計算機增強現(xiàn)實(AR)技術在園林景觀設計中的應用

趙曉靜

（德州職業(yè)技術學院 山東省德州市 253034）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和電子信息化時代的到來，虛擬技術已經應用到各行各業(yè)，但是，隨著虛擬技術的不斷發(fā)展，其弊端也逐漸被人們所發(fā)現(xiàn)。人們應用這項技術的目的只是為了滿足自身需求，想對真實環(huán)境有一個更為細致和全面的觀察，避免因一些客觀因素導致對環(huán)境的觀察有所缺漏，而并非是想利用虛擬環(huán)境來代替真實的環(huán)境場所，但是由于一些技術上的問題，如設備的運行速度以及建模的質量等，非但不能還原現(xiàn)實場景，還會使圖像失真，造成信息損失，導致用戶的體驗并不理想，限制了用戶對環(huán)境的觀察與認知，因此，為了改善這一問題，人們又發(fā)明了一項新的技術——增強現(xiàn)實技術。作為虛擬技術的一種，增強現(xiàn)實技術將計算機技術與現(xiàn)實情境相結合，生成十分逼真的三維虛擬環(huán)境，使用戶可以通過各種傳感設備進行體驗。現(xiàn)如今，這項技術已經被應用于科技、娛樂、醫(yī)療以及軍事等行業(yè)，具有很好的發(fā)展前景。

增強現(xiàn)實技術，利用計算機設備生成的虛擬場景或其他信息的提示，將它們與現(xiàn)實場景進行疊加，從而增強場景的現(xiàn)實感，提升用戶的使用體驗。也是由于其這一獨特的優(yōu)點，使其在科研領域中具有較高的研究價值，國外有很多高校和科研機構都在這一領域展開了相應的研究和探索，研究成果也是較為可喜?，F(xiàn)如今，增強現(xiàn)實技術已經同園林景觀設計相結合，與傳統(tǒng)的準三維設計圖，也就是通過平面效果圖以及模型和三維動畫來展示環(huán)境的方式表現(xiàn)不同，設計者通過這項技術，利用多種傳感器為用戶帶來視覺上的直觀感受，幫助用戶更好地了解和觀察所設計的環(huán)境。不過，對于這項技術的研究，在國內還處于初始階段，并未有較大的研究投入，主要的應用也是為用戶提供瀏覽功能，目前人們更希望科研人員及設計者能夠在交互體驗這一方面進行研發(fā)，以增強用戶的視覺體驗。

現(xiàn)在，本文將圍繞計算機增強現(xiàn)實技術與園林景觀設計相結合這一主題，從增強現(xiàn)實技術的發(fā)展及特點、增強現(xiàn)實技術與園林景觀相結合的應用實例以及發(fā)展前景這幾方面進行一定的分析和探究，以期能夠為國內這項技術的發(fā)展做出一定的貢獻。

1 增強現(xiàn)實技術的發(fā)展

1.1 增強現(xiàn)實技術的原理

增強現(xiàn)實技術是虛擬技術的一種，算是在其基礎上發(fā)展的一個新型技術，傳統(tǒng)意義上的虛擬技術并不能將顯示與虛擬進行交互疊加，而增強現(xiàn)實技術則可以。其工作原理大致可分為這幾個步驟：首先通過實時追蹤攝像機和傳感器進行場景的定位和傳輸，再通過計算機識別圖像，進行三維跟蹤注冊，合成虛擬模型進行渲染，最后將生成的畫面?zhèn)鬏數(shù)斤@示界面，完成增強實現(xiàn)的全過程。

1.2 增強現(xiàn)實技術的發(fā)展

二十世紀中葉，攝影師Morton Heilig 發(fā)明了一個可以模擬街道場景的機器人；在1968年，一臺可以虛擬現(xiàn)實的原型機器誕生于世；之后，便是對虛擬技術的顯示系統(tǒng)不斷地進行更新與創(chuàng)新，采用顯示屏或者透明設備來進行場景與人之間的交互顯示；在1990年，針對于這項能夠實現(xiàn)交互作用的虛擬技術，人們賦予了它新的名字——增強現(xiàn)實技術；之后增強現(xiàn)實技術的發(fā)展便開始停滯不前，直至2018年，虛擬技術與增強現(xiàn)實技術的發(fā)展迎來了上升期。目前，5G 時代即將到來，由于其具有覆蓋廣和高網(wǎng)速的優(yōu)點，能夠為計算機技術的發(fā)展提供很好的互聯(lián)網(wǎng)基礎，這為虛擬技術與增強現(xiàn)實技術的發(fā)展帶來了新的契機。

