基于quest3d的虚拟园林漫游系统的设计与实现

目前，虚拟现实技术在园林设计方面的应用尚属起步阶段，很多方面都存在空白，作为一种前景广阔的技术，它给人们提出了许多值得探讨的课题。虚拟现实技术在军事、游戏、建筑等领域发展得较早、较为广泛，因此借鉴虚拟现实技术在上述领域中的应用经验，结合虚拟现实技术及园林设计本身的特点，探讨并实践虚拟现实技术在园林设计中的应用，实现多功能的园林展示系统，对于虚拟现实技术在园林中的应用具有一定的现实意义，在宣传和推广园林设计成果方面也具有一定的意义。虚拟现实技术的实现方法主要有三种：一是通过直接编程实现，如 V R ML、C+、D e l p h i 等；二是基于O p e n G L图形库编写程序建模同时添加实时性和交互性功能模块实现 1；三是直接通过建模软件和虚拟现实软件共同实现，如、V i r t o o l s、C u l t 3 D、Q u e s t 3 D、Mu l t i g e nV e g a 等，这类方法当前是主流，代表目前最前沿的虚第一作者简介：王丽丽，女，1 9 8 0 年出生，山东青岛人，青岛农业大学在读硕士研究生，研究方向：园林与计算机图形学。通信地址：2 6 6 1 0 9 山东省青岛市城阳区青岛农业大学艺术与传媒学院研究生，E-m a i l：w a n g l i l i 8 0 2 5 1 6 3.c o m。通讯作者：赵晓春，男，1 9 5 2 年出生，教授，青岛农业大学艺术与传媒学院院长，研究方向：计算机图像与视觉传播。收稿日期：2 0 0 8-1 0-2 0，修回日期：2 0 0 8-1 1-2 9。基于 Quest3D 的虚拟园林漫游系统的设计与实现王丽丽1，赵晓春1，张清智2，任泽飞1，张晓宁1，李广辉1（1青岛农业大学，山东青岛 2 6 6 1 0 9；2山东出入境检验检疫局技术中心，山东青岛 2 6 6 0 0 2）摘 要：目前，虚拟现实技术在园林中的应用尚处于探索时期，但随着计算机软硬件水平的提高和可视化技术的不断发展更新，虚拟现实技术在园林中应用的领域逐渐广阔，对园林设计的影响也越来越大。文章以一个城市广场的园林设计为例，结合Q u e s t 3 D技术制作开发了一个园林漫游展示系统。介绍了园林漫游展示系统的设计过程，研究了园林场景的建模、植物和水体模型的控制、光照和阴影设置、摄像机设置等问题。探讨了Q u e s t 3 D技术在园林设计中的应用，研究了园林交互展示的相关技术，总结了构建园林漫游展示系统的方法和过程，为园林设计的展示提供一种有效的方法和途径。关键词：虚拟现实；园林；Q u e s t 3 D中图分类号：S 1 2 6文献标识码：ADesign and Implementation of the Virtual Garden Roam System Based on Quest3DWang Lili1,Zhao Xiaochun1,Zhang Qingzhi2,Ren Zefei1,Zhang Xiaoning1,Li Guanghui1(1Qingdao Agricultural University,Qingdao Shandong 266109;2Technical Center of Shandong Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Qingdao Shandong 266002)Abstract:At present,Virtual Reality technology in the application of the landscape is only in the explorationperiod,with the improvement of computer software and hardware equipments and the progress of visualizationtechnology,the application and influence on landscape are increasing broad.The article toke a design of citysquare as the example and developed landscape roam system with Quest3D.It introduced the design processof landscape system and researched on landscape scene modeling,plant model and water model control,lightand shadow setting,camera setting and other issues.It discussed the application of Quest3D on landscapedesign,studied the