虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“風(fēng)景園林設(shè)計”課程教學(xué)中的應(yīng)用

(北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，北京 100083)

一、“風(fēng)景園林設(shè)計”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“風(fēng)景園林設(shè)計”課程是我國風(fēng)景園林專業(yè)本科重要的設(shè)計基礎(chǔ)課程。課程教學(xué)目標是要培養(yǎng)學(xué)生具備園林景觀設(shè)計的基本理念、設(shè)計思維，熟悉掌握園林景觀設(shè)計的程序和環(huán)節(jié)，能夠獨立完成設(shè)計方案的創(chuàng)造及表達[1]。課程在大二下學(xué)期至大四上學(xué)期開設(shè)，教研組根據(jù)不同年級和專業(yè)的需求，每個學(xué)期安排1～2個設(shè)計作業(yè)，每個設(shè)計作業(yè)在8～10周內(nèi)完成。

“風(fēng)景園林設(shè)計”課程的授課內(nèi)容包括風(fēng)景園林設(shè)計原理、各種類型的園林綠地及城市公共空間設(shè)計。在課程教學(xué)中，教師會安排不同的設(shè)計專題對學(xué)生開展重點訓(xùn)練，如功能布局、空間設(shè)計、地形設(shè)計、植物設(shè)計、圖紙表達等[2]。教師在課上進行理論傳授、任務(wù)講解、案例分析、實地調(diào)查方法的講解和設(shè)計指導(dǎo)，學(xué)生在課上與課后進行方案設(shè)計，最終形成正式設(shè)計方案，以完整的圖紙形式對設(shè)計方案進行表達。其中，空間設(shè)計是“風(fēng)景園林設(shè)計”課程的核心內(nèi)容，它貫穿課程教學(xué)的始終，主要是幫助學(xué)生建立空間思維模式，增進空間設(shè)計能力，培養(yǎng)學(xué)生掌握園林空間的尺度、比例、氛圍、布局和組合之間的關(guān)系[3]。

不同于傳統(tǒng)的授課方式，“風(fēng)景園林設(shè)計”課程的教學(xué)需要借助一定的媒介開展師生間的交流及思想的碰撞，并最終形成園林景觀設(shè)計方案。據(jù)了解，目前國內(nèi)外大部分“風(fēng)景園林設(shè)計”課程的教學(xué)主要依靠教師的案例講授，以手工制圖、手工模型制作及講評等方式對設(shè)計方案進行繪制和推敲。高年級的課程教學(xué)能夠結(jié)合計算機輔助設(shè)計軟件，如AutoCAD、Photoshop、Sketch-up、Lumion等，進行空間設(shè)計的推敲。

二、“風(fēng)景園林設(shè)計”課程教學(xué)面臨的問題

(一)課程教學(xué)的空間維度有限

目前“風(fēng)景園林設(shè)計”課程教學(xué)，如教師的案例講解、學(xué)生的圖紙繪制與表達等，大多停留在二維空間層面。對于方案三維空間的推敲，只限于小尺度的手工模型與計算機輔助設(shè)計軟件的表達。這對于尚未建立良好空間尺度關(guān)系的初學(xué)者來說，要認知和掌握三維的風(fēng)景園林空間設(shè)計是有一定限制和難度的。

(二)課程教學(xué)形式單一

“風(fēng)景園林設(shè)計”課程教學(xué)多以教師收集的二維圖片與視頻作為展示媒介，這種傳統(tǒng)的以教師講，學(xué)生被動聽的授課方式，無法較好地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生也缺少空間的感受。

(三)學(xué)生的學(xué)習(xí)效率較低

課程初學(xué)者一般不具備良好的駕馭空間設(shè)計的能力，他們需要通過教師的輔導(dǎo)，對設(shè)計方案進行反復(fù)推敲，甚至有時會推翻方案進行重做。每一次修改，學(xué)生都要重新完成新一輪圖紙的繪制過程，學(xué)生修改制圖的時間耗費過多，而進行思考的時間較少，造成了學(xué)習(xí)效率低下的結(jié)果。

(四)課程設(shè)計成果有待豐富

風(fēng)景園林是一門應(yīng)用學(xué)科，園林設(shè)計的成果需要向公眾展示。目前課程教學(xué)成果展示多以二維空間為主，公眾必須具有較強的專業(yè)知識和理解能力才能完整理解設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計效果，但無法全方位感受設(shè)計的空間效果。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其教學(xué)應(yīng)用方法

