Sketch Up和Lumion在海南共享農(nóng)莊三維可視化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用①

黃家健楊奕嘉胡盛紅 麥雄俊

(中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所海南?？?71101)

自2004年至今，我國(guó)連續(xù)發(fā)布了17個(gè)以“三農(nóng)”為主題的中央一號(hào)文件，突出了“三農(nóng)”工作在中國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)時(shí)期的重要地位?！肮蚕磙r(nóng)莊”是休閑農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種新模式，2017年，海南省開始推動(dòng)“共享農(nóng)莊”試點(diǎn)創(chuàng)建，海南共享農(nóng)莊建設(shè)是海南推進(jìn)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的重要抓手，在海南農(nóng)業(yè)融合創(chuàng)新發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。在海南共享農(nóng)莊項(xiàng)目的建設(shè)中，項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)是前期工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠?yàn)轫?xiàng)目的后續(xù)建設(shè)提供“總藍(lán)圖”，能為項(xiàng)目建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)，同時(shí)，也是政府有關(guān)部門審批和驗(yàn)收該類項(xiàng)目的主要標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，三維可視化技術(shù)也日趨成熟，且在規(guī)劃設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，其呈現(xiàn)的設(shè)計(jì)表達(dá)途徑和成果日新月異［1］。根據(jù)調(diào)研情況，當(dāng)前海南共享農(nóng)莊在規(guī)劃設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中仍存在規(guī)劃準(zhǔn)確度不夠、可視互動(dòng)性不強(qiáng)、指導(dǎo)項(xiàng)目審批和建設(shè)的抓手不足等問(wèn)題。本研究針對(duì)以上問(wèn)題，嘗試將三維可視化技術(shù)應(yīng)用到海南共享農(nóng)莊項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，以海南某地一個(gè)共享農(nóng)莊申報(bào)項(xiàng)目為例，綜合采用Sketch Up、Lumion、CAD等技術(shù)與方法，進(jìn)行海南共享農(nóng)莊項(xiàng)目的前期三維可視化設(shè)計(jì)，包括平面設(shè)計(jì)、三維模型設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)仿真設(shè)計(jì)等內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)手繪草圖描繪到計(jì)算機(jī)輔助繪圖，再到三維可視化交互設(shè)計(jì)的跨越，為海南共享農(nóng)莊規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性、互動(dòng)性、便捷性、精準(zhǔn)性和可展示性提供理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

1 三維可視化技術(shù)發(fā)展研究

1.1 三維可視化技術(shù)簡(jiǎn)介

三維可視化技術(shù)是運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、動(dòng)態(tài)可視化等技術(shù)，將計(jì)算過(guò)程和計(jì)算結(jié)果以可視化圖形的形式，在計(jì)算機(jī)等多媒體平臺(tái)上顯示，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)［2-3］。目前，在農(nóng)業(yè)類項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)行業(yè)中經(jīng)常使用的軟件分為三類：一是二維平面類，主要有Auto CAD（簡(jiǎn)稱CAD）、天正、湘源等；二是三維建模類，主要有Sketch Up（中文直譯草圖大師，簡(jiǎn)稱SU）、3D Max等；三是三維仿真和渲染類主要有Lumion（中文直譯流明，簡(jiǎn)稱LU）、Vray、BIM等。而其中Sketch Up和Lumion是全球各大規(guī)劃設(shè)計(jì)單位和大學(xué)科研教育單位中都有廣泛應(yīng)用的兩款三維可視化設(shè)計(jì)軟件，其相較于其他軟件具有使用簡(jiǎn)單明了、實(shí)時(shí)仿真、素材豐富、渲染簡(jiǎn)單且效果逼真等特點(diǎn)。