technology of interactive display in landscape and gave a very comprehensive explanationof methods and process about creating a landscape system.It offered an efficient way to display the landscape design.Key words:virtual reality,landscape,Quest3D中国农学通报2 0 0 9,2 5(0 2):1 8 0-1 8 3C h i n e s e A g r i c u l t u r a l S c i e n c e B u l l e t i n拟现实技术有 E O N、V i r t o o l s、Q u e s t 3 D。该类软件最大的优点就是功能强大、画面质量高并且支持的软硬件众多。Q u e s t 3 D以其强大的面数承载能力、快速的制作等优势被广泛应用。笔者以 Q u e s t 3 D为工具，通过建立一个园林漫游展示系统，以研究基于 Q u e s t 3 D实现虚拟园林漫游系统的方法，实践了 Q u e s t 3 D技术在园林设计中的应用。1材料与方法1.1研究的软硬件条件硬件：D e l l 计算机一台（奔四 C P U 3.4 G H Z，内存1 0 2 4 MB，独立显存 1 2 8 MB）；数码相机等。软件：Wi n d o w s X P 操作系统；网络浏览器；图形加速（D i r e c t X）；A u t o C A D 2 0 0 6；3 d sm a x 9.0；Q u e s t 3 D 4.1.2；p h o t o s h o p 等。其它：园林设计资料集等。1.2Q u e s t 3 D简介Q u e s t 3 D是一款强大的工业或游戏用实时图形渲染引擎，整套引擎分为三大块：编辑器、浏览器和S D K。其中，编辑器用于编辑一体化数据，几乎应用程序就完全可以制作出来，而不需要再编写什么代码了。浏览器用于脱开编辑器浏览编辑器所编辑的文件。而S D K则可以用于建立 N a t i v e 应用程序 2。目前，Q u e s t 3 D多应用于游戏或工业展示，如周慎基于虚拟现实的汽车驾驶模拟器建模技术研究 3，江学东汽车驾驶模拟器视景系统的研究与开发 4。近年来在一些与园林相关的行业如房地产业上得到应用，Q u e s t 3 D在园林中的应用也逐渐引起人们的重视，李国松、杨柳青在 虚拟现实技术在风景园林规划与设计中的应用研究几种常见虚拟现实技术的应用评价分析一文中利用层次分析法对 V R ML、Q u e s t 3 D、V i r-t o o l、E O N等七种常见的虚拟现实软件进行了评价，对Q u e s t 3 D在交互性、真实感、园林要素的物理表达、掌握难易程度以及网络虚拟现实扩展等方面有较高的评价，应用于园林规划设计是一种不错的虚拟现实实现方法 5。1.3园林方案的制定该方案拟选择某城市广场为园林展示场景，场景中主要区域的面积为 4 0 0 0 0 m2，预计场景面数在 5 0 万以内，纹理量不超过 1 0 0 M，属于虚拟现实项目的中型场景。此方案地形较平坦，具备了水体、园林建筑、园林植物、园林小品等多种园林要素，较有代表性。2园林漫游展示系统的实现2.1园林场景的建立该系统园林场景的建立主要是由 A u t o C A D和3 d s m a x 来完成的。场景的平面图在 A u t o C A D中完成后，导入 3 d s m a x 中进行园林模型的构建。采用 3 d sm a x 进行建模，是因为用它建立的模型有很强的仿真立体效果。最后，在 Q u e s t 3 D中将这些元素进行整合，得到丰富的园林 3 D场景。为符合 Q u e s t 3 D虚拟场景的制作要求，导入Q u e s t 3 D的模型应选择低精度的模型，物体外型细节主要靠贴图实现。2.1.1园林植物模型建造虚拟现实技术在园林领域应用的难点在于对园林植物的表现，因为园林植物所占的面数极多，目前计算机的速度不能满足完全建模情况下的虚拟园林景观，所以只能用贴图的方式来模拟其中的园林植物。制作方法是在 3 d s m a x 中制作一个平面，给其赋予一张带有 a l p h a 通道的树木贴图，而且此图必须是 t g a 或 p n g 格式 6。2.1.2水体模型建造水体在组织地形变化中起着重要作用，同时是园林景观的重要内容，有的园林设计师称之为“园林的生命”7。基于 Q u e s t 3 D场景实时渲染的要求，对模型的简化要求较高，因此在 3 d s m a x 中其模型大多仅使用一个平面，附上水体贴图，水体的动态变化在 Q u e s t 3 D内可以用 O c e a n Wa v e s S h a d e r 这个模块来实现。