虚拟现实技术在景观评价中的应用方法

2022-11-18刁秀丽陆子婧郭文成

现代园艺 2022年3期

刁秀丽，王锦，张喆*，王钰，陆子婧，郭文成

（西南林业大学园林园艺学院，云南昆明 650224）

目前，我国景观评价主要是基于SBE法和LCJ法对人们主观情绪进行量化分析。这种以图片形式评价景观的方式，所展示出的内容在一定程度上受到摄影师主观好恶影响[1]。又因普通图片受尺寸大小、拍摄距离长短等因素影响，无法直观全面地展示景观的各项特征。

随着虚拟现实技术的快速发展、软硬件系统不断提升、穿戴设备越来越便捷，使得VR技术开始广泛应用于医学、林学、农学、游戏开发等诸多领域，其中景观可以通过计算机模拟真实场景，如视觉、听觉、触觉等感官的模拟，实现人机的实时互动[2]。通过VR头戴式显示器使公众置身于该模拟环境中，达到身临其境的效果，并可以通过分析被试者行为、心理生理指标和对景观的喜好程度来评价景观。但是，该技术在景观评价中较为新颖，研究方向尚不明确。同时，该技术在国外学者的研究中有所涉及，在我国缺少有关景观评价运用虚拟现实技术的研究系列。如何将该技术运用到我国景观评价中，合理利用研究结果指导城市景观建设与提升，并且继续扩展该技术与其他新兴技术的融合，是值得研究与探讨的方向。

1 虚拟现实技术的应用基础

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是以计算机技术为基础，经过信息采集或模拟后，生成与真实环境中视、听、触觉等方面高度近似的数字化环境，用户可以使用配套装备感知和体验数字化环境，具有一定的真实感[2]。早在1956年，这种技术就被开发进行摩托车仿真模拟，目的是让人们真实感受三维空间、振动与风吹的感觉。直到20世纪80年代，才确立了虚拟现实技术的基本概念，并应用到医学、农学、林学和游戏开发等领域。

现今，实现VR技术进行森林景观真实场景的模拟主要有2种方式。一种是三维建模模拟。该方式是运用现代科技手段对真实或者设计的地物信息生成三维模型，是对景观的仿真化模拟。En-Mi Lim等[3]通过普通照片和三维建模输出图像进行校园景观评价，结果证明三维图像较为真实，能让公众快速了解景观内容。另一种是全景图拍摄。这主要利用广角摄像机、360°全景摄像机等专业设备对景观进行多角度拍照，并借助虚拟现实头戴式显示器，通过人们转动头部角度来调整视线，从而展示360°全景景观。相关研究证明，在景观美景度和大多数景观认知评价中，相较于普通数码图片，VR全景技术是替代现场调查的可靠工具。总体而言，三维建模模拟质量对场景细节、光感、材质的颜色和纹理等方面要求较高，可用于景观调控模拟与设计评价中；全景图拍摄受观测尺度、观测距离影响较大，需要足够的图形像素以保证清晰度；因此，不适用于所有场景的景观评价。综上所述，在对不同尺度不同类型的景观进行图像采集时，三维模拟图和全景图均是更高的技术手段，均可以帮助公众获得真实的空间感知和动态体验，可以根据评估内容和有效性等方面进行适当筛选。

2 应用方法

虚拟现实技术在景观中的研究思路主要分为虚拟图像的制作、交互功能设计和公众参与VR技术的景观评价3个方面。

2.1 三维建模

2.1.1 数字测量建模。传统的数字建模主要是利用遥感卫星影像、航空影像进行建模，但因大部分数据只包含景观顶物信息，缺少立面信息，且因图像阴影遮挡导致无法准确生成三维模型。随着无人机技术的快速普及，其获取的数据相较遥感影像更加精细准确，受天气影响较少。因此，可利用无人机勘测数据在Context Capture Center软件平台上直接生成三维实景模型，也可利用Photoscan软件生成正射影像与DEM，再利用ArcGIS的ArcScene程序与无人机拍摄的图像叠加输出景观可视化模型。也可通过地面三维激光扫描仪采集密集的激光点云，从而弥补无人机影像和遥感影像在建筑、景观小品等立面信息缺失的问题；其可与无人机倾斜摄影图像结合，实现三维模型的全面精确重建。

2.1.2 人工计算机建模。人工计算机建模前期需多角度拍摄景观局部照片和勘测场地并绘制CAD底图；将精细的CAD底图导入到Sketch Up、3Dmax、Rhinoceros、Autodesk Maya等建模软件，并根据现状照片建立三维模型且赋予相应的材质。随后导入Lumion、UNITY3D、Creator等软件，添加天空背景、水景、植被以及光影效果等素材并进行渲染，同时还可设置漫游路[4]。

人工建模相比数字测量建模前期资料获取较为容易，但费时费力。数字测量建模较为精确，耗时较短，但前期需要大量采集数据；ArcGIS生成的三维模型在颜色、材质等方面与实际相差较大，后期可存储为SKP文件格式利用Lumion软件进行渲染。然而，三维建模并不能完全还原景观场景，主要是因为其素材库模型不全、风格统一且与实物相差较大，不能作为所有类型的景观评价的图像。因此，可以尝试使用全景技术模拟真实的城市森林环境。

