VR技术在城市绿化设计中的应用∗——以风景园林为例

孙漪南 李方正 李 雄

北京林业大学园林学院 北京 100083

VR技术在城市绿化设计中的应用∗
——以风景园林为例

孙漪南 李方正 李 雄

北京林业大学园林学院 北京 100083

随着VR技术的不断发展，技术门槛不断下降，使更多风景园林工作者开始使用这一蓬勃发展的技术。文章对VR技术进行了简要介绍，并针对风景园林设计、风景园林教育和风景园林研究这3个方面与VR技术结合的可能性进行了探索，探讨了如何利用VR技术来促进城市绿化设计的发展，为各位同行起到抛砖引玉的作用。

VR，风景园林设计，风景园林教育，风景园林研究

VR(Virtual Reality)是虚拟现实的英文简称。它是一种以计算机技术为核心，并与相关领域技术相结合，生成一个一定范围的真实环境，在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境。通过借助必要的装备，用户便可以与数字化环境中的虚拟对象进行交互作用、相互影响，产生亲临对应真实环境的感受和体验的技术[1]。随着VR技术的发展和设备的不断便捷化、低成本化，VR领域于2016年进入了“VR商用元年”[2]，越来越多的厂商开发便携式、低成本的VR体验设备，VR技术也逐渐走入寻常人家，更多的行业也开始研究如何与VR技术相结合，利用VR技术改变行业的发展。如今，VR技术在风景园林领域的应用也开始逐渐兴起。本文将从风景园林设计、风景园林教育与风景园林研究3个方面来探讨VR技术与传统风景园林领域的融合可能性。

1VR技术概况

1.1VR技术的发展

自从1929年发明了第一个具有飞行感觉体验的飞行模拟器[1]，人类进行现实模拟的脚步从未停歇。1989年，Lanier首次提出了Virtual Reality一词，并被大家普遍接受。随着20世纪90年代后计算机技术的发展，VR的发展步入了快车道。1993年，Heim在其著作《Metaphysics of Virtual R eality》中提出了包括模拟性、交互作用、人工现实、沉浸感、遥在、全身沉浸和网络通信7个VR特征[1]。目前，VR的发展一方面朝着高精尖仿真应用方向(如航空航天、军事模拟、手术模拟等)，另一方面则朝着民间娱乐的民用商业方向发展(如电子游戏、电影、全景直播等)[3]。VR技术两条线共同发展与风景园林的发展方向产生了交点，越来越多的同行开始尝试使用VR技术来从事风景园林设计与研究。

1.2VR技术流程

VR技术是参照真实的世界而模拟、仿真出一个与真实世界相接近的假想世界，并通过用户与假想世界的操作和交互，体验一种在真实世界的感觉，甚至能够对真实世界产生影响。实现这一目标的核心为对模拟真实世界的建模、模拟真实世界的表现、用户与虚拟世界的交互3个步骤。

随着计算机技术的发展，建模的方法与软件日益丰富，对真实情况的还原也日益提高。目前建模的常用手法有结合3D扫描仪、360°摄影机等对真实世界进行测量扫描的数字测量法，利用物理仿真数学计算而进行建模的数字生成法和利用计算机建模软件(如Auto CAD、Revit、Sketchup)进行计算机建模的人工建模法[1]。其中，在风景园林领域常用的为人工建模法及数字测量法。

当建立起虚拟世界的模型之后，为了能够形成与真实世界贴近的逼真效果，需要对建立的模型进行渲染处理，并导入VR展示设备进行表达，使观看的用户具有置身真实世界的沉浸感。目前，利用计算机设备可以对光线、物理运动轨迹、复杂的纹理、自然景物等进行极为真实的模拟；同时也可以利用图像(如全光函数、全景图、分层深度图像等)生成技术，较为便捷地对真实世界进行模拟和展示[1]。其中全景图无论在拍摄、渲染表达均便捷方便，已经在道路评价、三维数字展示等领域有着较为广泛的应用[4-5]。随着技术的发展，对于声音、触觉、味觉等其他感知的表达技术也在不断地进步和发展，以期能够全方位对真实的环境进行模拟和还原。

