基于虚拟现实的三维园林景观设计仿真系统1

基金项目:国家“863”计划基金资助项目(2005AA4Z3150)收稿日期:2008-07-28　修回日期:2008-12-04
第26卷　第2期
计　算　机　仿　真
2009年2月
文章编号:1006-9348(2009)02-0320-05
基于虚拟现实的三维园林景观设计仿真系统
郭　轶
1,2
,陈岱林2,张　雷2,叶敏青
2
(1.中科院研究生院本院,北京100039;2.中国建筑科学研究院,北京100013)
摘要:现有的园林景观专业CAD 软件对三维模型及虚拟仿真效果表达有限,只能进行二维施工图绘制。

为解决动态景观特性,研发了虚拟现实技术的三维园林景观设计仿真系统,采用面向对象的参数化三维实体建模手段,实现了三维实体建模、设计场景的三维实时虚拟呈现、渲染图及动画制作、施工图绘制等功能,并探索了系统计算原理、实现方法及OpenG L 扩展功能等相关技术。

然后简要介绍了系统整体功能,详细论述了专业模块中的仿真过程。

最后以工程实例验证了系统的有效性。

关键词:计算机辅助设计;虚拟现实;仿真;园林景观中图分类号:TP391172 文献标识码:A
3D S i m ul a ti on D esi gn System
for Garden Landscap i n g Ba sed on V i rtua l Rea lity
G UO Yi 1,2
,CHEN Dai -lin 2
,ZHANG Lei 2
,YE M in -qing
2
(1.Graduate School of the Chinese Acade my of Sciences,Beijing 100039China;
2.China Academy of Building Research,Beijing 100013China )
ABSTRACT:Existing garden landscap ing design C AD s oft w are is li m ited in exp ressing 3D modeling and si m ulati on effect,mostly can comp lete 2D drawing only .By devel op ing a garden landscap ing virtual design syste m based on vir 2tual reality technol ogy,adop ting object oriented 3D modeling and para metric method,the functi ons such as 3D entity modeling,real -ti m e 3D virtual p resentati on for the design scene,render map and ani m ati on,constructi on dra wing and s o on are realized,and the related technol ogies such as syste m calculati onal theory,i m p le mentati on method and OpenG L extended functi ons are researched .The paper intr oduces the in tegrated functi ons of the syste m in brief,dis 2cusses si m ulati on p r ocess of s ome s pecialty modules in detail .Finally,the syste m πs validity is validated by true p r o 2ject .
KE YWO R D S:CAD;V irtual reality;3D modeling;Garden landscap ing
1　引言
园林景观设计需要运用风景园林设计理论,以园林规划
为基础,综合利用科学、技术和艺术的手段营造并保护室外
环境[1]。

设计作品不仅要有视觉上的美感,更要与周围的环境相协调。

它涵盖城市绿化、小区绿化、广场设计、道路环境、景区规划等多方面的内容,既强调园林景观与生活、地域、文化的融合,又要考虑生态植被的可持续发展,保护和利用自然资源。

由于园林景观设计不论规模大小,在空间组织上都希望达到一步一景、景随步移的效果,因此如何将设计作品全方位、真实甚至动态地表现出来,对设计师来说至关
重要,这将有助于准确表现园林设计师的设计构想。

现有的园林景观设计过程大都使用Aut oC AD 软件进行二维施工图绘制。

国内相关的专业软件起步较晚,基本以建筑、规划软件演变而来,附带种树的功能。

例如:杭州的HCAD 软件、鸿业软件等,均为规划类软件。

由于大多数软件是在Aut oCAD 等第三方平台上进行二次开发的,除软件版权的保护外,也只是利用其平台的基本功能来绘制施工图,在三维建模、数据统计方面自动化程度较低。

只起到了“笔”的作用,而没有起到辅助设计的作用。

这些软件,只应归为规划或建筑的专业软件,并不具有园林设计的专业性,因此很难获得园林设计行业的认可。

面对这一现状,中国建筑科学研究院软件研究所在完全自主开发的纯中文三维图形平台之上开发了一个以园林设计为核心,集建筑、规划于一体
的三维园林景观设计仿真系统,将二维设计和三维表现密切集成,并提供专业化的种植设计、专业化的施工图绘制、制作面向国内的植物数据库、适用于园林景观的地形设计、园林附属设施的参数化设计等等,很好地满足了专业设计者的需求,充分填补了国内园林专业软件的空白。