2.2 全景技术

自19世纪起，全景技术逐渐完善，具有制作成本较低、制作周期短和最大限度还原真实场景、沉浸式与交互性等优势，并广泛运用于商业、文化、军事等特定领域。在图像投影方式上，主要为柱面全景、立方体全景和球形全景，其中球形全景图最符合公众的观察习惯。因此，根据球面展开图进行图像的采集，然后再将二维平面的全景图进行球面反射实现三维实景展示，这是利用全景技术实现三维模拟最常用的方式之一。

全景图像成像视角大于普通图像和双眼正常视角（水平90°、垂直70°)，其可形成120°、180°、360°甚至720°的完整场景，故能全面直观地展示真实景观并利于人眼感知，从而进行景观评价。相关研究证明180°的全景图更易于人眼跟踪，而360°全景图容易使被试者感受到眩晕，并忽略小的要素，很难全面思考，从而影响评价数据的分析[5]。

2.2.1 全景图获取。全景图可利用普通的单反照相机拍摄普通尺寸的照片，为保证图像的清晰度，可利用三脚架保持相机的稳定，全景云台保证相机的旋转角度一致。为保证全景图后期拼接方便，拍摄风景全景图一般使用竖向拍摄。拍摄时根据不同镜头焦距确定采集照片的数量，且保证图片之间的重叠率在25%～50%[6]。同时，利用普通照相机的拍摄会出现拍摄死角和阴影（如三脚架阴影、地面等），应后期单独拍摄。

单反相机也可搭配鱼眼镜头拍摄，拍摄角度约为180°，故拍摄图像较少，拼接较为简单。并且，不同的拍摄方式也需要后期进行补拍天空、地面，如利用鼓形或圆形鱼眼镜头水平拍摄只需单独补拍天空，而用对角线鱼眼镜头拍摄需对天空和地面都进行补拍。当然，获取全景图也可直接利用米家全景相机、Insta360 ONE、JauntONE等全景设备拍摄，其具备前期准备工作简单、拍摄时间地点自由、不需后期拼接图像和可直接上传社交平台等优势[21]。然而，这些设备普遍售价高、优缺点明显，故要根据不同景观地形和类型进行相应的选择。

2.2.2 全景图拼接与处理。全景图摄像机可直接拍摄，不需进行拼接；而普通照相机的成像角度约为60°，需根据不同角度的全景图进行图像拼接。PTGui是目前最常用的拼接软件，其操作流程简单。该软件导入图像后，可自动根据图片重叠部分的像素特性和镜头的参数，以“控制点”的形式自动拼接缝合；用户也可通过手动改变控制点拼接，进而提高图像精度[7]。

拼接后的全景图如出现天空及地面缺陷，可利用pano2vr软件对球形全景进行平方体转换。再利用Photoshop将提前补拍的图像替换并修补图像的光影、阴影和拼接不佳等问题，最后使用PTGui还原球形全景[8]。

2.3 交互功能的实现

景观评价多以图片为媒介开展对景观的偏好调查，但通过对景观的模拟并利用全景图和三维模型进行评价结果更加真实可靠。然而，如何将制作完成的虚拟景观转换为公众可沉浸景观是研究的方向。目前，主要通过网络展示平台和利用VR头显设备展示2种方式实现VR交互功能。

2.3.1 网络展示平台。制作完成的三维模型以fbx文件格式上传到动动三维，发布后会有专属的二维码和链接，可在任意移动端观看且方便传播。并且可在3DMax里面安装Super Map Max Plugin软件，并将三维模型发布到Super Mapi Server平台上，支持用Super Mapi Moblie在线浏览[9]。

全景图可利用720云APP或网页端，在“发布”界面中插入多张全景图，同时还可插入解说、热点、音乐、特效等互动效果。制作完成后的全景图可通过二维码、链接或微信小程序观看。

2.3.2 VR头显设备展示平台。即VR头显，虚拟现实头戴式显示设备。VR头显是利用头戴式显示设备将人的对外界的视觉、听觉封闭，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。其显示原理是左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感。

VR头显设备可分为3类：①外接式头显设备，用户体验好，具备独立屏幕，可与PS、PC、主机连接。但具有需连接数据线、自由活动范围小、设备不易携带等缺点；如HTCvive Pro、Oculus Rift、Play Station VR等。②一体式头显设备，也叫VR一体机。无需借助任何输入输出设备，方便携带，可通过蓝牙连接电脑、电视、手机等移动设备。但一体机存在设备过重、运行产生热量过多、价格过高等问题。如HTC vive focus plus、Oculus Go、Pico VR等。③移动端头显设备，也叫VR眼镜盒子。该设备方便携带、结构简单且价格较为低廉，放入手机即可观看。然而，因手机分辨率较低，导致画面颗粒感严重且设备刷新率低、延迟高。如SAMSUNGGear VR、谷歌Cardboard、Pico1等[10]。

此外，外接式头显可利用PC端的UNITY3D、3D MAX等软件进行三维模型的展示，也可利用720云网页端观看全景图。VR一体机与移动端头显都可利用720云、Vrgallery、暴风魔镜等APP查看。