（园林植物与观赏园艺专业论文）虚拟现实技术在风景园林设计中的应用.pdf

摘要 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 技术和网络一样是2 0 世纪末才兴 起的一门综合性信息技术。它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感 器、网络、并行处理等技术的最新发展成果。其实时的三维空间表现能力、人机 交互的操作环境以及给人带来的“身临其境”的感觉，一改过去人与计算机之间 枯燥、生硬和被动的状况，为人类探索和研究宏观世界与微观世界提供了极大的 便利。 虚拟现实技术应用于风景园林设计中，为我们观察客观世界的特征与行为提 供了有力支持：并能使设计者在与多维化信息环境的交互作用中得到启发，加深 感性与理性的认识，从而产生新的创意。通过与多维化信息环境中发生交互作用， 增强风景园林创作的手段，在定性定量的综合集成环境中，得到感性和理性的认 识，从而深化概念，并拓展创意途径。虽然，虚拟现实技术目前在风景园林设计 中的应用仅出于探索时期，但随着技术的成熟，其对风景园林设计影响必将更大。 本论文在第一章主要介绍了选题的背景和研究范围、方法，并分析论文研究 涉及的相关理论。在论文第二章主要论述了风景园林设计方式从视觉思维到数字 化思维，从二维世界到多维世界的过程，揭示出虚拟现实工具出现的必要性。第 三章主要从概念、特征、发展简史、结构及目前的应用于虚拟现实技术中主流技 术来论述，说明虚拟现实技术的新技术性。第四章是从理论的层面，探讨虚拟现 实技术在风景园林设计中的应用，第五章则是从实践的层面，阐述现有条件下， 虚拟风景园林环境是如何构建与应用的。论文的最后一部分主要是分析现阶段制 约虚拟现实技术在风景园林设计领域发展的障碍，在v r 时代对风景园林设计的 涵义加以思考，展望未来在风景园林设计中的应用。 关键词：虚拟现实技术 风景园林园林设计应用 v i r t u a lr e a l i t ya p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo nl a n d s c a p ed e s i g n a b s t r a c t v i n i l a lr e a l i t y ( v i r n l a lr e a l i 吼i ns h o r tv r ) t e c h n 0 1 0 9 y ，l i k e n e t w o r k ，i so n eo f i m e g r a t e di n f o n n a t i o nt e c h n o i o g yw h i c hh a v er i s e da tt h ee n do ft h e2 0 t hc e n t u u t h ev rt e c l l i l o l o g yh a si n t e g r a t e dt h e1 a t e s tt e c l l l l o i o g yd e v e l o p m e n t so fc o 唧u t e r g r a p h i c s ， m u l t i m e d i a ， a n i 6 c i a l i n t e l l i g e n c e ，m u l t i m e d i a ，n e t w o r k s ，p a r a l l e l p r o c e s s i n g i t sr e a l t i m ep e r f b m a i l c eo f3 ds p a c ec 印a b i l i t i e s ，t h e o p e r a c i n g e n v i m n m e n ti n v o l v e di nm a na 1 1 dc o m p u t e ra i l db r i n gt h e ”p e r s o n a le x p e r i e n c e ” f c e l i n g ，b r i n gac h a n g ei nm ep a s ti n t e r e s t l e s s ，r i g i da n dp a s s i v ec o n d i t i o n sb e t w e e n m a na n dc o m p u t e r ，a n dm a k eh u m a ne x p l o r a t ea r i ds t u d yt h em i c r o m a c r ow o r j d g r e a n yf a c i l i t a t e d t h ea p p l i c a t i o no fv i r n l a l r e a l i t yt e c l l i l 0 1 0 9 yf o rl a n d s c a p ea r c h i t e c t u r ed e s i g n ， p r 0 v i d e ss t r o n gs u p p o r f o ru st oo b s e r v em ec h a r a c t e r i s t i c sa 1 1 db e