Sketch Up軟件是由＠Last Software公司推出的，至目前已發(fā)布并廣泛應(yīng)用的版本有6.0、7.0、8.0、2013、2014等，目前最新發(fā)布的版本是2019版。采用該軟件與技術(shù)，能夠進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)，可以極其快速和方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目場(chǎng)景進(jìn)行三維模型進(jìn)行創(chuàng)建、觀察和修改［4］，對(duì)電腦硬件配置要求不高，能滿足方便設(shè)計(jì)師與業(yè)主客戶之間即時(shí)交流的需要。

Lumion軟件是2010年11月由荷蘭的ACT-3D公司推出的，至目前已發(fā)布了十代共20余個(gè)版本，目前最新發(fā)布的版本是2019年11月發(fā)布的Lumion 10.0版。該軟件是近年來(lái)出現(xiàn)的具有代表性的三維實(shí)時(shí)仿真設(shè)計(jì)工具，場(chǎng)景創(chuàng)新快速、高效，可以模擬真實(shí)環(huán)境，可視化效果逼真，Lumion軟件采用電腦的GPU渲染技術(shù)，大大降低了CPU的占用率，能夠在短時(shí)間內(nèi)創(chuàng)造驚人的建筑可視化效果［5］。采用該軟件和技術(shù)，比傳統(tǒng)的3D Max等建模軟件和BIM（建筑信息化模型）等軟件，操作更為簡(jiǎn)單、互動(dòng)交流更加方便快捷，渲染效果更加高效和精準(zhǔn)，且已實(shí)現(xiàn)兼容Trimble Sketch Up、Autodesk Revit、Graphisoft ArchiCAD、Autodesk Autocad、Nemetschek Allplan、Nemetschek Vec‐torworks、Rhinoceros、3D Studio Max等 軟 件 及格式。

1.2 三維可視化技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

三維可視化技術(shù)的主流優(yōu)秀三維技術(shù)與軟件多數(shù)均起源于國(guó)外，例如Lumion三維設(shè)計(jì)軟件由荷蘭ACT-3D公司發(fā)布，AutoCAD、3Dmax等三維設(shè)計(jì)軟件由美國(guó)的Autodesk歐特克有限公司發(fā)布，Sketch Up等三維設(shè)計(jì)軟件由＠Last Software公司推出后被美國(guó)的Google谷歌公司收購(gòu)。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的三維可視化技術(shù)應(yīng)用和相關(guān)研究起步較晚，Lumion技術(shù)從國(guó)外引入國(guó)內(nèi)初期，備受國(guó)內(nèi)追捧且發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)一些設(shè)計(jì)單位已將Lumion三維可視化設(shè)計(jì)較好地應(yīng)用于項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，例如梧州市蜂巢多媒體設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，是國(guó)內(nèi)較早、較專業(yè)的從事Lumion設(shè)計(jì)的公司，是國(guó)內(nèi)首次采用純Lumion制作商業(yè)動(dòng)畫的團(tuán)隊(duì)，留下了多部經(jīng)典案例，主要有故宮乾隆公園項(xiàng)目、森林深處項(xiàng)目、梧州石表山景觀項(xiàng)目、梧州碧桂園項(xiàng)目、江門廣海新城項(xiàng)目、文博一期項(xiàng)目等，受到Lumion官方推薦及國(guó)內(nèi)外好評(píng)。

當(dāng)前，如何將Sketch Up、Lumion等技術(shù)應(yīng)用在各類項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，已成為專家學(xué)者和規(guī)劃設(shè)計(jì)人員共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。吳旺［6］、胡宇祥等［7］將Sketch Up、Lumion應(yīng)用在農(nóng)業(yè) 水利工程設(shè)計(jì)中，宋秀英［8］、杜潔等［9］將Sketch Up、Lumion應(yīng)用在園林景觀設(shè)計(jì)中，蔣吉?jiǎng)P［1］、劉卓賢［10］、羅致華［11］將Sketch Up、Lu‐mion應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)中。以上研究從技術(shù)與軟件的介紹、軟件的使用方法、場(chǎng)景的呈現(xiàn)等方面進(jìn)行了理論分析和應(yīng)用研究，總之，Sketch Up、Lumion技術(shù)和軟件在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景十分廣闊。

