基于3DMAX的交互式建筑園林景觀漫游設計

張娜 廉婕

摘? 要： 針對3DMAX軟件僅可展示靜態(tài)三維圖像，無法實現(xiàn)交互式建筑園林景觀漫游，提出基于3DMAX的交互式建筑園林景觀漫游設計方法。該方法將3DMAX，Photoshop以及Java3D三個平臺相結(jié)合，先采集建筑園林景觀基本信息、場景設計以及降本預設;再在3DMAX平臺通過建筑園林景觀的基礎建模、材質(zhì)貼圖以及燈光渲染和相機設定等過程實現(xiàn)3D可視化建模，利用Photoshop平臺通過編輯場景材質(zhì)以及制作界面實現(xiàn)建筑園林景觀的紋理處理;最終將視點變換公式與Java3D技術相結(jié)合，獲取交互式建筑園林景觀漫游算法。在Java3D平臺通過該算法設定行為腳本以及路徑實現(xiàn)交互式漫游，并在Windows 10系統(tǒng)中測試該方法，測試結(jié)果顯示，該方法滿足建筑園林景觀的交互式漫游需求，且操作界面簡單，漫游效果好。

關鍵詞： 交互式漫游; 自主模式設定; 園林景觀; 漫游設計; 信息采集; 可視化建模

中圖分類號： TN02?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）03?0036?04

Interactive architecture and garden landscape roaming design based on 3DMAX

ZHANG Na1， LIAN Jie2

（1. Hebei Polytechnic Institute， Shijiazhuang 050093， China; 2. Hebei Institute of Communications， Shijiazhuang 050093， China）

Abstract： 3DMAX software can only display static 3D images and cannot realize interactive roaming of architecture and garden landscape. In view of the above， an interactive architecture and garden landscape roaming design based on 3DMAX is proposed. This method combines the three platforms 3DMAX， PHOTOSHOP and Java 3D to collect basic information of architecture and garden landscape， scene design and cost reduction preset first， then realize 3D visual modeling by basic modeling， material mapping， lighting rendering and camera setting of the architecture and garden landscape on the 3DMAX platform， and realize the texture processing of the architecture and garden landscape by editing the scene material and creating the interface on the PHOTOSHOP platform. Finally， the viewpoint transformation formula and Java 3D technology are combined together to obtain an interactive architecture and garden landscape roaming algorithm， by which， the behavioral scripts and paths are set on the Java 3D platform for interactive roaming. The method was tested in the WINDOWS 10 system. The testing results show that the method can meet the interactive roaming requirements of the architecture and garden landscape， and the operation interface is simple and the roaming effect is good.

Keywords： interactive roaming; autonomic mode setting; garden landscape; roaming design; information acquisition; visualization modeling

0? 引? 言

園林景觀設計是建筑室外設計中的重要分支，在建筑空間環(huán)境中，通過園林藝術專業(yè)設計及技術，利用改造建筑空間內(nèi)植被種類、園林路徑等方法，設計與空間和人文環(huán)境相呼應的園林藝術[1]，使設計的建筑空間符合人類審美以及文化需求，且可滿足日常生活功能，維持生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。建筑園林景觀可直接體現(xiàn)設計者的審美觀念，且可間接體現(xiàn)社會發(fā)展的價值取向[2]。隨著人類步入21世紀，科技及社會不斷發(fā)展，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，人們漸漸重視建筑園林景觀設計的可持續(xù)發(fā)展。專家學者們將越來越多的技術應用于建筑園林景觀設計中，尤其是隨著3DMAX技術的不斷發(fā)展，人們更重視建筑園林景觀的交互性。設計師們將多種技術引入3DMAX軟件中，使建筑園林景觀設計方案以及最終設計效果在3DMAX軟件中直觀展現(xiàn)，最終呈現(xiàn)完美的建筑園林景觀設計方案。交互式漫游技術是最近幾年興起且發(fā)展飛速的技術，將3DMAX軟件與交互式漫游技術相結(jié)合，使建筑園林景觀設計中的建筑、植物以及水體等實物呈現(xiàn)良好的藝術性。3DMAX建模軟件具有逼真、精度高，且可兼容多種后期渲染以及漫游插件的優(yōu)勢，但該軟件僅可展示靜態(tài)三維圖像[3]，無法實施后期漫游。因此，提出基于3DMAX的交互式建筑園林景觀漫游設計方法，將3DMAX與Java3D相結(jié)合，實現(xiàn)建筑園林景觀的交互式漫游。

1? 建筑園林景觀漫游設計

基于3DMAX的交互式建筑園林景觀漫游設計主要通過3DMAX、Photoshop以及Java3D三個平臺實現(xiàn)[4]。建筑園林景觀漫游設計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1? 3DMAX可視化建模

在建筑園林景觀漫游設計中，選取3DMAX平臺實施3D可視化建模。在3D可視化建模過程中選取VRAY渲染器作為3DMAX平臺的渲染插件，通過VRAY渲染器中的材質(zhì)貼圖以及燈光增加3DMAX軟件的環(huán)境空間渲染能力，提升建筑園林景觀真實性。

