基于數(shù)字虛擬技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)研究

陳增輝

摘? 要： 由于對傳統(tǒng)環(huán)境藝術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，存在對數(shù)字虛擬技術(shù)的過度依賴，因此，提出新的基于數(shù)字虛擬技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)研究方法。深入考慮環(huán)境景觀和環(huán)境形態(tài)兩種環(huán)境藝術(shù)屬性，獲取圖形以及影像圖層，以三維環(huán)境區(qū)域的比例和尺寸為依據(jù)，獲取環(huán)境區(qū)域的二維矢量圖后，融合全部小角度拍攝獲取的紋理，得到總體環(huán)境圖像紋理，在此基礎(chǔ)上采用Google Sketchup平臺繪制虛擬環(huán)境初步模型;將二維矢量圖嵌入到Google Sketchup平臺內(nèi)的地形和影像兩個(gè)圖層后，融合環(huán)境初步模型，構(gòu)建三維環(huán)境景觀模型。采用混沌式生成法，在三維環(huán)境景觀模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境形態(tài)的混沌式生成，依據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)觀，通過環(huán)境體驗(yàn)演變獲取環(huán)境形態(tài)設(shè)計(jì)圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法的三維建模誤差低于1.2%，環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)的逼真度、效率、成本指標(biāo)都較優(yōu)。

關(guān)鍵詞： 環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì); 數(shù)字虛擬; 三維建模; 圖層獲取; 形態(tài)設(shè)計(jì); 實(shí)驗(yàn)分析

中圖分類號： TN919?34; TU986? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）04?0134?03

Design of environmental art based on digital virtual technology

CHEN Zenghui

（Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China）

Abstract： In allusion to the over?dependence on digital virtual technology in the design of traditional environmental art， a new research method of the environmental art design based on the digital virtual technology is proposed. Two kinds of environmental art attributes of environmental landscape and environmental form are deeply considered to obtain graphics and image layers. On the basis of the scale and size of the three?dimensional environment region， the two?dimensional vector image of the environment region is obtained， and the texture acquired from small angle shooting are fused to get the overall environment image texture. On this basis， the preliminary model of virtual environment is drawn by means of the Google Sketchup platform. The 2D vector image is embed into both the terrain layer and image layer in the Google Sketchup platform， the environment preliminary model is fused to build the 3D environment landscape model. The chaos generation of virtual environment form is realized based on the 3D environment landscape model by means of the chaos generation method. The design drawing of the environment form is obtained through the evolution of environmental experience according to the virtual reality view. The experimental results show that the 3D modeling error of the proposed method is lower than 1.2%， and the fidelity， efficiency and cost of environmental art design are better.

Keywords： environment art design; digital virtualization; 3D modeling; layer obtain; form design; experiment analysis

0? 引? 言

數(shù)字虛擬技術(shù)突破了環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)形式，它以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，對環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新[1]。近年來環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)的快速發(fā)展取決于數(shù)字虛擬技術(shù)的廣泛應(yīng)用，但由于對數(shù)字虛擬技術(shù)的過度依賴，使環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)欠缺深入思考，未能全面研究環(huán)境景觀以及環(huán)境形態(tài)，導(dǎo)致環(huán)境藝術(shù)的設(shè)計(jì)質(zhì)量較低[2]。

隨著城市環(huán)境的快速發(fā)展，要求環(huán)境規(guī)劃和建設(shè)所用時(shí)間必須縮短，由此提出一種環(huán)境三維景觀快速建模方法[3]。該方法以Google Sketchup為平臺，不僅提高了環(huán)境三維景觀建模的效率，也降低了成本。因此本文提出新的基于數(shù)字虛擬技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)方法，深入考慮環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)的環(huán)境景觀和環(huán)境形態(tài)兩種屬性[4]，在Google Sketchup為平臺獲取三維環(huán)境景觀模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和通過采用混沌式生成法，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境形態(tài)的混沌式生成，并通過虛擬現(xiàn)實(shí)觀對環(huán)境體驗(yàn)的過程實(shí)現(xiàn)環(huán)境形態(tài)的構(gòu)建，增強(qiáng)體驗(yàn)者對環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)效果的直觀感受。

1? 基于數(shù)字虛擬技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)方法

1.1? 三維景觀模型構(gòu)建流程

對環(huán)境三維模型進(jìn)行構(gòu)建常用Google Sketchup平臺實(shí)現(xiàn)，采用該平臺對Google Earth建模區(qū)域的地形和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，采用Google Sketchup平臺對環(huán)境進(jìn)行三維建模，構(gòu)建三維環(huán)境景觀模型[5]，詳細(xì)流程見圖1。

