虚拟现实技术在“风景园林设计”课程教学中的应用

(北京林业大学园林学院，北京 100083)

一、“风景园林设计”课程教学现状

“风景园林设计”课程是我国风景园林专业本科重要的设计基础课程。课程教学目标是要培养学生具备园林景观设计的基本理念、设计思维，熟悉掌握园林景观设计的程序和环节，能够独立完成设计方案的创造及表达[1]。课程在大二下学期至大四上学期开设，教研组根据不同年级和专业的需求，每个学期安排1～2个设计作业，每个设计作业在8～10周内完成。

“风景园林设计”课程的授课内容包括风景园林设计原理、各种类型的园林绿地及城市公共空间设计。在课程教学中，教师会安排不同的设计专题对学生开展重点训练，如功能布局、空间设计、地形设计、植物设计、图纸表达等[2]。教师在课上进行理论传授、任务讲解、案例分析、实地调查方法的讲解和设计指导，学生在课上与课后进行方案设计，最终形成正式设计方案，以完整的图纸形式对设计方案进行表达。其中，空间设计是“风景园林设计”课程的核心内容，它贯穿课程教学的始终，主要是帮助学生建立空间思维模式，增进空间设计能力，培养学生掌握园林空间的尺度、比例、氛围、布局和组合之间的关系[3]。

不同于传统的授课方式，“风景园林设计”课程的教学需要借助一定的媒介开展师生间的交流及思想的碰撞，并最终形成园林景观设计方案。据了解，目前国内外大部分“风景园林设计”课程的教学主要依靠教师的案例讲授，以手工制图、手工模型制作及讲评等方式对设计方案进行绘制和推敲。高年级的课程教学能够结合计算机辅助设计软件，如AutoCAD、Photoshop、Sketch-up、Lumion等，进行空间设计的推敲。

二、“风景园林设计”课程教学面临的问题

(一)课程教学的空间维度有限

目前“风景园林设计”课程教学，如教师的案例讲解、学生的图纸绘制与表达等，大多停留在二维空间层面。对于方案三维空间的推敲，只限于小尺度的手工模型与计算机辅助设计软件的表达。这对于尚未建立良好空间尺度关系的初学者来说，要认知和掌握三维的风景园林空间设计是有一定限制和难度的。

(二)课程教学形式单一

“风景园林设计”课程教学多以教师收集的二维图片与视频作为展示媒介，这种传统的以教师讲，学生被动听的授课方式，无法较好地调动学生的学习积极性，学生也缺少空间的感受。

(三)学生的学习效率较低

课程初学者一般不具备良好的驾驭空间设计的能力，他们需要通过教师的辅导，对设计方案进行反复推敲，甚至有时会推翻方案进行重做。每一次修改，学生都要重新完成新一轮图纸的绘制过程，学生修改制图的时间耗费过多，而进行思考的时间较少，造成了学习效率低下的结果。

(四)课程设计成果有待丰富

风景园林是一门应用学科，园林设计的成果需要向公众展示。目前课程教学成果展示多以二维空间为主，公众必须具有较强的专业知识和理解能力才能完整理解设计内容和设计效果，但无法全方位感受设计的空间效果。

三、虚拟现实技术及其教学应用方法

(一)虚拟现实技术

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术是一种多通道的新型人机交互接口，人们通过使用虚拟现实头盔，再结合物理空间环境，从而产生具有真实感的图像、声音和其他感觉，也就是在一个虚拟的环境中模拟用户与该环境的交互行为[4]。目前VR系统主要由图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和输出设备组成，具有沉浸性、交互性和构想性3种特性[5]。

虚拟现实技术最早起源于19世纪60年代的美国，到了20世纪80年代，虚拟现实技术的概念被逐渐推广到医疗、飞行模拟、汽车工业设计以及军事训练等领域。从1990年开始，虚拟现实技术开始被广泛用于商业，并随着VR头盔及简易VR眼镜等显示设备产品的不断更新，虚拟现实技术开始进入大众视野，并成为游戏行业的主流。目前，我国各大科技公司均有专门开发虚拟现实产品的项目部门，虚拟现实技术开始被用于更广阔的领域当中[6]。

虚拟现实技术使用户与计算机的交互方式变得更加自然，就像现实中人与自然的交互方式一样，用户完全沉浸在由计算机生成的虚拟环境中，使之产生一种身临其境的互动观感。同时，这种互动也便于设计师在设计过程中对方案进行推敲，感受设计的真实效果。此外，虚拟现实技术的展示操作成本相对较低，一般学习几分钟就能够熟练地进行操作，即使普通大众不具备较强的专业技能也能够清晰地感受到场地的真实情景，使大众更便于了解园林设计的效果，提升了对公众进行科普教育的成效。