h a v i o ro ft h e o b j e c t i v e w o r l d i tc a n i n s p i r ed e s i g n e r s w h oh a v ei n t e r a c t i o nw i t ht l e m u l t i d i m e n s i o n a l i n f b r i l l a t i o no fe n v i r o n r n e n ta i l di tc a j ld e e p e nt h e i re m o t i o n a la n d r a t i o n a lu n d e r s t a l l d i n g ，w h i c hc a ng e n e r a t en e wc r e a t i v i t yt h ej n t e r a c t i o nw i t ht h e m u l t i d i m e n s i o n a li n f on 1 响t i o no fe n v i r o n m e m ，c a ne n h 孤c em es c e n i cl a n d s c a p e c r e a t i v em e a n sa n di nt h eq u a n t i t a t i v ea n dq u a l “a t i v ei n t e 酽a t e dm a s t e re n v i r o n m e n t ， e m o t i o n a la n dr a t i o n a lu n d e r s t a n d i n gc a i lb eg a i n e d ，c o n s e q u e m l yd e 印e n i n gt h e c o n c 印ta n de x p a n d i n gc r e a t i v et h i n i ( i n gw a y s a l t h o u 曲v i n u a lr e a l i t yt e c h n 0 1 0 9 yi s c u 玎e n t l yi nt h ea p p l i c a t i o ni nl a n d s c 印eg a r d e nd e s i g no n l yf o rt 1 1 ee x p i o r a t i o np e r i o d ， w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm et e c h n o l o g y ，i t si m p a c to nt h el a i l d s c 印eg a r d e nd e s i g n w m b ee v e ng r e a t e r t h ep a p e r sp r e s e n t e di nt h ef i r s tc h a p t e rt h em a i nb a c k g r o u n do ft h es u b j e c t s s e l e c t i o n ，t i l es t u d ys c o p e ，m e t l l o d s ，a i l da 工l a l y z er e l e v a n tt h e o r i e s c h 印t e r m o s t l y d e a l s 埘t 1 1t l l ec h a n g i n g p r o c e s so fl a n d s c a p eg a r d e nd e s i g nw a y s 疳o mt h ev i s u a l t h o u g h tt od i g “也o u g h t ，丘o mt w o d i m e n s i o n a lt om u l t i d i m e n s i o n a lw o r l d ，a n d r e v e a l st h en e e df o rv i r t u a lr e a l i 够c h 印t e ri i is h o w st 1 1 ec r e a t i v i t yo fv i r t u a lr e a l i t y t e c h n o l o g yf 如mt h er n a i nc o n c e p t s ，f e a 眦s ，d e v e l o p m e mh i g h l i 曲t s ，t h ec u r r e n t s t m c t u r ea i l d 印p i i c a t i o no fv i n t l a ir e a l i t yt e c l u l o i o g yt om a i n s t r e 锄t e c h n 0 1 0 既 c h 印t e r 劬m 血e o r e t i c a l1 e v e l ，e x p l o r e sv i r t u a lr e a l i t yt e c l l i l o l o g yi nt h el 锄d s c 印e g a m md e s i g na p p