計算機增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)在園林景觀設(shè)計中的應(yīng)用

趙曉靜

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東省德州市 253034）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和電子信息化時代的到來，虛擬技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各行各業(yè)，但是，隨著虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展，其弊端也逐漸被人們所發(fā)現(xiàn)。人們應(yīng)用這項技術(shù)的目的只是為了滿足自身需求，想對真實環(huán)境有一個更為細致和全面的觀察，避免因一些客觀因素導(dǎo)致對環(huán)境的觀察有所缺漏，而并非是想利用虛擬環(huán)境來代替真實的環(huán)境場所，但是由于一些技術(shù)上的問題，如設(shè)備的運行速度以及建模的質(zhì)量等，非但不能還原現(xiàn)實場景，還會使圖像失真，造成信息損失，導(dǎo)致用戶的體驗并不理想，限制了用戶對環(huán)境的觀察與認知，因此，為了改善這一問題，人們又發(fā)明了一項新的技術(shù)——增強現(xiàn)實技術(shù)。作為虛擬技術(shù)的一種，增強現(xiàn)實技術(shù)將計算機技術(shù)與現(xiàn)實情境相結(jié)合，生成十分逼真的三維虛擬環(huán)境，使用戶可以通過各種傳感設(shè)備進行體驗?，F(xiàn)如今，這項技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于科技、娛樂、醫(yī)療以及軍事等行業(yè)，具有很好的發(fā)展前景。

增強現(xiàn)實技術(shù)，利用計算機設(shè)備生成的虛擬場景或其他信息的提示，將它們與現(xiàn)實場景進行疊加，從而增強場景的現(xiàn)實感，提升用戶的使用體驗。也是由于其這一獨特的優(yōu)點，使其在科研領(lǐng)域中具有較高的研究價值，國外有很多高校和科研機構(gòu)都在這一領(lǐng)域展開了相應(yīng)的研究和探索，研究成果也是較為可喜。現(xiàn)如今，增強現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)同園林景觀設(shè)計相結(jié)合，與傳統(tǒng)的準三維設(shè)計圖，也就是通過平面效果圖以及模型和三維動畫來展示環(huán)境的方式表現(xiàn)不同，設(shè)計者通過這項技術(shù)，利用多種傳感器為用戶帶來視覺上的直觀感受，幫助用戶更好地了解和觀察所設(shè)計的環(huán)境。不過，對于這項技術(shù)的研究，在國內(nèi)還處于初始階段，并未有較大的研究投入，主要的應(yīng)用也是為用戶提供瀏覽功能，目前人們更希望科研人員及設(shè)計者能夠在交互體驗這一方面進行研發(fā)，以增強用戶的視覺體驗。

現(xiàn)在，本文將圍繞計算機增強現(xiàn)實技術(shù)與園林景觀設(shè)計相結(jié)合這一主題，從增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展及特點、增強現(xiàn)實技術(shù)與園林景觀相結(jié)合的應(yīng)用實例以及發(fā)展前景這幾方面進行一定的分析和探究，以期能夠為國內(nèi)這項技術(shù)的發(fā)展做出一定的貢獻。

1 增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展

1.1 增強現(xiàn)實技術(shù)的原理

增強現(xiàn)實技術(shù)是虛擬技術(shù)的一種，算是在其基礎(chǔ)上發(fā)展的一個新型技術(shù)，傳統(tǒng)意義上的虛擬技術(shù)并不能將顯示與虛擬進行交互疊加，而增強現(xiàn)實技術(shù)則可以。其工作原理大致可分為這幾個步驟：首先通過實時追蹤攝像機和傳感器進行場景的定位和傳輸，再通過計算機識別圖像，進行三維跟蹤注冊，合成虛擬模型進行渲染，最后將生成的畫面?zhèn)鬏數(shù)斤@示界面，完成增強實現(xiàn)的全過程。

1.2 增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展

二十世紀中葉，攝影師Morton Heilig 發(fā)明了一個可以模擬街道場景的機器人；在1968年，一臺可以虛擬現(xiàn)實的原型機器誕生于世；之后，便是對虛擬技術(shù)的顯示系統(tǒng)不斷地進行更新與創(chuàng)新，采用顯示屏或者透明設(shè)備來進行場景與人之間的交互顯示；在1990年，針對于這項能夠?qū)崿F(xiàn)交互作用的虛擬技術(shù)，人們賦予了它新的名字——增強現(xiàn)實技術(shù)；之后增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展便開始停滯不前，直至2018年，虛擬技術(shù)與增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展迎來了上升期。目前，5G 時代即將到來，由于其具有覆蓋廣和高網(wǎng)速的優(yōu)點，能夠為計算機技術(shù)的發(fā)展提供很好的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)，這為虛擬技術(shù)與增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展帶來了新的契機。