(一)虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)技術(shù)是一種多通道的新型人機交互接口，人們通過使用虛擬現(xiàn)實頭盔，再結(jié)合物理空間環(huán)境，從而產(chǎn)生具有真實感的圖像、聲音和其他感覺，也就是在一個虛擬的環(huán)境中模擬用戶與該環(huán)境的交互行為[4]。目前VR系統(tǒng)主要由圖形處理計算機、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成，具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性3種特性[5]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)最早起源于19世紀60年代的美國，到了20世紀80年代，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念被逐漸推廣到醫(yī)療、飛行模擬、汽車工業(yè)設(shè)計以及軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域。從1990年開始，虛擬現(xiàn)實技術(shù)開始被廣泛用于商業(yè)，并隨著VR頭盔及簡易VR眼鏡等顯示設(shè)備產(chǎn)品的不斷更新，虛擬現(xiàn)實技術(shù)開始進入大眾視野，并成為游戲行業(yè)的主流。目前，我國各大科技公司均有專門開發(fā)虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品的項目部門，虛擬現(xiàn)實技術(shù)開始被用于更廣闊的領(lǐng)域當中[6]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)使用戶與計算機的交互方式變得更加自然，就像現(xiàn)實中人與自然的交互方式一樣，用戶完全沉浸在由計算機生成的虛擬環(huán)境中，使之產(chǎn)生一種身臨其境的互動觀感。同時，這種互動也便于設(shè)計師在設(shè)計過程中對方案進行推敲，感受設(shè)計的真實效果。此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的展示操作成本相對較低，一般學(xué)習(xí)幾分鐘就能夠熟練地進行操作，即使普通大眾不具備較強的專業(yè)技能也能夠清晰地感受到場地的真實情景，使大眾更便于了解園林設(shè)計的效果，提升了對公眾進行科普教育的成效。

(二)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用方法

目前常見的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的展示有兩種形式：一種是運用全景相機對實際環(huán)境進行信息采集而獲得的真實場景；一種是經(jīng)過電腦制圖軟件渲染出虛擬的場景。這兩種技術(shù)的展示方法雖然有所區(qū)別，但都能為用戶提供沉浸式的體驗。教師如果掌握了這兩種技術(shù)展示方式，就可以將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在設(shè)計類的相關(guān)課程教學(xué)中。

1.真實場景的全景數(shù)據(jù)采集與合成

真實場景的全景數(shù)據(jù)采集需要運用全景攝影設(shè)備進行實景拍攝。目前市場上有專業(yè)的獨立全景相機，如得圖(Detu)F4、Insta360 Pro、GoPro360等，也有支持手機連接的便攜式設(shè)備，如Insta360 one、理光(Ricoh)、THETA等。該類設(shè)備的工作原理是通過不同方向(2～6個)的全玻璃魚眼鏡頭，拍攝下不同方向的數(shù)據(jù)信息，之后經(jīng)過圖片縫合技術(shù)，合成得到全景照片或視頻。例如，在進行風(fēng)景園林實體空間信息采集時，全景攝影設(shè)備首先要對采集對象進行樣點選取，開敞空曠的場地是最佳采集地點，同時還要盡量避開游人，以確保得到高品質(zhì)的原始數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)采集完畢后，利用圖片縫合技術(shù)，得到所需要的全景照片或視頻，之后再通過VR設(shè)備投影到使用者眼中。利用全景相機拍攝的意大利蘭特莊園全景見圖1。

圖1 全景相機拍攝的意大利蘭特莊園全景

2.虛擬場景的模型制作與生成

(1)虛擬場景模型的構(gòu)建

首先，虛擬場景模型的構(gòu)建需要利用電腦軟件制作所需要展示的場景。對于風(fēng)景園林學(xué)來說，是由風(fēng)景園林要素所構(gòu)成的戶外空間，包括山體、水景、植被、地形、構(gòu)筑物、廣場、道路等。常用的軟件包括SketchUp草圖大師軟件、Lumion軟件等。制作者先在SketchUp草圖大師軟件中按照比例完成場景的地形、道路、水體、廣場、構(gòu)筑物等基礎(chǔ)模型構(gòu)建，再將模型倒入Lumion軟件中，調(diào)整材質(zhì)、增加植物、進行配景以及環(huán)境光影設(shè)置，之后得到較為真實的場景模型。