(二)虚拟现实技术在课程教学中的应用方法

目前常见的虚拟现实技术的展示有两种形式：一种是运用全景相机对实际环境进行信息采集而获得的真实场景；一种是经过电脑制图软件渲染出虚拟的场景。这两种技术的展示方法虽然有所区别，但都能为用户提供沉浸式的体验。教师如果掌握了这两种技术展示方式，就可以将虚拟现实技术应用在设计类的相关课程教学中。

1.真实场景的全景数据采集与合成

真实场景的全景数据采集需要运用全景摄影设备进行实景拍摄。目前市场上有专业的独立全景相机，如得图(Detu)F4、Insta360 Pro、GoPro360等，也有支持手机连接的便携式设备，如Insta360 one、理光(Ricoh)、THETA等。该类设备的工作原理是通过不同方向(2～6个)的全玻璃鱼眼镜头，拍摄下不同方向的数据信息，之后经过图片缝合技术，合成得到全景照片或视频。例如，在进行风景园林实体空间信息采集时，全景摄影设备首先要对采集对象进行样点选取，开敞空旷的场地是最佳采集地点，同时还要尽量避开游人，以确保得到高品质的原始数据。当数据采集完毕后，利用图片缝合技术，得到所需要的全景照片或视频，之后再通过VR设备投影到使用者眼中。利用全景相机拍摄的意大利兰特庄园全景见图1。

图1 全景相机拍摄的意大利兰特庄园全景

2.虚拟场景的模型制作与生成

(1)虚拟场景模型的构建

首先，虚拟场景模型的构建需要利用电脑软件制作所需要展示的场景。对于风景园林学来说，是由风景园林要素所构成的户外空间，包括山体、水景、植被、地形、构筑物、广场、道路等。常用的软件包括SketchUp草图大师软件、Lumion软件等。制作者先在SketchUp草图大师软件中按照比例完成场景的地形、道路、水体、广场、构筑物等基础模型构建，再将模型倒入Lumion软件中，调整材质、增加植物、进行配景以及环境光影设置，之后得到较为真实的场景模型。

(2)虚拟场景模型的渲染

制作者运用Lumion软件中的“VR全景设置”功能对制作好的场景模型进行虚拟现实渲染。目前有两种格式可供制作者选择，一种是“立方全景”格式，其渲染结果为拼接在一起的12张正方形图片。这种图片精度虽高，但需要后期手动图片缝合才能运用到VR设备产品中。通过Lumion软件渲染形成的立方全景格式场景见图2。

另一种是“等距长方投影全景”格式，其渲染速度快，渲染成果可直接适用于VR大部分设备产品。通过Lumion软件渲染形成的等距长方全景格式场景见图3。

图2 Lumion软件渲染形成的立方全景格式场景

图3 Lumion软件渲染形成的等距长方全景格式场景

(3)虚拟场景成果的生成方式

设计者将渲染后的全景内容上传到互联网专业VR播放平台“720云平台”上，该平台能够将全景图转化为适合手机和简易VR设备观看的格式，观众通过VR设备可以进行观看体验。同时，该平台也会将成果上传至互联网服务器中，通过生成成果连接方式，便于分享给他人观看。

四、虚拟现实技术在“风景园林设计”课程教学中的具体应用

(一)教学准备

“风景园林设计”课程需要大量的教学案例作为支撑，而利用虚拟技术则可以建立一个风景园林案例的三维全景课件库，这样学生可以打破地域的限制，进入到虚拟场景中体验世界各地优秀的园林景观，感受园林景观的空间尺度，深入体会创作者的设计意图，并吸收其中优秀的设计思想，在自己的设计中加以实践。

在此环节中，教师可根据教学主题，选择优秀园林空间案例，进行VR信息的采集，利用360度全景相机进行照片或短片拍摄。再将VR模型源文件与基本信息、平面图、分析图进行合成、编辑，制作虚拟空间案例，从而形成真实、立体的三维园林交互体验案例课件。利用VR全景相机拍摄合成的园林景观，见图4。

