虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在園林植物群落設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

胡海輝 于雷 馬珂馨 趙廣宇

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬技術(shù)得到越來越多的重視，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為當(dāng)下最熱門的技術(shù)之一。在論述植物景觀虛擬設(shè)計(jì)重要性的基礎(chǔ)上，分別介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維可視化技術(shù)，并結(jié)合東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園綠化植物群落設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)理論與實(shí)踐研究的有機(jī)融合，以期為今后該校園林植物景觀設(shè)計(jì)課程教學(xué)質(zhì)量的進(jìn)一步提升提供基本方法和思路。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);植物可視化建模;植物群落可視化設(shè)計(jì);植物景觀設(shè)計(jì)教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TU986.2? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）16-0080-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.018? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： With the rapid development of computer technology， virtual technology has been paid more and more attention， and virtual reality technology has become one of the most popular technologies. On the basis of discussing the importance of virtual design of plant landscape， the virtual reality technology and three-dimensional visualization technology were introduced respectively， and combined with the design example of campus greening plant community in Northeast Agricultural University， the organic fusion of virtual reality technology theory and practice research was carried on， in order to provide the basic method and train of thought for the further improvement of the teaching quality of garden plant landscape design course in our university in the future.

Key words： virtual reality technology; plant visualization modeling; plant community visualization design; teaching reform of plant landscape design

數(shù)字時(shí)代的到來，使得風(fēng)景園林設(shè)計(jì)、景觀建筑設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃設(shè)計(jì)等相關(guān)行業(yè)和領(lǐng)域都發(fā)生了翻天覆地的變化。如今，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)己經(jīng)深入到了整個(gè)園林景觀設(shè)計(jì)過程中。無論是AutoCAD、Sketchup、Photoshop、3dsMAX、Lumion或是其他輔助繪圖軟件，在方案設(shè)計(jì)、效果圖設(shè)計(jì)、植物種植設(shè)計(jì)中都給設(shè)計(jì)師帶來了便捷性，讓設(shè)計(jì)師能夠更加準(zhǔn)確、直觀地表達(dá)自己的設(shè)計(jì)意圖及設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，并且利用輔助制圖軟件的各種功能反復(fù)調(diào)整自己的設(shè)計(jì)方案使之趨于完美。隨著技術(shù)發(fā)展，一大波尖端科技競(jìng)相涌現(xiàn)。2016年國際消費(fèi)電子展（CES）于拉斯維加斯拉開序幕，CES匯集了當(dāng)前世界上最優(yōu)秀的傳統(tǒng)消費(fèi)類電子IT核心企業(yè)，其中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、無人駕駛技術(shù)、人工智能技術(shù)、體感技術(shù)都是這次展會(huì)上的熱門[1]，不過相比而言，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)受到更多的關(guān)注。

目前，在國內(nèi)關(guān)于計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助植物景觀設(shè)計(jì)的研究與教學(xué)實(shí)踐相對(duì)較少，這并不符合植物景觀在整個(gè)景觀中的價(jià)值和地位。植物生長(zhǎng)受到外界環(huán)境中多種因素的影響，因此設(shè)計(jì)師在前期設(shè)計(jì)過程中很難協(xié)調(diào)植物景觀與方案設(shè)計(jì)本身的關(guān)系，更無法預(yù)測(cè)植物幾年后的生長(zhǎng)狀態(tài)，從而導(dǎo)致多年后植物群落整體不協(xié)調(diào)，景觀效果達(dá)不到預(yù)期。據(jù)調(diào)查，國內(nèi)多處城市公園綠地、附屬綠地中喬木的種植密度過大，導(dǎo)致多年后由于樹冠之間的交織影響植物的生長(zhǎng)而不得不被砍伐，既造成了經(jīng)濟(jì)上的損失，又降低了植物景觀的觀賞價(jià)值。因此，在數(shù)字化時(shí)代的今天，如何利用現(xiàn)有的資源，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與園林植物景觀設(shè)計(jì)教學(xué)或科研相融合，為設(shè)計(jì)過程提供更直觀、更便捷的方法，為風(fēng)景園林學(xué)生培養(yǎng)及行業(yè)人員與其他行業(yè)人員的溝通搭建橋梁，值得風(fēng)景園林行業(yè)教育工作者和研究者探討。

