王思元 門 吉

VR（虛擬現實）技術是一種新型的人機交互技術，具有沉浸性、交互性和構想性。隨著風景園林數字化的不斷發(fā)展，將虛擬現實技術應用于風景園林行業(yè)，搭建風景園林資源的展示操作平臺，是行業(yè)多元化發(fā)展的趨勢。本文回顧了虛擬現實技術的概念及發(fā)展歷程，介紹了北京林業(yè)大學園林學院的園林景觀虛擬現實平臺內容、搭建和應用。通過將虛擬現實技術應用到風景園林行業(yè)中，能夠從方案推敲、設計模擬分析、溝通途徑三個方面輔助設計師進行設計和公眾推廣。

風景園林；VR技術；資源平臺；搭建與推廣

1 背景介紹

1.1 風景園林專業(yè)與教學現狀

風景園林是一門綜合性學科，由現代風景園林的開拓者奧姆斯特德（Frederick Law Olmsterd）提出，他將風景園林的設計范圍從以往的私人空間，拓展到城市的整體空間范圍和更加廣泛的區(qū)域。國際風景園林師聯(lián)合會（IFLA）將風景園林定義為“與傳統(tǒng)自然系統(tǒng)、自然界演化進程和人類社會發(fā)展所密切相關的專業(yè)學科”。孫筱祥先生認為21世紀的風景園林學科應該以建設宜居的“人居環(huán)境”和“人類自然環(huán)境”為主要工作，并且將風景園林的空間營造歸納為三個境界，即生境、畫境和意境，將風景園林設計中的景觀空間塑造提升到了更高的層次[1-3]。景觀空間與形態(tài)營造是專業(yè)的核心基礎，在教學中的培養(yǎng)目標是讓學生掌握園林景觀設計的基本理念、設計思維和邏輯、熟悉設計程序和環(huán)節(jié)，并能夠獨自完成方案的創(chuàng)造以及表達。通過教學建立學生空間思維模式，增進空間設計能力，培養(yǎng)空間尺度、比例、氛圍、布局和組合關系。而在實際項目應用中，景觀空間形態(tài)的最終設計效果要呈現給甲方以及市民大眾，讓他們通過直觀的感受獲取有效的設計信息，得到他們的認可。

因此，風景園林的教學過程通常需要借助一定的媒介，使得師生間反復交流以及大量的思想碰撞，這樣才能最終形成一定的實物成果。目前國內外大部分的課堂教學與項目設計中，初期主要依靠優(yōu)秀案例講授與研究、傳統(tǒng)手工圖紙繪制、手工模型制作及課上講評等方式進行方案的繪制和推敲，后期能夠結合計算機輔助設計軟件，如AutoCAD、Photoshop、Sketch-up、Lumion等進行空間推敲，最終形成的展示成果，多為圖紙、模型、視頻等形式。

在這些教學與設計過程中，會出現一定的不足：（1）對于初學者的空間認知教學中，通過二維圖片的案例講授來讓學生理解三維空間有一定的難度，學習效率低；（2）設計師在進行園林空間推敲環(huán)節(jié)中，方案的修改不能夠及時地體現在平面與三維空間當中，時間成本高；（3）在展示交流層面上，公眾需要具有較強的專業(yè)知識和理解能力才能理解設計內容和設計效果，不能身臨其境，去全方位地感受設計空間效果。

1.2 VR技術

Virtual Reality（虛擬現實，簡稱VR）技術是一種多通道的新型人機交互接口，人們通過使用虛擬現實頭盔結合物理空間環(huán)境，產生具有真實感的圖像、聲音和其他感覺，是在一個虛擬環(huán)境中模擬用戶與該環(huán)境的交互行為[4]。它由美國學者Ivan Sutherland在1965年提出并嘗試創(chuàng)造，由Jaron Lanier研發(fā)并推廣[5]。早期虛擬現實技術被應用于醫(yī)療、飛行模擬、汽車工業(yè)設計以及軍事訓練等領域，直到20世紀90年代，虛擬現實技術才開始商業(yè)化，以游戲產業(yè)為主，2016年呈井噴式增長，虛擬現實設備更加便攜化與大眾化[6-7]。一些國內外的教育行業(yè)結合虛擬現實技術進行教學與科研探索，如美國東卡羅萊納大學的虛擬教育實驗室、牛津大學的化學虛擬實驗室等，國內的北京林業(yè)大學數字景觀實驗室、同濟大學建筑學院的虛擬仿真實驗教學中心、浙江理工大學虛擬現實實驗室等[8-11]，這些實驗室多結合自身學科特點，進行虛擬課程設置和模型展示，用以輔助科研與教學。

隨著人工智能時代的到來，交互技術正在改變著人和環(huán)境互動的方式，從而影響景觀設計學科的發(fā)展。傳統(tǒng)繪圖技術方法在展示交流層面上尚有不足，虛擬現實技術能夠使用戶與計算機的交互方式更加自然，這種互動便于設計師在設計過程中推敲方案，感受設計效果。由于操作簡單，即使不具備專業(yè)技能的普通大眾也能夠清晰地感受到設計效果，在進行交流展示上，能夠更方便大眾了解設計。因此，將虛擬現實技術與風景園林專業(yè)相結合，可以彌補傳統(tǒng)設計的不足，促進學科多元發(fā)展。

