大數(shù)據(jù)分析下三維景觀虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

栗功 王澤燁

摘 要： 為了解決傳統(tǒng)虛擬規(guī)劃設(shè)計(jì)存在數(shù)據(jù)收集不準(zhǔn)確、虛擬畫面不真實(shí)，無法滿足景觀精準(zhǔn)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)的問題，在大數(shù)據(jù)分析下，提出基于三維景觀可視化虛擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)。融入建筑外觀和道路設(shè)計(jì)，同時(shí)對場景進(jìn)行動(dòng)態(tài)瀏覽，并制作真實(shí)渲染圖以及三維虛擬動(dòng)畫，對場景進(jìn)行多方位、多角度展示。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，運(yùn)用虛擬技術(shù)突出仿真效果；采用規(guī)則網(wǎng)格法完成地形設(shè)計(jì)，利用局部插值算法對地形表面數(shù)字化采樣點(diǎn)或等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，進(jìn)而對植被進(jìn)行構(gòu)造，并轉(zhuǎn)換為規(guī)則的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，由此完成三維景觀虛擬規(guī)劃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)收集準(zhǔn)確、虛擬畫面真實(shí)等特點(diǎn)，能快速完成景觀虛擬規(guī)劃。

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù)； 三維景觀； 虛擬設(shè)計(jì)； 規(guī)則網(wǎng)格法； 局部插值； 渲染圖

中圖分類號： TN911.73?34； TP391.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）11?0046?04

Study on 3D landscape virtual design system by means of big data analysis

LI Gong， WANG Zeye

（Yanshan University， Qinhuangdao 066000， China）

Abstract： Since the traditional design about virtual planning has the problems of inaccurate data collection and unreal virtual image， and can′t satisfy the precise planning standard of the landscape， a visualization virtual system based on 3D landscape is put forward by means of big data analysis， which can integrate the architectural appearance and road design， browse the scene dynamically， fabricate the real rendering pictures and three?dimensional virtual animation and perform multi?faceted and multi?angle display of the scene. In the system， the virtual technology is used to highlight the simulation effect according to the system structure， the regular grid method is adopted to accomplish the terrain design， the local interpolation algorithm is used to acquire the digital sampling points and contours line data of the terrain surface to construct the vegetation， and then convert it into the regular grid data， so as to accomplish the three?dimensional landscape virtual planning. The experimental results show that the system has the characteristics of accurate data collection and real virtual picture， and can accomplish the landscape virtual planning quickly.

Keywords： big data； 3D landscape； virtual design； regular grid method； local interpolation； rendering picture

0 引 言

景觀設(shè)計(jì)需要運(yùn)用風(fēng)景景觀設(shè)計(jì)理念，將科學(xué)、技術(shù)與藝術(shù)融入到理念當(dāng)中，該部分的設(shè)計(jì)不僅要求視覺上的享受，還需與周圍環(huán)境進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，其中包括建筑、廣場、道路周圍環(huán)境的綠化，既需要景觀與生活文化相互融合，又需將生態(tài)植被的可持續(xù)發(fā)展考慮其中。為此，合理利用與保護(hù)資源是景觀虛擬規(guī)劃的前提。由于景觀設(shè)計(jì)不論規(guī)模大小，在預(yù)期設(shè)計(jì)中都需達(dá)到景隨步移的效果，因此，如何將作品設(shè)計(jì)得更加真實(shí)生動(dòng)是設(shè)計(jì)關(guān)鍵所在[1]。

