虛擬現實在風景園林規劃設計的運用及層次細節優化

蘇宇

摘 ?要： 為了增強設計人員在空間視覺上的直觀性和真實性，以便更好地對園林場景設計工作進行計算機輔助，提出通過虛擬現實技術實現風景園林規劃的數字化設計應用。首先對虛擬現實技術輔助設計采用的VRML工具進行介紹。然后，采用LOD層次細節算法進行實時地形的繪制，從而減少三角形裂縫的數量。最后結合SketchUp和Auto CAD完成了具體的風景園林虛擬現實規劃實例演示。演示結果表明，通過人機交互可讓用戶自由觀察和體驗虛擬園林環境。

關鍵詞： 虛擬現實技術; 風景園林; 園林規劃; VRML; CAD; SketchUp

中圖分類號： TN99?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）09?0115?03

Application of virtual reality technology in landscape architecture planning design

and levels of detail optimization

SU Yu

（Wuxi Taihu University， Wuxi 214064， China）

Abstract： In order to enhance the visual intuition and authenticity of the designer in space vision， and perform the computer?aided operation for landscape architecture design， the digital design application of landscape architecture planning is realized by means of virtual reality technology. The VRML （virtual reality modeling language） tool used in the aided design of virtual reality technology is introduced. The levels of detail （LOD） algorithm is used to draw the real?time landform to reduce the number of triangle fissure. The SketchUp and Auto CAD are combined to realize the instance display of the specific landscape architecture VR planning. The results show that users can observe and experience the virtual landscape environment freely by means of human?computer interaction.

Keywords： virtual reality technology; landscape architecture; landscape planning; VRML; CAD; SketchUp

0 ?引 ?言

隨著我國社會的不斷進步和發展，國民經濟和大眾生活質量得到了較大提高。人們逐漸重視環境保護問題并關注風景園林的建設[1]。計算機應用技術的不斷革新，使得需要圖紙制作的傳統風景園林規劃設計已經開始不能適應時代的需求，設計方案的傳統繪制工作開始借助空間環境的VR（虛擬現實）并逐漸成為熱門應用方向[2?3]。風景園林規劃設計過程借助的計算機輔助技術主要可以分為Auto CAD技術、Arc GIS技術和VR技術[4]。通過以上幾種技術和軟件，設計人員可以更加迅速、方便地進行風景園林規劃設計工作，特別是VR技術。文獻[5]以北京林業大學學研中心景觀為例進行了風景園林規劃設計的數字實踐。文獻[6]將VR技術中的AR系統作為技術基礎，開發了基于iPad運行環境的景觀設計虛擬平臺APP。APP的交互界面簡潔實用，實現了素材獲取與編輯、景觀要素插入、放線網格實時獲取等功能。

為了促進虛擬現實技術與風景園林規劃設計的有機結合，從而增強設計人員在空間視覺上的直觀性和真實性，以便更好地對園林場景設計工作進行計算機輔助，提出通過虛擬現實技術實現風景園林規劃的數字化設計應用。首先，對虛擬現實技術輔助風景園林規劃設計的優勢進行簡要分析;其次，對虛擬現實技術輔助設計采用的VRML[7]（Virtual Reality Modeling Language，虛擬現實建模語言）工具進行介紹;最后，從實際案例出發，結合繪制CAD圖和3D人物建模給出項目的總體結構、具體設計過程及其編程方法。最終利用SketchUp和虛擬現實軟件構建出風景園林虛擬現實場景，能夠通過人機交互讓用戶自由觀察和體驗虛擬園林環境，有效推進了風景園林規劃設計的創新發展。

1 ?基于VR輔助技術的風景園林規劃設計

1.1 ?系統的總體設計

本文采用VRML，使用文本信息描述三維場景。在Internet網上傳輸，在本地機上由VRML的瀏覽器解釋生成三維場景，解釋生成的標準規范即VRML規范[8?9]。VRML的訪問方式基于C/S模式，其中服務器提供VRML文件。VRML提供了6+1個自由度，即三個方向的移動和旋轉，以及和其他3D空間的超鏈接。VRML應用的一般框架如圖1所示。

圖1 ?VRML應用的一般框架

圖2 ?系統總體結構

1.2 ?VRML節點以及三維對象的類定義

VRML設計過程中，所有的基本組成元素可以視為其場景內各種類型的節點（Node）。針對“某城市風景園林景觀規劃設計”實驗設計的VRML中的節點層次如圖3所示。

在VRML中各個節點生成相應的對象之后，由這些各式各樣的對象形成一個分層結構，稱為場景構建。虛擬三維場景的VRML設計過程就是將三維對象放置到一個虛擬空間中的過程。在本文系統中，三維對象的類的定義如下：

其中，包括畫圖函數、初始化函數、基本的消息處理函數、多種物體事件消息處理槽和三維物體基本信息。

圖3 ?VRML中的節點層次圖

2 ?基于LOD層次細節算法的VR場景優化

在風景園林的虛擬現實場景中經常出現復雜地形網格的結構，因此為了實時地形的繪制，選擇LOD層次細節算法[10]，采用四叉樹的網格結構。初始時的網格結構是未分割的正方形，其邊長為[2n]，每條邊長具有[2n+1]個像素。為了滿足虛擬現實場景的優化需求，要進行網格的粗糙程度估計，以便在消除裂縫和刷新速率之間得到平衡。設粗糙度為[DHmax]，如果其滿足如下條件：