3DMAX具有基礎建模、片面建模等多種建模方法，可通過倒角、切割、連接等眾多命令建立所需模型。建模時需先建立單獨建筑園林景觀模型，完成單獨模型建立后依據(jù)總體規(guī)劃平面圖實施整合，實現(xiàn)總體場景建模。

通過3DMAX建模前，需要通過AutoCAD軟件創(chuàng)作建筑景觀園林項目平、立、剖面詳圖[5]。通過AutoCAD所繪制整體規(guī)劃圖確定整體空間位置以及建筑物和園林景觀間聯(lián)系[6]。

將最終CAD平面圖導入3DMAX平臺中建立場景模型。為避免導入模型過程中出現(xiàn)錯誤，可將CAD平面圖以塊的形式保存，以減少不必要的場景數(shù)據(jù)并有效縮小文件。

將CAD平面圖導入后，以建立亭臺模型為例，首先需要確定亭臺高度和頂棚與亭臺頂點的角度以及距離，亭臺中的欄桿等異型模型，利用3DMAX平臺中的Spline命令通過線實施描邊以及編輯，確定最終花紋。利用Extrude命令將繪制完成的二維樣條轉(zhuǎn)換至三維立體模型，并通過Poly編輯命令建立最終三維具有花式欄桿的亭臺模型。通過以上過程，完整的亭臺基礎素模已經(jīng)建立完成，通過VRAY渲染器實施材質(zhì)渲染。

園林中景觀植物、石景、假山以及園林中服務設施等均可通過以上步驟實施[7?8]。由于本設計需要后期交互漫游，因此在建立模型過程中需要考慮各種元素的位置及其精確度[9]，且在建立模型過程中需要不停匹配以及對位，尤其是前景、中景以及后景均需要互相搭配[10]。

光是園林景觀中必不可少的元素[11]，將多種光源相結(jié)合，不僅形成園林景觀中的環(huán)境光，也對園林景觀環(huán)境實施渲染。通過VRAY渲染器對園林景觀燈光實施渲染，依據(jù)不同渲染需求設置燈光以及投射方式，在對所建立模型渲染時，需要一個主光源、對該場景補充的輔助光源以及可調(diào)整模型中物體明暗效果的底光。

完成3DMAX建模后，利用Photoshop平臺通過編輯場景材質(zhì)以及制作界面實現(xiàn)建筑園林景觀的紋理處理，再采用交互式建筑園林景觀漫游算法，利用Java3D平臺通過設定行為腳本以及路徑實現(xiàn)交互式漫游。

1.2? 交互式建筑園林景觀漫游

交互式漫游主要利用使用者的視角對場景實施三維轉(zhuǎn)換[12]，通過點擊鼠標以及鍵盤利用視角轉(zhuǎn)換獲取不同視覺感受，實現(xiàn)交互式漫游。

Java3D平臺中[x]軸以及[y]軸正方向分別為水平向右以及垂直向上，[z]軸方向為使用者觀察方向，在Java3D平臺中實施交互式漫游時[13]，園林場景中各元素與坐標相對位置固定，通過使用者轉(zhuǎn)換觀察方式。

交互式漫游技術中視點坐標位置如圖2所示。

通過圖2可以看出，視線與[z]軸負方向角度為90°以內(nèi)，當觀察視線從[O]點移動至[A]點時，觀察視線需要從點[O]依[x]軸負方向移動至點[C]再依[z]軸負方向移動至點[A]，移動過程中，滿足[OB=OAcos θ]，[OC=][OAsin θ]。設觀察原始視線為[x1，z1]，其至新坐標[x2，z2]點向前移動步數(shù)為[s]，可獲取公式如下：

觀察視線始于點[O]移動至點[E]，因[OE⊥OA]，可得[∠EOD=θ]，即：

設觀察原始視線為[x1，z1]，其至新坐標[x2，z2]點向左移動步數(shù)為[s]，可獲取公式如下：

同理可知，當[θ]存在于另三個象限時，設觀察原始視線為[x1，z1]，至新坐標[x2，z2]點向前移動步數(shù)為[s]，均可獲取式（1）。

當[θ]存在于另三個象限時，設觀察原始視線為[x1，z1]，至新坐標[x2，z2]點向左移動步數(shù)為[s]，均可獲取式（3）。

設觀察原始視線為[x1，z1]，其至新坐標[x2，z2]點向后移動步數(shù)為[s]，可獲取公式如下：

設觀察原始視線為[x1，z1]，至新坐標[x2，z2]點向右移動步數(shù)為[s]，可獲取公式如下：

通過以上公式可以看出，視點坐標隨觀察者視線改變而改變，且改變方向以及距離與實現(xiàn)移動方向以及距離相同[14]。

將以上視點變換公式與Java3D技術相結(jié)合[15]，獲取交互式建筑園林景觀漫游算法如下：

Proprietary transform group goal TG;

/*標記一個轉(zhuǎn)換組對象*/

Proprietary level angle = 0.0;

