基于3D圖像處理技術(shù)的景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

馬前進(jìn)

摘? 要： 文中設(shè)計(jì)一種基于3D圖像處理技術(shù)的景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員可在景觀設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)獲取單元獲取景觀設(shè)計(jì)素材，然后在模型場景設(shè)計(jì)單元中，基于景觀設(shè)計(jì)素材通過三維模型實(shí)現(xiàn)地形設(shè)計(jì)、種植設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、噴灌設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程可對3D景觀圖像進(jìn)行預(yù)處理，去除噪聲信息與冗余信息，并采用3D景觀圖像特征增強(qiáng)方法實(shí)現(xiàn)3D景觀圖像特征增強(qiáng)，提高景觀設(shè)計(jì)圖像的清晰度。采用3ds MAX材質(zhì)編輯器將增強(qiáng)后的3D景觀設(shè)計(jì)圖進(jìn)行貼圖完成設(shè)計(jì)，且系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)單元中會保存所設(shè)計(jì)的景觀特征數(shù)據(jù)，以供后期查詢。研究結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果圖清晰度極高，質(zhì)量較好，對庭院景觀、園林景觀的設(shè)計(jì)中評分較高，且系統(tǒng)應(yīng)用成本較低、耗能少、作業(yè)效率高。

關(guān)鍵詞： 景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng); 3D圖像處理; 三維模型; 圖像預(yù)處理; 圖像特征增強(qiáng); 設(shè)計(jì)效果分析

中圖分類號： TN911.73?34; TU990.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）09?0071?04

Research on landscape design system based on 3D image processing technology

MA Qianjin

（Zhengzhou Business University， Gongyi 451200， China）

Abstract： A landscape design system based on 3D image processing technology is designed. The designer can obtain landscape design materials from the data acquisition unit of landscape design， and then realize topographical design， planting design， architectural design and sprinkling irrigation design by 3D model in the model scene design unit according to landscape design materials. In the design process， the 3D landscape image can be preprocessed to remove noise information and redundant information. The 3D landscape image feature enhancement method is used to enhance the 3D landscape image feature and improve the sharpness of the landscape design image. The enhanced 3D landscape design drawing is mapped with 3ds Max material editor to complete the design， and the designed landscape feature data is conserved in the system data statistical unit for later query. The research results show that the designed system effect map is of high sharpness and good quality， which gets high scores in the design of courtyard and garden landscapes， and makes the application cost and energy consumption of the system low， and its working efficiency high.

Keywords： landscape design system; 3D image processing; 3D model; image preprocessing; image feature enhancement; design effect analysis

0? 引? 言

景觀設(shè)計(jì)需要使用景觀設(shè)計(jì)內(nèi)容，將科學(xué)、技術(shù)和藝術(shù)相融合，設(shè)計(jì)過程中不僅需要具有視覺享受，還應(yīng)和附近環(huán)境互相均衡[1]，并且景觀設(shè)計(jì)時(shí)還包含建筑、廣場、道路附近環(huán)境的綠化，不單需要景觀和生活文化相結(jié)合，也必須重視生態(tài)植被的可持續(xù)發(fā)展。所以，正確使用和保護(hù)資源是景觀規(guī)劃過程中需要考慮的約束條件。景觀設(shè)計(jì)不管規(guī)模如何，景觀設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)景隨步移的宗旨，所以，提高景觀設(shè)計(jì)作品的真實(shí)性成為景觀設(shè)計(jì)的核心問題[2]。

傳統(tǒng)方法通常采用虛擬設(shè)計(jì)方法來提高景觀設(shè)計(jì)作品的真實(shí)性。但是虛擬設(shè)計(jì)方法具有數(shù)據(jù)采集誤差大、畫面失真等弊端。隨著電子科技的快速發(fā)展，電子制圖和計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)逐漸優(yōu)化，自20世紀(jì)60年代開始，二維制圖演變成現(xiàn)在的三維虛擬仿真方法，三維虛擬仿真方法可以高精度地呈現(xiàn)實(shí)際環(huán)境，在軍事、醫(yī)療、城市規(guī)劃以及設(shè)計(jì)制造等領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值[3]。因此，本文將3D圖像處理技術(shù)應(yīng)用于景觀設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)基于3D圖像處理技術(shù)的景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1? 基于3D圖像處理技術(shù)的景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)

1.1? 硬件設(shè)計(jì)

基于3D圖像處理技術(shù)的景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以協(xié)助設(shè)計(jì)者高效實(shí)現(xiàn)前期方案設(shè)計(jì)和后期效果渲染[4]。系統(tǒng)主要分成三大功能單元，依次是景觀設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)獲取單元、模型場景設(shè)計(jì)單元以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)單元。