l i c a t i o n s ，a 1 1 dc h a p t e rv 舶m t h el e v e lo fp m c t i c eu n d e re x i s t i n g c o n d i t i o i l s ，d e s c r i b e sh o wt oc o n s 仃u c t 锄d 印p l yt h ev ri ni a l l d s c 印ea r c h i t e c 眦 e n v i m n m e n t t h ef i n a lp 印e ra 1 1 a l y z e so b s 协c l e s 、v ：l l i c hr e s m c tv i 咖a l r e a l i t y t c c h n o l o g y sd e v e l o p m e n ti nm ef i e l do fl a n d s c a p eg a r d e nd e s i g l l i na d d i t i o n ，s o m e t l l i l l l 【o f 山em e a i l i n go fn l el a l l d s c 印eg a r d e nd e s i g l li nt h ee r ao f v ra i l dp m s p e c ti n t l l cf i l 眦i ns c e n i cl a n d s c a p ed e s i g nw a sg i v e nb yt h ea u t l l o l k e y w o r d ：v i 咖a lr e a l 时t e c h n o l o g y ；l a n d s c 印ea r c h i t e c t u r e ；l 粕d s c a p ed e s i 印； a p p l i c a t i o n 致谢 随着论文工作的结束，我也即将结束我的硕士研究生的学习生活。回首往事， 丝丝感触涌上心头，这一路走来，师长、朋友、家人的帮助让我受益良多。没有 他们的帮助，就没有我今天的成绩。 首先感谢我的导师芦建国副教授，从师三年，芦老师渊博的知识、严谨的治 学风范、实事求是的科研作风、勤奋忘我的工作精神使笔者在思想上、学业上受 益菲浅。同时，本论文在立意、选题、撰写、定稿过程中都倾注了导师大量心血， 并且导师还积极创造各种机会，支持和引导作者较好地利用各方面有利条件，使 论文得以顺利开展和进行。在此特向导师对作者的教诲和关心表示最衷心的感谢。 感谢南京林业大学风景园林学院的王浩教授、汤庚国教授、丁彦芬副教授、 谷康老师对我的指导和帮助。他们的关心和指导，使我开阔了眼界、丰富了知识、 获得了许多宝贵的经验，所有的一切都让我受益非浅。 感谢清华大学朱钧珍教授、中国农业大学李树华教授、南京大学刘茂松副教 授在论文开题时所提的宝贵建议。 感谢学友杜灵娟、李雪颖、孙强、吴平、赵渊和曾经帮助过我的同学们，三 年来的点点滴滴历历在目，我珍惜这段同窗情谊。 感谢好友孙新旺、孟国忠、秦天堂、赵欣、徐英、冻荔等，我们之间的真挚 友谊使我终生难忘，和你们一起度过的时光将成为我人生最美好的回忆。 特别感谢我的家人，朴素的人用他们朴素而至伟的爱伴随我的成长，是他们 的理解和关爱给了我莫大的支持和鼓励，使我的论文得以最后顺利完成。 谨此，向所有关心、支持和帮助过作者的老师、同学和朋友致以诚挚的谢意! 作者：苏同向 2 0 0 6 年6 月于南京 第一章导论 让我们先从两则新闻报道开始： 报道1 ：钱江晚报2 0 0 5 年6 月7 目消息：在电脑中造一个虚拟杭州 鼠标一点，你就可以在西湖苏堤上徜徉，再一会儿你就可以在湖滨大道上看高楼。 昨日，从杭州市城市规划设计院信息中心传来消息，杭州的主城、钱江两岸被杭州城市规 划设计师搬入了电脑。 虚拟杭州的正式名称叫“环西湖地区数字景观模型”。这是杭州市规划设计院与浙江 大学图形图像实验室，光影科技联合开发的。目前它已基本完成，将在近日接受专家验收。 目前出现在电脑里的杭州主城范围包括环城北路以南，中河路以西、河坊街以北等地 区，而之后北山路、南山路，甚至钱江新城都会装入电脑。在这个虚拟空间里，每一条道 路、建筑甚至连房屋之间的花坛都与现实杭州一模一样。你可以看见微澜的西湖、宽阔的 湖滨大道、庆春路。设计人员骄傲地说：“模型中每一幢房子放大后，高度宽度与实际相 差不会超过l 米”。鼠标一滚，走的道路就是熟悉的北山路，站在湖边，远眺的就是杭州 城，抬头一看就是武林广场的高楼大厦 去年年底，设计人员就开始制作这个模型。为了保证建筑占地比例、高度比例，甚至 外观都与实际相同，工作人员每天都要奔波在马路上，把大大小小的建筑外观拍摄下来， 同时他们还要到城建档案馆调出所有建筑资料。 这个虚拟杭州的建立，是为了保证真实的杭州更美。有了这个数字模型，一个建筑、 一个区块在规划论证阶段时，就可以逼真再现在电脑里。只需要输入一些数字，它与周围 的环境是否协调，是否符合城市规划管理，一看就知道。目前，规划设计人员已经利用它 完成2 个建筑项目的论证，比如位于城站广场的浙医一院潘方仁分院方案的论证。 为了实现杭州的跨江发展，钱江新城的快速建设，现在设计师转入了钱江两岸的虚拟 空间的制作。他们的理想是，在不远的将来，可以把整个大杭州都装入电脑。 