(2)虛擬場景模型的渲染

制作者運用Lumion軟件中的“VR全景設(shè)置”功能對制作好的場景模型進行虛擬現(xiàn)實渲染。目前有兩種格式可供制作者選擇，一種是“立方全景”格式，其渲染結(jié)果為拼接在一起的12張正方形圖片。這種圖片精度雖高，但需要后期手動圖片縫合才能運用到VR設(shè)備產(chǎn)品中。通過Lumion軟件渲染形成的立方全景格式場景見圖2。

另一種是“等距長方投影全景”格式，其渲染速度快，渲染成果可直接適用于VR大部分設(shè)備產(chǎn)品。通過Lumion軟件渲染形成的等距長方全景格式場景見圖3。

圖2 Lumion軟件渲染形成的立方全景格式場景

圖3 Lumion軟件渲染形成的等距長方全景格式場景

(3)虛擬場景成果的生成方式

設(shè)計者將渲染后的全景內(nèi)容上傳到互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)VR播放平臺“720云平臺”上，該平臺能夠?qū)⑷皥D轉(zhuǎn)化為適合手機和簡易VR設(shè)備觀看的格式，觀眾通過VR設(shè)備可以進行觀看體驗。同時，該平臺也會將成果上傳至互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器中，通過生成成果連接方式，便于分享給他人觀看。

四、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“風(fēng)景園林設(shè)計”課程教學(xué)中的具體應(yīng)用

(一)教學(xué)準備

“風(fēng)景園林設(shè)計”課程需要大量的教學(xué)案例作為支撐，而利用虛擬技術(shù)則可以建立一個風(fēng)景園林案例的三維全景課件庫，這樣學(xué)生可以打破地域的限制，進入到虛擬場景中體驗世界各地優(yōu)秀的園林景觀，感受園林景觀的空間尺度，深入體會創(chuàng)作者的設(shè)計意圖，并吸收其中優(yōu)秀的設(shè)計思想，在自己的設(shè)計中加以實踐。

在此環(huán)節(jié)中，教師可根據(jù)教學(xué)主題，選擇優(yōu)秀園林空間案例，進行VR信息的采集，利用360度全景相機進行照片或短片拍攝。再將VR模型源文件與基本信息、平面圖、分析圖進行合成、編輯，制作虛擬空間案例，從而形成真實、立體的三維園林交互體驗案例課件。利用VR全景相機拍攝合成的園林景觀，見圖4。

圖4 VR全景相機拍攝合成的園林景觀

(二)課堂講授

課堂講授環(huán)節(jié)主要包括兩個方面。一是課堂上的案例講授。教師可以通過投影設(shè)備或?qū)W生借助簡易VR眼鏡，觀看已經(jīng)制作好的全景案例。在觀看時，學(xué)生仿佛置身在真實的學(xué)習(xí)案例中，能以360度旋轉(zhuǎn)視角對學(xué)習(xí)案例進行觀看與研究，這將極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其加深對案例的理解程度，將被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。二是空間設(shè)計方法的講授。教師通過SketchUp草圖大師與Lumion軟件，參照上文介紹的技術(shù)手段，為學(xué)生講授VR全景模型的生成方法，此技術(shù)將輔助學(xué)生完成園林設(shè)計。

(三)園林空間設(shè)計方案的推敲

“風(fēng)景園林設(shè)計”課程需要學(xué)生在課后投入一定的時間去深化與推敲設(shè)計方案。在這個過程中，傳統(tǒng)的方法是借助實體模型與軟件進行。但虛擬現(xiàn)實技術(shù)為設(shè)計師提供了更加真實且更具有交互性的設(shè)計體驗，它能夠準確地展現(xiàn)場地的光照、地形、土壤、植物等多種要素，這使得設(shè)計師抽象思維的表達更加接近于實際情況。因此，在園林空間設(shè)計方案的推敲環(huán)節(jié)，學(xué)生可以結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對風(fēng)景園林的細部設(shè)計、空間構(gòu)造效果、環(huán)境的模擬和施工等進行仔細推敲，從而使設(shè)計方案達到最優(yōu)化。

