孫漪南 李方正 李 雄

北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083

VR技術(shù)在城市綠化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用?
——以風(fēng)景園林為例

孫漪南 李方正 李 雄

北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083

隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展，技術(shù)門檻不斷下降，使更多風(fēng)景園林工作者開始使用這一蓬勃發(fā)展的技術(shù)。文章對(duì)VR技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并針對(duì)風(fēng)景園林設(shè)計(jì)、風(fēng)景園林教育和風(fēng)景園林研究這3個(gè)方面與VR技術(shù)結(jié)合的可能性進(jìn)行了探索，探討了如何利用VR技術(shù)來促進(jìn)城市綠化設(shè)計(jì)的發(fā)展，為各位同行起到拋磚引玉的作用。

VR，風(fēng)景園林設(shè)計(jì)，風(fēng)景園林教育，風(fēng)景園林研究

VR(Virtual Reality)是虛擬現(xiàn)實(shí)的英文簡(jiǎn)稱。它是一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，并與相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)相結(jié)合，生成一個(gè)一定范圍的真實(shí)環(huán)境，在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境。通過借助必要的裝備，用戶便可以與數(shù)字化環(huán)境中的虛擬對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，產(chǎn)生親臨對(duì)應(yīng)真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)的技術(shù)[1]。隨著VR技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備的不斷便捷化、低成本化，VR領(lǐng)域于2016年進(jìn)入了“VR商用元年”[2]，越來越多的廠商開發(fā)便攜式、低成本的VR體驗(yàn)設(shè)備，VR技術(shù)也逐漸走入尋常人家，更多的行業(yè)也開始研究如何與VR技術(shù)相結(jié)合，利用VR技術(shù)改變行業(yè)的發(fā)展。如今，VR技術(shù)在風(fēng)景園林領(lǐng)域的應(yīng)用也開始逐漸興起。本文將從風(fēng)景園林設(shè)計(jì)、風(fēng)景園林教育與風(fēng)景園林研究3個(gè)方面來探討VR技術(shù)與傳統(tǒng)風(fēng)景園林領(lǐng)域的融合可能性。

1VR技術(shù)概況

1.1VR技術(shù)的發(fā)展

自從1929年發(fā)明了第一個(gè)具有飛行感覺體驗(yàn)的飛行模擬器[1]，人類進(jìn)行現(xiàn)實(shí)模擬的腳步從未停歇。1989年，Lanier首次提出了Virtual Reality一詞，并被大家普遍接受。隨著20世紀(jì)90年代后計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，VR的發(fā)展步入了快車道。1993年，Heim在其著作《Metaphysics of Virtual R eality》中提出了包括模擬性、交互作用、人工現(xiàn)實(shí)、沉浸感、遙在、全身沉浸和網(wǎng)絡(luò)通信7個(gè)VR特征[1]。目前，VR的發(fā)展一方面朝著高精尖仿真應(yīng)用方向(如航空航天、軍事模擬、手術(shù)模擬等)，另一方面則朝著民間娛樂的民用商業(yè)方向發(fā)展(如電子游戲、電影、全景直播等)[3]。VR技術(shù)兩條線共同發(fā)展與風(fēng)景園林的發(fā)展方向產(chǎn)生了交點(diǎn)，越來越多的同行開始嘗試使用VR技術(shù)來從事風(fēng)景園林設(shè)計(jì)與研究。

1.2VR技術(shù)流程

VR技術(shù)是參照真實(shí)的世界而模擬、仿真出一個(gè)與真實(shí)世界相接近的假想世界，并通過用戶與假想世界的操作和交互，體驗(yàn)一種在真實(shí)世界的感覺，甚至能夠?qū)φ鎸?shí)世界產(chǎn)生影響。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心為對(duì)模擬真實(shí)世界的建模、模擬真實(shí)世界的表現(xiàn)、用戶與虛擬世界的交互3個(gè)步驟。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，建模的方法與軟件日益豐富，對(duì)真實(shí)情況的還原也日益提高。目前建模的常用手法有結(jié)合3D掃描儀、360°攝影機(jī)等對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行測(cè)量掃描的數(shù)字測(cè)量法，利用物理仿真數(shù)學(xué)計(jì)算而進(jìn)行建模的數(shù)字生成法和利用計(jì)算機(jī)建模軟件(如Auto CAD、Revit、Sketchup)進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模的人工建模法[1]。其中，在風(fēng)景園林領(lǐng)域常用的為人工建模法及數(shù)字測(cè)量法。