2.2园林场景的导入在 3 d s m a x 中建立好模型后，转换成 Q u e s t 3 D支持的格式，导入 Q u e s t 3 D中。Q u e s t 3 D支持的格式很多，.X、.3 D S、.L WO、.MO T、.L S 等，另有如 MP 3、WA V、T G A、J P G等常用格式，基本满足所有的日常应用 8。导入 Q u e s t 3 D时应注意的问题：(1)删除全部没有用的物体，如辅助线等。(2)在焊接相邻的点时，要保证阀值尽可能地小，试验发现所有距离在 0.0 0 1 之内的点必须焊接上。(3)只能使用 3 d s m a x 的标准材质，在 m a x 中使用双面材质导入 Q u e s t 3 D时会出错。(4)场景中用到的所有模型、贴图、输出文件命名不要使用中文，统一使用字母、数字。命名长度不宜过长，以 8 位为限。贴图要放在同一个文件夹下，将.X导出到 Q u e s t 3 D中，它将扫描文件夹找贴图，因此将.X场景导出到贴图文件夹中。(5)纹理文件的大小最好调整成 2 的指数次方大小，如果不是，Q u e s t 3 D会自动调整。2.3园林漫游系统的实现2.3.1光照和阴影属性设置一个成功的场景离不开适当的光照和阴影的表现。光照和阴影能给用户带来视觉上的冲击。如果没有明暗对比，很难在场景中建立景王丽丽等：基于 Q u e s t 3 D的虚拟园林漫游系统的设计与实现181中国农学通报h t t p:/w w w.c a s b.o r g.c n深效果 9。在 Q u e s t 3 D中光照实际上是一个通道，它还可以有一些子连接。光的属性可以在动画部分的 光照 标签中设定。在 Q u e s t 3 D中创建实时阴影用到的模板是 S t e n c i lS h a d o w c h a n n e l和 S o f t w a r eS t e n c i lS h a d o w O b j e c tc h a n n e l。一个三维物体是通过 S o f t w a r e S t e n c i l S h a d-o wO b j e c t c h a n n e l 连接到 S t e n c i l S h a d o wc h a n n e l 上来实现实时阴影的。实时阴影因为不考虑环境光的影响而显得有些粗糙，如果要创建平滑而高效的光影，可以使用光照贴图（L i g h t i n g Ma p p i n g）来实现。光照贴图是处理一次光照和阴影并将这些信息存储在贴图中的过程。然后光照贴图作为第二个纹理阶段与散射贴图混合并应用到物体上。该系统应用到的光照和阴影设置图例如图 1 所示。图1光照和阴影设置图例2.3.2摄像机属性设置像机定义了从哪个视点来观察场景，为一个工程选择正确的像机是非常重要的，因为它会直接影响到用户体验场景的方式。此系统所用的是行走相机（Wa l k t h r o u g h C a m e r a），这种像机以眼睛的角度查看一个场景，并允许用户自由行走。由于这种方式非常接近现实世界，因此，这种类型的像机提供了一种沉浸式的体验 9。具体实现方法如下：拖动一个行走相机（Wa l k t h r o u g hC a m e r a）到C h a n n e l 视图中，将碰撞物体（C o l l i s i o n O b j e c t）连接到Wa l k t h r o u g hC a m e r a模板 下 F a s t C o l l i s i o nR e s p o n s ec h a n n e l 的最后一个子连接上，将 Wa l k t h r o u g h C a m e r ac h a n n e l 连接到 R e n d e r c h a n n e l，将相机逻辑（C a m e r aL o g i c c h a n n e l）连接到 S t a r t 3 DS c e n e c h a n n e l（图 2）。图2摄像机属性设置 1822.3.3声音设置为场景添加适当的声音有助于营造场景的气氛，增加场景的真实感。Q u e s t 3 D支持的声音格式是.w a v 和.m p 3 文件。在 Q u e s t 3 D中存储.w a v 文件用到的模板是S o u n d F i l e c h a n n e l，速度范围从 0%到 2 0 0%，音量范围从 0%到 1 0 0%。除了简单的播放声音以外，还可以将声音放置在三维空间中。产生三维音效需要一个 L i s-t e n e r c h a n n e l。通常将它连接到像机的位置上，它会根据像机和声源的相对位置自动调整音量、左右声道和频率 9。Q u e s t 3 D也支持.m p 3 文件，这种类型的声音存放于 MP 3 F i l e c h a n n e l 中。MP 3 文件不能产生三维音效。2.3.4园林植物的设置植物是园林场景中的一个重要组成元素，真实感强的园林植物既是美学上的需要也是园林设计必不可少的要求。