1.3 增強現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀

增強現(xiàn)實技術由于其自身優(yōu)勢和較大的發(fā)展?jié)摿?，被越來越多的人所關注，目前已成為一個新興的科研領域，但相較于虛擬技術的研究成果而言，增強現(xiàn)實技術還處在實驗室階段，在實際應用中，搜索瀏覽是較為常用的一種功能，盡管注冊技術已經被成功開發(fā)，但是要想得到精確的結果，還是要受到環(huán)境的影響，室外增強現(xiàn)實技術的跟蹤方案還不成熟，而一套成熟的方案在設計前期需要大量的測試和準備工作，這就導致其實際應用的發(fā)展受到了較多限制。

目前增強現(xiàn)實技術的開發(fā)難題，主要是如何及時地將用戶觀察角度的場景準確地呈現(xiàn)出來，使虛擬場景與實際環(huán)境兩者嚴絲合縫地疊加在一起。目前為解決這一難題，通常選用的方法是三維跟蹤注冊，針對這種方法，科學家們還研發(fā)出了兩種工具，但這兩種工具的使用要求是需要事先通過攝像機進行精準定位，同時，攝像機的內部參數(shù)還不能發(fā)生變化，很明顯，這與增強現(xiàn)實技術的實際應用要求并不相符。不過，科研人員開始增加相關會議召開的頻率，這使得問題的解決取得了一定的進展。

與國外相比，在這一領域的研究，我國還處于初始階段，雖然提出了很多的相關理論和解決方案，但仍未研究出完善的系統(tǒng)，還需要再進一步的研究。

2 增強現(xiàn)實技術的特點

2.1 虛實結合性

增強現(xiàn)實技術可以將真實環(huán)境進行虛擬渲染后傳輸?shù)斤@示屏上，實現(xiàn)虛擬環(huán)境與真實場所的疊加，用戶可通過眼睛凝視或者用手指點擊的方式對設備進行調控，使三維圖像以全景的方式呈現(xiàn)在用戶面前，并根據(jù)用戶的指示進行場景的及時準確的切換，同時，還可以在三維虛擬情景中插入地圖導航等提示，以便幫助用戶觀察環(huán)境，引導用戶行為等。

2.2 與人類之間的交互性

增強現(xiàn)實技術可以將整個環(huán)境都進行精準的定位，將正在簡簡單單地瀏覽和發(fā)出指令的人從屏幕前拉拽到虛擬環(huán)境中，使人與周圍的虛擬環(huán)境融合到一起，不再有意識地去向運行系統(tǒng)發(fā)出指令，而是沉浸其中，實時地與環(huán)境進行交互，看得見，但摸不著。增強信息技術的交互系統(tǒng)并非僅有一處明確的位置，而是將整個目標環(huán)境都涵蓋其中，使用戶得到極佳的使用體驗，同時采用三位跟蹤注冊系統(tǒng)，使用戶彷如置身其中，能夠更好地感知目標環(huán)境。

2.3 可添加定位虛擬物體

增強現(xiàn)實技術可以添加定位虛擬物體，以便更改和修飾環(huán)境的設計，為用戶提供更為便捷舒適的服務。

3 增強現(xiàn)實技術與園林景觀相結合的應用

3.1 輔助設計

增強現(xiàn)實技術具有輔助設計的作用，由UAP 設計的一款頂棚裝置，在設計過程中就采用了增強現(xiàn)實技術。由于這款頂棚裝置結構十分復雜，對材質也有著特殊的要求，為了便于觀察和分析其構造，在設計初期，UAP 團隊首先將計算機生成的模型導入增強現(xiàn)實技術系統(tǒng)，利用其三維跟蹤標注功能，利用CAD 制圖軟件繪出頂棚裝置的CAD 三維立體模型圖，并根據(jù)該圖制出實物投影，進而通過一系列的操作完成了頂棚裝置的設計。采用增強現(xiàn)實技術后，不僅快速完成了設計，效果及質量也都得到了保障。

