shù)據(jù)庫中不同地區(qū)的子表格，選擇種植種類，并選擇景觀的平面表達方式，由此完成三維景觀植物設(shè)計。

2.2.2 動態(tài)瀏覽與渲染

完成景觀虛擬設(shè)計后，給實體賦予較高的材質(zhì)屬性，對光源與視點進行設(shè)置，并隨時對動態(tài)畫面進行瀏覽，形成三維效果，利用渲染效果圖實現(xiàn)虛擬效果，制作三維效果圖的難點在于使用大體積模型進行實時動態(tài)三維瀏覽[8]?；谟布铀俳涌谡Z言，通過對復(fù)雜三維實體快速三角化處理，能夠快速對特定三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行光滑處理。為了減少數(shù)據(jù)節(jié)的重復(fù)記錄，利用三角扇方式減少物體的表現(xiàn)節(jié)點，同時，利用光滑處理方式對三維數(shù)據(jù)進行處理，促使景觀設(shè)計中的三維植物種類多樣，形態(tài)各異。根據(jù)設(shè)計類型進行貼圖坐標計算，將紋理材質(zhì)通過實體顯示出來。

將顯示出來的材質(zhì)作為參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并賦予虛擬世界坐標值，構(gòu)成虛擬運動軌跡，并將生成的虛擬建筑進行成像處理，對真實環(huán)境進行動態(tài)剪輯獲得動態(tài)圖像渲染序列，并進行分割，形成掩模，進而將景觀動態(tài)圖像進行劃分[9?10]。該掩模分割動態(tài)圖像輪廓在整個圖像序列中隨著幀數(shù)而發(fā)生形變，如圖4所示。

由圖4可知，不同幀數(shù)顯示的虛擬圖像具有一定的誤差。采用動態(tài)掩模算法可對內(nèi)容進行分割，并匹配真實環(huán)境的數(shù)字剪輯序列，形成變形的輪廓線。該系統(tǒng)采用渲染算法可支持霧、雨等自然背景，同時采用加速算法可快速生產(chǎn)高質(zhì)量的渲染圖形，由此完成三維景觀虛擬設(shè)計。

3 實 驗

為了驗證大數(shù)據(jù)分析下三維景觀虛擬設(shè)計的合理性，進行了如下實驗。

3.1 軟硬件環(huán)境

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，分析系統(tǒng)中使用的設(shè)備，其中硬件設(shè)備有：大型三維立體顯示屏、圖形工作站、小巨型機器一臺、微機[N]臺、操縱桿、立體眼鏡、高精度掃描、數(shù)碼相機等。軟件有VR軟件、圖像處理軟件、三維建模軟件等。

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，選擇某市位于市中心的樓盤地段，對該地段進行景觀設(shè)計。主要數(shù)據(jù)源有1[∶]1 000紙質(zhì)地形圖、無人機影像、樓盤分布圖、占地現(xiàn)狀圖等數(shù)據(jù)。使用350 dpi掃描精度作為該樓盤景觀研究的地形圖進行掃描，并將數(shù)據(jù)輸入電腦中。再次對圖像進行拼接，由此形成地形景觀設(shè)計圖。同時，對虛擬渲染動畫分辨率進行處理，并以幾何校正圖像為主，對相應(yīng)空間地理位置進行匹配并疊加，為三維景觀虛擬設(shè)計系統(tǒng)進行實驗驗證提供基礎(chǔ)。

3.2 實驗結(jié)果與分析

將三維景觀模塊提取出來，規(guī)劃虛擬建設(shè)的坡向與坡度，進行重新分類后對屬性數(shù)據(jù)進行分析，由此可獲得三維樓盤坡度圖，如圖5所示。