VR技術(shù)在種植設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究
——以植物造景季相變化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例

邱 婷 陳祖建

(1.福建農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院環(huán)境設(shè)計(jì)系，福州 350100；2.福建農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院產(chǎn)品設(shè)計(jì)系，福州 350100)

植物是風(fēng)景園林設(shè)計(jì)要素中唯一具有生命力的元素，精心的種植設(shè)計(jì)能給場地帶來豐富的身心體驗(yàn)。由于植物生長是動態(tài)變化的過程，設(shè)計(jì)師不僅需要了解植物的造型、習(xí)性和功能，同時需要對植物分布區(qū)域、生長周期、季相變化等時空要素進(jìn)行設(shè)計(jì)預(yù)判，優(yōu)秀的種植設(shè)計(jì)師通常具備多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)有的植物造景空間效果在設(shè)計(jì)階段的呈現(xiàn)通常是用Auto CAD、Photoshop、Sketch Up、3D、Lumion、Arc GIS等平面和三維設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)空間要素的表達(dá)和分析[1]。然而傳統(tǒng)植物造景展示方法存在不同季相效果混搭、植被空間層次難以準(zhǔn)確表達(dá)以及植物素材庫不全等缺點(diǎn)。通過融入虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，下文簡稱VR)技術(shù)，對三維地理場景、園林景觀設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和藝術(shù)性進(jìn)行全方位、無限制的觀察、體驗(yàn)和評價(jià)，可超越傳統(tǒng)種植設(shè)計(jì)時間和空間的限制，提升園林植物景觀虛擬展示效果，為用戶提供基于現(xiàn)實(shí)的完全仿真場景或純粹的虛擬場景沉浸式和交互式體驗(yàn)的新方案。

1 VR技術(shù)在園林設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用

VR技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用集中在動漫游戲、健康科學(xué)、工業(yè)制造業(yè)、影視娛樂、軍事應(yīng)用、教育及設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[2]。VR技術(shù)在園林設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用集中在對地形、植物、水體、建筑和構(gòu)筑物等的虛擬重構(gòu)和展示。如Kersten等利用HTC Vive設(shè)備和Unity3D游戲引擎完成了土耳其某人文景觀及建筑的重建和虛擬漫游[3]；王圣霖等人以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AugmentedReality，下文簡稱AR)技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了基于ipad運(yùn)行環(huán)境的景觀設(shè)計(jì)虛擬平臺APP[4]；周向戈等人基于Open Scene Graph(OSG)圖形渲染引擎，集成OculusRift虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，提出了參數(shù)化虛擬植被景觀構(gòu)建[5]；淮永建等人基于雙向散射分布函數(shù)BSDF的的物理渲染算法，建立了可漫游的虛擬花卉仿真系統(tǒng)[6]；聶勝軍等人將VR與BIM相結(jié)合應(yīng)用于海綿城市建設(shè)智慧工程[7]。由于植物的種類多樣性和形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，針對VR在種植設(shè)計(jì)中的三維重建和虛擬體驗(yàn)的系統(tǒng)化研究處于起步階段。

VR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)仿真、體驗(yàn)式學(xué)習(xí)、觀察學(xué)習(xí)、操作練習(xí)等方面具有明顯優(yōu)勢，在教育上能夠增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和興趣、促進(jìn)知識記憶和情境化學(xué)習(xí)[8]。目前VR技術(shù)在植物領(lǐng)域主要應(yīng)用于國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程建設(shè)中，旨在解決田野調(diào)查的難度、植物的多樣性認(rèn)知局限及植物生長動態(tài)變化過程的不可控等問題。主要圍繞植物分類學(xué)為基礎(chǔ)的形態(tài)特征識別、植物標(biāo)本制作以及不同生境下植物群落組成和分布統(tǒng)計(jì)等，如東北師范大學(xué)《森林木本植物群落特征調(diào)查方法訓(xùn)練虛擬仿真》、廈門大學(xué)《張江口紅樹林植物學(xué)實(shí)習(xí)虛擬仿真項(xiàng)目》、南京林業(yè)大學(xué)《南方山區(qū)淺層滑坡植物防治虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)《設(shè)施植物生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造與智能化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》、江西師范大學(xué)《植物分類學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目》等。此外圍繞植物生理學(xué)、分子生物學(xué)等方面如揚(yáng)州大學(xué)《被子植物營養(yǎng)器官建成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》、華中師范大學(xué)《蘭科植物傳粉與保護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目》、華南師范大學(xué)《光合作用光能的吸收、轉(zhuǎn)化及不同類型植物的光合測定與應(yīng)用的虛擬仿真》等虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目。關(guān)于種植設(shè)計(jì)方面的教學(xué)實(shí)踐有上海應(yīng)用科技大學(xué)《園林植物種植設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》，圍繞城市公共綠地設(shè)計(jì)展開，提出構(gòu)建關(guān)聯(lián)屬性的植物模型庫，將植物種植設(shè)計(jì)、分析與評價(jià)三個環(huán)節(jié)整合，屬于最早一批進(jìn)行種植設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的國內(nèi)高校。