3.2 豐富文化體驗

在2019年的北京國際設計周中，有一件設計品便采用了增強現(xiàn)實技術，這件設計品叫做“墨城視覺展館”。這件設計品利用增強現(xiàn)實技術的交互特點，采用三維跟蹤標注技術，將墨西哥城真實景物的視頻音頻上傳到計算機設備中，進行識別，再將其與實際場景進行疊加，增強用戶的體驗感，使參觀者如親身置于墨西哥城中，體驗當?shù)氐娘L土人情并沉浸其中。增強現(xiàn)實技術使這個設計品不僅是一處景觀，更是將其化為一件文化的載體和傳播者，豐富了參觀者的文化體驗。

3.3 修復破損的歷史文物

作為世界聞名的歷史遺跡，圓明園由于損毀嚴重，至今僅有幾根石柱屹立著，修復難度很大，至今也沒能進行修復，后在有關部門的支持下，北京理工大學的信息科學技術學院就對損毀的圓明園展開了增強信息技術的修復這一任務展開了相關研究，并在研究過程中，對西洋樓大水法景區(qū)進行了虛擬修復，并設計了真實、虛擬和增強這三種模式，完成了虛擬與現(xiàn)實的結合，再現(xiàn)了圓明園當初的盛景。

4 增強現(xiàn)實技術與園林景觀相結合的發(fā)展前景分析

結合上述增強現(xiàn)實技術的特點與生活中的實際應用，不難分析出其發(fā)展前景。

4.1 輔助園林景觀的設計

增強現(xiàn)實技術可以應用在園林景觀的設計中。它是對真實場景的一種加強技術，給用戶帶來的強烈的真實感受，且在建模過程中，能夠減少一定的工作量。應用于園林景觀的設計中，可以將真實的植被和建筑物應用其中，將設計效果直觀地展現(xiàn)在眾人面前，將真實世界與虛擬世界交疊在一起，互為補充，同時，還能通過增強現(xiàn)實技術及時發(fā)現(xiàn)設計中出現(xiàn)的問題，防患于未然。同時，對于復雜的建筑設計，增強現(xiàn)實技術的輔助設計作用可以幫設計團隊保質保量的、快速的完成任務，極大的降低了工作難度，減輕了設計師的負擔。

4.2 幫助人們體驗不一樣的人文風景

作為一種文化載體，園林承擔著復興和傳承文化的作用，設計師需要妥善利用增強現(xiàn)實技術，將園林的文化載體這一優(yōu)勢發(fā)揚光大，讓參觀者享受到園林的文化內涵。同時，增強現(xiàn)實技術還可以將不同的文化和風景“移”到別處，不僅可以傳播我們的文化，也可以領略不同的風土人情，增長閱歷和見識，同時，也極大地降低了時間與空間帶來的限制。

4.3 修復損毀的歷史文物

歷史文物，作為歷史留于人類的遺產，有著極高的歷史價值，一旦損毀，必然要進行修復。但類似于圓明園這類歷史遺跡、文化瑰寶，由于損毀嚴重而導致的無法修復，對人類來說，這無疑是一筆巨大的損失。所幸，隨著增強現(xiàn)實技術的出現(xiàn)，不僅可以將損毀的物品以虛擬的方式重新限于人間，以在進行一定程度的彌補和挽救，還為推動文化和科技的發(fā)展做出了重要的貢獻，。設計師可以預先在電腦中繪制歷史文物的補全圖，再對實際場景做出一定的修復，將虛擬世界和真實世界兩者結合起來，完成歷史遺跡的修復。

5 結語

隨著時代的發(fā)展和科學技術的不斷進步，5G 即將被普及，這意味著數(shù)字化、信息化也要全面覆蓋人民的生活，這對虛擬技術和增強現(xiàn)實技術的發(fā)展提供了重要的物質基礎，在這兩項技術發(fā)展的過程中，起著重要的推動作用。我相信，虛擬技術與增強現(xiàn)實技術將會在人類的生活中有著極大的占比，在軍事還有娛樂等各個行業(yè)中，都將全面普及。在未來的園林設計中，不僅可以幫助人類設計具有復雜結構的建筑，還對文物的修復、文化歷史的發(fā)展與推動都起到了重要作用，同時，增強現(xiàn)實技術也可以極大地減低由人口增長和環(huán)境污染帶來的壓力，滿足人們對拓展空間的需求，避免資源的浪費，讓我們足不出戶便可享受大自然的寧靜與美好，那時，時間與空間也都不再會產生距離。