當學(xué)生掌握了虛擬現(xiàn)實全景模型的生成技巧后，可以將自己所設(shè)計的園林場景與“720云平臺”手機端連接，生成全景效果的鏈接，再通過VR簡易眼鏡，進入全景體驗界面，繼續(xù)推敲該設(shè)計方案空間尺度的設(shè)計是否合理與舒適。如果不合理，學(xué)生可以迅速在模型中進行調(diào)整，以獲得最滿意的園林空間設(shè)計方案。學(xué)生園林設(shè)計作業(yè)——園林景觀虛擬現(xiàn)實場景見圖5。

圖5 學(xué)生課程設(shè)計作業(yè)——園林景觀虛擬現(xiàn)實場景

(四)優(yōu)秀學(xué)生作業(yè)的成果展示

“風(fēng)景園林設(shè)計”課程教學(xué)結(jié)束后，會舉行一次全學(xué)年優(yōu)秀學(xué)生作業(yè)成果展示活動。以往的作業(yè)成果展示多采用PPT與圖紙展示的形式，由于學(xué)生匯報經(jīng)驗不足等因素，在較短的時間內(nèi)，學(xué)生無法將自己設(shè)計的核心內(nèi)容與特色展示出來。而當“風(fēng)景園林設(shè)計”課程引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)后，學(xué)生可以將其最終設(shè)計成果生成虛擬現(xiàn)實全景模型，觀眾通過手機云端就可以獲取全景信息，實現(xiàn)多人同時出現(xiàn)在同一虛擬園林空間中，同步進行游覽體驗，同時通過麥克風(fēng)還可以進行實時交流。虛擬現(xiàn)實技術(shù)使學(xué)生作業(yè)成果展示從以往的圖紙文本變?yōu)榉奖憧旖莸穆?lián)網(wǎng)匯報交流，具有較強的參與性和互動性。利用VR技術(shù)進行作業(yè)成果互動展示與體驗見圖6。

圖6 學(xué)生課程設(shè)計作業(yè)以虛擬現(xiàn)實全景模型進行的互動式展示與體驗

五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“風(fēng)景園林設(shè)計”課程教學(xué)中的應(yīng)用成效

(一)學(xué)生的空間感受更加真實和直觀，有利于提高學(xué)習(xí)效率

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠使用戶與計算機的交互方式更加自然，就像現(xiàn)實中人與自然的交互方式一樣，用戶完全沉浸于由計算機生成的虛擬環(huán)境中，產(chǎn)生一種身臨其境的互動觀感。教師利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行“風(fēng)景園林設(shè)計課”課程教學(xué)課件的制作，使學(xué)生能夠更加直觀感受園林空間的設(shè)計方法，提高了教學(xué)效率。同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)給學(xué)生帶來了沉浸式體驗，學(xué)生仿佛置身于真實的園林空間，對自己的設(shè)計進行不斷推敲，判斷自己所設(shè)計的空間尺度是否合理，如有不足，可以及時調(diào)整設(shè)計方案，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

(二)VR操作技術(shù)易于掌握，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

虛擬現(xiàn)實的操作技術(shù)較為簡單，易于掌握，學(xué)生可以熟練地生成虛擬現(xiàn)實園林模型，以便在設(shè)計過程中對方案進行反復(fù)推敲，感受設(shè)計效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生在進行作業(yè)成果的交流展示時，新的展示模式也會更加容易被大眾接受。

(三)運用VR技術(shù)可以對設(shè)計方案進行反復(fù)修改和調(diào)整，有利于降低教學(xué)成本

對于教學(xué)成本來說，現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，將園林空間生成鏈接，在電腦與手機App中展示，師生可以通過簡易的VR眼鏡或手觸模型進行推敲，大大降低傳統(tǒng)教學(xué)模型制作中木材、石膏、混凝土、塑料、金屬等材料的成本投入，也節(jié)約了學(xué)生的時間。

資助項目：北京林業(yè)大學(xué)2018年教育教學(xué)研究項目——虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)在“風(fēng)景園林設(shè)計”課程教學(xué)中的應(yīng)用研究，項目編號BJFU2018JY022；北京市2017年科技計劃項目“園林景觀設(shè)計資源服務(wù)平臺建設(shè)”，項目編號D171100000217002；教育部2017年第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“精品國際風(fēng)景園林案例虛擬現(xiàn)實(VR)課件制作”，項目編號201702142009。