报道2 ：浙江在线2 0 0 5 年6 月3 0 日消息：水天一色，钱江新城将重画西湖天际线 钱江新城素以建筑物高大挺拔为亮点，仅核心区西侧，就规划建造百米高楼3 0 多座， 这些密集高楼会影响到西湖天际线的景观吗? 昨天，数十名国内城市建筑研究专家聚集西 子湖畔，共同会诊“杭州市钱江新城核心区西湖景观天际线影响”这一课题。 以各视角模拟了西湖天际线后，专家们认为，钱江新城未来建设的建筑，不但不会对 西湖天际线造成影响，而且还将弥补目前西湖天际线过于平淡的不足。 同济大学建筑城规学院教授卢济威盛赞了杭州对城市天际线、建筑色彩控制上的前瞻 性态度，他说这对全国都有指导意义。 站在平湖秋月东望西湖，天际线处光华一片。秋水共长天一色，钱江新城那三幢超过 2 0 0 米的高楼将在西湖天际线上清晰可见。 层次西湖目前天际线欠分明 城市天际线，是城市独特的地标。 现有西湖天际线，主体由环城东路( 赔沙河) 以西的高层建筑构成，天际线较平缓，与 西湖周围自然起伏的山峦相协调。 从宝石山到吴山，建筑趋于下降并逐渐掩映于山体之下。武林广场、庆春路至官巷口 附近有两个建筑密集区，但因为建筑高度基本都在6 0 米左右，未形成城市的“冠”。城 站周围以利群大厦为核心构成了第三个看点，不过周边建筑不高，使利群大厦分外“孤 立”。 专家认为：“西湖城市天际线向，心性不强，层次感欠分明。” 新城建筑弥补了平淡 钱江新城核心区距西湖4 7 公里，建成后，它的建筑，将成为西湖的背景，构筑天 际线的新轮廓。 那么，钱江新城内即将矗立的超百米高楼，是否会破坏西湖天际线景观呢? 杭州城市规划设计研究院专家们，选取了平湖秋月、苏堤、西湖国宾馆、西子宾馆四 个视点，以点带线，用仿真模型动态演示，进行一一分析。 平湖秋月，是观赏西湖天际线最北端的视点，通过仿真模型看，钱江新城核心区建筑 轮廓与现状轮廓交又起伏，弥补了平海路至解放路轮廓线的平淡。 通过对四个视点的动态分析，专家认为：新城核心区内1 5 0 米以下的建筑不会对西湖 天际线产生不利影响，同时，目前城站广场处1 4 7 米的利群大厦的“鹤立鸡群”将得到改 现。 高度杭州未来的城市之“冠“ 钱江新城中，有三处标志性高层建筑格外瞩目：已落成的长途第二电信枢纽大楼( 2 1 0 米) 、拟建的财富金融中心( 2 6 8 米) 、规划中的超高层建筑( 3 2 0 米) 。 未来它们都将在西湖天际线中占一席，而3 2 0 米超高层建筑无疑将是杭城第一高楼 专家建议：新业路至庆春东路之间，应着重处理好与3 2 0 米超高层标志性建筑之问的 关系，拟通过这些建筑族群的布置形成杭州城市之“冠”，强化未来杭州城市新中心的形 象。 色彩新城建筑色彩也成景观 此外，钱江新城核心区内高楼色彩景观也将成为杭州的一道新风景线。 新城整体上将形成中明度、低彩度，雅致、明快而不失稳重的色彩倾向。由大剧院( 银 色) 、国际会议中心( 金色) 和玻璃为主要材料的市民中心三大建筑组成的新城申轴线，无论 色彩和区域定住均属于绝对中心。而商务办公区，功能混合区，商业区等蒋用不同色调， 强调区域色彩差异。 通过西湖景观分析，专家们提出，钱江新城核心区块内，1 5 0 米以上的建筑应注重项 部形象：2 0 0 米以上的标志性建筑顶部避免使用高反射材料，建议采用简洁造型；2 5 0 米 以上的建筑应对其建筑顶部处理、色彩、材料等领域进行深入分析论证。 从以上两则新闻我们看到了什么? 对于风景园林设计来说又意味着什么? 是机遇， 还是挑战? 新技术与风景园林设计之问，是融合，还是抵触? 当我们面对这些问题，或许 应当重新认识与评估风景园林设计了。 2 1 1 问题的提出 在人类社会发展的过程中，我们经常把某一时期的发展用当时最典型的工具或最先进 的生产力代表来命名，如“新石器时代”、“青铜器时代”、“机器大工业时代”等等。代 表人类社会目前最先进生产力的，当属以计算机技术为核心的信息技术。当前社会与技术 的发展中，电子计算机技术和数字化媒体的兴起与普及已成为这个时代的重要方面与主导 特色，计算机技术改变了我们对未来生活的期望，给人类社会的方方面面施加了不可忽视 的影响，为新的生活方式注入了强大的生命力。 在过去的几十年里，计算机与数字技术的发展给当代的风景园林及设计带来了一系列 冲击，更引发了风景园林学自身、风景园林学与社会之间，乃至社会生活及社会结构等各 方面的根本性变革，使得现代的风景园林设计的内容进一步的扩展。北京大学景观设计学 学院俞孔坚教授对风景园林发展的历史进行了归纳( 表1 1 ) ，把风景园林专业的发展以 三时段论来进行划分。通过此表我们可以分析出现代风景园林学科已是以”生物、生态 社会时段 服务对象主要创作指导理论和评价标准园林专业人员及代表作 对象 代表人物 农业时代( 小以帝王为 宫苑，庭唯美论，包括西方的形式美和中国巨匠、技师，如中国皇家园林 农经济)首的少数院，花园的诗情画意，同时强调工艺美和园中国的计成、法和江南文人山 贵族阶层林美国的雷诸水园林，法国雷 诺特式宫苑 工业时代( 社工人阶级冀公园绿她咀人为中心的再生论。绿地作为城美国的专业规毙纽约中央公园， 会大生产)主体的广六系统市居民休闲和体育空间积城市的设计师奥姆颠特波士顿的蓝宝 城概肺，强调覆盖率、人均绿地等指标德 石项链 后工业时代人类和其人类的家，可持续论。