如果仅仅能够对真实环境进行仿真模拟，那只是一种3D场景展示。当用户与虚拟环境进行交互时，才能够展现出VR技术真实的魅力。通过VR设备，用户可以触碰虚拟世界内的物体、可以操作虚拟世界中的机关来产生一系列的变化。使用户好像真的置身“真实世界”一般。Google公司开发的一款名为Tilt Brush的软件，就将VR控制器作为画笔，使用户可以在虚拟世界中进行创作立体作品，甚至可以与自己创作的作品进行互动。

2VR在风景园林领域的应用

随着VR的发展，使技术、成本门槛变得越来越低，风景园林行业享受VR技术红利的机会也越来越多。VR技术对于虚拟世界、空间感的良好模拟以及交互操作等优点可以极大地简化风景园林领域存在的一些难解问题。

2.1 在风景园林设计中的应用

2.1.1 现状调研

现状调研是设计师设计工作开展的基础，需要对设计场地现状进行充分的了解和记录。现阶段设计师们比较常见的记录手法为相机拍照和文字记录，同时结合一些甲方提供的基础数据。这种方法虽然可以较为完整地了解现状情况，但是由于拍照记录信息数量有限，设计师离开现场后难免会出现遗忘现场细节、对于现场空间感受模糊等问题，这些对后期的设计造成了一定的影响，并有可能需要设计师多次前往现场进行踏查和记录。利用360°摄像机可全方位记录场地的信息，同时利用计算机软件(pano2、PanoramaStudio等)进行处理，形成可漫游的全景图。或将照片上传至www.720yun.com等全景图云网站，形成可在线浏览的全景图，并可以通过网站的路径功能，设置不同全景图场景之间连接关系，形成一个连续的全景图浏览路径。当设计师离开现场后，只要登录自己的账号，随时利用自己的手机搭载VR头显设备观看自己拍摄的全景图，并根据自己设置的路径来对场地进行浏览。若将摄像机与无人机进行搭载，可实现多角度全面的信息提取，同时也可以观测到一些人难以到达的区域，保证了场地内部信息的全纪录[6]。逼真的场景展示、还原的空间感受都能够随时为设计师回想现场细节提供充分的支持。

2.1.2 设计推敲

在设计过程中，目前最为常用的方案推敲手段为草图、建工作模型等手法。利用计算机辅助建造技术虽然可以十分便捷地建造出工作模型来推敲方案，但是设计师仍处于设计空间外围对场地进行推敲。经验丰富的设计师可以凭借长时间的经验积累，通过平面图与工作模型来想象实际建成后的空间开合关系、对位关系、高低关系等，但对工作经验不足的设计师来说，仍有一定困难。而利用VR表现平台，将建成的工作模型进行一定的渲染与处理，导入VR头显设备，可以让设计师从“空间之外”来到设计场地“空间之内”。能够身临其境的感受自己的设计成果，十分直观地看到未来建成的效果。利用VR的漫游技术，设计师可以在自己设计的场地之中进行移动，多角度多方位地观察自己的设计作品，验证自己设计意图是否实现。随着VR软件的不断发展，设计师甚至可以现场修改自己的设计作品，以达到最优的效果。

2.1.3 设计表现

设计表现在设计过程中也是十分重要的步骤，是设计师将自己的想法通过直观的形式，呈现给甲方和业主。目前主流的展示方法包括彩色平面图、全局鸟瞰图、局部效果图、漫游动画等。这些表现手法各有各的优点，但是也有各自的局限。部分非专业的甲方或业主，很多时候并不能对设计成果有全方位的认识。设计师可以将设计模型通过多种软件平台(如UC-WIN-ROAD、Lumion、Virtools、Quest3d，Converse3D)加以渲染表现[7]，并置入头显设备使甲方或业主可以在模型中漫游，好似置身于真实场景之中，亲身感受设计的不同角度和不同方面。同时，还可以在漫游时设置游览路径，使甲方和业主可以按照自己日常行走习惯来“参观”设计成果，具有强烈的直观感受。这样便于甲方理解设计师的意图，能够平等地与设计师交流设计想法，使最后建成的设计成果达到多方满意的效果。

