• 虛擬現實技術在園林設計方面的應用
  •          2008年03月31日              來自: 互聯網
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     虛擬現實技術(Virtual Reality,簡稱VR)是利用計算機技術產生的一種人為虛擬的環境,這種環境可以通過視覺甚至聽覺、觸覺來感知,用戶通過自己的視點直接地、多角度地對環境進行觀察、發生“交互” 作用,使人和計算機很好地“融為一體”,給人一種“身臨其境”的感覺。這種技術運用在園林景觀設計上,能使我們更加直觀地面對設計對象,并且形成交互式的交流。



      1、虛擬現實技術簡介



      虛擬現實技術這一名詞是由美國VPL公司創建人拉尼爾(Jargon Lanier)在20世紀80年代初提出的,也稱靈境技術或人工環境。作為一項尖端科技,虛擬現實集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果,是一種由計算機生成的高技術模擬系統,它最早源于美國軍方的作戰模擬系統,90年代初逐漸為各界所關注,并且在商業領域得到了進一步的發展。



      但是在近20年的發展過程中,VR技術由于受到計算機軟硬件性能、成本和技術難度等方面的制約,在實際應用上還不夠廣泛。



      近幾年,信息產業的急速發展使一般民用計算機的性能突飛猛進、價格不斷下降,VR技術在各行業的廣泛應用成為可能。



      2、虛擬現實技術在園林造景上的應用



      2.1、園林造景中運用虛擬現實技術的意義園林造景對于環境變化的前瞻性和周圍景物的關聯性要求很高,因此在動工之前就必須對完工之后的環境有一個明確的、清晰的概念。通常情況下,設計者會通過沙盤、三維效果圖、漫游動畫等方式來展示設計效果,供決策者、設計者、工程人員以及公眾來理解和感受。以上的傳統展示方式都各有其不同的優缺點,但有一個缺點是共同的,即不能以人的視點深入其中,得到全方位的觀察設計效果,而運用VR技術則可以很好地做到這一點。使用VR技術后,決策者、設計者、工程人員以及公眾可從任意角度,實時互動真實地看到設計效果,身臨其境地掌握周圍環境和理解設計師的設計意圖。這是傳統手段所不能達到的。



      2.2、園林造景中運用虛擬現實技術存在的瓶頸計算機創建的三維模型(Model)是由面(Face)組成的,模型的形體越復雜,所用的面也會越多,對計算機的運算速度要求也就越高。就目前相關設計領域來說,VR技術在城市規劃及建筑設計方面的應用相對較成熟,這主要是因為建筑多由規則的形體構成,在計算機的模型中所用的面相對較少,實現VR較為容易。而園林景觀中常用的設計要素,如植物、變化的地形、水體等都是不規則的形體,用計算機的模型表示會非常復雜,像一棵樹本身就有成千上萬片樹葉,做成模型后所用到的面能達到百萬的數量級,這對于現階段的一般民用計算機來說,實現流暢的VR效果是不可能的。因此VR技術在園林造景中的應用研究仍處于起步階段。



      2.3、目前所能采取的應對方法目前計算機的速度不能滿足完全建模情況下園林景觀的虛擬現實,所以只能使用貼圖(MAP)的方式來模擬其中的植物。使用一張處理好的樹木照片,就能在VR中用1個面來表現一棵樹,雖然在真實度方面會有一定的損失,但相對于完全建模所需的上百萬個面來說,這種損失是值得的。



      3、園林造景中虛擬現實技術的實現方法



      3.1、虛擬現實技術的選擇經過多年的發展,虛擬現實技術的實現也派生出多種不同的方法,現在較為流行的有JAVA3DCUTE3DVRML等多種實現方法,它們也各有其不同的優缺點。而對于大型場景的模擬,VRML較為適合。



      VRMLVirtual Reality Modeling Language)是一個用于三維造型和渲染的圖形描述語言。用VRML我們可以創造一個能進入、能參與的虛擬世界。VRML2.0的新標準被廣泛地用于Internet上創建虛擬三維空間,可以隨意創建任何虛擬的物體,像建筑物、城市、山脈、飛船、星體等對象,也可以在虛擬空間中添加聲音、動畫,使之更加生動,更接近真實[1].同時,VRML程序所占的磁盤空間非常小,便于網絡間的相互傳輸。



