虚拟现实技术在“园林植物景观设计”教学中的应用研究

胡海辉　陈旭　龚束芳

摘要：虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术已经成为继多媒体技术、网络技术之后兴起的一门高新技术，已被应用于不同学科领域的教学工作中。首先介绍了VR技术基本特征和软件系统，并从“园林植物景观设计”教学的项目分析、方案设计、施工图设计等阶段提出了虚拟现实技术的应用特点，最后剖析了虚拟现实技术在“园林植物景观设计”教学中应用的技术难点和应用建议，以期提高风景园林设计学生借助现代新科技新技术进行园林植物景观设计能力。

关键词：虚拟现实技术；植物景观设计教学；设计流程；技术难点；应用建议

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：1001-7836（2015）03-0064-03

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是近些年来被国内外不同研究领域广泛研究的热点问题和前沿技术，又被称为灵境技术或人工环境。虚拟现实技术需要不同学科技术作为支撑，如计算机辅助制图技术、仿真技术、人机交互技术、传感与测量技术，人工智能技术、网络传输技术等。VR技术和传统的计算机仿真系统在辅助教学和实景虚拟训练中有很大差别，计算机仿真系统虽然模型逼真，但是整个环境并不存在，而VR技术则克服了这一缺点，可以通过交互设备将多数环境，如声音、味道等属性虚拟实现，从而让使用者产生一种身临其境的真实感受。VR技术教学是通过电脑来模拟一个三维的虚拟环境，能够为学生提供视觉、听觉、嗅觉甚至触觉等感官体验，让学生有身临其境的感受，并可以实时、无限制地观察、操作甚至修改三维空间内的事物。开发VR技术必然推动“园林植物景观设计”教学领域的重大变革，对提升教学质量、提高学生园林植物景观设计能力具有重要意义。

一、虚拟现实技术特征及软件系统

1 虚拟现实技术的基本特征

虚拟现实技术有沉浸感、交互性、想象力等三大基本特征。

（1）沉浸感：沉浸感可理解为浸入性，虚拟现实技术的发展已经可以使人“沉浸”在计算机模拟出来的虚拟环境中而不分真假，让使用者感觉已经成为了虚拟世界中的一部分，从而使用者从被动的观察者成为主动的参与者。理想的虚拟环境是可以达到让使用者难分真假的程度，由于目前科学技术发展的局限性，虚拟现实系统研究与应用比较成熟的只有视觉沉浸、听觉沉浸、触觉沉浸和嗅觉沉浸。

（2）交互性：交互性主要指使用者操作虚拟物体和从虚拟环境中得到反馈信息的程度。交互性是虚拟现实技术同传统多媒体技术差别最大的地方，强调人机交互的自然性，如植物的摇动、水系的流动、鸟虫的鸣叫等。当学生在虚拟环境中抓住一个实体，其感受都与自然环境中一致或者极为相似。但交互性的有效性和实时性就需要回馈设备等强大的硬件系统和特殊设备支持了。

（3）想象力：虚拟现实技术具有十分开放的构想性。使用者沉浸在虚拟的环境中，除了体验真实的自然感觉，还可以想象一些客观不存在的超越自然的环境。虚拟现实技术可以提供这种丰富想象空间的特点，能够使学习者增加兴趣，提高学习效率。

2 虚拟现实的软件系统

想要实现虚拟现实必须硬件和软件相互配合，软件系统是实现VR技术的关键。

（1）Virtools：是一款功能强大，整合丰富的产品，它能将各种复杂的3D模型，2D图片及声音文字很好地整合在一起，开发具备丰富行为模块的3D虚拟环境，已经运用于多种3D产品当中。

（2）VR-Platform：这款软件比较方便，可以在配置不是特别高的计算机上使用，运行流畅，但同时效果也有一定的损失，能够满足基本的3D浸入和360度视角观察。

（3）Quest3D：该款极具实用性的产品，有着良好的交互性，支持导入文件的格式非常多，音频视频都可以灵活方便的加载，Quest3D可以满足大多数编辑者的应用需求，利用它可以比较方便地创建出复杂的图形程序。

（4）EON Studio：在处理已经建模的3D模型时这款软件较为方便，可轻易在导入的模型上加入设计的动作。

（5）Converse3D：是一款比较成熟的整合软件，在兼容性方面比较突出，运用起来高效并稳定。

（6）WireFusion：这款软件在web3D中应用较多，不需要用户独立的编程，而采用简单的拖放式操作，就可以轻松地建立动态的web3D网页。

（7）CityMaker：是国内自主研发软件，很有专业的针对性，在建立虚拟建筑和虚拟城市方面有很强的应用能力，是一款面向规划与建筑行业的专用软件。

当然，各种软件复杂多样，设计目的不同所以倾向性也各有不同。当前，适合园林植物景观设计教学的有Virtools、EON Studio、WireFusion软件。但是，大多数软件使用费用较高，并且专业方向不明显，与行业的结合不够紧密，使用时经常需要二次开发（如天正CAD、中望CAD）。

