虚拟现实技术在园林设计方面的应用

内容摘要 介绍了虚拟现实技术的概念以及在园林设计领域的应用情况。同时结合我国园林设计领域计算机软硬件普及的现状，探讨实现虚拟现实的方法

虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是利用计算机技术产生的一种人为虚拟的环境，这种环境可以通过视觉甚至听觉、触觉来感知，用户通过自己的视点直接地、多角度地对环境进行观察、发生“交互” 作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉。这种技术运用在园林景观设计上，能使我们更加直观地面对设计对象，并且形成交互式的交流。

1 虚拟现实技术简介

虚拟现实技术这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jargon Lanier）在20世纪80年代初提出的，也称灵境技术或人工环境。作为一项尖端科技，虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统，它最早源于美国军方的作战模拟系统，90年代初逐渐为各界所关注，并且在商业领域得到了进一步的发展。

但是在近20年的发展过程中，VR技术由于受到计算机软硬件性能、成本和技术难度等方面的制约，在实际应用上还不够广泛。

近几年，信息产业的急速发展使一般民用计算机的性能突飞猛进、价格不断下降，VR技术在各行业的广泛应用成为可能。

2 虚拟现实技术在园林造景上的应用

2.1 园林造景中运用虚拟现实技术的意义

园林造景对于环境变化的前瞻性和周围景物的关联性要求很高，因此在动工之前就必须对完工之后的环境有一个明确的、清晰的概念。通常情况下，设计者会通过沙盘、三维效果图、漫游动画等方式来展示设计效果，供决策者、设计者、工程人员以及公众来理解和感受。以上的传统展示方式都各有其不同的优缺点，但有一个缺点是共同的，即不能以人的视点深入其中，得到全方位的观察设计效果，而运用VR技术则可以很好地做到这一点。使用VR技术后，决策者、设计者、工程人员以及公众可从任意角度，实时互动真实地看到设计效果，身临其境地掌握周围环境和理解设计师的设计意图。这是传统手段所不能达到的。

2.2 园林造景中运用虚拟现实技术存在的瓶颈

计算机创建的三维模型（Model）是由面（Face）组成的，模型的形体越复杂，所用的面也会越多，对计算机的运算速度要求也就越高。就目前相关设计领域来说，VR技术在城市规划及建筑设计方面的应用相对较成熟，这主要是因为建筑多由规则的形体构成，在计算机的模型中所用的面相对较少，实现VR较为容易。而园林景观中常用的设计要素，如植物、变化的地形、水体等都是不规则的形体，用计算机的模型表示会非常复杂，像一棵树本身就有成千上万片树叶，做成模型后所用到的面能达到百万的数量级，这对于现阶段的一般民用计算机来说，实现流畅的VR效果是不可能的。因此VR技术在园林造景中的应用研究仍处于起步阶段。

2.3 目前所能采取的应对方法

目前计算机的速度不能满足完全建模情况下园林景观的虚拟现实，所以只能使用贴图(MAP)的方式来模拟其中的植物。使用一张处理好的树木照片，就能在VR中用1个面来表现一棵树，虽然在真实度方面会有一定的损失，但相对于完全建模所需的上百万个面来说，这种损失是值得的。

3 园林造景中虚拟现实技术的实现方法

3.1 虚拟现实技术的选择

经过多年的发展，虚拟现实技术的实现也派生出多种不同的方法，现在较为流行的有JAVA3D、CUTE3D、VRML等多种实现方法，它们也各有其不同的优缺点。而对于大型场景的模拟，VRML较为适合。

VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一个用于三维造型和渲染的图形描述语言。用VRML我们可以创造一个能进入、能参与的虚拟世界。VRML2.0的新标准被广泛地用于Internet上创建虚拟三维空间，可以随意创建任何虚拟的物体，像建筑物、城市、山脉、飞船、星体等对象，也可以在虚拟空间中添加声音、动画，使之更加生动，更接近真实[1]。同时，VRML程序所占的磁盘空间非常小，便于网络间的相互传输。