      VRML本質上是一個網絡語言,像HTML一樣,需要通過編寫程序代碼來實現,這一點也是虛擬現實技術難以普及的一個門檻。但目前一些常用的三維圖形制作軟件,如3DSMAXMAYA等都對VRML提供了一定的支持。



      對于園林設計師來說,3DSMAX是較為常用的建模軟件,而3DSMAXVRML又有較好的支持,它不僅支持VRML程序的輸出,同時還可以在VRML程序中通過選擇攝像機在三維場景中進行導航設置,在場景中指定活動控件和感應器,豐富了實時瀏覽的內容。因此對于熟悉3DSMAX的園林設計師來說,VRML是一個很好的選擇。



      3.2、軟硬件要求



      3.2.1、硬件要求基于INTEL P4AMD ATHLON系列的CPU256M以上內存、具備32M以上顯存的顯卡是現在設計師普遍使用的計算機配置,能滿足VRML運行的需求。



      3.2.2、軟件要求建模軟件使用3DSMAX,貼圖處理使用Photoshop,瀏覽虛擬場景使用IE瀏覽器 VRMLIE插件。



      3.3、基本流程



      3.3.1、在3DSMAX中建立三維場景首先按照設計方案制作出場景中各要素的模型,并賦上相應的材質貼圖,然后加上能照亮整個場景的燈光,最后根據設定的視域和視高來確定自由攝像機(Free camera)的鏡頭類型和位置。



      可見,建立虛擬現實環境的場景與制作電腦渲染圖場景的過程基本一致,但側重點有所不同,后者需要的是靜態圖像的渲染效果,而前者則更關注實時瀏覽的流暢感和空間感,因此在創建虛擬現實場景時應做到下面幾點:



      (1)在滿足視覺要求的前提下,盡量減少模型的面數。模型創建完后使用3DSMAX中的優化修改器(Optimize)進行優化,能最大限度的減少模型面數。



      (2)使用關聯復制(InstancesCopy)。Instance是對象的關聯復制,當改變任何一個關聯復制品的時候,所有其他的復制品都會改變。在建立虛擬場景時,關聯復制是非常有用的,當使用關聯復制的時候,組成關聯復制的對象的面的設置只在VRML中定義一次。這樣可以使用多次同樣的幾何圖形,但不增加文件的下載時間。



      (3)對于一些非主要物體,不要過于苛求細節,盡可能使用“模擬的”幾何體。比如周圍的建筑可直接采用“幾何體 貼圖”(box maps)的方式制作。



      (4)場景中所使用的貼圖不需要很精細,最好全用jpg格式壓縮,并縮小尺寸,這樣能節省大量的下載時間。



      (5)所有使用到的貼圖必須全部放在一個目錄中,因為VRML只能搜索一個指定的貼圖目錄。



      (6)使用燈光。光線是場景視覺信息與視覺造型的基礎,沒有光線便無法體現物體的形狀、質感和透視關系,這一點和做電腦渲染圖是一樣的。但在VRML中不能使用諸如全局光、反射光、折射光、陰影等光線效果,只能通過普通燈光的布光技巧來彌補。另外,要保證場景中任何一個角落都能被燈光照亮,因為最終瀏覽虛擬現實場景時,任何一個角落都有可能被瀏覽到。



      (7)使用攝像機。VR場景的瀏覽是通過攝像機來進行的,在3DSMAX中創建自由攝像機(Free camera)來確定視域和視高,不同的視域和視高在實時瀏覽時能給人以不同的感受。在3DSMAX場景中建立的不同攝像機將會由VRML瀏覽器列出,可以供用戶在VR場景中進行選擇性的導航。即使是在瀏覽器中導航非常緩慢的大環境,也可以通過對一系列的攝像機視圖進行切換來快速選擇性的瀏覽。使用建立的攝像機,展示最佳場景,也就是展示具有不尋常的透視效果,或是展示場景中花費了大量功夫才創建的精細部分的特寫,如果把它留給客戶去自由導航場景,就無法控制客戶能看到什么效果了。當然,也可以只通過一個攝像機導航,讓客戶可以自由在VRML場景中游覽而且無拘無束。