2 園林景觀虛擬現實操作平臺內容

基于以上背景，北京林業(yè)大學園林學院于2017年開始研發(fā)適用于教學、科研與生產的園林景觀虛擬現實操作平臺（以下簡稱平臺）（圖1）。至今為止，該平臺具備人機交互功能，包括瞬移、漫游、360度觀察、地圖導航、開場教學、信息處理等功能。

平臺目前完成了20個國內外優(yōu)秀項目的搭建（表1），案例庫仍在不斷豐富與完善，并在教學中投入使用，成為學院園林設計課程的輔助教學材料，一些經典的、難以去現場感受的案例，通過該平臺，能夠讓學生足不出戶，感受其空間與設計的魅力。同時，教師在課堂授課時，通過軟件教學教會學生生成簡易的虛擬現實空間。學生掌握技能后，在課后練習中，能夠沉浸在自己搭建的虛擬現實空間中，反復推敲方案，最終獲得滿意的園林空間。平臺對提升學生的學習效率、輔助設計師進行空間設計以及對公眾的科普教育具有一定的幫助。

3 園林景觀虛擬現實操作平臺搭建

3.1 技術方法

1. 園林景觀虛擬現實操作平臺啟動界面

平臺的構架主要依托于計算機輔助繪圖技術、全景采集技術和游戲引擎開發(fā)技術。計算機輔助繪圖技術主要應用于二維圖紙的繪制和三維模型的搭建，該技術是通過計算機進行方案設計的基礎與核心，主要應用的軟件包括Auto CAD、SketchUp和Rhino等。全景采集技術主要應用于對已經建設完成的現實園林景觀案例進行全景數據采集，全景采集設備通過不同方向（2～6個）的全玻璃魚眼鏡頭，拍攝不同方向的數據信息，并在后期通過算法將圖片拼接形成全景照片和視頻。本平臺所收集的國內古典園林案例和國外的經典園林案例，均使用得圖（Detu）F4全景相機進行的資料采集。游戲引擎指一些已經編寫好的可編輯電腦游戲系統(tǒng)和交互式實時圖像應用程序的核心組件[9]，游戲引擎技術主要應用于虛擬現實產品的開發(fā)，Unreal Engine4（簡稱UE4）引擎由于具有更加強大的畫面渲染功能和材質表現能力，同時內置了可視化編程系統(tǒng)UE4 blueprint（藍圖），因此更加適合沒有編程基礎的工作者使用，因此本操作平臺選擇UE4引擎作為開發(fā)平臺。

3.2 硬件系統(tǒng)

虛擬現實技術的特征之一是交互性，為了實現體驗者與計算機之間的信息交互，需要運用特殊的輸入和輸出工具，同時還需要體驗者自身的身體操作，來提供各種輸入指令，經過計算機的運算生成，提供相應的反饋信息，從而達到相對真實的仿真效果。

表1 園林景觀虛擬現實平臺資源匯總

輸入設備主要有感知空間信息的紅外定位器和傳統(tǒng)信息輸入設備，其中包括紅外定位器、手柄、鼠標和鍵盤等，將體感信息和觸控信息輸入至計算機中。本平臺使用的是HTC Vive虛擬現實設備，其使用了Lighthouse室內定位技術，能夠利用算法和傳感器感知體驗者的移動從而確定用戶在空間里的相對位置（圖2）。輸出設備主要包括：虛擬現實頭戴顯示器、計算機顯示器、環(huán)幕投影和數字沙盤等。本平臺使用的虛擬現實頭戴顯示器是HTC Vive，可以通過使用數據線與電腦進行連接，顯示器中的鏡片通過對焦和二次成像修正眼睛看到的畫面，改變二維圖像的角度來模仿立體三維影像，將抽象的信息輸入轉化為具象直觀的畫面，方便體驗者的觀察與交互。

3.3 軟件系統(tǒng)

平臺軟件系統(tǒng)是通過UE4引擎對數據進行處理，實現將二維模型數據、互聯(lián)網數據、傳感器數據轉化為三維VR模型，包括數據獲取層、數據傳輸層、數據存儲層、VR展示層、VR交互層五個方面（圖3）。