1.3 海南共享農(nóng)莊三維可視化技術(shù)應(yīng)用情況

三維可視化設(shè)計(jì)技術(shù)在海南共享農(nóng)莊項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的應(yīng)用仍處于起步和探索階段，相關(guān)設(shè)計(jì)案例仍較少。三維可視化方案在海南共享農(nóng)莊規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)用中，顯得非常迫切且具有較好的應(yīng)用前景，在具體的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：一是在地形地貌處理上，可真實(shí)地反映共享農(nóng)莊中多種地形，可以很好地和周圍環(huán)境融合；二是在熱帶地區(qū)獨(dú)特氣候條件處理上，可以根據(jù)海南共享農(nóng)莊設(shè)計(jì)中需要的區(qū)位，時(shí)令調(diào)整太陽(yáng)的高度以及整體環(huán)境的光照強(qiáng)度；三是在農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)規(guī)劃布局上，豐富的植物模型庫(kù)，可以方便地實(shí)時(shí)調(diào)用，很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師與農(nóng)莊業(yè)主之間的溝通互動(dòng)。

2 海南共享農(nóng)莊三維可視化設(shè)計(jì)

2.1 海南共享農(nóng)莊三維可視化規(guī)劃設(shè)計(jì)總思路

本文設(shè)計(jì)的海南共享農(nóng)莊三維可視化項(xiàng)目包括前期準(zhǔn)備、平面規(guī)劃設(shè)計(jì)、三維模型設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)仿真設(shè)計(jì)、成果輸出等五部分內(nèi)容，在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，先采用CAD技術(shù)與軟件進(jìn)行海南共享農(nóng)莊的平面規(guī)劃設(shè)計(jì)，在平面規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，采用Sketch Up軟件進(jìn)行工程項(xiàng)目三維建模，在建立的三維模型基礎(chǔ)上，采用Lumion技術(shù)與軟件進(jìn)行工程場(chǎng)景的實(shí)時(shí)仿真，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行成果輸出和展示。海南共享農(nóng)莊三維可視化規(guī)劃設(shè)計(jì)總思路如圖1所示。

圖1海南共享農(nóng)莊設(shè)計(jì)總思路

2.2 前期準(zhǔn)備和平面規(guī)劃設(shè)計(jì)

專業(yè)測(cè)繪人員對(duì)海南共享農(nóng)莊工程現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)繪，并形成場(chǎng)地的現(xiàn)場(chǎng)地形和地貌CAD測(cè)繪圖紙，同時(shí)，借助無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影，獲取工程場(chǎng)地更多的數(shù)字化信息。借助谷歌地圖和所在區(qū)域的基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)資料，對(duì)工程項(xiàng)目區(qū)及周邊區(qū)域的資源環(huán)境進(jìn)行分析和有效信息提取。

根據(jù)該工程項(xiàng)目的資源稟賦、產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)和發(fā)展定位，運(yùn)用CAD技術(shù)與軟件進(jìn)行項(xiàng)目場(chǎng)地整體平面規(guī)劃設(shè)計(jì)，繪制出CAD總平面方案，統(tǒng)籌謀劃好園區(qū)的道路交通體系、產(chǎn)業(yè)分區(qū)、公共區(qū)域等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)的海南共享農(nóng)莊，主要謀劃了共享果菜種植區(qū)、休閑垂釣區(qū)、花海科普區(qū)、河谷探秘區(qū)、公共服務(wù)區(qū)五大分區(qū)，突出了農(nóng)業(yè)共享的特色。海南共享農(nóng)莊部分區(qū)域平面規(guī)劃示意圖如圖2所示。

圖2海南共享農(nóng)莊部分區(qū)域平面規(guī)劃示意圖

2.3 三維模型設(shè)計(jì)