采用傳統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)方法存在數(shù)據(jù)收集不準(zhǔn)確、虛擬畫面不真實(shí)等問題，人們已不再滿足對虛擬環(huán)境的瀏覽，為此，提出基于三維景觀可視化虛擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在大數(shù)據(jù)分析下，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，對地形、規(guī)劃、種植等景觀內(nèi)容展開分析，并具有針對性地開發(fā)不同模塊的功能，完成系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)；采用規(guī)則網(wǎng)格法設(shè)計(jì)地形，并對設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)景觀設(shè)計(jì)只能使用平面圖進(jìn)行虛擬規(guī)劃的缺陷，并通過三維虛擬技術(shù)分析數(shù)據(jù)，生動(dòng)再現(xiàn)景觀的三維立體動(dòng)畫，大大提高了系統(tǒng)真實(shí)性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，對三維景觀進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)需利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輔助，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)達(dá)、功能全面，可提高設(shè)計(jì)速度。在景觀設(shè)計(jì)中，其主要內(nèi)容有：地形規(guī)劃、植被種植，將建筑外觀與周圍環(huán)境綠化考慮在內(nèi)，設(shè)計(jì)場景動(dòng)態(tài)瀏覽畫面，并制作真實(shí)渲染圖和三維虛擬動(dòng)畫，對場景進(jìn)行多方位、多角度展示[2]。該系統(tǒng)分為建模編輯、規(guī)劃設(shè)計(jì)、噴灌設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)、種植設(shè)計(jì)、渲染動(dòng)畫制作等幾大模塊，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

三維景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)在開發(fā)與設(shè)計(jì)過程中，需與專業(yè)景觀設(shè)計(jì)進(jìn)行多次接觸，充分了解當(dāng)前景觀輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)各方面功能需求，具有針對性地開發(fā)不同模塊的功能。由圖1可知該系統(tǒng)硬件由三部分組成，分別是文件讀寫、資源庫，模型場景設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。專業(yè)化種植設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)面向國內(nèi)應(yīng)用范圍，為了使二維畫面與三維畫面之間的關(guān)系更加密切，將地理信息加入到景觀設(shè)計(jì)之中，使虛擬技術(shù)更好地表現(xiàn)出來，達(dá)到預(yù)期的仿真效果。

在該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過程中，并非所有情況都適用于大規(guī)模精細(xì)網(wǎng)格，粗糙網(wǎng)格在某些場景中同樣適用[3]。輪廓線需要進(jìn)行特殊處理，為此，提出輪廓光滑算法[4]：

1） 對輪廓線與相關(guān)三角形進(jìn)行計(jì)算；

2） 將計(jì)算后的輪廓線投影到二維平面上，并由此獲取二維線段；

3） 用光滑曲線替代二維線段；

4） 將光滑曲線投影到平面上，并由此獲取相應(yīng)的輪廓線；

5） 在三維平面上對曲線進(jìn)行采樣，獲取計(jì)算后的坐標(biāo)點(diǎn)；

6） 采用三角處理方式改變網(wǎng)格形態(tài)，映射紋理，繪制模型。

該算法只需提取輪廓邊對粗糙網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，節(jié)省了大量時(shí)間。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 三維地形設(shè)計(jì)

三維景觀設(shè)計(jì)虛擬系統(tǒng)采用規(guī)則網(wǎng)格法完成地形設(shè)計(jì)，并采用局部插值算法將有關(guān)地形全部數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用三角形對點(diǎn)方法進(jìn)行地形構(gòu)造，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為規(guī)則的網(wǎng)格數(shù)據(jù)[5]。利用局部插值算法將地形轉(zhuǎn)化為數(shù)字化形式，并對采樣點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃。針對三維地形的模擬精準(zhǔn)度主要取決于目標(biāo)地形的采樣精度與數(shù)據(jù)信息，將獲取的信息轉(zhuǎn)換為三維數(shù)字模型。為了減小數(shù)據(jù)采樣所帶來的誤差影響模擬效果，采用人工干預(yù)的方法進(jìn)行誤差控制，可達(dá)到預(yù)期效果[6]。利用模型進(jìn)行三維地形設(shè)計(jì)，不僅可對場地進(jìn)行模擬，還可完成場地分析、平整與改造，如圖2所示。

由圖2所示的設(shè)計(jì)流程對設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析：

1） 以方格平面為基礎(chǔ)，計(jì)算景觀設(shè)計(jì)的坡度與坡向。

2） 坡向?yàn)榇棺憔€在水平面上的投影與正北方向之間的夾角。

3） 坡度是水平面與三維平面的夾角。如圖3所示。

4） 坡度計(jì)算。對兩點(diǎn)之間的坡度進(jìn)行計(jì)算如下：

[L%=地表兩點(diǎn)間最高點(diǎn)與最低點(diǎn)等高線差地表兩點(diǎn)之間水平距離×100%] （1）

2.2 三維景觀虛擬種植設(shè)計(jì)