强调人类发展和资源及作为协调人类文如美国东海岸 ( 信息与生他物种即整体人环境的可持续性，强调能源与资源化圈与生物圈综的一些生态规 物技术革命，类生态系利用的循环和再生性、高效性，生合关系的指挥划，欧洲的景观 国际化)统物和文化的多样性。家，如麦克啥格生态规划 表l - l 风景园林专业发展三时段论 学科”为主，并与其他非生物学科( 例如土木、建筑、城市规划) 、哲学、历史和文学艺术 等学科相结合的综合学科。它的基础知识包括地质学、自然地理、土壤学、气象等自然科 学，生物学、植物学、生态学等生物科学；园艺学、林学等农业应用科学；以及文学、艺 术、美学等多学科相综合的新的绿色生物系统工程学科。它包括从古典的小面积的庭园、 花园、公园等地形地貌设计，道路、建筑，叠石堆山及种植设计，一直到现代整个大城市 园林绿地系统工程的规划设计和建设；从一个小园林的设计一直到宏观的，涉及土地利用、 自然资源的经营管理、农业区域的变迁与发展、大地生态的保护、城镇和大城市的园林绿 地系统规划；同时运用现代尖端科学技术，如航测遥感技术和卫星遥感技术的应用和计算 机技术的应用等内容。 2 ， 但是，我们也应清醒的认识到现有风景园林设计发展的局限性，如：过于追求形式， 装饰化的风景园林设计比比皆是：在园林设计表现上，无论是一维文字符号、二维的图形 图像，还是三维的模型沙盘、效果图和动画制作，都是一种静态媒介形式，不能去动态的 演示园林景观本身固有的变化；同时由于风景园林设计的专业拓展空间越来越大，城乡与 区域景观及生态规划、自然与文化保护地规划设计、旅游规划将成为设计的重点，而原有 的过于定性设计必将要向定量设计进行转变。因此，我们必须通过借鉴其它学科如建筑设 计、城市规划设计等研究成果。拓展原有的风景园林设计思维方法，使风景园林学科继续 发展。 1 1 1 虚拟现实技术概念的提出 早在上个世纪末，威廉- 米歇尔的“比特之城”和尼葛洛庞帝的数字化生存就为我们 勾勒了一幅数字化背景下未来城市和生活的乐观图景。迈克尔海姆提出“虚拟现实的形 而上学”则以哲学思辩对数字化技术与虚拟现实的本质进行了深层研究。虚拟现实 m r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 技术和网络一样是2 0 世纪末才兴起的一门综合性信息技术。 它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络、并行处理等技术的最新发 展成果。”其实时的三维空间表现能力、人机交互的操作环境以及给人带来的“身临其 境”的感觉，一改过去人与计算机之间枯燥、生硬和被动的状况，为人类探索和研究宏观 世界与微观世界提供了极大的便利。 近几年来，国内外开始将虚拟现实技术应用到工业设计、建筑设计和城市设计领域， 以虚拟城市系统方向的研究为主，并取得了一些成果，但在风景园林设计中虚拟现实技术 应用较少。 在美国，v r 技术专家和城市管理专家合作，利用虚拟现实技术对洛杉矶和拉斯维加 斯两个城市改造进行了虚拟实验，用于评价城市设计和规划的方案。“；洛杉矶的虚拟城市 三维模拟系统曾被认为是全球最成功的虚拟城市模拟系统之一。设计师利用航拍照片和数 图卜1 洛杉矾城市模拟系统 4 字图像等进行组合，建立起一个现实城市的背景环境，最终建立了覆盖整个洛杉矶地区( 4 0 0 0 平方英里，1 0 3 6 0 k m 2 ) 的虚拟城市模型( 图卜1 ) 。6 ”杰普森比尔( b i l lj e p s o n ) 领 导的加利福尼亚洛杉矶大学( u c l a ) 城市仿真小组( u r b a ns i m u l a t i o nt e a m ) 利用虚拟 现实技术建立了一个具有建立模型、显示和评估多个可选规划方案的专门系统1 ；西洛杉 矶的g e t t y 博物馆则采用虚拟现实技术，重建了古罗马帝国时期最宏伟的建筑群图 拉真广场( f o r u mo f t r a j a n ) ，使游客有幸亲身体验漫步在图拉真广场之中的感觉3 。另 外，从1 9 9 1 年开始，德国多家研究所和公司就探索将计算机辅助设计升级到具有交互效 果的“虚拟设计”。又例如，在全世界建筑设计软件领域居领先地位的慕尼黑内梅切克公 司，研制出了由个人电脑、投影设备、立体眼镜和传感器组成的“虚拟设计”系统。它不 仅可以让建筑师看到甚至“摸”到自己的设计成果，还能简化设计流程，缩短设计时间， 而且方便随时修改。汉诺威世界博览会德国馆的建筑，就是用虚拟现实技术设计的1 。2 0 0 1 年在莫斯科举行的2 0 0 8 年奥运会申办过程中，加拿大的多伦多市还将未来奥运会的规划 模型制作成虚拟现实场景，使人们提前漫游在未来的场馆中。”。 在国内，v r 系统在设计领域中的应用还处于起步和探索阶段。城市模拟、地理信息 系统( g i s ) 、房地产3 6 0 度全景销售是目前国内v r 系统应用较多的几个领域。真正将v r 技术应用于设计创作中的有关研究才开始起步。在城市模拟方面，深掣i l 和上海分别为福田 中心区和浦东新区建立了采用超级u n i x 虚拟现实图形工作站城市模拟系统。系统提供一 个实时的人机交互界面用于对城市进行漫游，为城市的开发建设、规划设计及国际招标等 提供了良好的城市背景。随着城市的建设发展不断更新，为市民了解城市的现状和未来发 展，以及市民参与等提供了一个很好的工具。