虛擬現(xiàn)實技術在花境設計中的應用研究

韓開雪 吳 巖 王治勛 王旭東

數(shù)字及信息技術在風景園林學科各領域中的應用越來越廣泛，其中園林植物景觀形態(tài)與配置設計方面的虛擬仿真一直是備受關注的課題。本文介紹虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality）在風景園林植物景觀設計中的應用特點及現(xiàn)狀問題，基于光輝城市（Mars）平臺，從定性分析與定量設計2個層面，通過花境植物素材還原度驗證、生長參數(shù)模擬、動態(tài)變化模擬等手段，結合花境設計實例，探討虛擬現(xiàn)實技術在花境設計中的應用過程，試圖為虛擬現(xiàn)實技術在植物景觀設計理論研究及設計實踐的應用提供創(chuàng)新研究視角及思路。

虛擬現(xiàn)實；花境；植物景觀；設計模擬

近年來，數(shù)字與信息技術已逐步滲透到風景園林領域的多個層面，并顯露出獨特的潛質及優(yōu)勢，在一定程度上豐富和完善了風景園林規(guī)劃設計、建造及養(yǎng)管路徑與方法[1]。目前，虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，VR）在風景園林植物應用及造景領域的研究主要集中在以下2個層面：（1）植物可視化建模方面。胡海輝對哈爾濱地區(qū)常用的景觀樹種進行模擬，實現(xiàn)園林植物的可視化，力求在今后的研究過程中構建寒地城市常用園林植物的素材庫[2]。（2）植物造景方面。武正陽將移動虛擬設備應用于植物景觀的改造設計，以多視角的方式表達設計效果，并模擬植物從初植到成年的形態(tài)變化[3]，為植物景觀的可持續(xù)性設計提供思路。蘆建國總結虛擬現(xiàn)實技術與風景園林設計的結合點，設計動態(tài)交互實時的風景園林空間，并可以對植物要素進行實時編輯，模擬不同生長階段和不同季節(jié)的植物景觀[4]。李國松對幾種常見的虛擬現(xiàn)實技術的應用進行評價分析，通過權重分析得出VRML最適宜應用于風景園林規(guī)劃設計中[5]，Quest3D在創(chuàng)建植物景觀方面的表現(xiàn)出色，對植物景觀虛擬技術的應用提供指導意見。楊瑩論述了草本植物群落數(shù)字化設計的應用方法，借助計算機模擬不同草本植物群落的設計效果，力求在今后設計研究過程中為草本植物群落景觀設計提供數(shù)據(jù)依據(jù)和支撐[6]。

1. 形色軟件識別Mars虛擬植物素材結果示意圖

雖然虛擬現(xiàn)實技術在風景園林植物應用領域已有少量科學文獻記載，但從涉及數(shù)量和深度來看缺乏系統(tǒng)性研究?；ň匙鳛橹参锞坝^的重要組成部分，虛擬現(xiàn)實技術在花境設計方面的研究更為匱乏。虛擬現(xiàn)實技術在花境設計中應用的前提在于對植物材料模擬的還原度。多數(shù)情況下，由于素材庫資源的匱乏以及設計師的個人色彩傾向，一些似是而非的植物素材就任憑設計師的感覺被布置到虛擬設計的場景中[7]。因此，素材庫資源的建立就成為虛擬現(xiàn)實技術在花境設計中應用的關鍵問題。不同的仿真模擬平臺都有其匹配的植物資源庫，當前，適合園林植物景觀設計的有Lumion、3Dmax、Quest3D、Virtools軟件，但大多數(shù)軟件存在專業(yè)結合度不高且植物分類細分程度不足等問題，限制了虛擬植物場景的整體效果[8]。目前，新興的光輝城市（Mars）系統(tǒng)及平臺在風景園林植物設計領域表現(xiàn)出較大的潛力。Mars系統(tǒng)的植物庫包含多種專業(yè)植物素材，如闊葉類、針葉類、棕櫚葉、灌木、水生、竹類、草本等，并為每種植物附以檔案，能夠精確地描述植物素材的特征參數(shù)。此外，Mars平臺中的植物參數(shù)編輯功能更改植物的顏色、季節(jié)等參數(shù)，能夠多維度地呈現(xiàn)植物形態(tài)。因此，本文基于Mars系統(tǒng)及平臺，從定性分析與定量設計兩個層面，通過花境素材還原度驗證、生長參數(shù)模擬、動態(tài)變化模擬3個方面的深入研究，探討虛擬現(xiàn)實技術在花境設計中的應用問題。

