計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建

劉 鼐（江西服裝學(xué)院，江西 南昌 330201）

前言

在以往環(huán)境藝術(shù)地理環(huán)境分析過程中，大多采用二維圖像進(jìn)行描述，缺乏一定的直觀性、互動(dòng)性，分析效果較差。而通過Creator建模工具，進(jìn)行三維虛擬環(huán)境中實(shí)體模型、地形模型的構(gòu)建，可以進(jìn)行環(huán)境藝術(shù)的三維虛擬重現(xiàn)。不僅可以直觀展示環(huán)境藝術(shù)地理環(huán)境，而且可以進(jìn)行交互式操作。因此，對(duì)計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建中的應(yīng)用進(jìn)行適當(dāng)分析非常必要。

一、傳統(tǒng)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)課程教學(xué)現(xiàn)狀

在近幾年發(fā)展進(jìn)程中，高校招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)人員數(shù)量也不斷增加，使得高校教學(xué)資源缺失、設(shè)備短缺問題逐漸凸顯。再加上環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)在實(shí)際教學(xué)過程中，需要經(jīng)常進(jìn)行一些操作系統(tǒng)安裝、格式化練習(xí)，硬件設(shè)備損耗率較高[1]。而為了降低硬件設(shè)備損耗量，多數(shù)專業(yè)教師減少了實(shí)訓(xùn)課程開展學(xué)時(shí)，對(duì)專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)造成了一定影響。

二、基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)特點(diǎn)

1.信息交互性

基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以促使用戶在虛擬環(huán)境中操控物體，提煉信息。如在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中用手抓住物品，感受物品重量、觸感、形態(tài)等。

2.環(huán)境浸入性

通過真假難辨的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)置，可以促使專業(yè)學(xué)生融入真實(shí)環(huán)境，提高專業(yè)學(xué)生參與積極性[2]。

3.空間構(gòu)想性

基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)為專業(yè)學(xué)生提供了充足的想象空間，脫離現(xiàn)實(shí)世界中的環(huán)境限制，促使專業(yè)學(xué)生根據(jù)自身意識(shí)構(gòu)想、創(chuàng)造，提高環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)作品創(chuàng)新性。

三、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.二維電子環(huán)境數(shù)據(jù)邊緣處理

首先，相關(guān)人員需要采用Creator建模工具建模功能模塊Terrain，對(duì)相應(yīng)格式的*.ded資料進(jìn)行自主建模。同時(shí)從顏色、紋理等方面，對(duì)環(huán)境特征物模型進(jìn)行處理。隨后經(jīng)GeoFeature模塊處理，可得到DFD格式的環(huán)境地形模型數(shù)據(jù)。

其次，考慮到二維電子環(huán)境圖形高程數(shù)據(jù)缺乏一定的系統(tǒng)性，相關(guān)課程教學(xué)人員可利用Creator建模工具，進(jìn)行初始環(huán)境圖形數(shù)據(jù)修正。在獲得相同區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)據(jù)之后，將距離加強(qiáng)內(nèi)插法作為主要數(shù)據(jù)補(bǔ)充方法，對(duì)網(wǎng)格內(nèi)不確定數(shù)據(jù)間預(yù)測(cè)分析。并依據(jù)距離獲得所給權(quán)重，對(duì)近鄰已知點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算[3]。

最后，根據(jù)近鄰已知點(diǎn)數(shù)值加權(quán)計(jì)算結(jié)果，對(duì)二維圖高程點(diǎn)經(jīng)緯度信息進(jìn)行Deluanya剖分。采用不同顏色表示網(wǎng)格中不同數(shù)據(jù)密集程度，即環(huán)境地形波動(dòng)范圍。在獲得環(huán)境地形三維三角剖分圖之后，相關(guān)課程教學(xué)人員可逐步補(bǔ)齊二維圖高程點(diǎn)經(jīng)緯度信息，并將其轉(zhuǎn)化為Creator支撐的DED格式的曲線擬合數(shù)據(jù)。

2.DED格式的環(huán)境圖形數(shù)據(jù)獲取

Creator建模軟件自帶的地形建模模塊并不具備環(huán)境圖形格式分析模塊，導(dǎo)致初步設(shè)置的環(huán)境圖形無法形成完善的三維環(huán)境模型?；诖?，相關(guān)課程教學(xué)人員應(yīng)將環(huán)境地理信息庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，獲得Creator軟件工具可分析的DED格式環(huán)境圖形水深、高程點(diǎn)信息數(shù)據(jù)或者DFD格式數(shù)據(jù)。