二、VR技术在“园林植物景观设计”教学中的应用

VR技术应用于“园林植物景观设计”教学是科学技术发展所产生的新形式。区别于传统教学，VR技术的优势非常明显。在VR技术应用现实系统中，按照项目分析、方案设计、施工图设计等教学流程完成“园林植物景观设计”课程作业。

1 项目分析阶段

在“园林植物景观设计”虚拟项目教学中，许多学生常常无法亲临项目现场进行实地考察，可以采用VR技术进行场地分析、环境评判，并通过网络平台，进入到虚拟项目的场地内部，全面了解项目的周边环境，包括气候条件、地质条件、交通状况、人流分布、水系分布、土壤条件、植物资源、历史文化等现状特征。

2 方案设计阶段

在方案设计阶段，学生需要将一些景观节点定位定量地表达出来，包括植物配置平面图、立面图、剖面图及局部效果图。采用VR技术使学生能够进入虚拟的场地空间中，直接摆放、移动、组合各种园林植物，反复调整植物种类、位置、数量，综合对比不同植物组合的景观效果和空间形态，较大程度弥补了传统教学中学生对植物空间与环境无法进行综合感知的缺陷，进一步激发学生的创作灵感。

3 施工图设计阶段

在该阶段，可采用VR技术对植物种植模式和植物空间组合进行高度仿真，模拟植物的栽植位置、植株大小及材料种类，最终完成植物种植总平面、体现高程和剖面的竖向组合图、植物与各种景观要素搭配立面图等，其间反复调整植株数量和树木株行距获取最佳的生态效益和景观效果，可以直观地展示出植物群落的景观特征和空间形态。

三、虚拟现实技术在“园林植物景观设计”教学中应用的难点

1 程序设计难点

园林植物景观设计是风景园林本科生的重点学习内容。随着季节的变化，四季中同一地点植物也会有着完全不同的景观效果，所以如何编写基于VR技术的程序，体现出植物景观的时效性，也就成为VR技术应用的难点。

（1）将植物群落四季交替的数据信息输入VRML的场景数据库中，当学生需要观察不同季节植物景观特征时，实时改变场景信息即可。但数据的获取较难，可以在教学中利用Onyx Computing公司的Tree Professional，这款插件有一定的树木参数库可以利用。

（2）动画技术比较成熟，四季的情景很容易模拟，但运用在VR技术时缺点极为明显。动画每帧的顺序都是固定的，编辑好的，这样就大大降低了VR技术实时调整的交互性，同时动画无法提供操作人自然的物理互动，所以浸入性也大打折扣。

2 硬件支持难点

各种植物三维模型是由许多面组成的，达到理想的虚拟效果需要计算机有很强的运算能力。一株枝叶丰富的景观树模型大概需要几千个面，如果仿真一个很大的植物种植场景，可能产生上千万，上亿的面，对于计算机硬件的压力是十分巨大的。

3 教学推广难点

虚拟现实技术的应用需要较高专业水平和较强的计算机技术应用能力，而目前一些高校同时具备专业能力和计算机技术水平的教师较少，严重制约了虚拟现实技术在“园林植物景观设计”教学中的应用与发展步伐。

四、讨论与建议

虚拟现实技术是一门新兴学科。将VR技术运用在植物景观设计项目分析、方案设计、施工图设计等教学阶段中，学生可以切实感受到植物的空间开合、群落的动态演替及四季景观的时序变化，使教学更加立体化、数字化、精确化、直观化，让枯燥的学习富有乐趣。在“园林植物景观设计”教学中推广VR技术，需要一个完整的虚拟现实系统，满足对园林植物、建筑小品、水体、地形、道路、铺装等景观要素进行三维模型的数据处理，并通过可视化界面技术构建园林植物景观虚拟环境，同时利用传感技术采集在游览植物景观场景过程中产生的视感、听感、触感和嗅感信息。但由于硬件技术、学校规模、师资水平的制约，VR技术在高校“园林植物景观设计”课程教学中几乎没有应用的范例。当前，计算机硬件、软件系统发展基本满足VR技术应用于“园林植物景观设计”课程教学，保证了采集类型的全面性和感知的多样性，并对采集到的感觉信息建立感知动态数据库，构建出人机互动的平台，促进了课程教学方法和植物景观设计本质的革新。

（责任编辑：侯秀梅）