VRML本质上是一个网络语言，像HTML一样，需要通过编写程序代码来实现，这一点也是虚拟现实技术难以普及的一个门槛。但目前一些常用的三维图形制作软件，如3DSMAX、MAYA等都对VRML提供了一定的支持。

对于园林设计师来说，3DSMAX是较为常用的建模软件，而3DSMAX对VRML又有较好的支持，它不仅支持VRML程序的输出，同时还可以在VRML程序中通过选择摄像机在三维场景中进行导航设置，在场景中指定活动控件和感应器，丰富了实时浏览的内容。因此对于熟悉3DSMAX的园林设计师来说，VRML是一个很好的选择。

3.2 软硬件要求

3.2.1 硬件要求

基于INTEL P4或AMD ATHLON系列的CPU、256M以上内存、具备32M以上显存的显卡是现在设计师普遍使用的计算机配置，能满足VRML运行的需求。

3.2.2 软件要求

建模软件使用3DSMAX，贴图处理使用Photoshop，浏览虚拟场景使用IE浏览器+VRML的IE插件。

3.3 基本流程

3.3.1在3DSMAX中建立三维场景

首先按照设计方案制作出场景中各要素的模型，并赋上相应的材质贴图，然后加上能照亮整个场景的灯光，最后根据设定的视域和视高来确定自由摄像机（Free camera）的镜头类型和位置。

可见，建立虚拟现实环境的场景与制作电脑渲染图场景的过程基本一致，但侧重点有所不同，后者需要的是静态图像的渲染效果，而前者则更关注实时浏览的流畅感和空间感，因此在创建虚拟现实场景时应做到下面几点：

(1)在满足视觉要求的前提下，尽量减少模型的面数。模型创建完后使用3DSMAX中的优化修改器（Optimize）进行优化，能最大限度的减少模型面数。

(2)使用关联复制（InstancesCopy）。Instance是对象的关联复制，当改变任何一个关联复制品的时候，所有其他的复制品都会改变。在建立虚拟场景时，关联复制是非常有用的，当使用关联复制的时候，组成关联复制的对象的面的设置只在VRML中定义一次。这样可以使用多次同样的几何图形，但不增加文件的下载时间。

(3)对于一些非主要物体，不要过于苛求细节，尽可能使用“模拟的”几何体。比如周围的建筑可直接采用“几何体+贴图”（box+maps）的方式制作（图1）。

(4)场景中所使用的贴图不需要很精细，最好全用jpg格式压缩，并缩小尺寸，这样能节省大量的下载时间。

(5)所有使用到的贴图必须全部放在一个目录中，因为VRML只能搜索一个指定的贴图目录。

(6)使用灯光。光线是场景视觉信息与视觉造型的基础，没有光线便无法体现物体的形状、质感和透视关系，这一点和做电脑渲染图是一样的。但在VRML中不能使用诸如全局光、反射光、折射光、阴影等光线效果，只能通过普通灯光的布光技巧来弥补。另外，要保证场景中任何一个角落都能被灯光照亮，因为最终浏览虚拟现实场景时，任何一个角落都有可能被浏览到。

(7)使用摄像机。VR场景的浏览是通过摄像机来进行的，在3DSMAX中创建自由摄像机（Free camera）来确定视域和视高，不同的视域和视高在实时浏览时能给人以不同的感受。在3DSMAX场景中建立的不同摄像机将会由VRML浏览器列出，可以供用户在VR场景中进行选择性的导航。即使是在浏览器中导航非常缓慢的大环境，也可以通过对一系列的摄像机视图进行切换来快速选择性的浏览。使用建立的摄像机，展示最佳场景，也就是展示具有不寻常的透视效果，或是展示场景中花费了大量功夫才创建的精细部分的特写，如果把它留给客户去自由导航场景，就无法控制客户能看到什么效果了。当然，也可以只通过一个摄像机导航，让客户可以自由在VRML场景中游览而且无拘无束。 3.3.2 虚拟场景中植物、地形等不规则要素的制作

