基于三維虛擬VR技術(shù)的景觀規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計

張慧

摘 ?要： 為了獲取生動、可視化的景觀規(guī)劃方案，設(shè)計基于三維虛擬VR技術(shù)的景觀規(guī)劃系統(tǒng)。主要從三維景觀建模與虛擬VR技術(shù)兩方面展開虛擬景觀規(guī)劃，構(gòu)建景觀三維模型時，利用點云數(shù)據(jù)在3ds MAX中構(gòu)建三維建筑、道路模型，通過縮放、修改模型方式優(yōu)化虛擬景觀場景;設(shè)計VR虛擬景觀仿真支撐平臺時，在VR場景編輯模塊中編輯景觀虛擬場景，仿真核心工作模塊負(fù)責(zé)地形、流體、陽光雨雪模擬特效，最后采用建模及輸出模塊輸出虛擬景觀規(guī)劃結(jié)果。由仿真實驗結(jié)果得出，該系統(tǒng)可根據(jù)地形坡度規(guī)劃合理的景觀數(shù)量，處理三維點云數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高達(dá)99%，是一種滿意度較高的景觀規(guī)劃系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 三維虛擬VR技術(shù); 景觀規(guī)劃; 系統(tǒng)設(shè)計; 三維點云數(shù)據(jù); 虛擬場景; 仿真支撐平臺

中圖分類號： TN911.73?34; TP391.9 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）12?0132?04

Abstract： A landscape planning system based on the 3D VR technology is designed to obtain a vivid and visualized landscape planning scheme. The virtual landscape planning is carried out mainly from two aspects of 3D landscape modeling and VR technology. The point cloud data is used to build the 3D architecture and road model in the 3ds MAX during the construction of the 3D landscape model. The virtual landscape scene is optimized by scaling and modifying the model. The VR scene editing module is used to edit the virtual scene of the landscape， the simulation core work module is responsible for the special effect simulation of terrain， fluid， sunlight， rain and snow， and the modeling and output module is used to output the planning result of the virtual landscape during the design of the VR virtual landscape simulation support platform. The results of the simulation experiment show that the system designed in this paper can plan a reasonable number of landscapes according to the terrain slope， and has a 3D point cloud data processing accuracy of 99%， which is a highly?satisfied landscape planning system.

Keywords： 3D VR technology; landscape planning; system design; 3D point cloud data; virtual scene; simulation support platform

當(dāng)前三維建模工具與計算機(jī)圖形技術(shù)逐漸發(fā)展[1]，三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）逐漸走向成熟。三維虛擬VR技術(shù)是感知能力與信息交互相結(jié)合的一項先進(jìn)技術(shù)，其融合了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、多媒體技術(shù)和三維制圖技術(shù)，用戶通過該技術(shù)感受到直觀并真實的虛擬與現(xiàn)實交互體驗[2]。融合科學(xué)技術(shù)與藝術(shù)氣息成為現(xiàn)代景觀規(guī)劃設(shè)計的重要理念，所以景觀設(shè)計要求不斷提高[3]，不僅要考慮視覺感受，還要將所設(shè)計景觀融入周邊環(huán)境之中，并且要考慮生態(tài)植被是否處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。所以普通景觀設(shè)計系統(tǒng)不能滿足現(xiàn)代景觀規(guī)劃的高需求。例如，基于GIS的景觀規(guī)劃系統(tǒng)采集到的實景景觀數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，構(gòu)建的虛擬景觀模型可視化效果較差;分段控制景觀規(guī)劃系統(tǒng)規(guī)劃景觀過程中融合景觀與周圍環(huán)境的效果較差，未達(dá)到三維虛擬景觀規(guī)劃與設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。本文利用三維虛擬VR技術(shù)設(shè)計景觀規(guī)劃系統(tǒng)，提高了景觀規(guī)劃的效果與有效性，對于不同景觀規(guī)劃類型均能達(dá)到現(xiàn)代規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)[4]，并在多個方面獲得廣大群眾的一致好評。

1 ?景觀規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計研究

1.1 ?三維虛擬景觀規(guī)劃系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文從三維景觀建模與虛擬VR技術(shù)兩方面進(jìn)行虛擬景觀規(guī)劃。通過三維激光掃描技術(shù)，得到某處景觀掃描主要點云數(shù)據(jù)。采用3ds MAX軟件和云數(shù)據(jù)構(gòu)建主要景觀規(guī)劃模型，利用衛(wèi)星地圖等數(shù)據(jù)獲取該景觀平面圖。基于該平面圖規(guī)劃景觀的主要建筑物、花草樹木、道路以及其他景觀設(shè)施[5]。利用PS技術(shù)和實景拍攝照片得到實際景觀情況，設(shè)置燈光和材質(zhì)貼圖，并引入處理后的照片到VR虛擬景觀仿真平臺中，設(shè)計VR界面并添加腳本，得到三維虛擬景觀規(guī)劃漫游系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)含有多種漫游方式。圖1是三維虛擬VR技術(shù)的景觀規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計框架圖。