國外關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與植物方面的研究多數(shù)是基于L-系統(tǒng)或其他模型算法的植物生長(zhǎng)模擬或程序化建模方法研究和實(shí)踐。如Kim[2]提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)和實(shí)時(shí)渲染優(yōu)化方法的建模方法，可以有效地生成多種多樣的數(shù)字虛擬植物，用于創(chuàng)建沉浸式虛擬景觀。該方法簡(jiǎn)化了從植物模型到三維分支幾何模型生成的過程。在此基礎(chǔ)上，提出了程序分支圖（PBG）算法，同時(shí)有效地生成了具有相似分支模式的不同植物。類似的相關(guān)技術(shù)和算法的研究還有很多，但對(duì)于植物景觀設(shè)計(jì)方法與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用研究相對(duì)較少。雖然，國內(nèi)外關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用研究都已具備一定的成果，但國外將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于園林景觀的開發(fā)略早于國內(nèi)，并且拓展了比國內(nèi)更廣的研究領(lǐng)域及業(yè)務(wù)范圍，包括城市改造、公園設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)等具有分析和設(shè)計(jì)功能的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。而國內(nèi)的實(shí)踐研究多數(shù)是由各重點(diǎn)大學(xué)開發(fā)研究的基于分析和虛擬漫游功能的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，對(duì)基于園林植物景觀設(shè)計(jì)尤其在園林植物群落種植設(shè)計(jì)方面的開發(fā)非常少。隨著城市企業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展，可以看出國內(nèi)對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于園林植物景觀設(shè)計(jì)領(lǐng)域雖然處于起步階段，但已經(jīng)取得了初步研究成果。

1? 虛擬現(xiàn)實(shí)與三維可視化技術(shù)

1.1? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

VR（Virtual reality，即虛擬現(xiàn)實(shí)，簡(jiǎn)稱VR）是由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（Jaron Lanier）在20世紀(jì)80年代初提出的。其具體內(nèi)涵是：綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、三維仿真技術(shù)以及各種顯示和控制等接口設(shè)備，通過計(jì)算機(jī)生成的可交互的三維環(huán)境，提供身臨其境的沉浸感覺的技術(shù)[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)的核心要義就是對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，以便實(shí)現(xiàn)人類主體在虛擬環(huán)境中與虛擬數(shù)字化對(duì)象的信息互動(dòng)[4]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有狹義和廣義上的兩種性質(zhì)。狹義上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種能夠讓人感覺置身于真實(shí)環(huán)境中，通過虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備與虛擬環(huán)境中接近真實(shí)的景象發(fā)生互動(dòng)，因而產(chǎn)生一種身臨其境的感受。廣義上講，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是利用各種圖形軟件和一些其他的仿真技術(shù)來模擬真實(shí)的場(chǎng)景和情景，包括視覺、聽覺、觸覺以及在真實(shí)世界中可能發(fā)生的事情[5]。

1.2? 三維可視化技術(shù)

三維可視化技術(shù)就是將復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形的技術(shù)。發(fā)展至今，它已經(jīng)為科研、教育、信息、地理、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域帶來了徹底的改變[6]。三維可視化技術(shù)也有狹義和廣義上的區(qū)分。狹義上的三維可視化技術(shù)的分類大體有4種：幾何造型、視頻影像制作、幾何視頻影像制作、圖像覆蓋。本研究的園林植物模型庫的構(gòu)建就是利用幾何造型可視化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。廣義上的三維可視化技術(shù)應(yīng)用分類包括表達(dá)可視化、分析可視化、過程可視化、設(shè)計(jì)可視化和決策可視化。本研究的虛擬系統(tǒng)構(gòu)建思路就是趨向于這種設(shè)計(jì)過程可視化，利用數(shù)據(jù)資料的先進(jìn)處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)園林植物景觀在虛擬環(huán)境中的設(shè)計(jì)過程和方法。

實(shí)物虛化是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)營造的虛擬環(huán)境，是需要基于真實(shí)的地理數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)創(chuàng)建的數(shù)字三維模型[7]。三維可視化技術(shù)作為數(shù)據(jù)的分析、處理的高級(jí)手段，是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)中各方面內(nèi)容的基礎(chǔ)方式，也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心所在。可視化技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，后者是前者的高級(jí)階段[8]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的誕生也為三維可視化的發(fā)展指明了方向[9]。可視化實(shí)現(xiàn)并打破了人的視覺欣賞與二維數(shù)據(jù)之間的界限，使人與數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系更加緊密，并且使人與人之間的圖像通信變?yōu)榭赡?。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在園林植物景觀設(shè)計(jì)教學(xué)改革研究中具有重要意義和實(shí)踐價(jià)值。

2? 植物群落設(shè)計(jì)虛擬化實(shí)踐研究

2.1? 植物可視化建模

本研究對(duì)哈爾濱地區(qū)常用的景觀樹種進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)園林植物的可視化，力求在今后的研究過程中構(gòu)建寒地城市常用園林植物的素材庫，以便進(jìn)行后續(xù)的植物景觀設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)方法探究。所使用的植物素材來源于對(duì)哈爾濱市公園綠地、附屬綠地中植物照片的采集，具體操作流程如下所述。

首先，在SpeedTree中搭建植物單體樹木模型，首先添加樹木主干，然后添加主枝和小枝，最后為樹木添加葉片，其流程如圖1所示。研究中，根據(jù)采集的植物照片和查閱的植物相關(guān)資料，利用SpeedTree軟件構(gòu)建了60種哈爾濱地區(qū)常見的園林植物模型。