2　系统概述
2.1　系统架构
三维园林景观设计仿真系统首先是一个计算机辅助设计系统,它的功能全面,能帮助设计者快速完成前期的方案设计及后期的成果展示。

系统以园林景观设计为主旨,以地形设计、规划设计、种植设计为主要内容,融入建筑造型和道路设计,在完成平面设计的同时可对场景进行OpenG L 动态浏览,并可即时制作真实感渲染图及三维仿真动画片,对场景多方位、全角度地进行展示。

系统大致可以分为建模编辑、地形设计、规划设计、种植设计、喷灌设计、数据统计、施工图制作、渲染及动画制作几大模块,系统的整体架构如图1所示。

图1　系统架构
212　系统创新点
三维园林景观设计仿真系统在开发过程中与专业园林
设计单位多次接触,充分了解到设计者对当前园林计算机辅助设计系统各方面功能的具体需求,有针对性地开发各专业模块功能,从而系统与国内同类软件相比具有下述创新之处:专业化的种植设计;专业化的施工图设计;面向国内应用的范围最为广泛的植物数据库;参数化设计园林附属设施;将地理信息系统GI S 中的地形设计加入园林景观设计;将二维设计和三维表现密切集成,运用虚拟现实技术更好地表达仿真效果。

3　系统绘制新技术
在园林景观动画中,一项非常重要的技术就是绘制技术。

由于园林设计行业的模型数据量非常大,对系统显示速度和绘制效果要求较高。

系统采用轮廓线技术来提高绘制效果,并深入研究了OpenG L 相关内容,优化了绘制的具体实现算法。

内容如下:
虽然计算机图形硬件已发展得相当快,但并不是所有的情况下都适合用大规模精细网格,粗糙网格在某些场合仍然
发挥着重要作用。

在粗糙网格的绘制中,轮廓线是最需要特殊处理的,这里提出了一种轮廓线光滑(Silhouette S moot 2hing )技术,对粗糙网格的轮廓线绘制进行优化,解决了在没有更精细模型的情况下,如何让粗糙网格轮廓线绘制得更自然,更光滑的问题[2]。

算法假设只有粗糙网格存在,主要包括六个部分:1)在一定的视角下计算出网格可见的轮廓线边(silhouette edges )以及相关的三角形;2)将这些轮廓线投影到二维视平面上,得到一系列二维线段;3)用Her m ite 插值将线段用光滑曲线取代;4)假设这些光滑曲线是三维光滑轮廓线在视平面上的投影,所以将曲线投影到三维,得到光滑的轮廓线;5)在三维曲线上重采样,并计算出采样点的纹理坐标;6)对网格重新三角化,映射纹理,绘制出最后模型。

这里提出的算法只需要粗糙的网格,没有精细网格的存在。

其次在运行阶段,只提取粗糙网格的轮廓边,速度要快得多。

实验表明这个优化过程所需要的时间比绘制原始网格要多80%,但是却比绘制一个能够在边界上给出近似映射效果的时间要少得多。

流场可视化是科学计算可视化研究中的一个经典的研究方向,在流体力学、天气预报、爆轰数据模拟当中都有广泛的应用。

给出了用半规则纹理可视化二维流场的新方法,扩展了最新的纹理合成算法,并讨论了在如何保持帧之间连续和样本纹理结构中取得平衡,提出了通过变形矩阵两个特征根来衡量纹理变形程度的方法[3]。

相对于已有的基于纹理的流场可视化技术,算法是一种全新的方法,它不采用噪声纹理做输入,而用本身含有结构和方向信息的样本纹理重新诠释了流场,在可视化结果上也和原来的方法大大不同,却依然很好地表达出了流场的内部特征。

由于自然界中很多半规则纹理都可以作为输入的样本纹理,所以算法在提供了一种流场可视化新算法的同时也大大丰富了可视化结果的多样性。

不同于以噪声纹理为基础的传统方法,这里提出的方法直接利用半规则纹理本身蕴涵的方向信息对流场进行可视化,结果直观有效,而且适用的纹理范围广泛,丰富了流场可视化的手段。