浙江大学c a d c g 国家重点实验室开发了桌 面虚拟建筑环境实时漫游环境“3 ；武汉大学开发出数码城市( c y b e rc i t y ) 系统，可以实 现三维城市模型快速重建、大范围海量数据动态装载以及多种类型空间数据有效组织和管 理。1 ；北京伟景行数字城市科技有限公司和中视典数字科技有限公司则利用其自行开发的 虚拟现实仿真系统c i t y m a k e r t m 和v r p l a t f o 珈分别对北京中关村科技园、北京c b d 整 体规划和管理、上海北外滩地区规划和浙江嘉兴城市规划等大型重点项目作了虚拟实验， 用于设计、规划的展示、评估等方面5 1 ( 图卜2 ) ；而故宫文化遗产数字化应用研究所则利 图卜2 浙江嘉兴城市规划模拟系统 用虚拟现实技术，构建了“虚拟紫禁城”工程，游客们可以通过遥控器，从任何方位、全 视角地欣赏故宫及其中的稀世珍品。 s 虽然我们看到的v r 技术应用于设计的实例大多都以城市设计和建筑设计为主，但如 果我们在风景园林史中去寻找其发展进步的动因，不难发现：许多非园林学科作为“外力” 往往起着举足轻重的作用，特别是建筑设计的一些理论对于风景园林学科的发展起着绝对 影响作用。因此，把其它学科的新技术和新方法应用到风景园林中来，通过这些大大小小 外来的作用力，来推动着风景园林学科去走进一个又一个的辉煌。在新旧世纪交替之际， 古老的风景园林学科终于与年轻的信息技术产生了激烈的碰撞。一方面，上个世纪末期数 字化技术的发展和成就构成了风景园林及其设计现状赖以存在的重要的背景；另一方面， 这种来势汹涌的浪潮又为我们专业的走向在本世纪提供了令人喜忧参半的前景。信息时 代，给风景园林设计行业产生的冲击，具体表现的方面有：嘲1 a ) 高科技的材料表达传统的元素，传统的手法表达高科技的素材。这是高科技技术 的应用，很多时候也可以对传统文明和文化的保护产生作用。 b ) 现代生活方式的满足，也对很多高科技在风景园林设计中如何应用提出了要求。 现代科技和文明的出现，对人们的生活提供了很多不同的选择。 c ) 规划设计的方法的改变：数字化时代。 体现在改变设计师的设计方法，设计思维习惯。归纳总结，主要表现在四个方面： 一是计算机辅助设计； 二是以g i s 为代表的应用开发，帮助规划设计师们更好地提供决策支持： 三是互连网世界，加快了区域交流的速度，也使全球化趋向更加突出； 四是以遥感技术、虚拟现实等为代表的高科技技术的运用，对规划设计在实现程度、 实施速度等诸多方面产生影响。 1 1 2 虚拟现实技术作为研究工具 社会的发展变化对风景园林师来说是最敏感的事物之一，创造力即将享有新的自由， 风景园林学即将面l 笛新的突破，等等。虚拟现实技术为我们创建和体验虚拟世界提供了有 力的支持。虚拟现实系统对风景园林设计对象园林空间的描述是实时的、交互的、动 态的、主动的，而完全不同于以往的设计方式： ( 1 ) 风景园林师可以在任意时间和设计的任意阶段“走进”园林，从任意角度、以任 意视角，通过漫游来观察和体验自己的设计作品，身临其境地感受空间、尺度、材料、质 感甚至声音，这远比坐在屏幕前通过观看二维的设计图来发现设计中的问题和错误要 容易得多； ( 2 ) 风景园林师可以实时地对设计要素进行修改和完善，较好地保证了设计思维的 连续性； ( 3 ) 园林漫游使得风景园林师的设计体验不再是简单的线性片断，而是将其整合为 多感知的、生动的、有机的整体，从而使设计体验更加真实； ( 4 ) 沉浸在更加真实的设计体验中，风景园林师的思维、创造力和灵感将被极大地 激发。 因此，虚拟现实技术是可以应用到风景园林设计中去的，而且必将引发一种新的风景 园林设计思维方式，只是目前国内大多数风景园林师还没有意识到这一点罢了。 6 一个时期以来，虚拟现实技术在各类设计领域中的应用得到了很大的发展，但是对虚 拟现实技术理论的发展却有着种种困惑，其内涵的宽泛性使得在实践中还主要是以表现工 具的形式而存在：作为未建成重点项目最终设计方案成果的表现媒体；对于虚拟现实技术 的理解也有着相当大的差异，对虚拟现实的基本范畴和研究对象没有统一的认识，导致在 理论研究中难以深入，反映在设计实践上，一提到虚拟现实，就会有这样一种评价：“不 如渲染效果图和三维动画精细和逼真”、“没有丰富的光影效果”，似乎虚拟现实仅仅是三 维数字化模型的自然进化结果。 那么，虚拟现实技术应用到风景园林设计的根本目的是什么? 是不是它对园林设计的 影响就仅仅局限于“单纯的表现”呢? 作为一门新技术，虚拟现实是否可能成为一种新的 设计方式，辅助园林设计师的设计呢? 本研究尝试在众多已有学科研究的基础上，以虚拟 现实技术作为风景园林设计的研究工具，探索可以联系实际的风景园林设计理论。由于计 算机技术的飞速发展，可以预言，虚拟现实系统在不远的将来会象现在的个人电脑一样普 及。再过若干年，风景园林师就会象操作a u t o c a d 一样使用虚拟现实系统。笔者希望通 过本文，使广大风景园林师对虚拟现实这一新的设计方式有一个全新的、较为全面的 再认识，从而为迎接将来的虚拟现实设计作好准备。 