當(dāng)建立起虛擬世界的模型之后，為了能夠形成與真實(shí)世界貼近的逼真效果，需要對(duì)建立的模型進(jìn)行渲染處理，并導(dǎo)入VR展示設(shè)備進(jìn)行表達(dá)，使觀看的用戶具有置身真實(shí)世界的沉浸感。目前，利用計(jì)算機(jī)設(shè)備可以對(duì)光線、物理運(yùn)動(dòng)軌跡、復(fù)雜的紋理、自然景物等進(jìn)行極為真實(shí)的模擬；同時(shí)也可以利用圖像(如全光函數(shù)、全景圖、分層深度圖像等)生成技術(shù)，較為便捷地對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行模擬和展示[1]。其中全景圖無論在拍攝、渲染表達(dá)均便捷方便，已經(jīng)在道路評(píng)價(jià)、三維數(shù)字展示等領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用[4-5]。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于聲音、觸覺、味覺等其他感知的表達(dá)技術(shù)也在不斷地進(jìn)步和發(fā)展，以期能夠全方位對(duì)真實(shí)的環(huán)境進(jìn)行模擬和還原。

如果僅僅能夠?qū)φ鎸?shí)環(huán)境進(jìn)行仿真模擬，那只是一種3D場(chǎng)景展示。當(dāng)用戶與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互時(shí)，才能夠展現(xiàn)出VR技術(shù)真實(shí)的魅力。通過VR設(shè)備，用戶可以觸碰虛擬世界內(nèi)的物體、可以操作虛擬世界中的機(jī)關(guān)來產(chǎn)生一系列的變化。使用戶好像真的置身“真實(shí)世界”一般。Google公司開發(fā)的一款名為Tilt Brush的軟件，就將VR控制器作為畫筆，使用戶可以在虛擬世界中進(jìn)行創(chuàng)作立體作品，甚至可以與自己創(chuàng)作的作品進(jìn)行互動(dòng)。

2VR在風(fēng)景園林領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著VR的發(fā)展，使技術(shù)、成本門檻變得越來越低，風(fēng)景園林行業(yè)享受VR技術(shù)紅利的機(jī)會(huì)也越來越多。VR技術(shù)對(duì)于虛擬世界、空間感的良好模擬以及交互操作等優(yōu)點(diǎn)可以極大地簡(jiǎn)化風(fēng)景園林領(lǐng)域存在的一些難解問題。

2.1 在風(fēng)景園林設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1.1 現(xiàn)狀調(diào)研

現(xiàn)狀調(diào)研是設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)工作開展的基礎(chǔ)，需要對(duì)設(shè)計(jì)場(chǎng)地現(xiàn)狀進(jìn)行充分的了解和記錄?，F(xiàn)階段設(shè)計(jì)師們比較常見的記錄手法為相機(jī)拍照和文字記錄，同時(shí)結(jié)合一些甲方提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這種方法雖然可以較為完整地了解現(xiàn)狀情況，但是由于拍照記錄信息數(shù)量有限，設(shè)計(jì)師離開現(xiàn)場(chǎng)后難免會(huì)出現(xiàn)遺忘現(xiàn)場(chǎng)細(xì)節(jié)、對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)空間感受模糊等問題，這些對(duì)后期的設(shè)計(jì)造成了一定的影響，并有可能需要設(shè)計(jì)師多次前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏查和記錄。利用360°攝像機(jī)可全方位記錄場(chǎng)地的信息，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)軟件(pano2、PanoramaStudio等)進(jìn)行處理，形成可漫游的全景圖?；?qū)⒄掌蟼髦羨ww.720yun.com等全景圖云網(wǎng)站，形成可在線瀏覽的全景圖，并可以通過網(wǎng)站的路徑功能，設(shè)置不同全景圖場(chǎng)景之間連接關(guān)系，形成一個(gè)連續(xù)的全景圖瀏覽路徑。當(dāng)設(shè)計(jì)師離開現(xiàn)場(chǎng)后，只要登錄自己的賬號(hào)，隨時(shí)利用自己的手機(jī)搭載VR頭顯設(shè)備觀看自己拍攝的全景圖，并根據(jù)自己設(shè)置的路徑來對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行瀏覽。若將攝像機(jī)與無人機(jī)進(jìn)行搭載，可實(shí)現(xiàn)多角度全面的信息提取，同時(shí)也可以觀測(cè)到一些人難以到達(dá)的區(qū)域，保證了場(chǎng)地內(nèi)部信息的全紀(jì)錄[6]。逼真的場(chǎng)景展示、還原的空間感受都能夠隨時(shí)為設(shè)計(jì)師回想現(xiàn)場(chǎng)細(xì)節(jié)提供充分的支持。