1 定性分析——虛擬花境植物素材選取及驗證

虛擬現(xiàn)實技術的基礎和本質就是對原真事物的還原[9]，無論用何種平臺，還原度驗證工作是虛擬植物景觀開展的第一步工作。鑒于此，對Mars系統(tǒng)的花卉植物素材進行定性研究，采用形色軟件識別Mars系統(tǒng)的部分花卉植物素材，作為驗證其還原度的標準，能夠基本識別植物種類的素材即為還原度較高的植物素材。

本文選取13種Mars系統(tǒng)中具有季相動態(tài)的花卉植物素材為研究對象，分別為八寶景天、吊鐘柳、耬斗菜、荷包牡丹、火炬花、假龍頭、金雞菊、天人菊、千屈菜、蜀葵、宿根福祿考、萱草、鳶尾。驗證結果顯示，八寶景天等13種花卉植物素材能夠被識別其中12種，識別率達到92.3%（圖1）?？梢哉f明，Mars系統(tǒng)對植物素材還原度較高，具備虛擬花境的真實屬性。

2 定量設計——虛擬花境植物素材生長參數(shù)模擬

植物配置是由一定數(shù)量、不同種類與規(guī)格的植物在空間組織關系的體現(xiàn)，其本質就是解決一個“種什么（種類）、種多少（數(shù)量）、如何種（組合）”的問題[10]。以往的植物配置設計多是以平面形態(tài)來表達種植意圖，立面表達似乎只是成為豐富圖面效果的媒介，整個過程缺乏對植物素材的表層感知和深層認知。虛擬現(xiàn)實技術將植物群落的復雜數(shù)據(jù)轉化為三維可視化圖像，能夠模擬出較為接近真實狀態(tài)的植物景觀效果，清晰地表達設計意圖，便于設計更為貼近真實效果的植物景觀。

2.1 空間參數(shù)推演

花卉種類繁多，花卉植物素材的生長參數(shù)各有不同。植株體量大小及空間組合形式的差異能對植物景觀的效果產(chǎn)生重要影響[11]。目前，大多數(shù)虛擬仿真軟件在處理植株體量大小的過程中，多是根據(jù)設計師主觀性的臆測，自行縮放來調整合適的比例關系，導致植物形態(tài)與結構的失真，很難依據(jù)植物的生長屬性做到真實的反映和模擬。因此，在模擬花境效果時，首先要依據(jù)花卉的生長習性進行平面和立面的定量化模擬，再利用虛擬軟件營造花卉的實際空間效果，做到有據(jù)可依、有的放矢。例如，根據(jù)不同花境類型及特性，選取一定的種類，明確各種類植物組團的大小與尺度，結合植物的株形、株高和花型等要素進行立面設計，形成高低起伏錯落的輪廓。虛擬現(xiàn)實技術可以將平面和立面布局應用于花境布局中，實現(xiàn)花卉素材布局和尺度的精確模擬及定位。

2.1.1 尺度還原

2. 花卉植物株高和冠幅的預估參考（數(shù)據(jù)參考源自參考文獻[12]）

3. Mars素材庫部分花卉植物株形及體量轉化模擬圖示

對花卉植物素材生長參數(shù)的還原，才能反映最接近真實狀態(tài)的花境效果?；ɑ艿目臻g尺度參數(shù)主要指株高和冠幅。根據(jù)Mars素材庫中花卉植物的空間參數(shù)（圖2），將13種花卉素材的株高和株形輪廓用坐標軸的方式表示出來（圖3），立面效果真實且客觀。在花境設計中合理利用不同種類植物的高度變化、輪廓效果，可以真實地模擬高低錯落的花境立面效果?；ɑ苤参锏墓诜鶝Q定單株花卉的體量，不同體量植株的平面空間參數(shù)不同，平面空間和立面空間的參數(shù)共同決定了植株的空間尺度。

