胡海輝 于雷 馬珂馨 趙廣宇

摘要：隨著計算機技術的飛速發(fā)展，虛擬技術得到越來越多的重視，虛擬現(xiàn)實技術成為當下最熱門的技術之一。在論述植物景觀虛擬設計重要性的基礎上，分別介紹了虛擬現(xiàn)實技術和三維可視化技術，并結(jié)合東北農(nóng)業(yè)大學校園綠化植物群落設計實例進行虛擬現(xiàn)實技術理論與實踐研究的有機融合，以期為今后該校園林植物景觀設計課程教學質(zhì)量的進一步提升提供基本方法和思路。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術;植物可視化建模;植物群落可視化設計;植物景觀設計教學改革

中圖分類號：TU986.2? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）16-0080-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.018? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（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)字時代的到來，使得風景園林設計、景觀建筑設計和城市規(guī)劃設計等相關行業(yè)和領域都發(fā)生了翻天覆地的變化。如今，計算機輔助設計技術己經(jīng)深入到了整個園林景觀設計過程中。無論是AutoCAD、Sketchup、Photoshop、3dsMAX、Lumion或是其他輔助繪圖軟件，在方案設計、效果圖設計、植物種植設計中都給設計師帶來了便捷性，讓設計師能夠更加準確、直觀地表達自己的設計意圖及設計觀點，并且利用輔助制圖軟件的各種功能反復調(diào)整自己的設計方案使之趨于完美。隨著技術發(fā)展，一大波尖端科技競相涌現(xiàn)。2016年國際消費電子展（CES）于拉斯維加斯拉開序幕，CES匯集了當前世界上最優(yōu)秀的傳統(tǒng)消費類電子IT核心企業(yè)，其中虛擬現(xiàn)實技術、無人駕駛技術、人工智能技術、體感技術都是這次展會上的熱門[1]，不過相比而言，虛擬現(xiàn)實技術受到更多的關注。

目前，在國內(nèi)關于計算機技術輔助植物景觀設計的研究與教學實踐相對較少，這并不符合植物景觀在整個景觀中的價值和地位。植物生長受到外界環(huán)境中多種因素的影響，因此設計師在前期設計過程中很難協(xié)調(diào)植物景觀與方案設計本身的關系，更無法預測植物幾年后的生長狀態(tài)，從而導致多年后植物群落整體不協(xié)調(diào)，景觀效果達不到預期。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，導致多年后由于樹冠之間的交織影響植物的生長而不得不被砍伐，既造成了經(jīng)濟上的損失，又降低了植物景觀的觀賞價值。因此，在數(shù)字化時代的今天，如何利用現(xiàn)有的資源，將虛擬現(xiàn)實技術與園林植物景觀設計教學或科研相融合，為設計過程提供更直觀、更便捷的方法，為風景園林學生培養(yǎng)及行業(yè)人員與其他行業(yè)人員的溝通搭建橋梁，值得風景園林行業(yè)教育工作者和研究者探討。

國外關于虛擬現(xiàn)實技術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模擬或程序化建模方法研究和實踐。如Kim[2]提出了一種基于虛擬現(xiàn)實和實時渲染優(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。在此基礎上，提出了程序分支圖（PBG）算法，同時有效地生成了具有相似分支模式的不同植物。類似的相關技術和算法的研究還有很多，但對于植物景觀設計方法與虛擬現(xiàn)實技術結(jié)合的應用研究相對較少。雖然，國內(nèi)外關于虛擬現(xiàn)實技術的實踐應用研究都已具備一定的成果，但國外將虛擬現(xiàn)實技術應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)更廣的研究領域及業(yè)務范圍，包括城市改造、公園設計、建筑設計等具有分析和設計功能的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。而國內(nèi)的實踐研究多數(shù)是由各重點大學開發(fā)研究的基于分析和虛擬漫游功能的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，對基于園林植物景觀設計尤其在園林植物群落種植設計方面的開發(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)對于虛擬現(xiàn)實技術應用于園林植物景觀設計領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)實與三維可視化技術

