虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“園林植物景觀設(shè)計”教學(xué)中的應(yīng)用研究

胡海輝　陳旭　龔束芳

摘要：虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)已經(jīng)成為繼多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后興起的一門高新技術(shù)，已被應(yīng)用于不同學(xué)科領(lǐng)域的教學(xué)工作中。首先介紹了VR技術(shù)基本特征和軟件系統(tǒng)，并從“園林植物景觀設(shè)計”教學(xué)的項目分析、方案設(shè)計、施工圖設(shè)計等階段提出了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用特點，最后剖析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“園林植物景觀設(shè)計”教學(xué)中應(yīng)用的技術(shù)難點和應(yīng)用建議，以期提高風(fēng)景園林設(shè)計學(xué)生借助現(xiàn)代新科技新技術(shù)進(jìn)行園林植物景觀設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；植物景觀設(shè)計教學(xué)；設(shè)計流程；技術(shù)難點；應(yīng)用建議

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-7836（2015）03-0064-03

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）是近些年來被國內(nèi)外不同研究領(lǐng)域廣泛研究的熱點問題和前沿技術(shù)，又被稱為靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)需要不同學(xué)科技術(shù)作為支撐，如計算機(jī)輔助制圖技術(shù)、仿真技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感與測量技術(shù)，人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等。VR技術(shù)和傳統(tǒng)的計算機(jī)仿真系統(tǒng)在輔助教學(xué)和實景虛擬訓(xùn)練中有很大差別，計算機(jī)仿真系統(tǒng)雖然模型逼真，但是整個環(huán)境并不存在，而VR技術(shù)則克服了這一缺點，可以通過交互設(shè)備將多數(shù)環(huán)境，如聲音、味道等屬性虛擬實現(xiàn)，從而讓使用者產(chǎn)生一種身臨其境的真實感受。VR技術(shù)教學(xué)是通過電腦來模擬一個三維的虛擬環(huán)境，能夠為學(xué)生提供視覺、聽覺、嗅覺甚至觸覺等感官體驗，讓學(xué)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(nèi)的事物。開發(fā)VR技術(shù)必然推動“園林植物景觀設(shè)計”教學(xué)領(lǐng)域的重大變革，對提升教學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)生園林植物景觀設(shè)計能力具有重要意義。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)特征及軟件系統(tǒng)

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征

虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)可以使人“沉浸”在計算機(jī)模擬出來的虛擬環(huán)境中而不分真假，讓使用者感覺已經(jīng)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(huán)境是可以達(dá)到讓使用者難分真假的程度，由于目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展的局限性，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)研究與應(yīng)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(huán)境中得到反饋信息的程度。交互性是虛擬現(xiàn)實技術(shù)同傳統(tǒng)多媒體技術(shù)差別最大的地方，強(qiáng)調(diào)人機(jī)交互的自然性，如植物的搖動、水系的流動、鳥蟲的鳴叫等。當(dāng)學(xué)生在虛擬環(huán)境中抓住一個實體，其感受都與自然環(huán)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(shè)備等強(qiáng)大的硬件系統(tǒng)和特殊設(shè)備支持了。

（3）想象力：虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有十分開放的構(gòu)想性。使用者沉浸在虛擬的環(huán)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(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以提供這種豐富想象空間的特點，能夠使學(xué)習(xí)者增加興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

2 虛擬現(xiàn)實的軟件系統(tǒng)

想要實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實必須硬件和軟件相互配合，軟件系統(tǒng)是實現(xiàn)VR技術(shù)的關(guān)鍵。

（1）Virtools：是一款功能強(qiáng)大，整合豐富的產(chǎn)品，它能將各種復(fù)雜的3D模型，2D圖片及聲音文字很好地整合在一起，開發(fā)具備豐富行為模塊的3D虛擬環(huán)境，已經(jīng)運(yùn)用于多種3D產(chǎn)品當(dāng)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(jī)上使用，運(yùn)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(chǎn)品，有著良好的交互性，支持導(dǎo)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(shù)編輯者的應(yīng)用需求，利用它可以比較方便地創(chuàng)建出復(fù)雜的圖形程序。

（4）EON Studio：在處理已經(jīng)建模的3D模型時這款軟件較為方便，可輕易在導(dǎo)入的模型上加入設(shè)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(yùn)用起來高效并穩(wěn)定。

（6）WireFusion：這款軟件在web3D中應(yīng)用較多，不需要用戶獨(dú)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(tài)的web3D網(wǎng)頁。

