虛擬現實技術在園林景觀設計中的應用

海南大學三亞學院 王宏信 趙月寧

虛擬現實技術在園林景觀設計中的應用

海南大學三亞學院 王宏信 趙月寧

風景園林設計學是建立在自然科學和人文藝術科學基礎上的一門應用學科。這門學科是以生物、生態學科為主，并與其他非生物學科（土木、建筑、城市規劃）、哲學、歷史和文學藝術等學科相結合的綜合學科。傳統的風景園林設計表現方式可分為語言文字、手繪圖紙（示）、實物模型和計算機表現4種類型。隨著多媒體技術的飛速發展和廣泛應用，基于數字仿真技術、三維模型技術、交互多媒體技術的虛擬設計實現了實時、交互、動態和主動地園林設計表現方式，且完全不同于以往的表現形式。本文，筆者從園林景觀設計師的角度出發，闡述了在多媒體技術支持下的虛擬植物造景。

一、多媒體技術支持下風景園林設計的必然性

1.園林景觀設計。園林景觀設計就是在一定的地域范圍內，運用園林藝術和工程技術等手段，通過改造地形、種植植物、營造建筑和布置園路等途徑創造優美自然環境的過程。通過景觀設計，使環境具有美學欣賞價值和日常使用的功能，并能夠保證生態的可持續發展。

2.虛擬園林景觀。風景園林師和城市規劃者設計的虛擬世界，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）。這種根據歐幾里得定理和笛卡兒公式創造的傳統坐標系，使我們可以對立體幾何進行詳細的描述，它也是所有的計算機輔助設計（CAD）和地理信息系統（GIS）表現方式的基礎。同時，近幾個世紀以來一直沿用至今的表現方式是二維的，比如地圖、平面圖、紙張上印刷的圖像或是在計算機屏幕上顯示的圖像。二維平面不能描述景觀的一個重要特性即動態性。景觀時時刻刻都在變化，當我們走過或者通過一個景觀時，我們對它的理解也在不停地變化。雖然建筑或機械物體能夠成功地表現為靜止或孤立的物體，并且固定在抽象的數學描述中。但是，景觀以及其他復雜的結構，比如生物和社會，則是在運動、生長和不斷變化的。

3.虛擬園林景觀設計。虛擬園林景觀設計在二維平面上實現四維視、聽覺虛擬空間，利用計算機生成一個逼真的、可感知的虛擬園林場景，通過鍵盤、鼠標、傳感設備與人們進行互動，當人們進入虛擬園林空間后，便成為虛擬空間的參觀者，可以對虛擬園林環境中的植物、建筑、地形和配套設施進行實地考察。

二、多媒體技術支持下的風景園林設計的優越性

1.交互性。風景園林師可以在任意時間或任意階段“走進”園林，通過任意視角來觀察和體驗自己的設計作品，身臨其境地感受空間、尺度、材料、質感甚至聲音的印象，這比坐在屏幕前通過觀看二維的設計圖來發現設計中的問題和錯誤要容易得多。

2.實時性。風景園林師可以實時地對設計要素進行修改和完善，較好地保證了設計思維的連續性。園林漫游使得風景園林師的設計體驗不再是簡單的線性片斷，而是將其整合為多感知、生動和有機的整體，從而使設計體驗更加真實。當沉浸在更加真實的設計體驗中時，風景園林師的思維、創造力和靈感也將被極大地激發。

三、虛擬園林景觀設計的技術支持

1.園林場景數字庫的建立。利用先進的工程測繪、三維掃描、數字攝影、圖像處理等技術，實現建筑結構、植物、地形、配套設施信息的高精度獲取與保存。這些數據將被添加到場景數字庫中，方便用戶檢索和查找。

2.三維建模、仿真貼圖和渲染環境。3dsmax軟件廣泛應用于建筑裝潢、產品、游戲和影視后期等領域。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步驟：三維建模（Modeling），賦予仿真貼圖材質（Texturing），燈光設置（Lighting），動畫設置（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渲染器材質插件、V Ray渲染器和Mental Ray渲染器等部件，對燈光、材質、動畫、渲染、卡通效果和貼圖烘焙等內容進行完美地渲染。

3.多媒體與虛擬現實技術的支持。Virtools、Cult3D、Quest3D和MultigenVega等都是當今流行的多媒體虛擬現實軟件，現已廣泛應用于游戲開發、產品展示和虛擬仿真等領域。為了保障教學中虛擬三維園林場景的實時計算并減少延遲，多媒體教室的硬件和軟件條件也是不容忽視的。