2.2 在风景园林教育中的应用

VR技术目前已经逐渐被应用到教学领域中，如郭勇陈等将VR技术应用于经济管理类实验教学之中[8]。北京印刷学院艺术设计学院基于3DVIA Virtools平台开发的“现代印刷机虚拟现实互动教学系统”取代价格昂贵的实体机器，仿真真实印刷机工作流程，以便学生可以了解印刷机内部构造与印刷原理。风景园林教育是培养未来风景园林人才的重要途径，而设计教学需要调动学生想象力，例如设计专业的学生需要学习掌握的如空间感、距离感、平面立面转换能力、想象力等素养，这些抽象的、感知层面的内容很难仅凭借教师的图画和语言来描述。这就造成许多学生在早期学习的过程中因对空间认知能力差、立体想象力不足等问题而对设计无从下手，也不知道什么样的设计是更好的设计，也就是大家常说的“入门难”的问题。基于VR对于空间的还原与虚拟建模功能，可以作为教学辅助道具来训练学生对于空间的感知力和三位空间与平面转换能力，能够在入门教学的时候更加直观、有效地培养学生们的设计感觉。

风景园林设计师是创造和设计空间的职业，组合不同类型空间以产生丰富的体验感是风景园林设计师的基本素养之一。在设计过程中，设计师会运用多种方法来围合、创造空间的情况(植物、墙、建筑等)。而初学者往往不具备空间想象力，很难理解教师口中所说的“空间围合”“空间转换”含义，也很难理解构筑物或植物的不同摆放位置会对空间造成什么样的影响。VR的空间体验特性，可以通过让学生亲身感受不同状态空间场景，来向其传达不同的空间信息，让其通过自己的感受来理解不同空间性质的区别和差异。同时，也可以利用VR的交互性功能(如使用Tilt Brush软件)，让学生亲自在空间中营造，去感受不同材质、不同高度、不同布局对空间感受产生的变化。这种直观而具有互动性的教学手法可以迅速提高初学者的空间感受能力。如果结合平面图与对应的立体模型，还可以进行学生对于平面图读图能力的训练，使学生亲身感受自己在具有比例的平面图上所绘制的空间，在真实比例下会给人什么样的空间感受。

2.3 在风景园林研究中的应用

2.3.1 遗产保护

对于遗产保护领域，VR技术的应用在国外开展较早。如2001年美国加州大学洛杉矶分校的Wiiliam·JePson带领他的城市仿真团队在以色列戴维森展览中心虚拟重建了古耶路撒冷聚落，使这个已经消失的古代耶路撒冷风貌得以重现[9]。2007年，法国建筑师Jean-Pierre·Houdin利用于虚拟现实平台Virtools实时3D解决方案帮助其建立了历史上第一个解释金字塔建造工法的理论[10]。目前，国内也有很多遗产保护项目开始使用VR技术。例如惠山古镇的保护开发项目中，利用VR技术建立了三位虚拟仿真系统[10]。在国家古村落名录中，许多古村落也采用航拍、全景图拍摄等多种技术，在www.720yun.com等网站为古村落建立VR视觉档案，为古村落的研究和保护提供了丰富的资料，同时也为游客提前了解古村落遗址提供了良好的平台。

2.3.2 风景园林评价

风景园林评价中比较核心的问题是通过何种方法可以将人们主观情感量化，形成一套衡量景观好坏的评价体系，因此常选择采用将景观场景拍成照片，进行大量问卷调查的方式来获得主观评价倾向(如美景度法)。但是由于评价测试材料多为平面化的照片，这些评价很难对具有较强主观感受的因素(如空间感受等)进行评价。同时，一张照片所能展现出的视角、内容均十分有限，所展示出的内容在一定程度上受到摄影师主观好恶影响，因此无法真实展示一个场景所包含的全部信息。这些局限使得评价者很难对一个多维度的景观场景进行真实的评价。