1.3 增強現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀

增強現(xiàn)實技術(shù)由于其自身優(yōu)勢和較大的發(fā)展?jié)摿?，被越來越多的人所關(guān)注，目前已成為一個新興的科研領(lǐng)域，但相較于虛擬技術(shù)的研究成果而言，增強現(xiàn)實技術(shù)還處在實驗室階段，在實際應(yīng)用中，搜索瀏覽是較為常用的一種功能，盡管注冊技術(shù)已經(jīng)被成功開發(fā)，但是要想得到精確的結(jié)果，還是要受到環(huán)境的影響，室外增強現(xiàn)實技術(shù)的跟蹤方案還不成熟，而一套成熟的方案在設(shè)計前期需要大量的測試和準備工作，這就導(dǎo)致其實際應(yīng)用的發(fā)展受到了較多限制。

目前增強現(xiàn)實技術(shù)的開發(fā)難題，主要是如何及時地將用戶觀察角度的場景準確地呈現(xiàn)出來，使虛擬場景與實際環(huán)境兩者嚴絲合縫地疊加在一起。目前為解決這一難題，通常選用的方法是三維跟蹤注冊，針對這種方法，科學(xué)家們還研發(fā)出了兩種工具，但這兩種工具的使用要求是需要事先通過攝像機進行精準定位，同時，攝像機的內(nèi)部參數(shù)還不能發(fā)生變化，很明顯，這與增強現(xiàn)實技術(shù)的實際應(yīng)用要求并不相符。不過，科研人員開始增加相關(guān)會議召開的頻率，這使得問題的解決取得了一定的進展。

與國外相比，在這一領(lǐng)域的研究，我國還處于初始階段，雖然提出了很多的相關(guān)理論和解決方案，但仍未研究出完善的系統(tǒng)，還需要再進一步的研究。

2 增強現(xiàn)實技術(shù)的特點

2.1 虛實結(jié)合性

增強現(xiàn)實技術(shù)可以將真實環(huán)境進行虛擬渲染后傳輸?shù)斤@示屏上，實現(xiàn)虛擬環(huán)境與真實場所的疊加，用戶可通過眼睛凝視或者用手指點擊的方式對設(shè)備進行調(diào)控，使三維圖像以全景的方式呈現(xiàn)在用戶面前，并根據(jù)用戶的指示進行場景的及時準確的切換，同時，還可以在三維虛擬情景中插入地圖導(dǎo)航等提示，以便幫助用戶觀察環(huán)境，引導(dǎo)用戶行為等。

2.2 與人類之間的交互性

增強現(xiàn)實技術(shù)可以將整個環(huán)境都進行精準的定位，將正在簡簡單單地瀏覽和發(fā)出指令的人從屏幕前拉拽到虛擬環(huán)境中，使人與周圍的虛擬環(huán)境融合到一起，不再有意識地去向運行系統(tǒng)發(fā)出指令，而是沉浸其中，實時地與環(huán)境進行交互，看得見，但摸不著。增強信息技術(shù)的交互系統(tǒng)并非僅有一處明確的位置，而是將整個目標環(huán)境都涵蓋其中，使用戶得到極佳的使用體驗，同時采用三位跟蹤注冊系統(tǒng)，使用戶彷如置身其中，能夠更好地感知目標環(huán)境。

2.3 可添加定位虛擬物體

增強現(xiàn)實技術(shù)可以添加定位虛擬物體，以便更改和修飾環(huán)境的設(shè)計，為用戶提供更為便捷舒適的服務(wù)。

3 增強現(xiàn)實技術(shù)與園林景觀相結(jié)合的應(yīng)用

3.1 輔助設(shè)計

增強現(xiàn)實技術(shù)具有輔助設(shè)計的作用，由UAP 設(shè)計的一款頂棚裝置，在設(shè)計過程中就采用了增強現(xiàn)實技術(shù)。由于這款頂棚裝置結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，對材質(zhì)也有著特殊的要求，為了便于觀察和分析其構(gòu)造，在設(shè)計初期，UAP 團隊首先將計算機生成的模型導(dǎo)入增強現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)，利用其三維跟蹤標注功能，利用CAD 制圖軟件繪出頂棚裝置的CAD 三維立體模型圖，并根據(jù)該圖制出實物投影，進而通過一系列的操作完成了頂棚裝置的設(shè)計。采用增強現(xiàn)實技術(shù)后，不僅快速完成了設(shè)計，效果及質(zhì)量也都得到了保障。

