虛擬現實技術在“園林植物景觀設計”教學中的應用研究

胡海輝　陳旭　龔束芳

摘要：虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術已經成為繼多媒體技術、網絡技術之后興起的一門高新技術，已被應用于不同學科領域的教學工作中。首先介紹了VR技術基本特征和軟件系統，并從“園林植物景觀設計”教學的項目分析、方案設計、施工圖設計等階段提出了虛擬現實技術的應用特點，最后剖析了虛擬現實技術在“園林植物景觀設計”教學中應用的技術難點和應用建議，以期提高風景園林設計學生借助現代新科技新技術進行園林植物景觀設計能力。

關鍵詞：虛擬現實技術；植物景觀設計教學；設計流程；技術難點；應用建議

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：1001-7836（2015）03-0064-03

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是近些年來被國內外不同研究領域廣泛研究的熱點問題和前沿技術，又被稱為靈境技術或人工環境。虛擬現實技術需要不同學科技術作為支撐，如計算機輔助制圖技術、仿真技術、人機交互技術、傳感與測量技術，人工智能技術、網絡傳輸技術等。VR技術和傳統的計算機仿真系統在輔助教學和實景虛擬訓練中有很大差別，計算機仿真系統雖然模型逼真，但是整個環境并不存在，而VR技術則克服了這一缺點，可以通過交互設備將多數環境，如聲音、味道等屬性虛擬實現，從而讓使用者產生一種身臨其境的真實感受。VR技術教學是通過電腦來模擬一個三維的虛擬環境，能夠為學生提供視覺、聽覺、嗅覺甚至觸覺等感官體驗，讓學生有身臨其境的感受，并可以實時、無限制地觀察、操作甚至修改三維空間內的事物。開發VR技術必然推動“園林植物景觀設計”教學領域的重大變革，對提升教學質量、提高學生園林植物景觀設計能力具有重要意義。

一、虛擬現實技術特征及軟件系統

1 虛擬現實技術的基本特征

虛擬現實技術有沉浸感、交互性、想象力等三大基本特征。

（1）沉浸感：沉浸感可理解為浸入性，虛擬現實技術的發展已經可以使人“沉浸”在計算機模擬出來的虛擬環境中而不分真假，讓使用者感覺已經成為了虛擬世界中的一部分，從而使用者從被動的觀察者成為主動的參與者。理想的虛擬環境是可以達到讓使用者難分真假的程度，由于目前科學技術發展的局限性，虛擬現實系統研究與應用比較成熟的只有視覺沉浸、聽覺沉浸、觸覺沉浸和嗅覺沉浸。

（2）交互性：交互性主要指使用者操作虛擬物體和從虛擬環境中得到反饋信息的程度。交互性是虛擬現實技術同傳統多媒體技術差別最大的地方，強調人機交互的自然性，如植物的搖動、水系的流動、鳥蟲的鳴叫等。當學生在虛擬環境中抓住一個實體，其感受都與自然環境中一致或者極為相似。但交互性的有效性和實時性就需要回饋設備等強大的硬件系統和特殊設備支持了。

（3）想象力：虛擬現實技術具有十分開放的構想性。使用者沉浸在虛擬的環境中，除了體驗真實的自然感覺，還可以想象一些客觀不存在的超越自然的環境。虛擬現實技術可以提供這種豐富想象空間的特點，能夠使學習者增加興趣，提高學習效率。

2 虛擬現實的軟件系統

想要實現虛擬現實必須硬件和軟件相互配合，軟件系統是實現VR技術的關鍵。

（1）Virtools：是一款功能強大，整合豐富的產品，它能將各種復雜的3D模型，2D圖片及聲音文字很好地整合在一起，開發具備豐富行為模塊的3D虛擬環境，已經運用于多種3D產品當中。

（2）VR-Platform：這款軟件比較方便，可以在配置不是特別高的計算機上使用，運行流暢，但同時效果也有一定的損失，能夠滿足基本的3D浸入和360度視角觀察。

（3）Quest3D：該款極具實用性的產品，有著良好的交互性，支持導入文件的格式非常多，音頻視頻都可以靈活方便的加載，Quest3D可以滿足大多數編輯者的應用需求，利用它可以比較方便地創建出復雜的圖形程序。

（4）EON Studio：在處理已經建模的3D模型時這款軟件較為方便，可輕易在導入的模型上加入設計的動作。

（5）Converse3D：是一款比較成熟的整合軟件，在兼容性方面比較突出，運用起來高效并穩定。

（6）WireFusion：這款軟件在web3D中應用較多，不需要用戶獨立的編程，而采用簡單的拖放式操作，就可以輕松地建立動態的web3D網頁。

（7）CityMaker：是國內自主研發軟件，很有專業的針對性，在建立虛擬建筑和虛擬城市方面有很強的應用能力，是一款面向規劃與建筑行業的專用軟件。

當然，各種軟件復雜多樣，設計目的不同所以傾向性也各有不同。當前，適合園林植物景觀設計教學的有Virtools、EON Studio、WireFusion軟件。但是，大多數軟件使用費用較高，并且專業方向不明顯，與行業的結合不夠緊密，使用時經常需要二次開發（如天正CAD、中望CAD）。