2 植物造景虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中的許多環(huán)節(jié)都與三維虛擬技術(shù)密切相關(guān)，VR技術(shù)構(gòu)建三維模型不僅能夠向用戶提供大量的現(xiàn)實(shí)信息，還能讓用戶感受到身臨其境的沉浸感[9]。植物造景主要內(nèi)容涉及植物種類的認(rèn)知以及植物與景觀要素相互融合設(shè)計(jì)的方法等基本知識，是環(huán)境設(shè)計(jì)專業(yè)、園林、風(fēng)景園林和城鄉(xiāng)規(guī)劃等專業(yè)的重要專業(yè)技能，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握環(huán)境氛圍營造的科學(xué)性和藝術(shù)性。由于常用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件無法對植物季相變化、生態(tài)習(xí)性和苗木市場情況進(jìn)行分析，導(dǎo)致學(xué)生植物造景重視藝術(shù)效果而忽略科學(xué)性、文化性和經(jīng)濟(jì)性；植物季相隨著季節(jié)的變化而變化，大學(xué)課堂教學(xué)不可能根據(jù)季節(jié)的變化來分割設(shè)置單門教學(xué)課程；學(xué)生隨課堂教學(xué)難以完全掌握植物季相變化知識，而且調(diào)研考察成本較高難度較大；傳統(tǒng)的課程評價(jià)主要針對設(shè)計(jì)圖紙中植物造景效果的呈現(xiàn)，具有主觀性，教師無法對每位學(xué)生的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行實(shí)時評價(jià)和指導(dǎo)。植物造景虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究正是針對這些問題展開。

2.1 教學(xué)內(nèi)容

目前三維可視化與人工智能技術(shù)在種植設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用處于技術(shù)研發(fā)起步階段，總體表現(xiàn)單一，價(jià)格偏高。通過調(diào)研國內(nèi)園林景觀設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)師對VR技術(shù)在種植設(shè)計(jì)中的應(yīng)用需求，以VR在種植設(shè)計(jì)時空維度上的突破為亮點(diǎn)，聚焦城市更新中城鎮(zhèn)老舊小區(qū)綠化改造問題，探討基于關(guān)聯(lián)屬性植物庫的，集簡便的植物種植設(shè)計(jì)、計(jì)量化分析和開放的評價(jià)體系于一體的VR技術(shù)應(yīng)用。

以福建農(nóng)林大學(xué)藝術(shù)學(xué)院園林學(xué)院(合署)現(xiàn)有數(shù)字創(chuàng)意設(shè)計(jì)虛擬仿真中心為平臺，《環(huán)境綠化設(shè)計(jì)與應(yīng)用》、《植物造景》、《園林植物》等課程為依托，研究植物景觀整體構(gòu)建與虛擬展示的原理和方法。通過模型關(guān)聯(lián)植物屬性，整合種植設(shè)計(jì)、分析與評價(jià)三個環(huán)節(jié)，推動高校種植設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與應(yīng)用。

2.2 技術(shù)關(guān)鍵

該實(shí)驗(yàn)使用Unreal Engine4作為主要開發(fā)引擎，依托3D仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合3ds Max、Maya、Z Brush、Unreal Development Kit、Substance Painter等開發(fā)工具制作虛擬空間場景和植物多維度空間信息庫，形成具有良好的自主性、交互性和可擴(kuò)展性的應(yīng)用架構(gòu)。