2.2.1 景觀設(shè)計(jì)方式

按照常規(guī)方式自動(dòng)完成種植，并通過不同方式進(jìn)行組合，進(jìn)而形成相應(yīng)的景觀效果[7]。設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的圖形，不但提高系統(tǒng)繪圖功能，還具有良好的輔助功能。作為景觀設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，還需調(diào)用數(shù)據(jù)庫中不同地區(qū)的子表格，選擇種植種類，并選擇景觀的平面表達(dá)方式，由此完成三維景觀植物設(shè)計(jì)。

2.2.2 動(dòng)態(tài)瀏覽與渲染

完成景觀虛擬設(shè)計(jì)后，給實(shí)體賦予較高的材質(zhì)屬性，對光源與視點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，并隨時(shí)對動(dòng)態(tài)畫面進(jìn)行瀏覽，形成三維效果，利用渲染效果圖實(shí)現(xiàn)虛擬效果，制作三維效果圖的難點(diǎn)在于使用大體積模型進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)三維瀏覽[8]?；谟布铀俳涌谡Z言，通過對復(fù)雜三維實(shí)體快速三角化處理，能夠快速對特定三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑處理。為了減少數(shù)據(jù)節(jié)的重復(fù)記錄，利用三角扇方式減少物體的表現(xiàn)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，利用光滑處理方式對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，促使景觀設(shè)計(jì)中的三維植物種類多樣，形態(tài)各異。根據(jù)設(shè)計(jì)類型進(jìn)行貼圖坐標(biāo)計(jì)算，將紋理材質(zhì)通過實(shí)體顯示出來。

將顯示出來的材質(zhì)作為參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并賦予虛擬世界坐標(biāo)值，構(gòu)成虛擬運(yùn)動(dòng)軌跡，并將生成的虛擬建筑進(jìn)行成像處理，對真實(shí)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪輯獲得動(dòng)態(tài)圖像渲染序列，并進(jìn)行分割，形成掩模，進(jìn)而將景觀動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行劃分[9?10]。該掩模分割動(dòng)態(tài)圖像輪廓在整個(gè)圖像序列中隨著幀數(shù)而發(fā)生形變，如圖4所示。

由圖4可知，不同幀數(shù)顯示的虛擬圖像具有一定的誤差。采用動(dòng)態(tài)掩模算法可對內(nèi)容進(jìn)行分割，并匹配真實(shí)環(huán)境的數(shù)字剪輯序列，形成變形的輪廓線。該系統(tǒng)采用渲染算法可支持霧、雨等自然背景，同時(shí)采用加速算法可快速生產(chǎn)高質(zhì)量的渲染圖形，由此完成三維景觀虛擬設(shè)計(jì)。

3 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證大數(shù)據(jù)分析下三維景觀虛擬設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

3.1 軟硬件環(huán)境

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，分析系統(tǒng)中使用的設(shè)備，其中硬件設(shè)備有：大型三維立體顯示屏、圖形工作站、小巨型機(jī)器一臺、微機(jī)[N]臺、操縱桿、立體眼鏡、高精度掃描、數(shù)碼相機(jī)等。軟件有VR軟件、圖像處理軟件、三維建模軟件等。

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，選擇某市位于市中心的樓盤地段，對該地段進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)。主要數(shù)據(jù)源有1[∶]1 000紙質(zhì)地形圖、無人機(jī)影像、樓盤分布圖、占地現(xiàn)狀圖等數(shù)據(jù)。使用350 dpi掃描精度作為該樓盤景觀研究的地形圖進(jìn)行掃描，并將數(shù)據(jù)輸入電腦中。再次對圖像進(jìn)行拼接，由此形成地形景觀設(shè)計(jì)圖。同時(shí)，對虛擬渲染動(dòng)畫分辨率進(jìn)行處理，并以幾何校正圖像為主，對相應(yīng)空間地理位置進(jìn)行匹配并疊加，為三維景觀虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供基礎(chǔ)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將三維景觀模塊提取出來，規(guī)劃虛擬建設(shè)的坡向與坡度，進(jìn)行重新分類后對屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由此可獲得三維樓盤坡度圖，如圖5所示。