3D圖像處理技術(shù)的景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1.1? 景觀設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)獲取單元

景觀設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)獲取單元中，資源庫主要用于保存園林設(shè)計(jì)樣例、植物圖片集、植物平面符號庫以及配景圖片集，用于為設(shè)計(jì)人員提供景觀設(shè)計(jì)素材[5]。

景觀設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)獲取單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1.2? 模型場景設(shè)計(jì)單元

模型場景設(shè)計(jì)單元景觀規(guī)劃時(shí)，場景設(shè)計(jì)主要通過三維模型完成，其中，包含地形設(shè)計(jì)、種植設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)模塊、噴灌設(shè)計(jì)模塊，三維模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該模塊主要用于設(shè)計(jì)地形、建筑、種植以及噴灌。其中，建筑景觀點(diǎn)要素直接使用Arc GIS 10.2制作，建筑物采用3ds MAX軟件生成。

首先構(gòu)建三維幾何模型，把建筑物基礎(chǔ)信息和景觀設(shè)計(jì)二維CAD分布圖引進(jìn)3ds MAX里，并引進(jìn)建筑物高程數(shù)據(jù)構(gòu)建建筑物立體模型[6]。對建筑物設(shè)定真實(shí)的紋理，實(shí)現(xiàn)具有貼近實(shí)際性的景觀設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)可對3D景觀圖像進(jìn)行預(yù)處理，去除噪聲信息與冗余信息，再采用3D景觀圖像特征增強(qiáng)方法實(shí)現(xiàn)3D景觀圖像特征增強(qiáng)，提高景觀設(shè)計(jì)圖像的清晰度，最后，采用3ds MAX材質(zhì)編輯器將增強(qiáng)后的3D景觀設(shè)計(jì)圖進(jìn)行貼圖實(shí)現(xiàn)景觀設(shè)計(jì)[7]。

1.1.3? 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)單元

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)單元是基于3D圖像處理技術(shù)的景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心[8]。把景觀名字、基本功能、占地范圍、高程數(shù)據(jù)等特征數(shù)據(jù)都用Arcmap實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，構(gòu)建景觀設(shè)計(jì)的特征數(shù)據(jù)庫。

1.2? 3D圖像處理

1.2.1? 3D景觀圖像預(yù)處理

景觀三維設(shè)計(jì)中模型色彩的渲染必須根據(jù)現(xiàn)實(shí)景觀的圖像實(shí)施，但獲取的原始3D景觀圖像會具有很多噪聲、信息冗余等弊端，所以，必須實(shí)行圖像預(yù)處理[9]。假設(shè)3D景觀原始圖像的觀測變量數(shù)是[q]，同時(shí)，變量間存在一定關(guān)聯(lián)性，按照主成分分析原理，對[q]個(gè)原變量實(shí)行變換，獲取[q]互相正交的嶄新變量[Lw]，并將其中[a]個(gè)能量很大的變量設(shè)成主成分，獲取無冗余信息的[Ba]維特征空間。

按照有關(guān)理論將[Lw]的協(xié)方差[DLw]進(jìn)行分解：

[DLw=FLTw=FEFT] （1）

式中：[E]代表特征值對角陣;[F]代表正交矩陣。那么線性白化矩陣為：

[U=E-12FT] （2）

通過上述分析，可得到[s]個(gè)協(xié)方差矩陣：

[Ds=FssT=UFLwLTwUT=E-12FTFEFTFE12=1]? （3）

為了克服3D圖像基過大致使運(yùn)算難度增加的弊端，必須對3D圖像特征進(jìn)行降維處理[10?11]。對特征值實(shí)行降序分布，并選擇數(shù)值很大的[a]個(gè)特征值，得到降維后的對角陣[E]，則有：

[U=E-12D-T] （4）

式中：[D]描述方差;[U]表示降維后的3D景觀圖像。

經(jīng)過上述操作后，3D景觀圖像的觀察向量[st=s1t，s2t，…，satT]，符合：

[st=ULwt] （5）

則3D景觀圖像獨(dú)立成分的統(tǒng)計(jì)[zjt]為：

[zjt=βj1，βj2，…，βjas1ts2t?sat]? ?（6）

式中[βja]描述3D景觀圖像獨(dú)立成分。

綜上所述，選取合理的3D景觀圖像的圖像基，能在最小化降低運(yùn)算量的同時(shí)，不會導(dǎo)致3D圖像失真[12]。

1.2.2? 3D景觀圖像特征增強(qiáng)