      3.3.2、虛擬場景中植物、地形等不規則要素的制作



      (1)植物:3DSMAX的透明貼圖(Opacity)是VRML所不支持的,所以不能使用常規的方法制作植物。應該先用圖形處理軟件(如PHOTOSHOP)將樹木照片處理成無背景的GIF格式(可支持網絡上的透明背景),然后直接作為貼圖賦予一個平面(Plan)。盡管看起來不是很真實,但與給植物建造模型細節所付出的代價相比要小得多。



      VRML場景的瀏覽是實時互動的,所以僅使用一個面的樹木是不能滿足多角度觀察的。提供兩種方法來解決這個問題:一是用關聯復制將樹木平面復制一份,然后互相十字交叉,這樣不管在什么角度都能看到完整的樹,但這種情況僅適用于左右對稱的植物;第二個方法是使用攝像機對齊技術,使樹木的正面始終面對攝像機,但這種方法通過3DSMAX不能直接實現,必須手動修改VRML代碼來實現,這就需要一定的編程基礎。



      (2)地形:使用3DSMAX中的位移(displace)修改器制作。位移修改器通過對三維物體施加一個灰度圖,使三維物體對應圖上亮的地方產生凸起,而亮度的不同會導致凸起的程度不同。因此我們可以將設計的地形用Photoshop處理成一張灰度圖,然后在3DSMAX中作為位移修改器的貼圖施加到一個平面上,就可以得到我們想要的地形了。



      3.3.3、為場景創建互動效果VR技術中最令人激動的就是場景的互動性,用3DSMAX可以方便地創建出互動效果,在“創建/幫助物體(Creat/Helpers)”面板下的下拉列表框中選“VRML2.0,出現一個工具面板,面板上列出了12VRML輔助工具。其中可用于場景互動的有“錨(Anchor)” 、“觸動感應器(TouchSensor)”和“范圍感應器(ProxSensor)”3個感應器工具。Anchor是錨觸發器,當點擊設置了此觸發器的物體時,可以使場景切換到另一個預先指定的URL鏈接(類似網頁文檔的超級鏈接),或是與場景中的指定的另一個攝像機鏈接,類似電影中的鏡頭切換;TouchSensor是一個觸動感應器,當在場景中用鼠標點擊一個指定物體時就會引發一個預定義的動作;ProxSensor則是一個范圍感應器,只要接近一個指定物體時也會引發一個預定義的動作。使用它們就能創建出互動的場景。比如走到一扇門前,門會自動打開;按動按鈕,噴泉就會噴出水花,等等。



      3.3.4、輸出VRML文件在3DSMAX中使用“file”菜單下的“export…”,將導出的格式選為“VRML2.0(*。WRL)”,文件存放的路徑應和貼圖一致,然后注意在彈出的對話框中設置“Bitmap URL Prefix”,將圖片路徑設置正確。



      3.3.5、虛擬現實的瀏覽瀏覽虛擬現實的最佳方式是通過頭盔式顯示器或三維眼鏡來感受,但成本較高,故不在本文討論范圍。一種廉價的實現方法就是直接通過WINDOWS操作系統中的IE瀏覽器來瀏覽,首先需要安裝專用的VRML瀏覽器插件,如CORTVRMLCosmoWorlds等都是較為常用的。安裝完成后,直接運行做好的VRML文件就能在瀏覽器中瀏覽了。在瀏覽器中通過鼠標或鍵盤控制漫游的方向,如同身臨其境。



      4、結語



      在虛擬現實環境中,設計者置身于一個相對真實的模擬空間,使得園林設計能夠突破“平面、立面、剖面”的常規模式,讓設計者從各個不同的角度直觀地面對設計對象,更加深入地研究環境中各設計要素及空間之間的關系和比例,設計出更加完美、更加人性化的作品。但由于園林景觀設計中植物配置占很大比例這一特殊性,虛擬現實技術要想完全與其融合還有很多技術問題需要解決。我們利用現有的軟硬件設備已經制作出一些園林景觀的虛擬現實作品,盡管還達不到真正意義上的虛擬現實,但相信隨著計算機技術的高速發展和廣大園林景觀設計者的積極參與,虛擬現實技術在園林景觀設計上的應用必將普及。


     


     

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