平臺架構(gòu)分為三層，每一層都為其上層服務(wù)，采用CS、BS架構(gòu)相結(jié)合的架構(gòu)模式。數(shù)據(jù)中心基于MySQL對用戶信息、課程庫、典型實(shí)驗(yàn)庫、預(yù)習(xí)庫、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、模型全景庫、試題庫分別建立數(shù)據(jù)倉庫。支持層支持業(yè)務(wù)邏輯，分為安全管理、服務(wù)容器、數(shù)據(jù)管理和域管理，支撐用戶訪問和后臺分析；通用服務(wù)層即開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺提供教學(xué)教務(wù)信息管理、仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容管理和班級管理服務(wù)；仿真層通過搭建虛擬場景，來模擬滿足實(shí)驗(yàn)要求的住宅小區(qū)植物造景。通過遠(yuǎn)程服務(wù)器執(zhí)行構(gòu)建建模、網(wǎng)頁源碼構(gòu)建和元數(shù)分析，最終將實(shí)時渲染的精美畫面呈現(xiàn)到用戶終端；應(yīng)用層通過業(yè)務(wù)邏輯對虛擬場景、虛擬角色、進(jìn)行業(yè)務(wù)流程塑造，模擬住宅小區(qū)植物造景虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場景。整體架構(gòu)的優(yōu)勢在于可以將不同的業(yè)務(wù)或?qū)嶒?yàn)內(nèi)容通過統(tǒng)一的平臺架構(gòu)構(gòu)建于應(yīng)用架構(gòu)之上，基于平臺架構(gòu)可以在應(yīng)用架構(gòu)上無限擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，直到完成虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建，如圖1所示。

我國是植物種類最豐富的國家之一，已記載的高等植物約3萬種。英國著名植物學(xué)家、博物學(xué)家威爾遜于20世紀(jì)初就提出“中國乃世界花園之母”。由于園林植物種類豐富、特征多樣，對每樣植物進(jìn)行三維建模并兼顧季相效果是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件需要滿足多人數(shù)同步在線操作的流暢性，軟件大小有限。因此根據(jù)植物樹形結(jié)合季相效果進(jìn)行植物空間數(shù)據(jù)參數(shù)化管理，分為卵圓形、傘形、棕櫚形、匍匐形、球形等，如圖2所示。

圖2 植物模型庫示例

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式使學(xué)生在課堂中參與到以前根本無法體驗(yàn)的教學(xué)情境中，獲得與真實(shí)情境中相差無幾的學(xué)習(xí)效果，而基于大數(shù)據(jù)的人工智能、互聯(lián)網(wǎng)群體智能、跨媒體智能、人機(jī)混合增強(qiáng)智能和自主智能系統(tǒng)等則是未來設(shè)計(jì)教育的發(fā)展方向[10]。該研究依托福建省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程：住宅小區(qū)植物造景虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目展開，在線教學(xué)網(wǎng)址：https://ndlh.ll3d.com/cms。

3.1 教學(xué)方法

采用“情景式”“研究式”和“交互式”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)法。通過軟件中的虛擬場景、虛擬布置與設(shè)計(jì)等情景化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，設(shè)置多個互動環(huán)節(jié)，加深學(xué)生對城鎮(zhèn)老舊小區(qū)綠化改造的原則和設(shè)計(jì)要點(diǎn)的理解和掌握，彌補(bǔ)場地調(diào)研不充分，植物了解不全面以及植物造景效果難以評估等問題。

3.1.1 “情景式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)法

傳統(tǒng)課堂設(shè)計(jì)常在二維的紙界面，導(dǎo)致學(xué)生常將植物最佳的觀賞效果在圖紙上集中呈現(xiàn)而忽略了季相變化。該實(shí)驗(yàn)通過虛擬仿真技術(shù)模擬真實(shí)小區(qū)場景，對植物季相景觀進(jìn)行動態(tài)展示，為學(xué)生提供沉浸式植物造景體驗(yàn)，體會寓教于樂的學(xué)習(xí)方式。