1 2 研究范围及方法 1 2 1 研究范围 本文名为“虚拟现实技术在风景园林设计中的应用”，所研究的范围主要包括以下两 部分： ( 1 ) 虚拟现实 作为工具的虚拟现实和作为对象的虚拟现实虽然在技术上所指的是同一种东西，但是 在实际应用和思维定位上却不尽相同：前者直接关系到数字化技术对风景园林设计思维及 其表达的影响和作用：后者则涉及数字化技术作为风景园林产品的产物虚拟风景园 林。前者的目的在于用虚拟现实辅助设计出“传统”概念上的风景园林；后者则将目标定 位于创造迥异于“传统”的，全新概念上的人类生存空间。本文所讨论的主要是前者：作 为工具的虚拟现实。但在论文的结论部分里，对于作为风景园林内容本身的数字化虚拟空 间，如超空间、超风景园林、虚拟风景园林等，也会有所涉及。 ( 2 ) 风景园林设计 近年来，我国的社会经济生活发生了很大的变化，社会发展与变革不断为风景园林专 业的发展提出挑战，同时也提供了机会。风景园林师的业务范围也不再限于传统园林元素 的设计，而是以两个部分主要内容为主：一是保护和规划国家、地方风景名胜区，国家自 然保护区国家森林草原、牧场、湿地、河流湖泊、海滨、岛屿等原始地区；二是城市园 林绿地系统，城市、居住区园林绿地设计，大型公园，效区公园设计，工矿、机关、医院、 学校、郊区风景区、旅游休闲胜地、度假村等园林绿地没计啪1 。因此，本文所讨论的风景 园林设计是建立在两部分内容基础之上的“广义的风景园林设计”。 另外，虚拟现实技术是计算机技术发展的新阶段，为了将其与以往应用于风景园林设 计领域的计算机技术区分，本文将以往的计算机技术称为早期计算机技术。 7 1 2 1 研究方法 本课题研究始终坚持逻辑与归纳相结合的方法，从分析矛盾入手，提示出虚拟现实技 术在风景园林设计中的应用的一般规律。本文从个别到一般，从抽象到具体，通过对国内 外虚拟现实技术应用( 主要侧重于城市设计和建筑设计) 实践的总结，在所得出的判断和 结论的基础上，经过分析和逻辑演绎，建立相应的理论，并将理论还原至4 风景园林设计的 现实中去，进而提出未来虚拟现实技术在风景园林设计中的应用发展趋势及所应采取的建 议和策略。 依据研究目的，本文综合运用了下列具体方法： ( 1 ) 分析和归纳相结合的方法论文通过在实例的分析归纳的基础上进行提炼，概 括总结出一些基本的判断、结论和规律，再把这些结论和规律应用到设计中去。 ( 2 ) 系统分析法论文把虚拟现实技术的研究作为一个系统，分成若干个范畴研究， 同时进行综合，以求对问题的深入理解。 ( 3 ) 理论联系实际的方法论文力求理论联系实际，抓住虚拟现实技术变化、演进 的特点，紧密结合当下风景园林设计发展的趋势，展开分析研究，言之有物，避免从理论 到理论，以使研究成果既富有一定的理论性，又具有一定的指导实践的意义。 1 。3 研究涉及的相关理论 选择虚拟现实技术在风景园林设计中的应用这样的课题所遇到的第一个，恐怕也是最 大的困难，就是对于现有研究理论的准确掌握。 课题的研究涉及到相关的学科知识面较广，比如计算机图形学、计算机仿真技术、城 市规划、建筑学、环境艺术、城市社会心理学、风景园林等等诸多庞杂的内容。要想做到 精通各门学科知识不仅不可能，也是没有必要的。因此只能紧扣虚拟现实技术的应用这一 限定，力求以有限的笔力就v r 技术在风景设计中应用特点和特色进行探索性的研究。加 之本人掌握知识的程度有限也势必影响研究的深度。 ( 1 ) 计算机图形学理论 计算机图形学的基本含义是使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造出i 虱形来。 也就是说，图形是人们通过计算机设计和构造出来的，不是通过摄像机或扫描仪等设各输 入的图像。所设计和构造的图形可以是现实世界中已经存在的物体的图形，也可以显示完 全虚构的物体。因此，计算机图形学是真实物体或虚构物体的图形综合技术，它是支撑虚 拟现实技术存在的基础理论。 ( 2 ) 城市规划理论 “城市规划是一种科学、一种艺术、一种政策活动，它设计并指导空间的和谐发展， 以满足社会与经济的需要”。( 美国国家资源委员会) 城市是一个社会、经济、文化等综合 的实体。城市环境的概念，包括由物质要素形成的硬环境及社会、经济、文化等因素形成 的软环境。城市规划学从城市形体规划，扩展到社会、经济等宏观的规划。从风景园林学 和工程技术学伸展到人文科学。这是城市规划实践提出的新的发展趋向。1 ( 3 ) 建筑设计理论 从古罗马时代最古老的建筑学开始，建筑学的本质就是综合的。建筑十书说：“建 筑的学问是广泛的，是由多种门类知识修饰丰富起来的”。m 3 因此，建筑设计是一种艺术 和技术的综合、形式和逻辑的综合。是一个充满感情与个性的创作过程，它不是纯物质、 纯科学、纯技术的产品设计。建筑学与大干世界的辩证关系，归根到底，集中于建筑的空 间与形式的创造，这一点对于风景园林设计的影响尤为突出。风景园林师无论是从场地的 选择到规划设计，直至室内外空间的协调上，都脱离不了建筑设计理论的指导。 ( 4 ) 环境艺术理论 “最理想的是全世界能成为一个大花园，而将园林景物优美地散布其间。”j o h n h n o x s h e a r 的话可以理解为风景园林与环境的关系。环境艺术同城市设计、风景园林设计样 是一门独立的学科与艺术形式，同时它也同风景园林一样创造着城市形态。环境艺术是一 门既古老又年轻的学科。从古代中西方造园，到当代城市公共空间设计，都留下大量环境 设计的实例与理论。