則網格繼續分裂劃分，否則不劃分。其中，[C2]表示一個調節閾值。此外，根據人眼視覺原理，定義距離[l]是眼睛到網格中心的距離，[d]是目標網格的邊長。若滿足如下條件：

3 ?實例分析

3.1 ?硬件和軟件平臺參數

本文以“某城市風景園林景觀規劃設計”為實際案例進行具體實驗。實驗PC主機的硬件配置為：Intel酷睿i5?8500四核CPU，主頻為3.0 GHz;8 GB內存;英偉達GTX 970顯卡（4 GB顯存）;500 GB硬盤。

采用的軟件平臺包括：Auto CAD三維繪圖軟件;SketchUp三維建模軟件;Adobe photoshopps CS6二維貼圖軟件。

3.2 ?項目中關鍵三維對象的實現

在“某城市風景園林景觀規劃設計”項目任務中，園林場景的主要三維對象為斜坡草地、假山和寬闊地帶。VR場景優化性能曲線如圖4所示，可以看出隨著網格數量的增加，三角形裂縫的數量逐漸較少，從而有效優化了視覺顯示效果。選擇Indexed Face Set面集節點對草地和寬闊地帶等部分的圖形進行繪制，在所有坐標點軸的點完成計算并貼圖后，得到的斜坡及周圍的草地效果如圖5所示。

圖4 ?VR場景優化性能曲線

圖5 ?斜坡及周圍的草地

針對造型復雜的假山，采用Elevation Grid網格節點進行實現，其最終效果如圖6所示，包括假山周圍的寬闊地帶。

圖6 ?假山及周圍地板區域

最終的運行結果顯示，基于VR技術的風景園林景觀設計系統具有良好的實時性，運行速度較快。

4 ?結 ?語

本文提出通過虛擬現實技術來實現風景園林規劃的數字化設計應用，從而更好地對園林場景設計工作進行計算機輔助。從實際案例出發，結合繪制CAD圖和3D人物建模給出項目的總體結構、具體設計過程及其編程方法。最終利用SketchUp和虛擬現實軟件構建出風景園林虛擬現實場景，通過人機交互讓用戶自由觀察和體驗虛擬園林環境，有效推進了風景園林規劃設計的創新發展，增強了設計師在園林規劃設計時的直觀和真實體驗感。

參考文獻

[1] 羅宇科.低碳風景園林營造的功能特點及要則[J].現代園藝，2011（9）：154?155.

LUO Yuke. Function characteristics and principle of low?carbon landscape architecture construction [J]. Modern horticulture， 2011（9）： 154?155.

[2] 張麗翠.虛擬現實技術在風景園林專業教學和實踐中的探索[J].赤峰學院學報（自然科學版），2016，32（16）：267?269.

ZHANG Licui. Exploration of virtual reality technology in landscape architecture teaching and practice [J]. Journal of Chifeng University （Natural Science）， 2016， 32（16）： 267?269.

[3] LAVER K E， GEORGE S， THOMAS S， et al. Virtual reality for stroke rehabilitation [J]. Physical therapy， 2016， 2（9）： 20?21.

[4] BASTUG E， BENNIS M， MEDARD M， et al. Toward interconnected virtual reality： opportunities， challenges， and enablers [J]. IEEE communications magazine， 2017， 55（6）： 110?117.

[5] 蔡凌豪.風景園林規劃設計的數字實踐：以北京林業大學學研中心景觀為例[J].中國園林，2015，31（7）：15?20.

CAI Linghao. Digital practice of landscape architecture planning and design： the landscape of teaching and scientific research center BJFU [J]. Chinese landscape architecture， 2015， 31（7）： 15?20.

[6] 王圣霖，朱世范，胡海輝.基于移動設備的虛擬實境技術在景觀設計中的應用[J].中國園林，2015，31（11）：65?68.

WANG Shenglin， ZHU Shifan， HU Haihui. The application of mobile devices?based augmented virtual reality technology in landscape design [J]. Chinese landscape architecture， 2015， 31（11）： 65?68.

[7] LEIBOVICI V， MAGORA F， COHEN S， et al. Effects of virtual reality immersion and audiovisual distraction techniques for patients with pruritus [J]. Pain research & management， 2016， 14（4）： 283?286.

[8] ALKODMANY K. Visualization tools and methods in community planning： from freehand sketches to virtual reality [J]. Journal of planning literature， 2016， 17（2）： 189?211.

[9] BASTUG E， BENNIS M， MEDARD M， et al. Toward interconnected virtual reality： opportunities， challenges， and enablers [J]. IEEE communications magazine， 2017， 55（6）： 110?117.

[10] MUNAFO J， DIEDRICK M， STOFFREGEN T A. The virtual reality head?mounted display Oculus Rift induces motion sickness and is sexist in its effects [J]. Experimental brain research， 2017， 235（3）： 889?901.