虚拟现实在风景园林规划设计的运用及层次细节优化

苏宇

摘  要： 为了增强设计人员在空间视觉上的直观性和真实性，以便更好地对园林场景设计工作进行计算机辅助，提出通過虚拟现实技术实现风景园林规划的数字化设计应用。首先对虚拟现实技术辅助设计采用的VRML工具进行介绍。然后，采用LOD层次细节算法进行实时地形的绘制，从而减少三角形裂缝的数量。最后结合SketchUp和Auto CAD完成了具体的风景园林虚拟现实规划实例演示。演示结果表明，通过人机交互可让用户自由观察和体验虚拟园林环境。

关键词： 虚拟现实技术; 风景园林; 园林规划; VRML; CAD; SketchUp

中图分类号： TN99?34; TP393                     文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2019）09?0115?03

Application of virtual reality technology in landscape architecture planning design

and levels of detail optimization

SU Yu

（Wuxi Taihu University， Wuxi 214064， China）

Abstract： In order to enhance the visual intuition and authenticity of the designer in space vision， and perform the computer?aided operation for landscape architecture design， the digital design application of landscape architecture planning is realized by means of virtual reality technology. The VRML （virtual reality modeling language） tool used in the aided design of virtual reality technology is introduced. The levels of detail （LOD） algorithm is used to draw the real?time landform to reduce the number of triangle fissure. The SketchUp and Auto CAD are combined to realize the instance display of the specific landscape architecture VR planning. The results show that users can observe and experience the virtual landscape environment freely by means of human?computer interaction.

Keywords： virtual reality technology; landscape architecture; landscape planning; VRML; CAD; SketchUp

0  引  言

随着我国社会的不断进步和发展，国民经济和大众生活质量得到了较大提高。人们逐渐重视环境保护问题并关注风景园林的建设[1]。计算机应用技术的不断革新，使得需要图纸制作的传统风景园林规划设计已经开始不能适应时代的需求，设计方案的传统绘制工作开始借助空间环境的VR（虚拟现实）并逐渐成为热门应用方向[2?3]。风景园林规划设计过程借助的计算机辅助技术主要可以分为Auto CAD技术、Arc GIS技术和VR技术[4]。通过以上几种技术和软件，设计人员可以更加迅速、方便地进行风景园林规划设计工作，特别是VR技术。文献[5]以北京林业大学学研中心景观为例进行了风景园林规划设计的数字实践。文献[6]将VR技术中的AR系统作为技术基础，开发了基于iPad运行环境的景观设计虚拟平台APP。APP的交互界面简洁实用，实现了素材获取与编辑、景观要素插入、放线网格实时获取等功能。

为了促进虚拟现实技术与风景园林规划设计的有机结合，从而增强设计人员在空间视觉上的直观性和真实性，以便更好地对园林场景设计工作进行计算机辅助，提出通过虚拟现实技术实现风景园林规划的数字化设计应用。首先，对虚拟现实技术辅助风景园林规划设计的优势进行简要分析;其次，对虚拟现实技术辅助设计采用的VRML[7]（Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言）工具进行介绍;最后，从实际案例出发，结合绘制CAD图和3D人物建模给出项目的总体结构、具体设计过程及其编程方法。最终利用SketchUp和虚拟现实软件构建出风景园林虚拟现实场景，能够通过人机交互让用户自由观察和体验虚拟园林环境，有效推进了风景园林规划设计的创新发展。

1  基于VR辅助技术的风景园林规划设计

1.1  系统的总体设计

本文采用VRML，使用文本信息描述三维场景。在Internet网上传输，在本地机上由VRML的浏览器解释生成三维场景，解释生成的标准规范即VRML规范[8?9]。VRML的访问方式基于C/S模式，其中服务器提供VRML文件。VRML提供了6+1个自由度，即三个方向的移动和旋转，以及和其他3D空间的超链接。VRML应用的一般框架如图1所示。

图1  VRML应用的一般框架

图2  系统总体结构

1.2  VRML节点以及三维对象的类定义

VRML设计过程中，所有的基本组成元素可以视为其场景内各种类型的节点（Node）。针对“某城市风景园林景观规划设计”实验设计的VRML中的节点层次如图3所示。

在VRML中各个节点生成相应的对象之后，由这些各式各样的对象形成一个分层结构，称为场景构建。虚拟三维场景的VRML设计过程就是将三维对象放置到一个虚拟空间中的过程。在本文系统中，三维对象的类的定义如下：

其中，包括画图函数、初始化函数、基本的消息处理函数、多种物体事件消息处理槽和三维物体基本信息。

图3  VRML中的节点层次图

2  基于LOD层次细节算法的VR场景优化

在风景园林的虚拟现实场景中经常出现复杂地形网格的结构，因此为了实时地形的绘制，选择LOD层次细节算法[10]，采用四叉树的网格结构。初始时的网格结构是未分割的正方形，其边长为[2n]，每条边长具有[2n+1]个像素。为了满足虚拟现实场景的优化需求，要进行网格的粗糙程度估计，以便在消除裂缝和刷新速率之间得到平衡。设粗糙度为[DHmax]，如果其满足如下条件：

則网格继续分裂划分，否则不划分。其中，[C2]表示一个调节阈值。此外，根据人眼视觉原理，定义距离[l]是眼睛到网格中心的距离，[d]是目标网格的边长。若满足如下条件：

3  实例分析

3.1  硬件和软件平台参数

本文以“某城市风景园林景观规划设计”为实际案例进行具体实验。实验PC主机的硬件配置为：Intel酷睿i5?8500四核CPU，主频为3.0 GHz;8 GB内存;英伟达GTX 970显卡（4 GB显存）;500 GB硬盘。

采用的软件平台包括：Auto CAD三维绘图软件;SketchUp三维建模软件;Adobe photoshopps CS6二维贴图软件。

3.2  项目中关键三维对象的实现

在“某城市风景园林景观规划设计”项目任务中，园林场景的主要三维对象为斜坡草地、假山和宽阔地带。VR场景优化性能曲线如图4所示，可以看出随着网格数量的增加，三角形裂缝的数量逐渐较少，从而有效优化了视觉显示效果。选择Indexed Face Set面集节点对草地和宽阔地带等部分的图形进行绘制，在所有坐标点轴的点完成计算并贴图后，得到的斜坡及周围的草地效果如图5所示。

图4  VR场景优化性能曲线

图5  斜坡及周围的草地

针对造型复杂的假山，采用Elevation Grid网格节点进行实现，其最终效果如图6所示，包括假山周围的宽阔地带。

图6  假山及周围地板区域

最终的运行结果显示，基于VR技术的风景园林景观设计系统具有良好的实时性，运行速度较快。

4  结  语

本文提出通过虚拟现实技术来实现风景园林规划的数字化设计应用，从而更好地对园林场景设计工作进行计算机辅助。从实际案例出发，结合绘制CAD图和3D人物建模给出项目的总体结构、具体设计过程及其编程方法。最终利用SketchUp和虚拟现实软件构建出风景园林虚拟现实场景，通过人机交互让用户自由观察和体验虚拟园林环境，有效推进了风景园林规划设计的创新发展，增强了设计师在园林规划设计时的直观和真实体验感。

参考文献

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