首先對(duì)設(shè)計(jì)的海南共享農(nóng)莊的CAD總平面方案進(jìn)行優(yōu)化，清理多余的圖層和線段，減少對(duì)后期三維模型的干擾。然后，將優(yōu)化后的CAD文件導(dǎo)入到Sketch Up軟件中，選擇同等繪制單位，保證模型實(shí)際比例為等比例，以確保模型的真實(shí)準(zhǔn)確。結(jié)合Google Earth及無(wú)人機(jī)傾斜攝影等航拍影像圖片，進(jìn)一步優(yōu)化項(xiàng)目定位的精準(zhǔn)性。運(yùn)行Sketch Up軟件中的線段、圓弧、沙盒、物體推拉、路徑跟隨等命令及工具，對(duì)道路、建筑等主要工程項(xiàng)目進(jìn)行三維建模，完成場(chǎng)地和主體工程的建模，同時(shí)配合使用各種插件工具，提高三維建模效率。

完成三維建模后，對(duì)場(chǎng)地主要模型賦予簡(jiǎn)單材質(zhì)，一方面，使得模型更加真實(shí)，能滿足前期規(guī)劃師與業(yè)主單位簡(jiǎn)單溝通交流的需要，充分體現(xiàn)出Sketch Up軟件的使用簡(jiǎn)單、展示直觀、修改方便等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)；另一方面，能為下一階段Lumion實(shí)時(shí)仿真提供基礎(chǔ)，以提高工作的銜接效率和準(zhǔn)確性。海南共享農(nóng)莊部分區(qū)域三維模型設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。

圖3海南共享農(nóng)莊部分區(qū)域三維模型設(shè)計(jì)示意圖

2.4 實(shí)時(shí)仿真設(shè)計(jì)

將采用Sketch Up建立的海南共享農(nóng)莊的三維模型文件以“.skp”文件格式保存，并導(dǎo)入到Lumion軟件中進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真設(shè)計(jì)，主要包括地形仿真、場(chǎng)景仿真和產(chǎn)業(yè)仿真等部分。

地形仿真可以通過(guò)導(dǎo)入地形灰度圖，利用Lumion軟件中的地形起伏工具進(jìn)行模擬和生成，也可以利用地形推拉工具對(duì)模型地形的細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬和完善，并賦予表層紋理，進(jìn)一步提高地形的逼真程度。

場(chǎng)景仿真主要包括環(huán)境、建筑、人物和車輛的仿真，對(duì)于環(huán)境的仿真可以利用Lumion軟件自帶的環(huán)境模擬工具進(jìn)行仿真，包括不同季節(jié)、太陽(yáng)高度、云層、風(fēng)向等參數(shù)，對(duì)水流進(jìn)行模擬，Lumion軟件自帶的水流效果十分逼真，對(duì)于依水而建的共享農(nóng)莊等休閑農(nóng)業(yè)項(xiàng)目十分有利，能模擬動(dòng)態(tài)的水流、飛鳥游魚穿梭的景象；對(duì)于建筑的仿真，可以利用Sketch Up三維模型文件的建筑信息，賦予新的材質(zhì)和紋理，可以對(duì)不同材質(zhì)的RGB值、光澤、凹凸等進(jìn)行編輯，模型材質(zhì)所見即所得［12］，也可以利用Lumion軟件自帶豐富建筑模型庫(kù)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置；對(duì)于人物和車輛的仿真可以利用Lumion軟件自帶模型素材，根據(jù)場(chǎng)景需要和計(jì)算機(jī)硬件條件，設(shè)計(jì)師可自主選擇2D和3D素材，素材仿真，程度高，同時(shí)可設(shè)置人物和車輛的運(yùn)行軌跡。

產(chǎn)業(yè)仿真主要包括環(huán)境植物和種植類產(chǎn)業(yè)作物的仿真，利用Lumion軟件自帶的植物素材庫(kù)、以及其他植物素材庫(kù)以及植物模型生成軟件進(jìn)行特有植物的模擬定制。應(yīng)用植物貼圖在場(chǎng)景中模擬周圍環(huán)境，減少模型文件大小利用，提高效率；應(yīng)用精度高的3D模型，模擬重點(diǎn)展示區(qū)域的花卉、熱帶水果、熱帶作物種植，顯著提升展示的效果。