圖1 ?景觀三維虛擬系統(tǒng)框架圖

通過Trimble TX5三維激光掃描儀掃描某景觀的建筑物，得到彩色點云。以某建筑物為例，由于該建筑物分為多個組成部分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為保證后期配準(zhǔn)精確并且減少冗余數(shù)據(jù)，設(shè)立多個掃描站點，確保站點與站點之間有重疊部分的同時避免設(shè)立過多站點，配準(zhǔn)和拼接掃描得到的點云數(shù)據(jù)，配準(zhǔn)得到的點云數(shù)據(jù)需要經(jīng)過進(jìn)一步處理后保存[6]。點云數(shù)據(jù)的處理包括過濾噪音、刪掉無用點、處理多余點以及數(shù)量優(yōu)化等過程。最后，改變點云數(shù)據(jù)的格式，導(dǎo)入3ds MAX中構(gòu)建虛擬景觀三維模型。

1.2 ?虛擬景觀三維模型建立

系統(tǒng)在3ds MAX軟件中制作景觀三維模型，三維模型是三維虛擬VR技術(shù)景觀規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，三維虛擬VR技術(shù)通過三維模型制作場景并達(dá)到漫游景觀效果，三維模型的優(yōu)劣嚴(yán)重影響系統(tǒng)交互效果。依據(jù)景觀實際狀況構(gòu)建三維模型，在景觀中選取大型建筑物以及建筑物周邊的所有對象逐步構(gòu)建模型，形成完整的景觀，按照比例大小合理構(gòu)建三維模型，并安排到合適位置。

1.2.1 ?主要建筑物景觀三維模型建立

以某景觀建筑物為例，分析在3ds MAX中利用點云數(shù)據(jù)構(gòu)建模型的整個環(huán)節(jié)。構(gòu)建三維模型時，將點云數(shù)據(jù)視作參考物，捕獲建筑物點云數(shù)據(jù)，繪制出建筑物主要輪廓線，在修改器中選擇擠出命令，把勾勒的建筑物樣條線轉(zhuǎn)換為三維墻體模型，即可編輯的多邊形，接著通過分割、連接、輪廓以及倒角等操作依據(jù)點云數(shù)據(jù)繪制建筑的門、窗等配件。

如果建筑物景觀三維模型要達(dá)到漫游的效果，則需要將其導(dǎo)入VR設(shè)計軟件中，因此要求構(gòu)建三維模型時模型的面片數(shù)不可過多，盡量簡化模型，實現(xiàn)速度、精度共存;模型如果有連接緊密或者距離小的情況，則將上述模型合并[7]。需要特別注意的是，構(gòu)建的每個子模型均要求采用樹狀命名法命名[8]，最后得到景觀建筑物的三維模型。

1.2.2 ?景觀中道路三維模型建立

基于上述景觀建筑物三維模型建立方法構(gòu)建道路三維模型[9]，下列為道路的主要數(shù)據(jù)信息：

1） 道路平曲線。由道路中心線、道路紅線以及兩條行車道邊線組成。

2） 道路豎向信息。確定方法為道路豎曲線或道路端點標(biāo)高。

3） 道路離散間距。參考系統(tǒng)默認(rèn)值，可根據(jù)具體情況修改。

道路三維建模流程如圖2所示，可以看出，輸入數(shù)據(jù)后，面臨道路曲直選擇，若道路不是直線型需離散道路點云數(shù)據(jù)再進(jìn)行下一步操作，最后將制作完成的道路模型保存輸出即可。

圖2 ?道路三維建模流程圖

1.2.3 ?VR設(shè)計場景優(yōu)化

導(dǎo)入VR后建筑景觀場景容易出現(xiàn)部分面片不顯示、閃爍等狀況，應(yīng)在三維建模時，將建好部分模型及時導(dǎo)入VR設(shè)計平臺中，確定該部分模型是否有問題，若有問題要及時修正[8]，防止后續(xù)三維建模產(chǎn)生同樣問題，按照此方法逐步導(dǎo)入建好的建筑物景觀三維模型。減少烘焙后產(chǎn)生的問題，避免增加工作量。場景經(jīng)過烘焙并導(dǎo)入VR設(shè)計平臺后，詳細(xì)檢驗場景中的模型，若模型出現(xiàn)接縫問題，則在VR設(shè)計平臺中縮放該模型;若模型產(chǎn)生破損等情況，則模型需要通過3ds MAX再一次修正。利用VR設(shè)計平臺中的編輯器調(diào)整場景的陰影、紋理等現(xiàn)象;通過PS匹配顏色，調(diào)整場景飽和度和貼圖色相，通過改變曲線、銳化等命令提升貼圖色調(diào)的明暗比較[9]。值得注意的是，當(dāng)3ds MAX中的玻璃材質(zhì)導(dǎo)入VR設(shè)計平臺后，因玻璃材質(zhì)在VR中不能自動呈現(xiàn)透明的效果，則需要對其進(jìn)行修改。

1.3 ?VR虛擬景觀仿真平臺設(shè)計

VR虛擬仿真作為一項新技術(shù)，對于經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展意義重大，并且有很大的拓展空間[10]。圖3為VR虛擬景觀仿真平臺。