图4 VR全景相机拍摄合成的园林景观

(二)课堂讲授

课堂讲授环节主要包括两个方面。一是课堂上的案例讲授。教师可以通过投影设备或学生借助简易VR眼镜，观看已经制作好的全景案例。在观看时，学生仿佛置身在真实的学习案例中，能以360度旋转视角对学习案例进行观看与研究，这将极大提高学生的学习兴趣，使其加深对案例的理解程度，将被动学习变为主动学习。二是空间设计方法的讲授。教师通过SketchUp草图大师与Lumion软件，参照上文介绍的技术手段，为学生讲授VR全景模型的生成方法，此技术将辅助学生完成园林设计。

(三)园林空间设计方案的推敲

“风景园林设计”课程需要学生在课后投入一定的时间去深化与推敲设计方案。在这个过程中，传统的方法是借助实体模型与软件进行。但虚拟现实技术为设计师提供了更加真实且更具有交互性的设计体验，它能够准确地展现场地的光照、地形、土壤、植物等多种要素，这使得设计师抽象思维的表达更加接近于实际情况。因此，在园林空间设计方案的推敲环节，学生可以结合虚拟现实技术，对风景园林的细部设计、空间构造效果、环境的模拟和施工等进行仔细推敲，从而使设计方案达到最优化。

当学生掌握了虚拟现实全景模型的生成技巧后，可以将自己所设计的园林场景与“720云平台”手机端连接，生成全景效果的链接，再通过VR简易眼镜，进入全景体验界面，继续推敲该设计方案空间尺度的设计是否合理与舒适。如果不合理，学生可以迅速在模型中进行调整，以获得最满意的园林空间设计方案。学生园林设计作业——园林景观虚拟现实场景见图5。

图5 学生课程设计作业——园林景观虚拟现实场景

(四)优秀学生作业的成果展示

“风景园林设计”课程教学结束后，会举行一次全学年优秀学生作业成果展示活动。以往的作业成果展示多采用PPT与图纸展示的形式，由于学生汇报经验不足等因素，在较短的时间内，学生无法将自己设计的核心内容与特色展示出来。而当“风景园林设计”课程引入虚拟现实技术后，学生可以将其最终设计成果生成虚拟现实全景模型，观众通过手机云端就可以获取全景信息，实现多人同时出现在同一虚拟园林空间中，同步进行游览体验，同时通过麦克风还可以进行实时交流。虚拟现实技术使学生作业成果展示从以往的图纸文本变为方便快捷的联网汇报交流，具有较强的参与性和互动性。利用VR技术进行作业成果互动展示与体验见图6。

图6 学生课程设计作业以虚拟现实全景模型进行的互动式展示与体验

五、虚拟现实技术在“风景园林设计”课程教学中的应用成效

(一)学生的空间感受更加真实和直观，有利于提高学习效率

虚拟现实技术能够使用户与计算机的交互方式更加自然，就像现实中人与自然的交互方式一样，用户完全沉浸于由计算机生成的虚拟环境中，产生一种身临其境的互动观感。教师利用虚拟现实技术进行“风景园林设计课”课程教学课件的制作，使学生能够更加直观感受园林空间的设计方法，提高了教学效率。同时，虚拟现实技术给学生带来了沉浸式体验，学生仿佛置身于真实的园林空间，对自己的设计进行不断推敲，判断自己所设计的空间尺度是否合理，如有不足，可以及时调整设计方案，提高了学生的学习效率。

(二)VR操作技术易于掌握，有利于激发学生的学习兴趣

虚拟现实的操作技术较为简单，易于掌握，学生可以熟练地生成虚拟现实园林模型，以便在设计过程中对方案进行反复推敲，感受设计效果，提高了学生的学习兴趣。学生在进行作业成果的交流展示时，新的展示模式也会更加容易被大众接受。

(三)运用VR技术可以对设计方案进行反复修改和调整，有利于降低教学成本

对于教学成本来说，现有的虚拟现实技术能够与互联网结合，将园林空间生成链接，在电脑与手机App中展示，师生可以通过简易的VR眼镜或手触模型进行推敲，大大降低传统教学模型制作中木材、石膏、混凝土、塑料、金属等材料的成本投入，也节约了学生的时间。

资助项目：北京林业大学2018年教育教学研究项目——虚拟现实(VR)技术在“风景园林设计”课程教学中的应用研究，项目编号BJFU2018JY022；北京市2017年科技计划项目“园林景观设计资源服务平台建设”，项目编号D171100000217002；教育部2017年第二批产学合作协同育人项目“精品国际风景园林案例虚拟现实(VR)课件制作”，项目编号201702142009。