3.2 豐富文化體驗

在2019年的北京國際設(shè)計周中，有一件設(shè)計品便采用了增強現(xiàn)實技術(shù)，這件設(shè)計品叫做“墨城視覺展館”。這件設(shè)計品利用增強現(xiàn)實技術(shù)的交互特點，采用三維跟蹤標注技術(shù)，將墨西哥城真實景物的視頻音頻上傳到計算機設(shè)備中，進行識別，再將其與實際場景進行疊加，增強用戶的體驗感，使參觀者如親身置于墨西哥城中，體驗當?shù)氐娘L(fēng)土人情并沉浸其中。增強現(xiàn)實技術(shù)使這個設(shè)計品不僅是一處景觀，更是將其化為一件文化的載體和傳播者，豐富了參觀者的文化體驗。

3.3 修復(fù)破損的歷史文物

作為世界聞名的歷史遺跡，圓明園由于損毀嚴重，至今僅有幾根石柱屹立著，修復(fù)難度很大，至今也沒能進行修復(fù)，后在有關(guān)部門的支持下，北京理工大學(xué)的信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院就對損毀的圓明園展開了增強信息技術(shù)的修復(fù)這一任務(wù)展開了相關(guān)研究，并在研究過程中，對西洋樓大水法景區(qū)進行了虛擬修復(fù)，并設(shè)計了真實、虛擬和增強這三種模式，完成了虛擬與現(xiàn)實的結(jié)合，再現(xiàn)了圓明園當初的盛景。

4 增強現(xiàn)實技術(shù)與園林景觀相結(jié)合的發(fā)展前景分析

結(jié)合上述增強現(xiàn)實技術(shù)的特點與生活中的實際應(yīng)用，不難分析出其發(fā)展前景。

4.1 輔助園林景觀的設(shè)計

增強現(xiàn)實技術(shù)可以應(yīng)用在園林景觀的設(shè)計中。它是對真實場景的一種加強技術(shù)，給用戶帶來的強烈的真實感受，且在建模過程中，能夠減少一定的工作量。應(yīng)用于園林景觀的設(shè)計中，可以將真實的植被和建筑物應(yīng)用其中，將設(shè)計效果直觀地展現(xiàn)在眾人面前，將真實世界與虛擬世界交疊在一起，互為補充，同時，還能通過增強現(xiàn)實技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中出現(xiàn)的問題，防患于未然。同時，對于復(fù)雜的建筑設(shè)計，增強現(xiàn)實技術(shù)的輔助設(shè)計作用可以幫設(shè)計團隊保質(zhì)保量的、快速的完成任務(wù)，極大的降低了工作難度，減輕了設(shè)計師的負擔(dān)。

4.2 幫助人們體驗不一樣的人文風(fēng)景

作為一種文化載體，園林承擔(dān)著復(fù)興和傳承文化的作用，設(shè)計師需要妥善利用增強現(xiàn)實技術(shù)，將園林的文化載體這一優(yōu)勢發(fā)揚光大，讓參觀者享受到園林的文化內(nèi)涵。同時，增強現(xiàn)實技術(shù)還可以將不同的文化和風(fēng)景“移”到別處，不僅可以傳播我們的文化，也可以領(lǐng)略不同的風(fēng)土人情，增長閱歷和見識，同時，也極大地降低了時間與空間帶來的限制。

4.3 修復(fù)損毀的歷史文物

歷史文物，作為歷史留于人類的遺產(chǎn)，有著極高的歷史價值，一旦損毀，必然要進行修復(fù)。但類似于圓明園這類歷史遺跡、文化瑰寶，由于損毀嚴重而導(dǎo)致的無法修復(fù)，對人類來說，這無疑是一筆巨大的損失。所幸，隨著增強現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，不僅可以將損毀的物品以虛擬的方式重新限于人間，以在進行一定程度的彌補和挽救，還為推動文化和科技的發(fā)展做出了重要的貢獻，。設(shè)計師可以預(yù)先在電腦中繪制歷史文物的補全圖，再對實際場景做出一定的修復(fù)，將虛擬世界和真實世界兩者結(jié)合起來，完成歷史遺跡的修復(fù)。

5 結(jié)語

隨著時代的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，5G 即將被普及，這意味著數(shù)字化、信息化也要全面覆蓋人民的生活，這對虛擬技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，在這兩項技術(shù)發(fā)展的過程中，起著重要的推動作用。我相信，虛擬技術(shù)與增強現(xiàn)實技術(shù)將會在人類的生活中有著極大的占比，在軍事還有娛樂等各個行業(yè)中，都將全面普及。在未來的園林設(shè)計中，不僅可以幫助人類設(shè)計具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑，還對文物的修復(fù)、文化歷史的發(fā)展與推動都起到了重要作用，同時，增強現(xiàn)實技術(shù)也可以極大地減低由人口增長和環(huán)境污染帶來的壓力，滿足人們對拓展空間的需求，避免資源的浪費，讓我們足不出戶便可享受大自然的寧靜與美好，那時，時間與空間也都不再會產(chǎn)生距離。