1.1.1? 二維矢量圖編輯

原始圖像的處理首先要去除沒有價(jià)值的圖層，保留數(shù)字虛擬環(huán)境三維景觀所需要的湖泊、樹木、草坪、道路等塊狀環(huán)境形態(tài)。為了保證Google Sketchup平臺不受雜亂線性干擾，提高數(shù)字虛擬環(huán)境模型的整體效果，需將雜亂疊合的線類去除[6]，對塊狀環(huán)境形態(tài)進(jìn)行查看，必須保證該塊狀環(huán)境形態(tài)是閉合狀態(tài)、轉(zhuǎn)角線不能相交等問題。

1.1.2? 環(huán)境紋理與屬性數(shù)據(jù)采集

使用專業(yè)數(shù)碼相機(jī)拍攝真實(shí)環(huán)境，可使Google Sketchup平臺內(nèi)虛擬環(huán)境更具有真實(shí)效果。根據(jù)拍攝的環(huán)境圖片也可有效提取虛擬環(huán)境的紋理信息和環(huán)境層數(shù)，對拍攝的環(huán)境圖片進(jìn)行編號處理并保存。使用圖形編輯軟件對拍攝環(huán)境照片中存在的角度問題進(jìn)行處理[7]。為了保證虛擬環(huán)境紋理的完整性，需要按照所需環(huán)境進(jìn)行攝像機(jī)角度選取。通過小角度拍攝正面的紋理，可解決受到不同遮擋物的干擾，導(dǎo)致攝像機(jī)無法獲取完整環(huán)境圖像的問題，再依據(jù)環(huán)境普通外表面的相似性屬性，融合全部小角度拍攝獲取的紋理，得到總體環(huán)境圖像紋理[7]。

1.1.3? 環(huán)境三維初步模型

為了保證虛擬環(huán)境三維初步模型的真實(shí)感，需對初步模型進(jìn)行紋理貼圖。紋理貼圖分為兩種情況：一種是對采集的真實(shí)紋理進(jìn)行Photoshop處理后，對初步模型進(jìn)行紋理貼圖;另一種是一部分使用采集的真實(shí)紋理進(jìn)行貼圖，其余部分使用軟件設(shè)置的紋理進(jìn)行貼圖。Google Sketchup平臺自帶紋理和材質(zhì)編輯器[8]，使用起來方便簡單，且只在個(gè)別位置使用真實(shí)紋理貼圖，其余位置使用軟件自帶的紋理圖，整體效果會更逼真，所以第二種情況的使用更為廣泛。

1.1.4? 三維環(huán)境景觀構(gòu)建

將獲取的二維矢量圖嵌入到Google Sketchup平臺內(nèi)的地形和影像兩個(gè)圖層，將這些進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整，數(shù)據(jù)相匹配后，將構(gòu)建完成的環(huán)境三維初步模型和其他輔助三維環(huán)境模型，都嵌入到環(huán)境三維景觀模型中。該環(huán)境三維景觀模型要以SKP格式進(jìn)行保存，并把保存后的環(huán)境三維景觀模型嵌入到Google Sketchup平臺內(nèi)，根據(jù)二維矢量圖確定環(huán)境三維景觀模型具體位置點(diǎn)[9]。當(dāng)環(huán)境三維景觀模型構(gòu)建完成后，可使用Google Sketchup平臺發(fā)送到Google Earth建模區(qū)域上進(jìn)行瀏覽，也可在Google Sketchup view或其他平臺上瀏覽。

1.2? 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境形態(tài)創(chuàng)作

依據(jù)三維環(huán)境景觀模型進(jìn)行環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)，要以虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境形態(tài)創(chuàng)作為基礎(chǔ)，從客觀存在的物理層面和主觀審美的精神層面來認(rèn)識環(huán)境形態(tài)，并對藝術(shù)觀、審美觀、技術(shù)觀進(jìn)行改革創(chuàng)新，圖2為虛擬現(xiàn)實(shí)觀圖示。

1.3? 基于虛擬現(xiàn)實(shí)觀的環(huán)境形態(tài)混沌式生成

混沌式生成原理是在三維環(huán)境景觀模型的基礎(chǔ)上，以環(huán)境形態(tài)的局部開始，從整體環(huán)境的最下層到最上層進(jìn)行設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方法稱之為混沌式生成方法。荷蘭物理學(xué)家洛倫茲曾經(jīng)對氣象變化數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，并將繪制完成的圖像嵌入到相位空間圖內(nèi)，原本雜亂無章的數(shù)據(jù)點(diǎn)組成了雙螺旋線圖，該圖形軌跡永無交集，且運(yùn)動(dòng)永不停止?；煦缒Ｐ褪疽鈭D如圖3所示。