數據獲取層負責提供平臺構建的基本數據，包括模型數據、互聯(lián)網數據和傳感器數據。收集模型數據需利用SketchUp Ruby程序對要展示的園林場景模型進行二次開發(fā)[12-14]，互聯(lián)網數據需要通過互聯(lián)網查閱并收集場地相關地理數據；數據傳輸層是將數據層收集到的基本信息通過拷貝、網絡傳輸或是基站傳輸的方式傳輸到計算機中；數據存儲層負責將基礎數據進行分類，并存儲在UE4引擎的package中，動態(tài)數據被統(tǒng)一存儲在服務器中，根據場地內功能的需要進行調?。粩祿幚韺邮抢肬E4引擎對模型數據進行重構，并且對場景進行優(yōu)化，增加互動元素和光影變化，以實現對場地模型從平面化向虛擬現實化的轉換和真實的場景渲染[15-16]，運用基于物理的渲染系統(tǒng)（Physically-Based Rendering，簡稱PBR）來實現對模型場景的真實還原；虛擬現實展示層則是通過頭戴顯示器觀測到較為真實的場地效果（圖4），并且進行數據的效果模擬和指數監(jiān)測[17-18]；虛擬現實交互層是在體驗者帶上VR頭盔后，實現體感操作、計算機傳輸分析和信號反饋的循環(huán)流程[19-20]。

4 園林景觀虛擬現實操作平臺的應用

4.1 輔助園林空間設計教學

風景園林行業(yè)本身講究對于空間尺度的把握和使用者在空間中的感受，具有較強的實踐性和互動性。將平臺應用于風景園林設計課的教學當中，能夠便于學生直觀感受國內外經典案例空間，幫助他們快速掌握專業(yè)核心內容，提升他們的興趣點，節(jié)約學生的經濟與時間成本，提高教師的教學效率與學生的學習效率。

4.2 輔助風景園林規(guī)劃設計

平臺為設計師提供了更加真實且更具有交互性的設計體驗，它能夠準確地反應場地的光照、地形、土壤、植物等多種要素，這使得設計師抽象的思維表達更加接近于實際情況。在平臺構架的過程中，可以在功能模塊中置入相應的信息，如時間光照模塊能夠真實地模擬一天中不同時間段內的光照強度和陽光射入角度（圖5）；材質模塊可以實現在虛擬現實環(huán)境中更換材質，設計師甚至可以通過特殊的觸感手套體驗到不同材質的不同觸感。無論是從基地條件，到概念設計，再到最后的工程設計，虛擬現實平臺都可以為風景園林的細部推敲、空間構造效果、環(huán)境的模擬和施工階段的技術模擬提供良好的支持。

2. 虛擬現實操作平臺硬件系統(tǒng)示意圖

3. 平臺軟件系統(tǒng)構架圖

4. 平臺虛擬現實場景展示

4.3 拓展公共教育與展覽展示

平臺因其真實的顯示效果和較為便捷的操作性，更有利于進行匯報交流和公共展示等活動。在虛擬現實環(huán)境中，體驗者能夠不必親臨實地就體驗到場地真實的環(huán)境感受。在平臺構架的過程中，通過置入多人協(xié)同模塊，可以實現多人同時出現在同一虛擬現實環(huán)境中進行游覽體驗，并且可以通過麥克風進行環(huán)境內的實時交流；匯報模塊可以使匯報者和觀看者共享相同的視角，觀看者只需要靜坐其中，有匯報者進行操作和演示即可體驗虛擬現實環(huán)境。這些功能極大地豐富了虛擬現實平臺在展示層面的作用，從以往的圖紙文本轉變?yōu)榉奖憧旖莸穆?lián)網匯報交流，不僅使匯報的效率顯著增強，并且更加具有參與性和互動性。

5 未來展望

將虛擬現實技術與風景園林設計相結合，是風景園林行業(yè)數字化發(fā)展的一次探索與嘗試。目前本平臺具備優(yōu)良的環(huán)境模擬效果和交互體驗感，能夠與風景園林的設計過程相輔相成，但其應用開發(fā)還處于初級階段，未來實驗室將會通過對平臺引擎構架的不斷完善與開發(fā)，可從以下兩個方面進行優(yōu)化，為風景園林行業(yè)內的科研和設計提供更多的設計可能性。

5.1 建成項目科研管理

現階段，國內大部分公園的后期管理養(yǎng)護主要還是依靠人力去完成。在管護過程中，更多的是依靠工作者的主觀經驗判斷進行，缺少相對應的數據支持，同時也比較耗費人力物力。本平臺希望后期通過研究，結合互聯(lián)網信息技術，在平臺內置入多種數據分析模塊，如水質分析、水動力分析、風環(huán)境分析等，形成系統(tǒng)并且科學的模擬管理體系[21-22]，使平臺能夠成為智慧化的項目管理平臺，極大程度上避免資源浪費，提高管理效率。

5.2 利用互聯(lián)網增加公眾參與性

風景園林行業(yè)具有很強的實踐性，因為它需要為廣大的公眾所服務，需要滿足不同人群的使用需求[23]。未來平臺可以借助互聯(lián)網技術，增加多人互動和編輯的功能，為廣大的公眾提供與設計師進行交流和發(fā)聲的平臺，既形成了設計師與使用群體相互交流的空間，也能夠豐富設計師的案例庫，明確設計方向。也可以通過互聯(lián)網在公園內的導覽設施和重要節(jié)點內布置游客連接服務，與平臺接口通道連接，游客在瀏覽虛擬現實場景的同時，進行簡單的場地編輯和評論功能，方便設計師查看公眾對于設計的滿意程度，為未來的改進提供方向。

5. 虛擬現實光照調節(jié)模塊展示