3D景觀圖像預(yù)處理后，增強(qiáng)3D景觀圖像時(shí)，先將3D景觀圖像進(jìn)行頻域增強(qiáng)，把圖像的像素灰度基于固定函數(shù)的轉(zhuǎn)換變成新的圖像灰度，獲取圖像灰度特征。獲取圖像邊緣灰度對比度的增強(qiáng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)3D景觀圖像特征增強(qiáng)[13?14]。假設(shè)用[ga，b]描述預(yù)處理后的3D景觀圖像，[y′jui]描述3D景觀圖像里隨機(jī)像素[d′sg]的鄰域，[v′wer]描述各個(gè)圖像特征取值的數(shù)目，[c′wer]描述圖像像素?cái)?shù)目總值，那么，使用式（7）將圖像進(jìn)行頻域增強(qiáng)：

[K′qwu=c′wep×ga，by″jui*d′sg×v′wer⊕h′gtu] （7）

式中[h′gtu]描述3D景觀圖像灰度值分布情況。

假定將3D景觀圖像中各類灰度值出現(xiàn)的次數(shù)設(shè)成[θ]，[a，b]描述圖像隨機(jī)一點(diǎn)，[a+n，b+m]描述圖像擾動點(diǎn)，[a+n，b+mkl]描述[a，b]與[a+n，b+m]的對應(yīng)點(diǎn)，那么通過式（8）獲取新的圖像灰度：

[c′poi=a+n，b+mkla，b×a+n，b+m⊕θy′jui] （8）

假定圖像的1階微分函數(shù)是[?′poi]，3D景觀圖像的內(nèi)在特征是[u′wer]，將幅頻特性函數(shù)設(shè)成[e′sgh]，那么，通過式（9）獲取圖像的灰度特征：

[r′yup=e′sgh±?′poiu′wer±e′sgh]? （9）

假定原圖像塊和各個(gè)鄰近基本圖像塊合并后的方差是[φ′uip]，每個(gè)圖像分塊占據(jù)全部圖像之比設(shè)成[λ′wepp]。3D景觀圖像邊緣灰度對比度的增強(qiáng)函數(shù)為：

[ε=λ′wepp×φ′uipg′tu×g′rty] （10）

式中：[g′tu]為掩模算子;[g′rty]為低頻范圍的紋理屬性。

假定低頻范圍的紋理屬性權(quán)值空間是[η′XZ]，3D景觀圖像信號里每個(gè)像素在空域近鄰時(shí)所具有的關(guān)聯(lián)性設(shè)成[M′POL]，那么3D景觀圖像特征增強(qiáng)方法為：

[?′po=M′POL×η′XZZ′sdj×K′qwu??″po×c′poir′yup×ε]? ? （11）

式中：[Z′sdj]描述3D景觀圖像的結(jié)構(gòu)信息;[?″po]描述原圖像塊和各個(gè)近鄰基本圖像塊合并后的方差。

基于上述處理便可實(shí)現(xiàn)3D景觀圖像特征增強(qiáng)，提高了景觀設(shè)計(jì)圖像的清晰度[15]。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，將本文系統(tǒng)應(yīng)用于仿真測試中，系統(tǒng)開發(fā)工具使用Visual++ 6.1，平臺是Windows XP，CPU主頻是1.87 GHz，計(jì)算機(jī)內(nèi)存是10 GB。為測試本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，采用基于三維虛擬VR技術(shù)的景觀規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的景觀規(guī)劃系統(tǒng)與本文系統(tǒng)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。圖4～圖6依次是三種系統(tǒng)對同一景觀的設(shè)計(jì)效果圖。

基于視覺角度能夠直接看出，本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果圖清晰度極高，基于三維虛擬VR技術(shù)的景觀規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的景觀規(guī)劃系統(tǒng)的效果圖視覺效果不如本文系統(tǒng)。

為深度分析三種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，將需要設(shè)計(jì)的景觀類型分為庭院設(shè)計(jì)、園林設(shè)計(jì)。通過專家打分的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)效果打分，主要以清晰度為評分內(nèi)容，共5名景觀設(shè)計(jì)專家，每名專家可評分滿分是20分。結(jié)果如圖7，圖8所示。

由圖7，圖8可知：本文系統(tǒng)對庭院景觀、園林景觀設(shè)計(jì)后的5位專家評分?jǐn)?shù)值的總數(shù)依次是98分、99分;基于三維虛擬VR技術(shù)的景觀規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)對庭院景觀、園林景觀設(shè)計(jì)后的評分?jǐn)?shù)值總數(shù)依次是63分、86分;基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的景觀規(guī)劃系統(tǒng)對庭院景觀、園林景觀設(shè)計(jì)后的評分?jǐn)?shù)值總數(shù)依次是89分、82分。則本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果分?jǐn)?shù)最高，對不同景觀設(shè)計(jì)效果最好。

