虛擬現(xiàn)實技術(shù)在園林景觀設(shè)計中的應(yīng)用

海南大學(xué)三亞學(xué)院 王宏信 趙月寧

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在園林景觀設(shè)計中的應(yīng)用

海南大學(xué)三亞學(xué)院 王宏信 趙月寧

風(fēng)景園林設(shè)計學(xué)是建立在自然科學(xué)和人文藝術(shù)科學(xué)基礎(chǔ)上的一門應(yīng)用學(xué)科。這門學(xué)科是以生物、生態(tài)學(xué)科為主，并與其他非生物學(xué)科（土木、建筑、城市規(guī)劃）、哲學(xué)、歷史和文學(xué)藝術(shù)等學(xué)科相結(jié)合的綜合學(xué)科。傳統(tǒng)的風(fēng)景園林設(shè)計表現(xiàn)方式可分為語言文字、手繪圖紙（示）、實物模型和計算機表現(xiàn)4種類型。隨著多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，基于數(shù)字仿真技術(shù)、三維模型技術(shù)、交互多媒體技術(shù)的虛擬設(shè)計實現(xiàn)了實時、交互、動態(tài)和主動地園林設(shè)計表現(xiàn)方式，且完全不同于以往的表現(xiàn)形式。本文，筆者從園林景觀設(shè)計師的角度出發(fā)，闡述了在多媒體技術(shù)支持下的虛擬植物造景。

一、多媒體技術(shù)支持下風(fēng)景園林設(shè)計的必然性

1.園林景觀設(shè)計。園林景觀設(shè)計就是在一定的地域范圍內(nèi)，運用園林藝術(shù)和工程技術(shù)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(chuàng)造優(yōu)美自然環(huán)境的過程。通過景觀設(shè)計，使環(huán)境具有美學(xué)欣賞價值和日常使用的功能，并能夠保證生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

2.虛擬園林景觀。風(fēng)景園林師和城市規(guī)劃者設(shè)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(jù)歐幾里得定理和笛卡兒公式創(chuàng)造的傳統(tǒng)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(shè)計（CAD）和地理信息系統(tǒng)（GIS）表現(xiàn)方式的基礎(chǔ)。同時，近幾個世紀以來一直沿用至今的表現(xiàn)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(tài)性。景觀時時刻刻都在變化，當(dāng)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(xiàn)為靜止或孤立的物體，并且固定在抽象的數(shù)學(xué)描述中。但是，景觀以及其他復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，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(shè)計。虛擬園林景觀設(shè)計在二維平面上實現(xiàn)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(shè)備與人們進行互動，當(dāng)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(huán)境中的植物、建筑、地形和配套設(shè)施進行實地考察。

二、多媒體技術(shù)支持下的風(fēng)景園林設(shè)計的優(yōu)越性

1.交互性。風(fēng)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(shè)計作品，身臨其境地感受空間、尺度、材料、質(zhì)感甚至聲音的印象，這比坐在屏幕前通過觀看二維的設(shè)計圖來發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題和錯誤要容易得多。

2.實時性。風(fēng)景園林師可以實時地對設(shè)計要素進行修改和完善，較好地保證了設(shè)計思維的連續(xù)性。園林漫游使得風(fēng)景園林師的設(shè)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(shè)計體驗更加真實。當(dāng)沉浸在更加真實的設(shè)計體驗中時，風(fēng)景園林師的思維、創(chuàng)造力和靈感也將被極大地激發(fā)。

三、虛擬園林景觀設(shè)計的技術(shù)支持

1.園林場景數(shù)字庫的建立。利用先進的工程測繪、三維掃描、數(shù)字攝影、圖像處理等技術(shù)，實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)、植物、地形、配套設(shè)施信息的高精度獲取與保存。這些數(shù)據(jù)將被添加到場景數(shù)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(huán)境。3dsmax軟件廣泛應(yīng)用于建筑裝潢、產(chǎn)品、游戲和影視后期等領(lǐng)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(zhì)（Texturing），燈光設(shè)置（Lighting），動畫設(shè)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(zhì)插件、V Ray渲染器和Mental Ray渲染器等部件，對燈光、材質(zhì)、動畫、渲染、卡通效果和貼圖烘焙等內(nèi)容進行完美地渲染。