2.1.2 密度控制

花境的植物素材多是以組團的形式出現(xiàn)，以單位空間（面積與體積）內的花卉種植數(shù)量為依據(jù)，虛擬現(xiàn)實技術使得密度設計變得更加直觀。尺度還原的過程明晰了花卉素材的體量與尺度，為下一步驟中單位空間內的密度控制提供了客觀依據(jù)。例如，株高較大的尖塔形花卉，如蜀葵、火炬花，種植間距為其成熟高度的1/4；株高較高的叢生花卉，如大花金雞菊，種植間距為其成熟高度的1/2；圓球形叢生花卉的種植間距與其株高相等[12]。利用虛擬軟件結合栽培實驗數(shù)據(jù)，模擬花境植物在不同生長階段的生長效果，形成三維空間效果反饋于平面的數(shù)量選取，合理控制每種花卉植物的栽植數(shù)量。以1 m2為基本單位進行團塊種植，進行定量化模擬設計，確定花卉材料的最佳密度，有助于營造長勢良好的花境景觀。明確各花卉組團的平面和立面尺度，將平面和立面布局應用于虛擬軟件中，精確的定位植物和設計尺寸，構建三維可視化的花境模型，這樣就能利用虛擬軟件完成定量化的模擬效果（圖4）。

2.2 生長動態(tài)的模擬

目前，很少有平臺或軟件能實現(xiàn)植物季相動態(tài)變化的仿真模擬，因此，體現(xiàn)植物景觀的時效性是虛擬現(xiàn)實技術在植物景觀設計中的應用難點，這需要大量的科學實踐數(shù)據(jù)作為虛擬模擬的重要參考依據(jù)。

豐富的季相變化和持久的觀賞期是花境動態(tài)變化的重要內容，能夠很好地體現(xiàn)植物景觀的時效性[13]。根據(jù)Mars素材庫中花卉材料的生長參數(shù)，將13種花卉素材的花期和花色用時間軸的方式表示出來（圖5），根據(jù)植物的花期巧妙地布置植物的位置，將不同花期的植物錯峰搭配，能最大限度延長花境的觀賞期，做到四季有景。

除上文所述花卉素材外，灌木和觀賞草的模擬對花境設計也具有一定的影響。灌木是花境中的骨架材料，灌木的體量和定位會在一定程度上影響花境的整體效果。觀賞草是近年來花境設計中的新興材料，具有獨特的美感和野趣。但目前的虛擬軟件中灌木和觀賞草素材較少，本文僅以現(xiàn)有的素材植物為主要研究對象，灌木和觀賞草素材需在實踐中加入補充，為今后花境設計提供更真實的模擬效果。

4. 單位面積花卉種植密度模擬平面示意

5. 花卉素材的花期時間軸和季相景觀

6. 虛擬花境平面圖

7. 虛擬花境組合形式

3 虛擬花境營造案例模擬分析

模擬項目位于道路交叉口，緊鄰商業(yè)中心，在場地設計中加入卵石小徑和觀賞草叢，軟化線條，營建以灌木、觀賞草、宿根為主的混合花境。骨架材料為凌霄、紫荊、牡丹、杜鵑、金森女貞等；主體花材為大花金雞菊、八寶景天、蜀葵、荷包牡丹、萱草、鳶尾、宿根福祿考、千屈菜；搭配花材為藍羊茅、耬斗菜、吊鐘柳、天人菊、火炬花，如圖6所示。

3.1 平面設計

虛擬花境采用擬三角形和飄帶形團塊組合，形成環(huán)抱形的平面組合方式。場地的邊界處種植假龍頭、蜀葵、萱草、鳶尾等花卉，形成長度不等、部分重疊的狹長型飄帶，使花卉的色彩相互延伸，增強場地的流動感和豐富度。場地的中心處采用較大面積擬三角形花卉團塊，簡單清晰，節(jié)奏感和韻律感極強。場地的前端布置若干面積小而精的自由斑塊，在有限的面積內充分表現(xiàn)花卉的組合效果（圖7）。

每個團塊的種植數(shù)量是花境平面設計的另一個主體內容。根據(jù)本項目選取的豎線條形花卉，蜀葵、千屈菜、火炬花等種植間距為其株高的1/4，假龍頭、吊鐘柳、天人菊、耬斗菜等種植在花境邊緣，且株高和冠幅都較小，花卉的種植間距約為20-30 cm，八寶景天、鳶尾、萱草等圓形花卉的種植間距和株高相等。根據(jù)花卉的團塊面積和種植間距標準，本花境花卉材料的具體選用如表1所示。