四、虛擬園林景觀設計的具體應用

對于風景園林設計師來說，虛擬現實技術能為其創建的多維空間提供強有力的技術支持，在計算機建立的環境模擬系統中，用戶可以身臨其境地在規劃設計好的公園、居住區和廣場中進行體驗。

1.在運動中感受風景園林的空間。戈登·卡倫認為，理解空間不僅需要觀察，而且要通過運動來觀察它。這個運動既包括對空間的靜態觀察，也包括對空間的動態觀察。只有通過運動才能獲得一個連續的、整體的統一空間印象。以往，風景園林師通過繪制一系列的透視草圖，拍攝一系列照片來進行空間體驗分析。但是，這種技術存在明顯的局限性，與真實的感受相去甚遠。例如，系列透視草圖和照片只是截取片段的疊加，而動畫則是沿著一條既定的路線在建筑內外繞圈子，一旦觀察路徑或角度有所調整，用戶需要幾天甚至幾周才能夠看到結果，因此，不具備實時的交互能力，缺乏用戶體驗空間所必需的自主性。更重要的是，這些方法都是基于視覺、聽覺的，而真正的空間體驗是視覺、聽覺和觸覺等多種感官共同作用的結果。虛擬現實技術的出現，使我們對空間的體驗更加真實。在虛擬系統里，用戶可以自主地選擇行進路線和觀察角度。視覺畫面的變化只是體驗空間的開始，由明到暗、由冷到熱、由鬧到靜，腳下地面的觸覺都對用戶積累空間感受產生了積極作用。

2.多種運動方式的模擬。人們對風景園林空間的感受是多樣的，人們可以以步行、乘梯，甚至飛行等方式來感受風景園林的形象。因此，虛擬現實系統提供了多種運動方式的模擬，如飛行、盤旋、乘車等。在虛擬現實環境里，用戶可以自行選擇運動方式，設定相應的觀察高度和運動速度，以及其他的相關參數。如以步行速度在風景園林中穿行時，通過風景園林的外部空間，在電梯中欣賞視野的改變，在空中鳥瞰整個風景園林。這些正是未來風景園林的全新感受方式。

3.特定角度觀察環境。在風景園林中，某些特定觀察角度的景觀是設計中的研究重點。如風景園林入口處和主要節點處。利用多媒體虛擬現實技術可以在風景園林中預定多種觀察角度。場景轉換也可以通過鼠標在場景中直接定位。

4.實時風景園林設計元素的編輯。與傳統的手段不同，虛擬現實技術支持對風景園林設計元素的實時編輯。除了可以實時地在某些部位替換不同色彩和形式的構件來研究對空間的組合外，還可實時布置環境和進行綠化，模擬隨著時間的推移綠化后的街景。實際上，只要經過精心地安排，虛擬現實技術就能夠支持對風景園林的任意元素進行編輯以適應設計的需要。如風景園林中經常應用的植物，其本身是會生長、變化和死亡的。因此，設計師在做環境設計時常常會遇到這樣的煩惱，在環境中布置的植物，在其未成熟的時候看起來效果很好，但隨著植物的生長，它們會在空間中逐漸衰敗。或者，在它們成熟的時候看起來效果很好，但是由于生長速度太慢，以至于在種植幾年之后，它們仍顯得十分矮小，很不適合觀賞。利用虛擬現實技術，不僅可以實現實時地調換植物種類，比較在相同條件下不同植物的生長效果，而且可以模擬植物在不同生長階段和不同季節的綠化效果。其中，最簡單的方法是使用處于不同生長階段和不同季節的植物照片。因此，需要建立一個巨大的、標志分明的植物圖像庫。

5.模擬和建模軟件的使用。現在，專用的植物生長模擬和建模軟件也已經得到開發。它們利用植物學的規律和觀測結果，生成隨時間變化的植物模型。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實系統中，以模擬不同植物的生長階段。而圖像處理和專用軟件參數化生成技術可用于生成不同季節樹葉的顏色和密度，以模擬在不同季節下的植物。在樹木歷經多個季節的生長后，由于光照和樹木互相競爭空間的原因，使得園林景觀發生了變化，與原先設想的景觀出現偏差。利用虛擬現實技術的實時編輯功能，可以對這種現象進行模擬，防止錯誤設計的產生。

現在，虛擬現實技術已經取得了一系列的成果，在風景園林設計中的應用空間也很廣闊，但由于其本身的研究仍處于發展階段，在風景園林業界的應用也是剛剛起步，雖然在某些方面取得了令人矚目的成績，但就其技術實質來說，它給風景園林設計所帶來的影響和變革是十分巨大的，因此，我們需要進行更進一步研究探索，使虛擬現實技術在風景園林領域中得到全更面的應用。