二、VR技術在“園林植物景觀設計”教學中的應用

VR技術應用于“園林植物景觀設計”教學是科學技術發展所產生的新形式。區別于傳統教學，VR技術的優勢非常明顯。在VR技術應用現實系統中，按照項目分析、方案設計、施工圖設計等教學流程完成“園林植物景觀設計”課程作業。

1 項目分析階段

在“園林植物景觀設計”虛擬項目教學中，許多學生常常無法親臨項目現場進行實地考察，可以采用VR技術進行場地分析、環境評判，并通過網絡平臺，進入到虛擬項目的場地內部，全面了解項目的周邊環境，包括氣候條件、地質條件、交通狀況、人流分布、水系分布、土壤條件、植物資源、歷史文化等現狀特征。

2 方案設計階段

在方案設計階段，學生需要將一些景觀節點定位定量地表達出來，包括植物配置平面圖、立面圖、剖面圖及局部效果圖。采用VR技術使學生能夠進入虛擬的場地空間中，直接擺放、移動、組合各種園林植物，反復調整植物種類、位置、數量，綜合對比不同植物組合的景觀效果和空間形態，較大程度彌補了傳統教學中學生對植物空間與環境無法進行綜合感知的缺陷，進一步激發學生的創作靈感。

3 施工圖設計階段

在該階段，可采用VR技術對植物種植模式和植物空間組合進行高度仿真，模擬植物的栽植位置、植株大小及材料種類，最終完成植物種植總平面、體現高程和剖面的豎向組合圖、植物與各種景觀要素搭配立面圖等，其間反復調整植株數量和樹木株行距獲取最佳的生態效益和景觀效果，可以直觀地展示出植物群落的景觀特征和空間形態。

三、虛擬現實技術在“園林植物景觀設計”教學中應用的難點

1 程序設計難點

園林植物景觀設計是風景園林本科生的重點學習內容。隨著季節的變化，四季中同一地點植物也會有著完全不同的景觀效果，所以如何編寫基于VR技術的程序，體現出植物景觀的時效性，也就成為VR技術應用的難點。

（1）將植物群落四季交替的數據信息輸入VRML的場景數據庫中，當學生需要觀察不同季節植物景觀特征時，實時改變場景信息即可。但數據的獲取較難，可以在教學中利用Onyx Computing公司的Tree Professional，這款插件有一定的樹木參數庫可以利用。

（2）動畫技術比較成熟，四季的情景很容易模擬，但運用在VR技術時缺點極為明顯。動畫每幀的順序都是固定的，編輯好的，這樣就大大降低了VR技術實時調整的交互性，同時動畫無法提供操作人自然的物理互動，所以浸入性也大打折扣。

2 硬件支持難點

各種植物三維模型是由許多面組成的，達到理想的虛擬效果需要計算機有很強的運算能力。一株枝葉豐富的景觀樹模型大概需要幾千個面，如果仿真一個很大的植物種植場景，可能產生上千萬，上億的面，對于計算機硬件的壓力是十分巨大的。

3 教學推廣難點

虛擬現實技術的應用需要較高專業水平和較強的計算機技術應用能力，而目前一些高校同時具備專業能力和計算機技術水平的教師較少，嚴重制約了虛擬現實技術在“園林植物景觀設計”教學中的應用與發展步伐。

四、討論與建議

虛擬現實技術是一門新興學科。將VR技術運用在植物景觀設計項目分析、方案設計、施工圖設計等教學階段中，學生可以切實感受到植物的空間開合、群落的動態演替及四季景觀的時序變化，使教學更加立體化、數字化、精確化、直觀化，讓枯燥的學習富有樂趣。在“園林植物景觀設計”教學中推廣VR技術，需要一個完整的虛擬現實系統，滿足對園林植物、建筑小品、水體、地形、道路、鋪裝等景觀要素進行三維模型的數據處理，并通過可視化界面技術構建園林植物景觀虛擬環境，同時利用傳感技術采集在游覽植物景觀場景過程中產生的視感、聽感、觸感和嗅感信息。但由于硬件技術、學校規模、師資水平的制約，VR技術在高校“園林植物景觀設計”課程教學中幾乎沒有應用的范例。當前，計算機硬件、軟件系統發展基本滿足VR技術應用于“園林植物景觀設計”課程教學，保證了采集類型的全面性和感知的多樣性，并對采集到的感覺信息建立感知動態數據庫，構建出人機互動的平臺，促進了課程教學方法和植物景觀設計本質的革新。

（責任編輯：侯秀梅）