由天氣數(shù)據(jù)嵌入到相位空間圖，引起的這一現(xiàn)象證明不確定數(shù)據(jù)流具有確定性特性，而隨著初始環(huán)境內(nèi)部的細(xì)微差異量的不斷增大，使整體結(jié)果產(chǎn)生巨大差異。產(chǎn)生該差異的原理便是洛倫茲的“蝴蝶效應(yīng)”原理。

混沌式生成方法對初始條件具有很高的辨識度，且具有感官隨意，客觀有序的特征。虛擬現(xiàn)實(shí)觀是通過體驗(yàn)者對環(huán)境體驗(yàn)的過程實(shí)現(xiàn)環(huán)境形態(tài)的構(gòu)建，該過程的混沌性較為明顯[10]。

2? 實(shí)驗(yàn)分析

某市打造以家庭娛樂為主題的公園，其占地面積68.2×104? m2，建造成本為300萬元。

圖4為本文方法設(shè)計(jì)的某城市公園環(huán)境三維效果圖，由效果圖可看出，整體環(huán)境形態(tài)效果逼真，布局合理，具有一定的藝術(shù)性。

為突出本文方法的優(yōu)勢，采用高空GIS三維建模方法、數(shù)字?jǐn)z影三維建模方法進(jìn)行對比測試，以實(shí)驗(yàn)公園三維建模誤差為目標(biāo)，三種方法誤差對比結(jié)果見表1。

從表1中數(shù)據(jù)可知：本文方法對實(shí)驗(yàn)公園的三維建模誤差均低于1.2%;高空GIS三維建模方法的三維建模誤差在2.2%～3.6%之間;數(shù)字?jǐn)z影三維建模方法的三維建模誤差均高于4.1%。證明本文方法的三維建模誤差小、精度高，為構(gòu)建數(shù)字虛擬技術(shù)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)三維模型提供有利的數(shù)據(jù)條件。

使用Zbrush三維建模軟件對實(shí)驗(yàn)公園進(jìn)行環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)，用時(shí)42天，環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)花費(fèi)共計(jì)12萬元。

為了驗(yàn)證本文方法在提高實(shí)驗(yàn)公園環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)的逼真度和效率，同時(shí)降低了設(shè)計(jì)成本，以相關(guān)性能數(shù)據(jù)為目標(biāo)，對三種方法的藝術(shù)設(shè)計(jì)性能和Zbrush三維建模軟件設(shè)計(jì)性能進(jìn)行對比如表2所示。

從表2可知，本文方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)公園環(huán)境藝術(shù)的逼真度平均值96.6%，設(shè)計(jì)效率相對于Zbrush三維建模軟件提高的平均值為33.2%，相對于Zbrush三維建模軟件的設(shè)計(jì)成本降低率平均值為38.9%。高空GIS三維建模方法和數(shù)字?jǐn)z影三維建模方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)公園藝術(shù)設(shè)計(jì)的逼真度低于本文方法，且兩種對比方法設(shè)計(jì)過程中相對于Zbrush三維建模軟件的設(shè)計(jì)效率提高值、成本降低值都低于本文方法。說明本文方法可以有效地提高環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)的逼真度和效率，并且大幅度降低了藝術(shù)設(shè)計(jì)成本。

3? 結(jié)? 論

在數(shù)字虛擬技術(shù)基礎(chǔ)上，對環(huán)境藝術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅提高了環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)的逼真度以及效率，并且降低了藝術(shù)設(shè)計(jì)成本。本文提出新的基于數(shù)字虛擬技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)方法，深入考慮環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)過程中環(huán)境景觀和環(huán)境形態(tài)兩種環(huán)境藝術(shù)屬性，采用Google Sketchup平臺依據(jù)環(huán)境二維矢量圖，結(jié)合小角度拍攝的環(huán)境紋理融合得到整體環(huán)境紋理，構(gòu)建環(huán)境初步模型，獲取構(gòu)建三維環(huán)境景觀模型。設(shè)計(jì)者采用混沌式生成法，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境形態(tài)的混沌式生成，并依據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)觀實(shí)現(xiàn)環(huán)境體驗(yàn)，是環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的一次重大突破，具有深遠(yuǎn)的意義。

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