2.1.2 設(shè)計(jì)推敲

在設(shè)計(jì)過程中，目前最為常用的方案推敲手段為草圖、建工作模型等手法。利用計(jì)算機(jī)輔助建造技術(shù)雖然可以十分便捷地建造出工作模型來推敲方案，但是設(shè)計(jì)師仍處于設(shè)計(jì)空間外圍對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行推敲。經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師可以憑借長時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)積累，通過平面圖與工作模型來想象實(shí)際建成后的空間開合關(guān)系、對(duì)位關(guān)系、高低關(guān)系等，但對(duì)工作經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)師來說，仍有一定困難。而利用VR表現(xiàn)平臺(tái)，將建成的工作模型進(jìn)行一定的渲染與處理，導(dǎo)入VR頭顯設(shè)備，可以讓設(shè)計(jì)師從“空間之外”來到設(shè)計(jì)場(chǎng)地“空間之內(nèi)”。能夠身臨其境的感受自己的設(shè)計(jì)成果，十分直觀地看到未來建成的效果。利用VR的漫游技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以在自己設(shè)計(jì)的場(chǎng)地之中進(jìn)行移動(dòng)，多角度多方位地觀察自己的設(shè)計(jì)作品，驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)意圖是否實(shí)現(xiàn)。隨著VR軟件的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)師甚至可以現(xiàn)場(chǎng)修改自己的設(shè)計(jì)作品，以達(dá)到最優(yōu)的效果。

2.1.3 設(shè)計(jì)表現(xiàn)

設(shè)計(jì)表現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程中也是十分重要的步驟，是設(shè)計(jì)師將自己的想法通過直觀的形式，呈現(xiàn)給甲方和業(yè)主。目前主流的展示方法包括彩色平面圖、全局鳥瞰圖、局部效果圖、漫游動(dòng)畫等。這些表現(xiàn)手法各有各的優(yōu)點(diǎn)，但是也有各自的局限。部分非專業(yè)的甲方或業(yè)主，很多時(shí)候并不能對(duì)設(shè)計(jì)成果有全方位的認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)師可以將設(shè)計(jì)模型通過多種軟件平臺(tái)(如UC-WIN-ROAD、Lumion、Virtools、Quest3d，Converse3D)加以渲染表現(xiàn)[7]，并置入頭顯設(shè)備使甲方或業(yè)主可以在模型中漫游，好似置身于真實(shí)場(chǎng)景之中，親身感受設(shè)計(jì)的不同角度和不同方面。同時(shí)，還可以在漫游時(shí)設(shè)置游覽路徑，使甲方和業(yè)主可以按照自己日常行走習(xí)慣來“參觀”設(shè)計(jì)成果，具有強(qiáng)烈的直觀感受。這樣便于甲方理解設(shè)計(jì)師的意圖，能夠平等地與設(shè)計(jì)師交流設(shè)計(jì)想法，使最后建成的設(shè)計(jì)成果達(dá)到多方滿意的效果。

2.2 在風(fēng)景園林教育中的應(yīng)用

VR技術(shù)目前已經(jīng)逐漸被應(yīng)用到教學(xué)領(lǐng)域中，如郭勇陳等將VR技術(shù)應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)管理類實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中[8]。北京印刷學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院基于3DVIA Virtools平臺(tái)開發(fā)的“現(xiàn)代印刷機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)”取代價(jià)格昂貴的實(shí)體機(jī)器，仿真真實(shí)印刷機(jī)工作流程，以便學(xué)生可以了解印刷機(jī)內(nèi)部構(gòu)造與印刷原理。風(fēng)景園林教育是培養(yǎng)未來風(fēng)景園林人才的重要途徑，而設(shè)計(jì)教學(xué)需要調(diào)動(dòng)學(xué)生想象力，例如設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生需要學(xué)習(xí)掌握的如空間感、距離感、平面立面轉(zhuǎn)換能力、想象力等素養(yǎng)，這些抽象的、感知層面的內(nèi)容很難僅憑借教師的圖畫和語言來描述。這就造成許多學(xué)生在早期學(xué)習(xí)的過程中因?qū)臻g認(rèn)知能力差、立體想象力不足等問題而對(duì)設(shè)計(jì)無從下手，也不知道什么樣的設(shè)計(jì)是更好的設(shè)計(jì)，也就是大家常說的“入門難”的問題?；赩R對(duì)于空間的還原與虛擬建模功能，可以作為教學(xué)輔助道具來訓(xùn)練學(xué)生對(duì)于空間的感知力和三位空間與平面轉(zhuǎn)換能力，能夠在入門教學(xué)的時(shí)候更加直觀、有效地培養(yǎng)學(xué)生們的設(shè)計(jì)感覺。