以往算法在合成第一帧后,让每一个小块内的所有象素都以相同的平均速度向前移动,当各小块移到新位置后,如果某个点原来的速度方向和当前位置的方向不合,那么该点就是无效点。

可见,以往算法只考虑了纹理小块的平动方式,而忽略了它的合理旋转运动。

所以当流场比较复杂时,简单的平动往往会造成过多的无效点,延长了合成时间,同时过多新引入的小块也降低了帧之间的连续性,使得该算法不适于非稳态流场的可视化。

这里新提出的算法却克服了这些困难,允许纹理小块的旋转,使得帧连续性增强,同时合成时间缩短。

实验表明新方法均只有以往算法的一半左右(所有时间都在一台2GHz CP U,512M 内存的PC 机上测得)。

为了提高绘制效果,很有必要深入研究OpenG L 技术。

在OpenG L 的新版本(113规范)中,OpenG L 提供了绘制的新技术。

HP BUFFERARB P Buffer 对象提供了一种离屏绘制目
标对象的机制,是wgl扩展形式。

后台像素缓存设置24位的颜色缓存和32位的深度缓存,像素缓存尺寸与显存的关系可以表示为:memory=width3height3(24+32)。

由于应用程序也需要显示,因此显卡的存储容量必须远大于这个结果。

利用OpenG L的pbuffer离屏绘制判别大规模网格模型的可见性,主要包括以下五个步骤。

第1步是创建后台窗口,定义窗口像素格式说明,设置设备描述表的像素格式,创建绘制描述表并激活设备描述表和绘制描述表。

第2步是使用wgl ChoosePixelFor mat A RB获得指定属性特点的象素格式列表,使用wgl CreatePbuffer ARB创建一个pBuffer对象,取得该P Buffer的关联DC,创建一个Opengl Context,即P Buffer 所关联的环境(包括G L帧缓存初始化,设置G L视口,设置G L变换矩阵,显卡硬件编程设置等)。

第3步是进入该P Buffer的Opengl context,绘制网格三角面片数据。

第4步是对网格模型中每个三角面片,取三角形的中点坐标进行从模型空间到视口空间的坐标变换,使用gl ReadPixels读出P Buffer的深度数据,比较对应视口坐标的深度值,设置面片的可见性标记。

第5步是恢复后台像素缓存的设置,删除绘制描述表,释放窗口的设备描述表,并销毁窗口。

4　系统计算原理、方法和计算公式
4.1　三维地形设计
三维园林景观设计仿真系统采用规则格网法(RSG)完成行场地模拟与设计。

系统使用局部插值算法,将地形表面上一组有限的数字化高程采样点或等高线数据用三角形对点进行三维地形的造型,然后转换为规则格网的数据,即数字高程模型(DE M)。

使用局部插值算法,可以将数字化高程采样点或等高线数据转为规则格网的DE M数据,一般的插值算法包括线性内插法、反距离权重法、有限元素法、自然邻接点法和克里金插值等算法,经过对计算复杂度与结果精度的权衡,最终采用经过优化的反距离权重法(I nverse D istance W eighted)进行计算,生成规则三维网格地形。

地形模拟的准确性取决于自然地形的采样精度,准确地根据地形数据信
息将原有地形还原为三维数字模型,可有效地为设计师提供数据分析依据。

为避免采样点精度和范围对模拟结果的影响,系统采用了人工干预采样精度进行计算控制,达到了预期的效果。

利用DE M模型进行地形设计,不仅可以模拟场地地形,还可以完成场地分析、场地平整和场地改造。

具体的地形设计过程如图2所示。

4.111　地形分析原理
坡度与坡向分析:以DT M的方格平面作为计算基础。

坡向(as pect):平面的垂足线(法线)在水平面的投影,与正北方所夹之方位角。

坡度(sl ope):平面与水平面夹角;或法线与天顶线夹角,如图3所示。

坡度计算:二点之间的坡度:高差除以距离,如式(1)及图4所示。

4.112　离散点地形高程计算原理及公式
系统采用反距权重法高程插值计算的原理实现对离散点地形的高程计算。

●Shepardπs method是最简单的“反距权重”内插法。

F(x,y)=∑
n
i=1
w i f i;(2) n:环绕(x,y)外围,用以定义其Z值的点数。

w i=
h-p i
∑n
j=1
h-p j
;(3)
Z=
∑n
i=1
1
(D
i
)p
Z
i
∑n
i=1
1
(D
i
)p
;(4)
p:指数,通常设为2。