3.2 立面設計

花境的立面設計主要通過花卉材料的高度變化和株形輪廓的搭配，形成高低錯落的視覺效果。本項目中高度較大的植物為蜀葵（150 cm）、千屈菜（70 cm）、大花金雞菊（70 cm），將其布置在花境的中后區(qū)，高度較小的天人菊、吊鐘柳、耬斗菜，布置在場地的靠前區(qū)域。在整體前低后高的基礎上，中間穿插高度中等的火炬花，營造豐富的立面效果。

表1 花境設計虛擬植物材料清單

案例中選取的花卉材料有圓形輪廓的藍羊茅、萱草、鳶尾、八寶景天等，方形輪廓的耬斗菜、天人菊等，尖塔形輪廓的火炬花、吊鐘柳等。以花境的中心區(qū)域為例，3種形狀的花卉材料組合搭配，設計錯落的立面效果（圖8）。

3.3 季相設計

以往的靜態(tài)效果圖都是集四時于一景，濃縮了植株最完美的時刻，不能很真實地展現(xiàn)植物景觀變化的實質[14]。因此，虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)植物素材花期之間更迭變化，不僅能夠感受四季之景，也是虛擬現(xiàn)實技術在植物景觀設計中的關鍵環(huán)節(jié)。虛擬案例中春季開花的花卉有荷包牡丹、耬斗菜、鳶尾；夏季開花的花卉有大花金雞菊、吊鐘柳、千屈菜、萱草、蜀葵、火炬花、宿根福祿考；秋季開花的花卉有八寶景天、假龍頭、天人菊。將夏秋季節(jié)開花的花卉盡量布置在花境的前方，春季開花的花卉布置在花境的后方，花期有重疊的花卉種類布置在一起，體現(xiàn)了豐富的季相景觀。圖9即為通過虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)了對花境季相的模擬與展示，生動地實現(xiàn)了對植物景觀時空效果的真實模擬。

4 結語與討論

虛擬現(xiàn)實技術賦予了風景園林植物景觀設計更廣泛的表現(xiàn)力，優(yōu)點主要體現(xiàn)在3個方面：（1）實現(xiàn)對植物素材客觀形態(tài)的描述。虛擬軟件中花卉素材的還原度問題直接決定了花境模擬的真實效果。（2）實現(xiàn)對植物素材空間尺度的把握?；ɑ芩夭纳L參數(shù)的轉化，改變了傳統(tǒng)無序堆積的花境植物群落設計，以花卉植物的空間參數(shù)為依據(jù)進行有序的空間組織。在一定面積內，可根據(jù)花卉的空間參數(shù)確定花卉的種植密度，在實驗數(shù)據(jù)的基礎上甚至能夠模擬近期和遠期的密度變化。（3）實現(xiàn)對植物素材季相變化的模擬。植物的季相演變呈現(xiàn)獨特的色彩、形態(tài)和意境之美，是植物景觀的重要表現(xiàn)形式，虛擬現(xiàn)實技術模擬的季相變化能在設計之初給與直觀的感受，能極大地提高設計到實景的還原度。

目前，虛擬現(xiàn)實技術在花境設計領域的應用仍存在亟待解決的難題。植物景觀是一個具有生命力的構景要素，植物的生長過程變化，尤其是多年生草本植物的競爭演替過程是難以在虛擬現(xiàn)實軟件中實現(xiàn)的[15]。任何事物的變化都具有過程性與動態(tài)性的特征，花卉植物通過生長、發(fā)育、更新等諸多階段詮釋了生命周期的過程，通過空間競爭、融合和數(shù)量的變化呈現(xiàn)自然變化的時空美。設計花境時既要突出短期內能夠立刻實現(xiàn)的顯著效果，還要兼顧植物材料形成植物景觀乃至最終形成植物群落的長遠持久性與生態(tài)性。因此，采用虛擬軟件在設計的過程中模擬花卉植物生長的動態(tài)過程，無論從教學、科研與實踐層面都是對傳統(tǒng)設計的重要補充，這也將成為后期虛擬現(xiàn)實技術在植物模擬下一個階段中重點要解決的問題。

8. 花境立面組合搭配模擬圖

9. 花境的季相景觀虛擬仿真

致謝：感謝河南農(nóng)業(yè)大學風景園林與藝術學院田朝陽教授提出寶貴建議，華北水利水電大學建筑學院本科生崔思賢、王家淳、李保、雷蘭靜、趙賽雅、崔子健、劉星華在項目開展以及資料調研中所付出的辛勤勞動。