（1）植物：3DSMAX的透明贴图（Opacity）是VRML所不支持的，所以不能使用常规的方法制作植物。应该先用图形处理软件（如PHOTOSHOP）将树木照片处理成无背景的GIF格式（可支持网络上的透明背景），然后直接作为贴图赋予一个平面（Plan）。尽管看起来不是很真实，但与给植物建造模型细节所付出的代价相比要小得多。（图1）

VRML场景的浏览是实时互动的，所以仅使用一个面的树木是不能满足多角度观察的。提供两种方法来解决这个问题：一是用关联复制将树木平面复制一份，然后互相十字交叉，这样不管在什么角度都能看到完整的树，但这种情况仅适用于左右对称的植物；第二个方法是使用摄像机对齐技术，使树木的正面始终面对摄像机，但这种方法通过3DSMAX不能直接实现，必须手动修改VRML代码来实现，这就需要一定的编程基础。

（2）地形：使用3DSMAX中的位移（displace）修改器制作。位移修改器通过对三维物体施加一个灰度图，使三维物体对应图上亮的地方产生凸起，而亮度的不同会导致凸起的程度不同。因此我们可以将设计的地形用Photoshop处理成一张灰度图（图2），然后在3DSMAX中作为位移修改器的贴图施加到一个平面上，就可以得到我们想要的地形了（图3）。

3.3.3 为场景创建互动效果

VR技术中最令人激动的就是场景的互动性，用3DSMAX可以方便地创建出互动效果，在“创建/帮助物体（Creat/Helpers）”面板下的下拉列表框中选“VRML2.0”，出现一个工具面板，面板上列出了12个VRML辅助工具。其中可用于场景互动的有“锚（Anchor）” 、“触动感应器（TouchSensor）”和“范围感应器（ProxSensor）”3个感应器工具。Anchor是锚触发器，当点击设置了此触发器的物体时，可以使场景切换到另一个预先指定的URL链接（类似网页文档的超级链接），或是与场景中的指定的另一个摄像机链接，类似电影中的镜头切换；TouchSensor是一个触动感应器，当在场景中用鼠标点击一个指定物体时就会引发一个预定义的动作；ProxSensor则是一个范围感应器，只要接近一个指定物体时也会引发一个预定义的动作。使用它们就能创建出互动的场景。比如走到一扇门前，门会自动打开；按动按钮，喷泉就会喷出水花，等等。

3.3.4 输出VRML文件

在3DSMAX中使用“file”菜单下的“export…”，将导出的格式选为“VRML2.0(＊.WRL)”，文件存放的路径应和贴图一致，然后注意在弹出的对话框中设置“Bitmap URL Prefix”，将图片路径设置正确。

3.3.5 虚拟现实的浏览

浏览虚拟现实的最佳方式是通过头盔式显示器或三维眼镜来感受，但成本较高，故不在本文讨论范围。一种廉价的实现方法就是直接通过WINDOWS操作系统中的IE浏览器来浏览，首先需要安装专用的VRML浏览器插件，如CORTVRML、CosmoWorlds等都是较为常用的。安装完成后，直接运行做好的VRML文件就能在浏览器中浏览了。在浏览器中通过鼠标或键盘控制漫游的方向，如同身临其境。

4 结语

在虚拟现实环境中，设计者置身于一个相对真实的模拟空间，使得园林设计能够突破“平面、立面、剖面”的常规模式，让设计者从各个不同的角度直观地面对设计对象，更加深入地研究环境中各设计要素及空间之间的关系和比例，设计出更加完美、更加人性化的作品。但由于园林景观设计中植物配置占很大比例这一特殊性，虚拟现实技术要想完全与其融合还有很多技术问题需要解决。我们利用现有的软硬件设备已经制作出一些园林景观的虚拟现实作品，尽管还达不到真正意义上的虚拟现实，但相信随着计算机技术的高速发展和广大园林景观设计者的积极参与，虚拟现实技术在园林景观设计上的应用必将普及。