2.5 成果輸出

Lumion軟件主要可以輸出的成果有靜幀圖片和視頻動(dòng)畫兩類。可根據(jù)海南共享農(nóng)莊項(xiàng)目展示的需求，對(duì)全景鳥瞰、局部透視、人視漫游等鏡頭場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)置，并賦予季節(jié)交替、時(shí)間光照變化、遠(yuǎn)景近景虛化、轉(zhuǎn)場(chǎng)鏡頭等特效，豐富鏡頭語(yǔ)言和展示內(nèi)容。海南共享部分區(qū)域?qū)崟r(shí)仿真設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示。

圖4海南共享農(nóng)莊部分區(qū)域?qū)崟r(shí)仿真設(shè)計(jì)示意圖

Lumion技術(shù)與軟件在海南共享農(nóng)莊實(shí)時(shí)仿真設(shè)計(jì)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)：相較于其他三維可視化設(shè)計(jì)軟件，Lumion最突出的優(yōu)點(diǎn)在于鏡頭調(diào)整簡(jiǎn)單和渲染輸出高效，Lumion軟件中用鍵盤的“WSAD”按鍵控制前后左右移動(dòng)，用鼠標(biāo)滾輪和右鍵控制鏡頭視角的轉(zhuǎn)動(dòng)，與眾多熱門的第一人稱3D射擊類、體驗(yàn)類游戲類似，操作簡(jiǎn)單易上手；Lumion軟件中生成靜幀圖片和視頻動(dòng)畫堪稱“傻瓜式”一鍵生成，其實(shí)時(shí)渲染的效果，能讓設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就能很好體現(xiàn)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，不需要太多復(fù)雜的后期制作工序，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)效果就可以達(dá)到“照片級(jí)別”和“影視級(jí)別”［13］。此外，Lumion軟件在渲染圖片和視頻動(dòng)畫非常快速和高效，相較于3D Max、Vray等其他軟件視頻渲染動(dòng)輒需要數(shù)小時(shí)以上，Lumion軟件只需要短短幾分鐘就可以完成，效率已然得到了質(zhì)的提升，輸出成果品質(zhì)較高，基本無(wú)需后期修飾，就可以達(dá)到成果展示的商用級(jí)別，極大提升了三維可視化設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著以Sketch Up和Lumion為代表的三維可視化技術(shù)的不斷發(fā)展和更新完善，與其他傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)手段相比，Sketch Up和Lumion展現(xiàn)出了更友好的操作便捷性、更精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)性、更強(qiáng)大的互動(dòng)性、更生動(dòng)的可展示性，其在海南共享農(nóng)莊規(guī)劃設(shè)計(jì)的應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)，可以有針對(duì)性地模擬項(xiàng)目場(chǎng)地環(huán)境、熱區(qū)典型自然條件，可以隨時(shí)調(diào)用豐富的自帶模型庫(kù)、特色建筑和熱帶經(jīng)濟(jì)作物等素材，以及簡(jiǎn)單高效的圖片和視頻動(dòng)畫渲染輸出。進(jìn)一步增強(qiáng)了海南共享農(nóng)莊規(guī)劃設(shè)計(jì)師與農(nóng)莊業(yè)主之間的溝通互動(dòng)，提升了規(guī)劃的準(zhǔn)確度，為指導(dǎo)項(xiàng)目審批和建設(shè)提供了新的方式和抓手，是以共享農(nóng)莊為代表的海南休閑農(nóng)業(yè)項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)新的探索和重要的技術(shù)升級(jí)，對(duì)促進(jìn)共享農(nóng)莊產(chǎn)業(yè)發(fā)展、助推鄉(xiāng)村振興具有積極的意義。