3.多媒體與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持。Virtools、Cult3D、Quest3D和MultigenVega等都是當(dāng)今流行的多媒體虛擬現(xiàn)實軟件，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于游戲開發(fā)、產(chǎn)品展示和虛擬仿真等領(lǐng)域。為了保障教學(xué)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(shè)計的具體應(yīng)用

對于風(fēng)景園林設(shè)計師來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能為其創(chuàng)建的多維空間提供強有力的技術(shù)支持，在計算機建立的環(huán)境模擬系統(tǒng)中，用戶可以身臨其境地在規(guī)劃設(shè)計好的公園、居住區(qū)和廣場中進行體驗。

1.在運動中感受風(fēng)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(tài)觀察，也包括對空間的動態(tài)觀察。只有通過運動才能獲得一個連續(xù)的、整體的統(tǒng)一空間印象。以往，風(fēng)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(shù)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(nèi)外繞圈子，一旦觀察路徑或角度有所調(diào)整，用戶需要幾天甚至幾周才能夠看到結(jié)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(jié)果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，使我們對空間的體驗更加真實。在虛擬系統(tǒng)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(chǎn)生了積極作用。

2.多種運動方式的模擬。人們對風(fēng)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(fēng)景園林的形象。因此，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供了多種運動方式的模擬，如飛行、盤旋、乘車等。在虛擬現(xiàn)實環(huán)境里，用戶可以自行選擇運動方式，設(shè)定相應(yīng)的觀察高度和運動速度，以及其他的相關(guān)參數(shù)。如以步行速度在風(fēng)景園林中穿行時，通過風(fēng)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(fēng)景園林。這些正是未來風(fēng)景園林的全新感受方式。

3.特定角度觀察環(huán)境。在風(fēng)景園林中，某些特定觀察角度的景觀是設(shè)計中的研究重點。如風(fēng)景園林入口處和主要節(jié)點處。利用多媒體虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以在風(fēng)景園林中預(yù)定多種觀察角度。場景轉(zhuǎn)換也可以通過鼠標在場景中直接定位。

4.實時風(fēng)景園林設(shè)計元素的編輯。與傳統(tǒng)的手段不同，虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持對風(fēng)景園林設(shè)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(gòu)件來研究對空間的組合外，還可實時布置環(huán)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(jīng)過精心地安排，虛擬現(xiàn)實技術(shù)就能夠支持對風(fēng)景園林的任意元素進行編輯以適應(yīng)設(shè)計的需要。如風(fēng)景園林中經(jīng)常應(yīng)用的植物，其本身是會生長、變化和死亡的。因此，設(shè)計師在做環(huán)境設(shè)計時常常會遇到這樣的煩惱，在環(huán)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?nèi)燥@得十分矮小，很不適合觀賞。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)實時地調(diào)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(jié)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(jié)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?，F(xiàn)在，專用的植物生長模擬和建模軟件也已經(jīng)得到開發(fā)。它們利用植物學(xué)的規(guī)律和觀測結(jié)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(xiàn)實系統(tǒng)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(shù)化生成技術(shù)可用于生成不同季節(jié)樹葉的顏色和密度，以模擬在不同季節(jié)下的植物。在樹木歷經(jīng)多個季節(jié)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(fā)生了變化，與原先設(shè)想的景觀出現(xiàn)偏差。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實時編輯功能，可以對這種現(xiàn)象進行模擬，防止錯誤設(shè)計的產(chǎn)生。

現(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)取得了一系列的成果，在風(fēng)景園林設(shè)計中的應(yīng)用空間也很廣闊，但由于其本身的研究仍處于發(fā)展階段，在風(fēng)景園林業(yè)界的應(yīng)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(shù)實質(zhì)來說，它給風(fēng)景園林設(shè)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(xiàn)實技術(shù)在風(fēng)景園林領(lǐng)域中得到全更面的應(yīng)用。