同时在现代，环境设计取得了前所未有的发展，并不断地充实着它的 内涵。如美国著名景观设计和环境规划专家约翰o 西蒙兹所著景观设计学一书中， 已将环境艺术提高到对气候、土地、自然要素、经济等多重要素并重的层次，已经突破了 将环境艺术设计仅仅看成是构图、色彩等视觉形式，为这一传统学科注入了新的营养，指 出了多元发展的可能性。n m ( 5 ) 城市社会心理学理论 “城市社会心理学”是研究人与社会寻求满足城市生活的需要及秩序的社会科学。在 这里对其进行研究，目的是研究人与社会寻求满足教育、认知、情感的需要，并为风景园 林的规划、设计、建设、组织和管理，提高人居坏境的质量、实现人与环境之阃的可持续 发展等提供依据。m ， 就研究对象而论，城市社会心理学研究的是城市对人们关于自我、他人、规范、价值 等概念所产生的影响，同时，也研究人们如何解释城市及其空间的利用问题、城市社会及 环境问题等。 ( 6 ) 风景园林设计理论 风景园林设计学是一门建立在广泛的自然科学和人文与艺术学科基础上的应用学科。 这一学科是以”生物、生态学科”为主，并与其他非生物学科( 例如木、建筑、城市规划) 、 哲学、历史和文学艺术等学科相结合的综合学科。它的基础知识包括地质学、自然地理、 土壤学、气象等自然科学，生物学、植物学、生态学等生物科学：园艺学、林学等农业应 用科学；以及文学、艺术、美学等多学科相综合的新的绿色生物系统工程学科。尤其强调 土地的设计，即，通过对有关土地及一切人类户外空间的问题进行科学理性的分析，设计 问题的解决方案和解决途径，并监理设计的实现。风景园林目前已从以植物为核心的园 林绿化规划设计扩展到以包括植物等多种元素构成的以景观为核心的综合环境规划设计。 科学技术的发展目新月异，不但出现了很多足以改变世界面貌的新技术、新材料、新 工艺。而且，也出现了相对论、系统科学、控制论、运筹学等自然科学的突破性理论：同 时，在标志时代意识的哲学思想领域，也出现了逻辑实证主义哲学、科学哲学、语言哲学 等向传统西方哲学挑战的现代理性哲学。这些新的理念和思想也为风景园林设计理论产生 变革建立了强大的思想文化基础。 风景园林设计理论不是一个孤立的学科，而在不断的充实与提高。随着社会、经济、 q 文化的发展，必将不断的拓展。我们应该对此有所把握，才能真正设计或评估好风景园林。 1 4 主要研究内容 虚拟现实技术是一门综合性技术，涉及到一系列高科技领域的最新成果，从硬件设备 到软件技术。作为一名风景园林学专业的研究生，由于知识结构的欠缺和客观条件的制约， 我试图从风景园林师的视角，将研究的重点锁定在“作为设计工具的虚拟现实技术在风景 园林设计中的应用”上，从理论和实践，即思考性和操作性两个层面来进行研究。理论方 面偏重于对具体应用领域的探讨，这是基于对v r 概念和特征的把握；实践方面则偏重于 在现有设备和软件基础上的应用实践虚拟风景园林环境的构建和应用。但由于客观条 件的制约，以及个人水平的有限，粗陋浅薄之处难免，请各位专家指正；以便在今后的学 习、工作过程中，对该问题进行更深入的研究和应用。 本文主要内容如下： 第一章，问题的提出、研究的范围、方法及涉及的相关理论； 第二章，风景园林设计方式从视觉思维到数字化思维维，从二维世界到多维世界，揭 示出虚拟现实工具出现的必要性； 第三章，从概念、特征、发展筒史、结构及目前的应用于虚拟现实技术中主流技术， 说明虚拟现实技术的新技术性： 第四章，从理论的层面，探讨虚拟现实技术在风景园林设计中的应用； 第五章，从实践的层面，阐述现有条件下，虚拟风景园林环境的构建与应用； 第六章，分析现阶段制约虚拟现实技术在风景园林设计领域发展的障碍，在v r 时代 对风景园林设计的涵义加以思考，展望未来在风景园林设计中的应用。 i o 第二章风景园林设计思维表现方式的发展演变 2 1 从视觉( 图示) 思维到数字化思维 知识的存储曾经经历过两在变迁：口头到文字( o r a l t o 一1 i t e r a t e ) 和手写印刷 ( c h i r o g r a p h i c t o p r i n t ) 。现在则是数字化储存。风景园林设计变迁过程中的表现媒介 刚好与此对应：过去是文字中介到图纸中介，现在是图纸中介被电子图纸所取代，从现在 到将来则可能是完备的数字化中介( 电子虚拟环境) ”。 不同的媒体都具有其独特的个性。无论是一维的文本、二维的图纸、三维的模型，还 是多维的虚拟现实，每一种媒介在表达概念和构思时都有其自身相对的优越性和局限性， 所以每一种都适于以不同的方式对风景园林设计对象进行表现和研究。面对新老媒介交替 更新的种种情况，可能我们更应该认识到，决定一个设计者交流、评价和改善风景园林设 计构思的能力的重要因素之一，正是在一定的媒介中如何表现和模拟概念、传达设计意向。 与此同时同，不同的媒介的选择和应用又反过来直接影响，甚至决定着设计者的设计运作 方式，以及设计思维。“ 新的数字化技术的大量应用改变了风景园林师的工作方式，也直接影响到我们的专业 思维模式。但关于数字化技术究竟如何影响乃至重组我们的设计思维似平还没有讲行过 系统、深入的论述。 传统的图示思维模式借助徒手草图将思维活动形象地描述出来，并通过纸面上的二维 视觉形象反复验证，以达到刺激方案的生成与发展的目的。”“计算机辅助设计则有可能 将这过程转换到虚拟的三维数字化世界中进行。我们暂且用“数字化思