纯粹配景的植物可以采用贴图方式，需要真实表现植物种类及形态的，可以使用精简的模型配合 Q u e s t 3 D自带的 自然画笔 功能进行大面积种植然后优化显示。“自然画笔”是 Q u e s t 3 D中的一个高级特性，利用它可以非常容易地添加大量的树和植物到场景中。自然画笔系统针对性能进行了优化并使用硬件来快速高效地渲染场景。N a t u r e G e n e r a t o r c h a n n e l 被放置在物体的表面属性通道和 3 D物体信息通道之间。它包含了所有实例的位置、旋转和缩放还有一些扩展信息。需要与场景中的植物发生碰撞的物体必须连接到 N a t u r eG e n e r a t o r c h a n n e l 9。通过自然画笔标签中的选项，能够定义物体的所有方面。选择单个物体，可以在场景中只种植一棵植物，选择区域选项，则可以大面积地种植。C u l l d i s-t a n c e 值表示在这个距离之外的物体将会被从像机的视野中剔除。F a d e d i s t a n c e 值可以用于将实例与环境混合在一起，以掩饰一些荒芜的地方。要实现这种效果，首先必须正确设置透明方式，正确的设置是 A l p h aV a l u e 和 T e x t u r e 。在此系统中，大片规整的草地用的是贴图方式，而在小片不规则的地形上采用了自然画笔种的草，其中的参数设置草的大小 s i z e 为 1 0，密度 D e n s i t y 为 2 0，F a d e d i s t a n c e 值为 3 0，C u l l d i s t a n c e 值为 2 0 0，表示在2 0 0 m之外的草从摄像机的视野中看不到。系统中的行道树是由自然画笔生成，而灌木、草本花卉和观花树木采用的是贴图方式。2.4园林作品的发布园林作品在 Q u e s t 3 D中完成后，可以多种形式进行发布，Q u e s t 3 D工程可以发布为一个后缀名为.q 3 d的播放器文件，以这种方式发布的 Q u e s t 3 D作品浏览时必须安装一个 Q u e s t 3 D的播放器。.q 3 d 文件也可以在网上发布，连接了.q 3 d文件的 We b网页包含了Q u e s t 3 D的媒体元素，它将自动从 Q u e s t 3 D.c o m网站上下载并安装 Q u e s t 3 D的播放器。Q u e s t 3 D工程也可以发布为能够独立运行的.e x e 文件，用户只需要安装D i r e c t X即可在单机上进行展示操作。3结论3.1通过建立一个园林展示系统，研究了基于 Q u e s t 3 D的虚拟现实技术对园林展示系统的开发方法，初步实现了 Q u e s t 3 D技术在园林设计中的应用。3.2目前，虚拟现实技术在园林领域应用的潜力还有待继续开发，笔者只是对 Q u e s t 3 D在园林中的应用作了初步的探讨，由于 Q u e s t 3 D具有交互性强、画面质量好、易操作等特点，并且 Q u e s t 3 D自带的 S D K开发包可以用 C+语言来开发各个领域专用的模块，还可以和数据库相连接，未来在虚拟园林中会得到更充分的利用。参考文献 1 李国松,杨柳青.论虚拟现实和园林艺术 J .中南林学院学报,2 0 0 7,(2):8 7-8 9.2 最 好 的 虚 拟 现 实 开 发 工 具 E B/O L .h t t p:/b l o g.c s d n.n e t/z h u z h a o/a r c h i v e/2 0 0 8/0 4/0 2/2 2 4 5 5 0 1.a s p x.2 0 0 8-0 4-0 2/2 0 0 8-1 0-1 4.3 周慎.基于虚拟现实的汽车驾驶模拟器建模技术研究:学位论文.武汉:武汉理工大学,2 0 0 5:2 9-4 7.4 江学东.汽车驾驶模拟器视景系统的研究与开发:学位论文.合肥:合肥工业大学,2 0 0 7:5 7-6 6.5 李国松,杨柳青.虚拟现实技术在风景园林规划与设计中的应用研究几种常见虚拟现实技术的应用评价分析.中国园林,2 0 0 8,(2):3 2-3 6.6 吴宣光,苏云,曾峻峰.虚拟园林场景制作初探.科技资讯,2 0 0 6,(2 9):1 8 5-1 8 6.7 唐学山,李雄,曹礼昆.园林设计 M.北京:中国林业出版社.1 9 9 7.8 Q u e s t 3 D E B/O L .h t t p:/b a i k e.b a i d u.c o m/v i e w/2 3 0 4 2 6.h t m.2 0 0 8-0 4-2 9/2 0 0 8-1 0-1 4.9 艾伯特电通股份有限公司.Q u e s t 3 D游戏制作 E ZB o o k.台湾:学贯行销股份有限公司,2 0 0 8.王丽丽等：基于 Q u e s t 3 D的虚拟园林漫游系统的设计与实现183