在具體操作過程中，相關(guān)課程教學(xué)人員可利用Matlab運(yùn)算軟件，對(duì)所采集環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。同時(shí)將轉(zhuǎn)換過格式的環(huán)境圖形數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到BIN文件夾內(nèi)。并利用3dem數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換工具，對(duì)BIN文件夾內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以得到USGSDEM格式的數(shù)據(jù)文件。隨后進(jìn)入Create安裝目錄，執(zhí)行C/MulitGen/Creator/redausgs程序，促使DEM格式文件轉(zhuǎn)換為DED/DFD格式文件[4]。依據(jù)DED格式文件現(xiàn)有數(shù)據(jù)點(diǎn)，可進(jìn)行環(huán)境地形三維建模。需要注意的是，在環(huán)境地形三維建模過程中，相關(guān)課程教學(xué)人員應(yīng)合理利用Creator建模工具，進(jìn)行環(huán)境地形模型數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)置。除基礎(chǔ)地形、地理屬性等特征數(shù)據(jù)以外，相關(guān)課程教學(xué)人員還需要采用Creator建模工具中Polymesh模塊地形變化算法。結(jié)合初始數(shù)字高程點(diǎn)地形信息，進(jìn)行矩形網(wǎng)絡(luò)形式的模型數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置。即首先設(shè)置地圖投影種類，隨后采用Creator建模工具Flat Earth投影措施，在Polymesh地形變換算法應(yīng)用的基礎(chǔ)上，以二維圖高程點(diǎn)經(jīng)度作為三維地圖X坐標(biāo)，以二維圖高程點(diǎn)緯度作為三維地圖投影Y坐標(biāo)。在獲得矩形環(huán)境地形模型數(shù)據(jù)庫(kù)之后，在海岸線保留的基礎(chǔ)上，以地球中心為數(shù)據(jù)庫(kù)原點(diǎn)，在WGS84坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行批量操作，最終可得到開放式塊狀地形文件。

此外，數(shù)據(jù)庫(kù)是基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，在DED/DFD文件獲取之后，相關(guān)課程教學(xué)人員可將單一環(huán)境地圖進(jìn)行分塊。隨后利用Creator建模工具中Terrain模塊，自動(dòng)生成地形高程數(shù)據(jù)信息。最后對(duì)地標(biāo)顏色、不同小地形塊間相對(duì)位置、紋理進(jìn)行合理設(shè)置。

3.環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行

基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以通過三維環(huán)境的真實(shí)再現(xiàn)，觀測(cè)環(huán)境地形及雨霧等天氣信息。其中基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)地形信息主要包括靜態(tài)三維實(shí)體模型、動(dòng)態(tài)三維實(shí)體模型兩種類型。如環(huán)境地表礁石、空中飛機(jī)、海中燈塔等。在實(shí)際運(yùn)行過程中，相關(guān)課程教學(xué)人員需要利用計(jì)算機(jī)工具，在Windows 2010開發(fā)平臺(tái)上，利用Visual C++開發(fā)工具，采用Vega驅(qū)動(dòng)軟件、Creator建模工具，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境的三維模擬。其中Vega是一種實(shí)時(shí)視景虛擬仿真的工具，其主要包括C語言應(yīng)用程序接口、圖形環(huán)境界面、實(shí)用庫(kù)函數(shù)等幾個(gè)模塊。

在具體環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行中，首先，相關(guān)課程教學(xué)人員需要逐步進(jìn)行靜態(tài)實(shí)體、動(dòng)態(tài)實(shí)體結(jié)合模型的構(gòu)建。如艦艇、海底地形等。

其次，在三維圖形幾何模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，相關(guān)課程教學(xué)人員可利用Creator建模工具，進(jìn)行世界坐標(biāo)系變換。即以艦艇幾何中心為原點(diǎn)，艦艇上部為Y軸、艦艇下部為Z軸，艦艇右部為X軸。將其放置于世界變換坐標(biāo)系中。通過對(duì)模型坐標(biāo)平移處理，可得到艦艇各點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的具體方位。

再次，相關(guān)課程教學(xué)人員可利用Vega軟件，在Marine環(huán)境中，對(duì)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行模擬。即利用Vega Marine動(dòng)態(tài)特性及靜態(tài)環(huán)境設(shè)置菜蔬，進(jìn)行多條正弦曲線、非諧波頻率的調(diào)整，進(jìn)行海浪、艦艇模型的模擬重現(xiàn)。

最后，為確定基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)模型的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行效果，相關(guān)課程教學(xué)人員可采用三維虛擬重現(xiàn)技術(shù)獲取某地域表層地形三維可視化效果圖，在ARCGIS11.2環(huán)境中，生成暈渲圖。通過對(duì)最終獲取的地表地形暈渲圖進(jìn)行可視化評(píng)估，可確定該環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)三維模擬的準(zhǔn)確性。

總結(jié)

綜上所述，計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的應(yīng)用，可以促使專業(yè)學(xué)生在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)多種操作。因此，相關(guān)專業(yè)教學(xué)人員應(yīng)合理利用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，依據(jù)階段教學(xué)任務(wù)，結(jié)合室內(nèi)設(shè)計(jì)、室外設(shè)計(jì)等模塊教學(xué)內(nèi)容。依托互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，利用Creator建模工具，構(gòu)建三維環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深入分析，提高課程教學(xué)效率。