圖3 ?VR虛擬景觀仿真平臺設(shè)計框圖

由圖3可知，VR虛擬景觀仿真平臺由集群仿真及網(wǎng)絡(luò)通信模塊、仿真核心工作模塊、VR場景編輯模塊、建模及輸出等模塊組成[11]。分析VR虛擬景觀仿真平臺各模塊的功能，結(jié)果如下：

1） 集群仿真及網(wǎng)絡(luò)通信模塊。該模塊的主要作用為達(dá)到異地仿真的目的，主要功能是有效發(fā)揮景觀規(guī)劃VR虛擬設(shè)計的計算能力。

2） 仿真核心工作模塊。以O(shè)SG三維虛擬模塊為中心點，調(diào)整內(nèi)核仿真任務(wù)調(diào)度，包含仿真數(shù)據(jù)庫管理模塊、大規(guī)模地形模塊，該模塊為基于OSG三維仿真支撐平臺的大規(guī)模地形模擬模塊、流體動力學(xué)粒子系統(tǒng)仿真模塊、特效仿真模塊。

3） 建模及輸出模塊。利用該模塊建立模型以及三維漫游中的場景，導(dǎo)入模型到VR中構(gòu)建VR場景，并且添加仿真屬性。

4） VR場景編輯模塊。通過上一模塊構(gòu)建的VR場景，利用VR場景編輯模塊在場景中加入多個屬性，實現(xiàn)建筑景觀的3ds MAX建模。

2 ?實驗分析

為驗證通過本文系統(tǒng)規(guī)劃景觀的有效性，展開仿真實驗研究。實驗對比系統(tǒng)為分段控制景觀規(guī)劃系統(tǒng)和基于GIS的景觀規(guī)劃系統(tǒng)。

2.1 ?不同坡度的景觀規(guī)劃

采用本文系統(tǒng)規(guī)劃某公園景觀布局，包括景觀的坡度和坡向等因素，從數(shù)據(jù)角度分析本文系統(tǒng)的景觀規(guī)劃性能。三維景觀虛擬建設(shè)受到地形坡度干擾，需根據(jù)虛擬景觀等級擬定規(guī)劃適宜表，表1為三維景觀坡度適宜性分級情況。

表1 ?基于三維坡度景觀適宜性分級

2.2 ?三維點云數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確率分析

分析三種系統(tǒng)景觀規(guī)劃過程中處理三維點云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率對比情況如圖4所示。

圖4 ?三維點云數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確率對比

分析圖4得到，在相同處理時間下本文系統(tǒng)比其他兩種系統(tǒng)的點云數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確率高很多，最高達(dá)到99%，并且隨著處理時間的增加本文系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率也隨著增加。若景觀規(guī)劃設(shè)計工作量多，本文系統(tǒng)占據(jù)很大的優(yōu)勢。分段控制景觀規(guī)劃系統(tǒng)處理點云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率基本在80%～90%以上，最高達(dá)到89%，但相比本文系統(tǒng)而言，仍有較大的提升空間;基于GIS的景觀規(guī)劃系統(tǒng)的準(zhǔn)確率基本在50%～60%，最高達(dá)到59%。因此，本文系統(tǒng)在景觀規(guī)劃三維點云數(shù)據(jù)處理方面的準(zhǔn)確率高，為景觀總體規(guī)劃降低難度。

2.3 ?建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性分析

實驗設(shè)定8個實驗公園景觀模型，分析本文系統(tǒng)構(gòu)建公園三維景觀模型時連接點數(shù)量和模型定向精度，驗證本文系統(tǒng)構(gòu)建三維景觀模型時攝取景觀點準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，表2為得到的實驗結(jié)果。

表2 ?實驗結(jié)果

分析表2得到，本文系統(tǒng)測量得到的景觀連接點數(shù)量均在1 500以上，并且精度在0.2～0.6像素之間，說明對于模型間相互連接和定向而言，本文系統(tǒng)可以準(zhǔn)確并有效地得到數(shù)量充足的連接點，為計算模型參數(shù)提供幫助;另外，模型定向精度區(qū)間波動較小，說明本文系統(tǒng)三維建模的穩(wěn)定性較優(yōu)。因此本文系統(tǒng)在三維虛擬景觀建模方面具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，為景觀規(guī)劃奠定堅實的基礎(chǔ)。

3 ?結(jié) ?論

本文系統(tǒng)的優(yōu)勢在于通過三維激光掃描技術(shù)準(zhǔn)確獲取景觀的三維點云數(shù)據(jù)，基于點云數(shù)據(jù)信息構(gòu)建三維模型，創(chuàng)建景觀三維立體畫面，提高三維虛擬景觀的真實感。仿真實驗結(jié)果顯示，本文系統(tǒng)在景觀規(guī)劃方面的滿意度較高，為城市景觀建設(shè)提供幫助，在三維虛擬景觀規(guī)劃設(shè)計方面具有很好的應(yīng)用前景。

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