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

當(dāng)然，各種軟件復(fù)雜多樣，設(shè)計目的不同所以傾向性也各有不同。當(dāng)前，適合園林植物景觀設(shè)計教學(xué)的有Virtools、EON Studio、WireFusion軟件。但是，大多數(shù)軟件使用費(fèi)用較高，并且專業(yè)方向不明顯，與行業(yè)的結(jié)合不夠緊密，使用時經(jīng)常需要二次開發(fā)（如天正CAD、中望CAD）。

二、VR技術(shù)在“園林植物景觀設(shè)計”教學(xué)中的應(yīng)用

VR技術(shù)應(yīng)用于“園林植物景觀設(shè)計”教學(xué)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展所產(chǎn)生的新形式。區(qū)別于傳統(tǒng)教學(xué)，VR技術(shù)的優(yōu)勢非常明顯。在VR技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)實系統(tǒng)中，按照項目分析、方案設(shè)計、施工圖設(shè)計等教學(xué)流程完成“園林植物景觀設(shè)計”課程作業(yè)。

1 項目分析階段

在“園林植物景觀設(shè)計”虛擬項目教學(xué)中，許多學(xué)生常常無法親臨項目現(xiàn)場進(jìn)行實地考察，可以采用VR技術(shù)進(jìn)行場地分析、環(huán)境評判，并通過網(wǎng)絡(luò)平臺，進(jìn)入到虛擬項目的場地內(nèi)部，全面了解項目的周邊環(huán)境，包括氣候條件、地質(zhì)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(xiàn)狀特征。

2 方案設(shè)計階段

在方案設(shè)計階段，學(xué)生需要將一些景觀節(jié)點定位定量地表達(dá)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(shù)使學(xué)生能夠進(jìn)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(fù)調(diào)整植物種類、位置、數(shù)量，綜合對比不同植物組合的景觀效果和空間形態(tài)，較大程度彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生對植物空間與環(huán)境無法進(jìn)行綜合感知的缺陷，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作靈感。

3 施工圖設(shè)計階段

在該階段，可采用VR技術(shù)對植物種植模式和植物空間組合進(jìn)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(xiàn)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(fù)調(diào)整植株數(shù)量和樹木株行距獲取最佳的生態(tài)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(tài)。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“園林植物景觀設(shè)計”教學(xué)中應(yīng)用的難點

1 程序設(shè)計難點

園林植物景觀設(shè)計是風(fēng)景園林本科生的重點學(xué)習(xí)內(nèi)容。隨著季節(jié)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(shù)的程序，體現(xiàn)出植物景觀的時效性，也就成為VR技術(shù)應(yīng)用的難點。

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

（2）動畫技術(shù)比較成熟，四季的情景很容易模擬，但運(yùn)用在VR技術(shù)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(shù)實時調(diào)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(dá)到理想的虛擬效果需要計算機(jī)有很強(qiáng)的運(yùn)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(chǎn)生上千萬，上億的面，對于計算機(jī)硬件的壓力是十分巨大的。

3 教學(xué)推廣難點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用需要較高專業(yè)水平和較強(qiáng)的計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用能力，而目前一些高校同時具備專業(yè)能力和計算機(jī)技術(shù)水平的教師較少，嚴(yán)重制約了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“園林植物景觀設(shè)計”教學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展步伐。

四、討論與建議

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門新興學(xué)科。將VR技術(shù)運(yùn)用在植物景觀設(shè)計項目分析、方案設(shè)計、施工圖設(shè)計等教學(xué)階段中，學(xué)生可以切實感受到植物的空間開合、群落的動態(tài)演替及四季景觀的時序變化，使教學(xué)更加立體化、數(shù)字化、精確化、直觀化，讓枯燥的學(xué)習(xí)富有樂趣。在“園林植物景觀設(shè)計”教學(xué)中推廣VR技術(shù)，需要一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，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(jìn)行三維模型的數(shù)據(jù)處理，并通過可視化界面技術(shù)構(gòu)建園林植物景觀虛擬環(huán)境，同時利用傳感技術(shù)采集在游覽植物景觀場景過程中產(chǎn)生的視感、聽感、觸感和嗅感信息。但由于硬件技術(shù)、學(xué)校規(guī)模、師資水平的制約，VR技術(shù)在高?！皥@林植物景觀設(shè)計”課程教學(xué)中幾乎沒有應(yīng)用的范例。當(dāng)前，計算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)發(fā)展基本滿足VR技術(shù)應(yīng)用于“園林植物景觀設(shè)計”課程教學(xué)，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(tài)數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建出人機(jī)互動的平臺，促進(jìn)了課程教學(xué)方法和植物景觀設(shè)計本質(zhì)的革新。

（責(zé)任編輯：侯秀梅）