3.1.2 “交互式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)法

實(shí)驗(yàn)按照種植設(shè)計(jì)流程逐步操作，使學(xué)生掌握植物造景的整個設(shè)計(jì)流程。并在操作中嵌入知識點(diǎn)和錯誤提示分析，增加互動性。軟件中設(shè)置了交流展廳，學(xué)生可以看到其他同學(xué)的種植效果，進(jìn)行師生互動點(diǎn)評交流。

3.1.3 “研究式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)法

植物造景強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性和經(jīng)驗(yàn)積累，由于場地、經(jīng)費(fèi)、時間等原因，傳統(tǒng)教學(xué)無法對每位學(xué)生的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行實(shí)時指導(dǎo)和充分評價(jià)。通過實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生可對植物觀賞特性、生態(tài)習(xí)性和種植合理性進(jìn)行綜合分析，加深對植物造景的理解。

3.2 交互性操作步驟

該實(shí)驗(yàn)涉及種植設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性知識和綜合性應(yīng)用，通過實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)完成原理認(rèn)知，應(yīng)用環(huán)節(jié)包括設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、方案設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證三部分，共計(jì)10個步驟，如表1所示。

表1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)用時及考核打分表

3.2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段

“場地調(diào)研”“種植策略”“春季季相”“夏季季相”“秋季季相”“冬季季相”六個步驟，是開始植物造景設(shè)計(jì)前的知識點(diǎn)學(xué)習(xí)與考核，通過這幾個步驟為后續(xù)的方案設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行鋪墊。

步驟1：場地調(diào)研

點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)入口開始實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入老舊小區(qū)場景，與場景內(nèi)多個場所進(jìn)行互動，實(shí)景調(diào)研并收集場地存在的問題。在場地調(diào)研中穿插課程思政內(nèi)容，從我國園林植物資源及其對世界園林的貢獻(xiàn)，植物從形態(tài)美到人格化的意境美以及植物的生態(tài)價(jià)值及環(huán)境設(shè)計(jì)工作者的社會責(zé)任意識等方面展開。

步驟2：種植策略

居住區(qū)綠化主要體現(xiàn)以下種植策略：盡量采用鄉(xiāng)土樹種和避免使用有毒、多刺的植物；考慮喬木、灌木、地被多層次種植；注重有色植物季相色彩搭配的愉悅性，春、夏、秋、冬呈現(xiàn)的色彩使人產(chǎn)生愉悅性；以人為本原則；進(jìn)行主題性的植物配置，該步驟通過答題完成知識點(diǎn)學(xué)習(xí)。

步驟3：春季季相

很多植物的花期在春季，花成了春季觀賞的重點(diǎn)，按開花顏色可分為4個系列。白色系列，如白蘭花、白玉蘭、廣玉蘭、流蘇、含笑、珍珠梅等；紅色系列如榆葉梅、碧桃、海棠、櫻花、山茶、瑞香、紅千層、紅花羊蹄甲等；黃色系列如云南黃素馨、金鐘花、迎春、棣棠、連翹、黃花風(fēng)鈴木等；藍(lán)紫系列主要有紫藤、翠蘆莉、藍(lán)花楹、葉子花、紫玉蘭、紫荊、紫丁香等，該步驟讓學(xué)生掌握了植物在春季的觀花特性。

步驟4：夏季季相

夏季也有很多開花的植物，部分植物的花期可延續(xù)到初秋。夏花植物主要有木槿、白蘭花、石榴、紫薇、扶桑、梔子花、合歡、鳳凰木、荷花、廣玉蘭、葉子花、雞蛋花等，該步驟讓學(xué)生掌握了植物夏季的觀花及觀葉特性。

步驟5：秋季季相

常見的秋色葉呈現(xiàn)紅色的有重陽木、烏柏、楓香、五角楓、石楠等；呈現(xiàn)黃色或黃褐色的植物有欒樹、楓香、銀杏、無患子、鵝掌楸等；秋葉呈現(xiàn)紅褐色的有水杉、水松、池杉。無論是城市園林還是風(fēng)景區(qū)，秋色葉樹種都可以極大地豐富景觀的季相色彩，形成壯觀的秋景，該步驟讓學(xué)生掌握了植物秋季的觀果及觀葉特性。