采用三種系統(tǒng)依次對園林景觀與庭院景觀進(jìn)行6次設(shè)計(jì)，測試三種系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)延數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)顯示：采用本文系統(tǒng)依次對園林景觀與庭院景觀設(shè)計(jì)時(shí)，本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)延均值依次是422 ms，396 ms，與基于三維虛擬VR技術(shù)的景觀規(guī)劃系統(tǒng)、基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的景觀規(guī)劃系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)省時(shí)超過1 000 ms，則本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)景觀時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，操作較為靈敏。

由于景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用與建筑企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有關(guān)，為此，系統(tǒng)的工程費(fèi)用率、耗能以及作業(yè)效率十分關(guān)鍵。因此，實(shí)驗(yàn)測試三種系統(tǒng)在對同一建筑景觀進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，工程費(fèi)用率、耗能以及作業(yè)效率的具體情況，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，本文系統(tǒng)的作業(yè)效率高達(dá)0.96，耗能僅有0.21，與另外兩種系統(tǒng)相比，耗能最小，且工程費(fèi)用率較低，企業(yè)在使用本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)景觀時(shí)，應(yīng)用成本較低，耗能少，作業(yè)效率高。

3? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)一種基于3D圖像處理技術(shù)的景觀設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于仿真測試中，經(jīng)驗(yàn)證本文系統(tǒng)對庭院景觀、園林景觀設(shè)計(jì)后的評分?jǐn)?shù)值總數(shù)依次是98分、99分，與同類設(shè)計(jì)系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)對不同景觀設(shè)計(jì)效果最好。采用本文系統(tǒng)依次對園林景觀與庭院景觀進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)延均值依次是422 ms，396 ms，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，操作較為靈敏，且本文系統(tǒng)的作業(yè)效率高達(dá)0.96，耗能僅有0.21，與同類兩種系統(tǒng)相比，耗能最小。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳曼莎，周建華.節(jié)約型高校校園景觀設(shè)計(jì)策略研究[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，41（5）：62?68.

[2] 張文瑞.土地生態(tài)化整治與農(nóng)業(yè)景觀設(shè)計(jì)實(shí)證研究[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2016，37（4）：224?227.

[3] 郭平平.生態(tài)茶園景觀設(shè)計(jì)及其環(huán)境品質(zhì)分析[J].福建茶葉，2016，38（11）：143?144.

[4] 韓坤.技術(shù)條件下的現(xiàn)代景觀設(shè)計(jì)美學(xué)特征研究[J].藝術(shù)百家，2016，32（5）：243?244.

[5] 孫明陽，鄒元春，于曉菲，等.濕地景觀生態(tài)美學(xué)感知與評估體系研究[J].濕地科學(xué)，2018，16（6）：700?706.

[6] 董天陽，楊麗錦，張鑫鵬.用戶多維感知的3D圖像體驗(yàn)質(zhì)量評價(jià)[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2019，24（5）：782?793.

[7] 吳崢，趙新燦，王宗敏.基于3D基元的交互式單幅圖像建模[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2016，37（2）：470?474.

[8] 張洪彬，伏長虹，蘇衛(wèi)民，等.3D?HEVC深度圖像幀內(nèi)編碼單元劃分快速算法[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2016，38（10）：2523?2530.

[9] 何柏華，張曉勉，王雙玲，等.廣西弄崗自然保護(hù)區(qū)景觀格局研究[J].浙江林業(yè)科技，2016，36（1）：19?23.

[10] HWANG Y H， FENG Y， TAN P Y. Managing deforestation in a tropical compact city （Part B）： urban ecological approaches to landscape design [J]. Smart & sustainable built environment， 2016， 5（1）： 73?92.

[11] 馮承婷，趙強(qiáng)民，甘美娜.關(guān)于景觀水體生態(tài)修復(fù)沉水植物生物量配置探討[J].中國園林，2019，35（5）：117?121.

[12] 黃巧潔，鄧華秋，劉建成.基于光照?反射模型的圖像增強(qiáng)算法的FPGA設(shè)計(jì)[J].高技術(shù)通訊，2019，29（8）：758?766.

[13] 梁海濤，陳曉冬，徐懷遠(yuǎn)，等.基于深度圖預(yù)處理和圖像修復(fù)的虛擬視點(diǎn)繪制[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2019，31（8）：1278?1285.

[14] 范榕，李衛(wèi)正，烏日汗.基于無人機(jī)圖像分割的環(huán)太湖綠道景觀空間視覺吸引特性研究[J].中國園林，2019，35（5）：74?79.

[15] OTHMAN R， KASIM S Z A. Assessment of plant materials carbon sequestration rate for horizontal and vertical landscape design [J]. International journal of environmental science & development， 2016， 7（6）： 410?414.