h i:内插点与已知点i间距离。

h i=(x-x i)2+(y-y i)2或
h i =(x-x
i
)2+(y-y
i
)2+(z-z
i
)2;(5)
●美国国防部地下水模型(G MS)采用以下的权重公式,Franke&N iels on(1980)认为此一修正公式可得较佳之内插结果。

w i=
R-h i
R h i
2
∑n
j=1
R-h
j
R h j
2
;(6)
h
i
:内插点至已知点i间距离。

R:内插点至最远点间距离。

4.2　三维种植设计
4.211　种植方式描述
系统可按常见的种植方式自动完成种植,并能通过多种种植方式的组合形成园林景观效果。

系统将图形和数据相关联,不仅具备辅助绘图的功能,还有辅助设计的功能。

应用适合中国气候条件的植物数据库,作为种植设计中选择树种的基础。

通过调用植物数据库中的各地区的子表,选择所在地区的树种,设定树种的规格(包括:树高、冠幅和胸径等)参数,选择种植方式:孤植、列植、片植、成组列植和混植等,选择植物的平面表达方式和植物的三维图片,完成种植。

种植平面图的表达方式,应满足园林设计的制图标准,按植物的平面图例、或按种植点和植物轮廓线方式表现。

为达到种植设计的二维和三维的统一,通过切换视图,在顶视图中显示平面种植图,在透视图中显示种植时选择的植物图片,表现种植设计的三维效果。

4.212　对植物的表示方法
在景观建造过程中,通常对植物的使用数量是很大的。

如果使用三维模型来表示植物,那么一棵植物所使用的面片数量就会很多,从而整个工程将耗费巨大的系统空间,当面片的数量超过系统极限容量以后,会导致系统的崩溃。

基于上述原因,系统提供了另外一种植物表示方式,采用OpenG L 公告板技术[6],用图片对植物进行模拟。

公告板技术是一项非常实用的技术,它可以用一种简单的方式来完成很多特别的效果,但它最吸引人的地方在于实现这些效果时所使用的系统资源极低。

这样对每一个植物实体,只需要存储它的位置及图片的索引信息,以一张照片的存储代价来替代三维模型的存储代价,从而大大节约了系统空间。

在显示效果方面,系统将收集的南北近千种植物的图片都做了镂空处理,使用OpenG L扩展功能实现了镂空纹理显示效果[6],结果更近真实。

4.3　动态浏览和渲染技术
系统在完成创建三维模型,给实体赋材质和设置光源、视点(相机)后,可以随时进行动态浏览,制作三维真实感渲染或动画,用渲染效果图来体现光影效果和纹理质感。

三维CAD难点在于,大容量和大体量模型的即时动态三维浏览问题,系统应用低成本、高性能的显示卡,基于硬件加速的其成熟的接口语言如OpenG L、D irect3D,并通过对复杂三维实体进行快速三角化处理,较好地解决了大容量实体的快速动态显示问题。

同时,采用对特定三维网格面片的光滑处理也大大减少了数据处理。

系统合理使用了OpenG L提供的三角带和三角扇方式,减少重复节点上记录,使表现定型物体的节点大为减少。

同时,采用对特定三维网格面片的光滑处理也大大减少了数据处理,在实际应用中起到了明显效果。

园林设计中的三维园林小品形式多样、体形各异,纹理贴图的要求也各不相同,其贴图类型包括:平面、长方体、球、圆柱、三角面与自适应贴图等,系统根据多种贴图方式进行贴图坐标计算,用位图纹理材质实现实体的实时显示。

由于OpenG L 是直接驱动于显卡的较低级别语言,要求贴图的尺寸必须是2的幂次,因此,在传递给OpenG L时候需要整理。

考虑到园林景观设计的特点,不能采用简单裁减的方法,而是综合了色彩压缩、色彩合并和柔化等技术,以达到预期效果。

通过读取32位彩色位图的透明通道信息,结合OpenG L模板应用,实现了镂空贴图纹理显示技术,在表现环境配景等方面实现了以往无法达到的效果。

树图片采用镂空贴图的方式,并且将树图片尺寸设置为2的幂次,来提高显示精度。

在真实感渲染、渲染的图形绘制算法方面,通过比较深度缓存、光线跟踪、辐射度三种算法,系统采用改进后更为精确的辐射度算法解决了渲染计算速度慢的问题,使其达到了实用化的程度。