步驟6：冬季季相

冬季落葉植物與常綠的觀花、觀葉植物進(jìn)行合理的搭配，營造出具有四時變化的植物景觀，該步驟讓學(xué)生掌握了植物冬季的觀干及觀花特性。

“種植策略”“春季季相”“夏季季相”“秋季季相”“冬季季相”五個步驟，是開始植物造景設(shè)計(jì)前的知識點(diǎn)學(xué)習(xí)與考核，通過這幾個步驟為后續(xù)的方案設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行鋪墊。

3.2.2 方案設(shè)計(jì)階段

分為“季相構(gòu)建”和“種植設(shè)計(jì)”兩個步驟，在掌握基礎(chǔ)知識點(diǎn)以后，針對場地調(diào)研過程發(fā)現(xiàn)的問題，合理選擇植物進(jìn)行種植設(shè)計(jì)。

步驟7：季相構(gòu)建

通過季節(jié)切換工具，預(yù)覽不同樹種在不同季節(jié)下的生長情況，結(jié)合植物信息庫中相關(guān)屬性挑選樹種，構(gòu)建喬灌草混合、常綠落葉比例合理以及兼顧季相搭配的樹種名錄。

步驟8：種植設(shè)計(jì)

種植設(shè)計(jì)步驟可在小區(qū)場景中的多個功能區(qū)域里，自由擺放和移除植物模型進(jìn)行植物造景設(shè)計(jì)，并可以切換季節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)預(yù)覽。

3.2.3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段

分為“季相平衡”與“季相評價(jià)”兩個步驟，是針對初步設(shè)計(jì)在樹種選擇和空間布局上存在的不足進(jìn)行設(shè)計(jì)完善，最終完成設(shè)計(jì)。

步驟9：季相平衡

通過沉浸式漫游體驗(yàn)多個種植區(qū)域在不同季節(jié)所呈現(xiàn)的季相景觀，幫助學(xué)生尋找設(shè)計(jì)過程中的不足，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

步驟10：季相評價(jià)

統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)方案中的植株數(shù)量，生成苗木表和量化指標(biāo)表，并對各個區(qū)域的設(shè)計(jì)方案編寫設(shè)計(jì)說明，最后上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告后，展示實(shí)驗(yàn)操作成績，如圖3所示。通過以上操作步驟，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注植物季相效果及搭配，系統(tǒng)性掌握住宅小區(qū)植物造景的步驟方法，相比傳統(tǒng)教學(xué)，學(xué)生在教學(xué)靈活性、互動性和參與度方面反饋良好。

4 結(jié)語

將VR技術(shù)應(yīng)用于種植設(shè)計(jì)并融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，具有現(xiàn)實(shí)意義。

4.1 與國家全面推進(jìn)老舊小區(qū)改造政策相適應(yīng)，滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)社會需求

城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造是重大民生工程和發(fā)展工程，對滿足人民群眾美好生活需要和推進(jìn)城市更新具有十分重要的意義。對老舊小區(qū)環(huán)境改造建設(shè)是滿足居民改善型生活需求的主要內(nèi)容之一，也是建設(shè)美麗中國的重要組成部分。因此，培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)下社會經(jīng)濟(jì)、環(huán)境發(fā)展需要的環(huán)境設(shè)計(jì)創(chuàng)新型人才，對加強(qiáng)公共空間共建共享，建設(shè)人與自然和諧相處的幸福家園具有重要意義。

4.2 打破設(shè)計(jì)教學(xué)局限性，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)解決傳統(tǒng)教學(xué)難題

針對傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)重藝術(shù)性，輕科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性的痛點(diǎn)，圍繞季相變化為核心知識點(diǎn)展開實(shí)驗(yàn)教學(xué)，解決傳統(tǒng)教學(xué)“難以想象”“難以落地”和“難以評價(jià)”的問題。

圖3 實(shí)驗(yàn)操作步驟

4.3 突出“課程思政理念”和“學(xué)習(xí)成效驅(qū)動”的教育理念

融入城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造、城市“拆墻透綠”綠化工程、小區(qū)垃圾費(fèi)分類回收點(diǎn)和晨、晚練點(diǎn)綠化改善等民生工程，挖掘植物傳統(tǒng)文化精神，通過植物造景改善人居環(huán)境，有效激發(fā)學(xué)生專業(yè)興趣和社會責(zé)任感。