利用VR全景图技术进行景观视觉评价，一方面可以再现场景的真实空间感受，进行平面照片所不便进行的主观感受因子的评价，还可以通过对360°场景的全方位还原来减少拍照者对测试过程的影响，从而提高测试结果的真实性。此外，VR素材采集简单，通过前后左右上下6个方向拍摄的照片进行拼合，或手持单个相机环绕一周360°采集图像，即可摄取拥有重叠区域覆盖水平360°方位的图像。这使测试过程中需要观看的场景数量远远小于平面照片的数量，减少测试者工作量。另外，研究人员也可以通过观测被试者在虚拟VR场景中的活动，记录其行为来分析研究景观对于人活动产生的影响，以及人们对于景观的喜好倾向等。因此，VR技术在景观评价中的应用具有较为广泛的前景，具有探讨和研究价值。

3 展望

风景园林的发展需要跟上时代的步伐，需要享受先进技术带来的红利。目前，VR技术处于优势与缺点都十分明显的阶段。优点是我们现在已经可以仅仅通过一部手机、一个简易VR头显设备就可以开展VR的研究工作；但是也不能长时间佩戴观看，否则会产生眩晕和视觉疲劳，现行VR设备与传统园林设计软件之间需要进行平台转换。同时，目前VR技术仅对空间感知及视觉模拟程度较好，如何实现同步的其他感知途径的模拟仍处于研究状态。

笔者认为目前VR与风景园林结合的关键是打通VR操作平台与园林计算机设计平台之间的障碍，能够实现即时操作即时反馈的无缝衔接，成品的格式能够得到共享，使VR技术可以衔接在设计的各个阶段，建立一套全面的空间设计信息模型。目前，各个设计单位已经出现了一些自行研发设计的平台转换途径和软件，但是还远远没有成为一套连贯的技术链条，VR仍被应用于设计的最后一步——即展示环节。但是相信随着计算机技术的不断进步与更新，能够将VR技术融入城市绿化的各个领域，可以使设计更加直观、让表现更加真实、让教育更加便捷、让研究渠道更加丰富。

[1]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学(F辑:信息科学)，2009，39(1):2-46.

[2]陈海燕.VR进入商用元年[J].商业观察，2016(2):24-27.

[3]王健美，张旭，王勇，等.美国虚拟现实技术发展现状、政策及对我国的启示[J].科技管理研究，2010(14):37-40，56.

[4]张霞，赵玮丹，江文萍，等.基于网络热度的道路景观评价与最美路径推荐[J].同济大学学报(自然科学版)，2016(3): 383-388.

[5]李萌.基于体感交互的沉浸式森林景观展示研究[D].北京:北京林业大学，2013.

[6]冯潇，王文韬.计算机辅助建造技术(CAM)在风景园林规划设计阶段的应用探索[J].风景园林，2016(2):20-25.

[7]王施施.BIM建筑模型在VR系统中数据转换研究探讨[J].价值工程，2016(14):211-213.

[8]郭勇陈，贾佳丽，王皎琳，等.VR技术在高校经管类实验教学中的应用研究[J].实验室科学，2016(2):70-75.

[9]李苏旻.虚拟现实技术在建筑与城市规划中的应用研究[D].长沙:长沙理工大学，2008.

[10]章立.虚拟现实技术在建筑遗产保护中的应用研究[D].江苏无锡:江南大学，2009.

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

国家自然科学基金“基于森林城市构建的北京市生态绿地格局演变机制及预测预警研究”(31670704)

孙漪南(1988-)，女，博士，研究方向为风景园林设计，E-mail:mhxiaojie＠bjfu.edu.cn

李雄(1964-)，男，教授，博导，副校长，研究方向为风景园林规划设计理论与实践，E-mail:bearlixiong＠sina.com