風(fēng)景園林設(shè)計(jì)師是創(chuàng)造和設(shè)計(jì)空間的職業(yè)，組合不同類型空間以產(chǎn)生豐富的體驗(yàn)感是風(fēng)景園林設(shè)計(jì)師的基本素養(yǎng)之一。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師會(huì)運(yùn)用多種方法來圍合、創(chuàng)造空間的情況(植物、墻、建筑等)。而初學(xué)者往往不具備空間想象力，很難理解教師口中所說的“空間圍合”“空間轉(zhuǎn)換”含義，也很難理解構(gòu)筑物或植物的不同擺放位置會(huì)對(duì)空間造成什么樣的影響。VR的空間體驗(yàn)特性，可以通過讓學(xué)生親身感受不同狀態(tài)空間場(chǎng)景，來向其傳達(dá)不同的空間信息，讓其通過自己的感受來理解不同空間性質(zhì)的區(qū)別和差異。同時(shí)，也可以利用VR的交互性功能(如使用Tilt Brush軟件)，讓學(xué)生親自在空間中營造，去感受不同材質(zhì)、不同高度、不同布局對(duì)空間感受產(chǎn)生的變化。這種直觀而具有互動(dòng)性的教學(xué)手法可以迅速提高初學(xué)者的空間感受能力。如果結(jié)合平面圖與對(duì)應(yīng)的立體模型，還可以進(jìn)行學(xué)生對(duì)于平面圖讀圖能力的訓(xùn)練，使學(xué)生親身感受自己在具有比例的平面圖上所繪制的空間，在真實(shí)比例下會(huì)給人什么樣的空間感受。

2.3 在風(fēng)景園林研究中的應(yīng)用

2.3.1 遺產(chǎn)保護(hù)

對(duì)于遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，VR技術(shù)的應(yīng)用在國外開展較早。如2001年美國加州大學(xué)洛杉磯分校的Wiiliam·JePson帶領(lǐng)他的城市仿真團(tuán)隊(duì)在以色列戴維森展覽中心虛擬重建了古耶路撒冷聚落，使這個(gè)已經(jīng)消失的古代耶路撒冷風(fēng)貌得以重現(xiàn)[9]。2007年，法國建筑師Jean-Pierre·Houdin利用于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)Virtools實(shí)時(shí)3D解決方案幫助其建立了歷史上第一個(gè)解釋金字塔建造工法的理論[10]。目前，國內(nèi)也有很多遺產(chǎn)保護(hù)項(xiàng)目開始使用VR技術(shù)。例如惠山古鎮(zhèn)的保護(hù)開發(fā)項(xiàng)目中，利用VR技術(shù)建立了三位虛擬仿真系統(tǒng)[10]。在國家古村落名錄中，許多古村落也采用航拍、全景圖拍攝等多種技術(shù)，在www.720yun.com等網(wǎng)站為古村落建立VR視覺檔案，為古村落的研究和保護(hù)提供了豐富的資料，同時(shí)也為游客提前了解古村落遺址提供了良好的平臺(tái)。

2.3.2 風(fēng)景園林評(píng)價(jià)

風(fēng)景園林評(píng)價(jià)中比較核心的問題是通過何種方法可以將人們主觀情感量化，形成一套衡量景觀好壞的評(píng)價(jià)體系，因此常選擇采用將景觀場(chǎng)景拍成照片，進(jìn)行大量問卷調(diào)查的方式來獲得主觀評(píng)價(jià)傾向(如美景度法)。但是由于評(píng)價(jià)測(cè)試材料多為平面化的照片，這些評(píng)價(jià)很難對(duì)具有較強(qiáng)主觀感受的因素(如空間感受等)進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)，一張照片所能展現(xiàn)出的視角、內(nèi)容均十分有限，所展示出的內(nèi)容在一定程度上受到攝影師主觀好惡影響，因此無法真實(shí)展示一個(gè)場(chǎng)景所包含的全部信息。這些局限使得評(píng)價(jià)者很難對(duì)一個(gè)多維度的景觀場(chǎng)景進(jìn)行真實(shí)的評(píng)價(jià)。