1.1? 虛擬現(xiàn)實技術

VR（Virtual reality，即虛擬現(xiàn)實，簡稱VR）是由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（Jaron Lanier）在20世紀80年代初提出的。其具體內(nèi)涵是：綜合利用計算機圖形系統(tǒng)、多媒體技術、傳感器技術、三維仿真技術以及各種顯示和控制等接口設備，通過計算機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[3]。虛擬現(xiàn)實的核心要義就是對計算機數(shù)據(jù)進行可視化處理，以便實現(xiàn)人類主體在虛擬環(huán)境中與虛擬數(shù)字化對象的信息互動[4]。

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

1.2? 三維可視化技術

三維可視化技術就是將復雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形的技術。發(fā)展至今，它已經(jīng)為科研、教育、信息、地理、醫(yī)學等領域帶來了徹底的改變[6]。三維可視化技術也有狹義和廣義上的區(qū)分。狹義上的三維可視化技術的分類大體有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來實現(xiàn)的。廣義上的三維可視化技術應用分類包括表達可視化、分析可視化、過程可視化、設計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計過程可視化，利用數(shù)據(jù)資料的先進處理技術來實現(xiàn)園林植物景觀在虛擬環(huán)境中的設計過程和方法。

實物虛化是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的基礎。利用虛擬現(xiàn)實技術營造的虛擬環(huán)境，是需要基于真實的地理數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合計算機圖形技術創(chuàng)建的數(shù)字三維模型[7]。三維可視化技術作為數(shù)據(jù)的分析、處理的高級手段，是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實中各方面內(nèi)容的基礎方式，也是虛擬現(xiàn)實技術的核心所在。可視化技術的發(fā)展產(chǎn)生了虛擬現(xiàn)實技術，后者是前者的高級階段[8]。虛擬現(xiàn)實技術的誕生也為三維可視化的發(fā)展指明了方向[9]?？梢暬瘜崿F(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)榭赡堋Ｒ虼?，虛擬現(xiàn)實技術在園林植物景觀設計教學改革研究中具有重要意義和實踐價值。

2? 植物群落設計虛擬化實踐研究

2.1? 植物可視化建模

本研究對哈爾濱地區(qū)常用的景觀樹種進行模擬，實現(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，以便進行后續(xù)的植物景觀設計的虛擬現(xiàn)實方法探究。所使用的植物素材來源于對哈爾濱市公園綠地、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)大學研究生樓南側(cè)入口的建筑附屬綠地作為研究對象，采用虛擬現(xiàn)實的方法對場地上的植物群落進行景觀改造。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，幾年后植株長大其體量會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。

實踐中，采用虛擬現(xiàn)實技術與方法，對東北農(nóng)業(yè)大學研究生樓南側(cè)入口的建筑附屬綠地上的植物群落進行了改造設計，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行移植，同時將鑰匙構(gòu)圖的綠籬部分進行移植處理，然后采用毛櫻桃、連翹等花灌木擬對稱的種植形式，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。通過反復調(diào)整植物種植方法，使植物群落不斷優(yōu)化完善，進而發(fā)揮出具體的生態(tài)和景觀效果。

3? 小結(jié)

VR技術是一種借助計算機及最新傳感器技術創(chuàng)造的一種新型的人機交互手段，以其獨特的沉浸式的體驗感和可視化的操作過程等特點深得開發(fā)者和研究者的青睞，具有良好的發(fā)展前景和研究價值。而植物景觀設計作為園林景觀規(guī)劃設計中最主要的內(nèi)容之一，傳統(tǒng)的設計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行設計，使得植物景觀在設計過程中很難協(xié)調(diào)各方面要素之間的關系。其次，植物具有多樣的生長變化特性，缺少相關工具的幫助，植物群落很難達到在時間維度和空間維度上的現(xiàn)實性和合理性。同時，植物景觀趨于模式化的設計流程限制了設計師在設計過程中的想象，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，耗費了設計師大量的時間和精力。本研究將虛擬現(xiàn)實技術應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)設計方法中部分修改的設計流程，可為設計過程提供更高的靈活性。將植物景觀設計基本內(nèi)容和方法融入到虛擬現(xiàn)實軟件中，相關專業(yè)學生可以通過對可視化植物的交互操作了解植物的觀賞特性和生長習性。同時虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有沉浸感的虛擬環(huán)境也更能吸引學生參與到植物群落的設計中，為風景園林高等教育提供了新的方式。

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