2.2? 植物群落可視化

選取東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生樓南側(cè)入口的建筑附屬綠地作為研究對(duì)象，采用虛擬現(xiàn)實(shí)的方法對(duì)場(chǎng)地上的植物群落進(jìn)行景觀改造。從現(xiàn)狀照片和平面圖來看，研究生樓南側(cè)入口兩側(cè)建筑附屬綠地中的植物景觀有待改善：連翹與毛櫻桃之間缺少關(guān)聯(lián)，沒有形成統(tǒng)一感和韻律感;3株連翹被夾在紅皮云杉和研究生樓之間，其光照質(zhì)量、生長(zhǎng)空間和景觀效果均受到不同程度的影響;建筑前的紅皮云杉植株與窗戶的距離過近，幾年后植株長(zhǎng)大其體量會(huì)不同程度地影響建筑一層室內(nèi)的采光，而且紅皮云杉的夏天遮陽效果也較差，冬季還擋光;整形綠籬是鑰匙圖案，但位于研究生樓主入口，其種植形式及平面布局均與入口環(huán)境不太協(xié)調(diào)，具體效果如圖2、圖3所示。

實(shí)踐中，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與方法，對(duì)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生樓南側(cè)入口的建筑附屬綠地上的植物群落進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在研究生樓入口處，將貼近窗戶的云杉植株栽植位置進(jìn)行了距離調(diào)整，使其與窗戶保持5 m以上的距離或?qū)⒃粕贾仓赀M(jìn)行移植，同時(shí)將鑰匙構(gòu)圖的綠籬部分進(jìn)行移植處理，然后采用毛櫻桃、連翹等花灌木擬對(duì)稱的種植形式，以體現(xiàn)研究生樓建筑入口植物群落春花燦漫、夏蔭濃郁、秋色絢麗、冬景蒼翠的四季景觀效果。通過反復(fù)調(diào)整植物種植方法，使植物群落不斷優(yōu)化完善，進(jìn)而發(fā)揮出具體的生態(tài)和景觀效果。

3? 小結(jié)

VR技術(shù)是一種借助計(jì)算機(jī)及最新傳感器技術(shù)創(chuàng)造的一種新型的人機(jī)交互手段，以其獨(dú)特的沉浸式的體驗(yàn)感和可視化的操作過程等特點(diǎn)深得開發(fā)者和研究者的青睞，具有良好的發(fā)展前景和研究?jī)r(jià)值。而植物景觀設(shè)計(jì)作為園林景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中最主要的內(nèi)容之一，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和流程還存在一些問題。首先，植物景觀需要結(jié)合不同植物的生態(tài)、景觀、功能等多方面要素進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得植物景觀在設(shè)計(jì)過程中很難協(xié)調(diào)各方面要素之間的關(guān)系。其次，植物具有多樣的生長(zhǎng)變化特性，缺少相關(guān)工具的幫助，植物群落很難達(dá)到在時(shí)間維度和空間維度上的現(xiàn)實(shí)性和合理性。同時(shí)，植物景觀趨于模式化的設(shè)計(jì)流程限制了設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中的想象，而且方案的調(diào)整往往涉及平面圖、立面圖和效果圖的修改，耗費(fèi)了設(shè)計(jì)師大量的時(shí)間和精力。本研究將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于植物群落的景觀改造中，嘗試完成平面圖、立面圖、效果圖的一體化，省去了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中部分修改的設(shè)計(jì)流程，可為設(shè)計(jì)過程提供更高的靈活性。將植物景觀設(shè)計(jì)基本內(nèi)容和方法融入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，相關(guān)專業(yè)學(xué)生可以通過對(duì)可視化植物的交互操作了解植物的觀賞特性和生長(zhǎng)習(xí)性。同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有沉浸感的虛擬環(huán)境也更能吸引學(xué)生參與到植物群落的設(shè)計(jì)中，為風(fēng)景園林高等教育提供了新的方式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳? 冰.CES2016大盤點(diǎn)[J].新民周刊，2016（3）：100-101.

[2] KIM J. Modeling and optimization of a tree based on virtual reality for immersive virtual landscape generation[J].Symmetry，2016，8（9）：93.

[3] 宋? 蔚.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬實(shí)驗(yàn)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.

[4] 徐英瑾.虛擬現(xiàn)實(shí)：比人工智能更深層次的糾結(jié)[J].人民論壇，2016（24）：8-26.

[5] 胡小強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

[6] 李? 梅，朱紅旗，李先華.可視化與地理信息系統(tǒng)[J].東北測(cè)繪，2001，24（4）：13-20.

[7] 張? 暖，金? 剛，李? 丹.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)房地產(chǎn)開發(fā)三維可視化的研究和實(shí)踐[A].第十三屆華東六省一市測(cè)繪學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C].南京：江蘇省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)部，2001.

[8] 石冰輝.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的景觀仿真應(yīng)用研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

[9] 白鶴原.基于OSG的城市三維可視化系統(tǒng)研究[D].河南焦作：河南理工大學(xué)，2010.