/*標記水平方向視線角度*/

Proprietary coordinate [ ] observer={_，_，_}

/*標記觀察視線坐標*/

Proprietary coordinate [ ] point ={_，_，_}

/*標記目標點坐標*/

Establishment 3D =new Establishment3D（）

/*新建三維目標*/

If（page front key）{

/*依據(jù)式（1）設置觀察視線以及觀察目標坐標*/

Observer[0]?= obtaincos（angle）;

Observer[2]?= obtainsin（angle）;

Point[0]?= obtaincos（angle）;

Point[2]?= obtainsin（angle）;

T.view（new point 3D （observer），new point 3D （point ），new vector 3D（{0，1，0}） ）;

The goal TG .put in transform（t）;}

If（page left key）{

/*依據(jù)式（3）設置觀察視線以及觀察目標坐標*/}

If（page back key）{

/*依據(jù)式（4）設置觀察視線以及觀察目標坐標*/}

If（page right key）{

/*依據(jù)式（5）設置觀察視線以及觀察目標坐標*/}

通過以上算法在Java3D平臺中設定行為腳本以及路徑實現(xiàn)交互式建筑園林景觀漫游。

2? 方法測試

選取Windows 10操作系統(tǒng)作為本文方法測試平臺，驗證基于3DMAX的交互式建筑園林景觀漫游設計方法的有效性。以某市某建筑園林景觀規(guī)劃區(qū)域為例，采用本文方法對該區(qū)域?qū)嵤┞卧O計。

設計技術后，在系統(tǒng)初始界面點擊“進入場景”按鈕，場景展示界面如圖3所示。

場景展示界面初始位置即交互式漫游起點位置，場景展示界面中有“操作說明”“回到原點”等導航按鈕，左下角設有漫游場景總體平面圖。

點擊“操作說明”導航按鈕后，系統(tǒng)界面圖如圖4所示。

通過操作說明界面圖展示漫游場景前進、后退等功能的操作按鍵，且用鼠標左鍵點擊顯示界面中鍵盤按鈕可修改功能操作鍵，為使用者操作提供方便。

點擊“自動模式”導航按鈕后，系統(tǒng)依據(jù)本文方法設定路徑自動實施場景漫游，漫游過程中場景截圖如圖5所示。

“自動模式”依據(jù)設定路線自動漫游，中途無法通過鍵盤改變路徑，按下“Esc”鍵系統(tǒng)會自動退出，返回初始位置界面。通過“自動模式”漫游演示該規(guī)劃區(qū)域整體場景，令使用者更直觀、清晰地觀察該場景總體園林景觀。

使用者通過“自主模式”實現(xiàn)建筑園林景觀場景交互，點擊“自主模式”導航按鈕后，通過操作按鍵在漫游場景中依據(jù)自主意愿控制漫游方向，實現(xiàn)園林景觀交互式漫游。在“自主模式”漫游過程中，出現(xiàn)低于視角的物體時，默認跨過該物體;出現(xiàn)高于視角的物體時，系統(tǒng)停止前進，使用者通過操作改變路徑繞過該物體，令使用者產(chǎn)生仿佛身臨其境的真實感受。“自主模式”視角圖如圖6所示。

通過Windows 10操作系統(tǒng)中的測試，詳細展示了本文方法的建筑園林景觀漫游設計交互性技術，體現(xiàn)本文方法良好的操作性能以及真實的漫游效果。將理論知識與實際操作相結(jié)合，實現(xiàn)本文方法交互式建筑園林景觀漫游設計。

為進一步測試本文方法的交互式漫游性能，將本文方法與相對坐標方法以及交互式遺傳方法對比。選取100名建筑園林景觀設計師通過三種方法對10個規(guī)劃區(qū)域設計，設計后令100名設計師對三種方法的“好感度”“操作靈敏度”以及“漫游效果”等評分指標進行評分，結(jié)果如表1所示。

100名建筑園林景觀設計師評價本文方法完成園林景觀漫游的各項評分均值為96.11分，分別高于采用相對坐標方法以及采用交互式遺傳方法7.28分以及10.75分，說明本文方法不僅具有較好的漫游性能以及交互體驗，且具有較高的用戶接受度，可應用于實際建筑園林景觀漫游中。

3? 結(jié)? 論

3DMAX因具有強大的建模能力被廣泛應用于建筑園林景觀設計中，本文將3DMAX，Photoshop以及Java3D三個平臺相結(jié)合，提出基于3DMAX的交互式建筑園林景觀漫游設計方法，并通過Windows 10操作系統(tǒng)對該方法測試。測試結(jié)果表明，本文方法操作界面清晰明了，漫游場景真實性強，且可通過鍵盤操作實現(xiàn)場景交互。選取100名建筑園林景觀設計師采用本文方法設計10個建筑園林景觀規(guī)劃區(qū)域，設計師評價本文方法的設計效果顯示，本文方法具有操作靈敏、便捷且交互性與漫游性較好的優(yōu)勢，可實現(xiàn)建筑園林景觀的交互式漫游。

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