系统提供光线跟踪和辐射度渲染模式,分别适用于室外、室内真实感渲染。

独特的镂空贴图配景实体,可直接完成场景中各类配景的布置。

系统可以创建多个相机(视点),并选择其中之一作为当前相机。

可以拖动和修改相机位置,拖动过程中在各视图中实时显示相机的位置与视角,在相机视图中显示相机的观察范围,实现所见即所得的效果。

同时,系统还支持点光源、锥光源、平行光、柱光源、面光源、太阳光等六种类型的光源,其中太阳光根据经纬度及所在地的时间,自动计算光照方向。

每种光源均可交互设置与修改。

系统提供线框图、OpenG L、高度真实感三种显示方式。

高度真实感图形显示方式支持深度缓存、光线跟踪、辐射度、深度缓存+光线跟踪、光线跟踪+辐射度等5种图形渲染算法,各种算法的时间开销和图形真实感效果有所不同,它们能够满足各种不同应用场合的需要。

系统的渲染算法中采用了反走样技术,支持雾、背景等自然环境,同时采用了空间分割等多种图形加速算法,可以快速地产生高质量的渲染图形。

在动画制作方面,系统采用多视窗交互方式,设置折线或Bezier曲线作为相机路径,并设置路径各关键点的参数,完成较为复杂的相机动画及场景切换效果。

提供OpenG L及渲染动画,以进行场景浏览模拟,采用M PEG压缩算法并扩展了M PEG图形标准,可完成较高分辨率的动画,并通过播放器程序进行播放。

5　成果分析与工程实例
该系统全面集成了三维建模、三维地形设计、三维规划设计、三维种植设计、三维场景实时模拟、园林专业施工图绘制及渲染图和仿真动画等仿真功能,经过全方面反复测试显示,证明系统在各种度杂操作下都具有极强的稳定性和安全可靠性,对于大容量实体间的各种操作具有很快的执行速度,其兼容性、可扩充性及资源占用性等各项指标都达到了相应的要求。

并在大容量三维图形的动态显示、三维动画的绘制技术、OpenG L 的扩展技术应用等关键技术上都有新的突破,从而该系统达到了相关实用要求,完全被园林行业所认可,成为目前国内唯一一个真正意义上的三维园林景观仿真设计软件。

且本软件已经通过课题验收,认为该“软件达到了项目任务书的内容要求,并在多项工程中得到应用,达到国内领先水平,具有良好的应用前景和推广应用价值”。

目前本系统已拥有大量的用户,经反馈能够很好地满足设计者的需求。

如图5所示为几个来自实际工程的平面总施工图及仿真效果图展示。

图5　用户实际工程展示
6　结束语
文章论述了基于虚拟现实的三维园林景观设计仿真系统的开发背景、创新之处及重要的技术手段,深入剖析了专业模块的计算原理和实现方法,对仿真效果方面的重要算法和技术进行了深入探讨,实现了三维建模、三维地形设计、三维规划设计、三维种植设计、园林专业施工图绘制、三维场景实时模拟及后期渲染图和仿真动画制作等各项功能模块的有效集成。

该系统成为目前国内唯一一个被行业所认可的专业三维园林景观设计仿真系统。

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.
[作者简介]
郭　轶(1974112-),女(汉族),河北人,中国建
筑科学研究院软件研究所工程师,研究方向:CAD 、计算机图形学、虚拟现实及仿真技术在建筑、园林景观等系统中的应用。

陈岱林(194715-),男(汉族),北京人,中国建筑
科学研究院研究员,博士生导师,主要从事建筑结
构工程设计CAD 系统、虚拟现实与仿真技术等的研究。

张　雷(1968111-),男(汉族),北京人,中国建筑科学研究院研究
员,主要从事虚拟现实、仿真技术等的研究。

叶敏青(196818-),女(汉族),广东人,中国建筑科学研究院工程
师,主要从事园林景观设计、CAD 技术等的研究。