利用VR全景圖技術(shù)進(jìn)行景觀視覺評(píng)價(jià)，一方面可以再現(xiàn)場(chǎng)景的真實(shí)空間感受，進(jìn)行平面照片所不便進(jìn)行的主觀感受因子的評(píng)價(jià)，還可以通過對(duì)360°場(chǎng)景的全方位還原來減少拍照者對(duì)測(cè)試過程的影響，從而提高測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性。此外，VR素材采集簡(jiǎn)單，通過前后左右上下6個(gè)方向拍攝的照片進(jìn)行拼合，或手持單個(gè)相機(jī)環(huán)繞一周360°采集圖像，即可攝取擁有重疊區(qū)域覆蓋水平360°方位的圖像。這使測(cè)試過程中需要觀看的場(chǎng)景數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于平面照片的數(shù)量，減少測(cè)試者工作量。另外，研究人員也可以通過觀測(cè)被試者在虛擬VR場(chǎng)景中的活動(dòng)，記錄其行為來分析研究景觀對(duì)于人活動(dòng)產(chǎn)生的影響，以及人們對(duì)于景觀的喜好傾向等。因此，VR技術(shù)在景觀評(píng)價(jià)中的應(yīng)用具有較為廣泛的前景，具有探討和研究價(jià)值。

3 展望

風(fēng)景園林的發(fā)展需要跟上時(shí)代的步伐，需要享受先進(jìn)技術(shù)帶來的紅利。目前，VR技術(shù)處于優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)都十分明顯的階段。優(yōu)點(diǎn)是我們現(xiàn)在已經(jīng)可以僅僅通過一部手機(jī)、一個(gè)簡(jiǎn)易VR頭顯設(shè)備就可以開展VR的研究工作；但是也不能長時(shí)間佩戴觀看，否則會(huì)產(chǎn)生眩暈和視覺疲勞，現(xiàn)行VR設(shè)備與傳統(tǒng)園林設(shè)計(jì)軟件之間需要進(jìn)行平臺(tái)轉(zhuǎn)換。同時(shí)，目前VR技術(shù)僅對(duì)空間感知及視覺模擬程度較好，如何實(shí)現(xiàn)同步的其他感知途徑的模擬仍處于研究狀態(tài)。

筆者認(rèn)為目前VR與風(fēng)景園林結(jié)合的關(guān)鍵是打通VR操作平臺(tái)與園林計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)之間的障礙，能夠?qū)崿F(xiàn)即時(shí)操作即時(shí)反饋的無縫銜接，成品的格式能夠得到共享，使VR技術(shù)可以銜接在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，建立一套全面的空間設(shè)計(jì)信息模型。目前，各個(gè)設(shè)計(jì)單位已經(jīng)出現(xiàn)了一些自行研發(fā)設(shè)計(jì)的平臺(tái)轉(zhuǎn)換途徑和軟件，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成為一套連貫的技術(shù)鏈條，VR仍被應(yīng)用于設(shè)計(jì)的最后一步——即展示環(huán)節(jié)。但是相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步與更新，能夠?qū)R技術(shù)融入城市綠化的各個(gè)領(lǐng)域，可以使設(shè)計(jì)更加直觀、讓表現(xiàn)更加真實(shí)、讓教育更加便捷、讓研究渠道更加豐富。

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Application of VR Technology to Urban Landscape Architecture

Sun Yinan Li Fangzheng Li Xiong
(School of Landscape Architecture，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China)

With the constant development of virtual reality(VR)technology，the technical threshold is declining.As the result，more landscape architects began to use VR technology.This paper briefly introduced the VR technology，and explored the possibility to use the VR in the field in terms of landscape architecture design，landscape architecture education and the research.The paper also discussed how to use VR technology to promote the development of the landscape design，with the aim to provide a reference for the colleagues to take further discussions.

virtualreality，landscapearchitecturedesign，landscapearchitectureeducation，landscape architecture research

10.3969/j.issn.1672-4925.2017.02.012

2016-09-17

國家自然科學(xué)基金“基于森林城市構(gòu)建的北京市生態(tài)綠地格局演變機(jī)制及預(yù)測(cè)預(yù)警研究”(31670704)

孫漪南(1988-)，女，博士，研究方向?yàn)轱L(fēng)景園林設(shè)計(jì)，E-mail:mhxiaojie＠bjfu.edu.cn

李雄(1964-)，男，教授，博導(dǎo)，副校長，研究方向?yàn)轱L(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐，E-mail:bearlixiong＠sina.com