基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的建筑景觀一體化設(shè)計研究

王 漢，任乃鑫，柳大江

（1.吉林建筑科技學(xué)院，吉林 長春 130114；2.沈陽建筑大學(xué)，遼寧 沈陽 110168；3.中元國際（長春）高新建筑設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130102）

0 引 言

當(dāng)前，國內(nèi)絕大多數(shù)的建筑景觀設(shè)計工作中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用主要由效果圖制作單位（以下簡稱“效果圖公司”）完成。首先，需要建筑景觀設(shè)計單位（以下簡稱“設(shè)計院”）中負(fù)責(zé)設(shè)計方案創(chuàng)作的建筑師將已完成的方案SketchUp模型提供給效果圖公司，效果圖公司的模型師將方案模型在3ds Max建模軟件中進(jìn)行翻模，并將模型深度完善，之后交給渲染師通過Vray渲染器進(jìn)行渲染，制作的效果圖更多是作為方案展示內(nèi)容呈現(xiàn)給甲方。這樣的配合模式下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用更多出現(xiàn)于方案設(shè)計的后期表達(dá)，而不是在方案創(chuàng)作反復(fù)推敲的過程中使用。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計師創(chuàng)作工作中的缺失不可避免地延長了設(shè)計周期并增加了工作成本，且方案成果的品質(zhì)無法得到有效保證。

建筑往往不是獨立存在的，在建筑方案創(chuàng)作過程中，設(shè)計者應(yīng)當(dāng)考慮建筑自身與周邊環(huán)境的“對話”，以及建筑室內(nèi)外空間與預(yù)留景觀的關(guān)系。基于建筑景觀一體化設(shè)計理念，設(shè)計院經(jīng)常遇到將建筑與景觀方案設(shè)計同時開展的情況，這不僅需要建筑設(shè)計師與景觀設(shè)計師掌握良好的協(xié)同設(shè)計方法，同時更需要方便快捷的虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為輔助工具。

Enscape渲染器在建筑景觀一體化設(shè)計中可以發(fā)揮獨特的輔助設(shè)計作用。設(shè)計者在推敲方案過程中，可借助Enscape即時渲染畫面試驗建筑外表皮切換多種材料及其材質(zhì)的效果，并且該渲染器可以快速調(diào)節(jié)虛擬環(huán)境的時間以及布置人工照明來試驗建筑在不同時間段所呈現(xiàn)的效果。同時，Enscape具備強大的場景素材模型資源庫，包含多種類型室內(nèi)外配景素材代理模型。資源庫中的模型可以在軟件中迅速調(diào)用到方案場景中，提升渲染場景的場所氛圍。

最終方案確定之前，設(shè)計師會在多次階段性匯報中僅通過運行SketchUp模型以建模操作界面的形式呈現(xiàn)給甲方進(jìn)行講解，雖然該軟件操作者可以模型為中心進(jìn)行360°無死角環(huán)繞觀察，猶如動畫展示效果，且匯報現(xiàn)場可以根據(jù)甲方的需求及時修改模型作出反饋，但是絕大多數(shù)的甲方并未接受過建筑、景觀設(shè)計的專業(yè)訓(xùn)練，對于SketchUp模型中的材料表現(xiàn)、光影關(guān)系、模型尺度的理解能力，以及在腦中將虛擬模型轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實場景的空間想象力都是很有限的，這會造成甲、乙雙方對方案的理解存在很大出入。Enscape渲染器可以解決這一問題，該渲染器植入于SketchUp軟件中，啟動之后，即兩者同時運行呈現(xiàn)出2個操作界面共同展示給甲方，SketchUp軟件界面用于設(shè)計者根據(jù)甲方的需求及時做出模型修改，Enscape渲染器界面則用于給甲方呈現(xiàn)渲染效果。值得注意的是，渲染界面中的模型成果與SketchUp中的模型是聯(lián)動關(guān)系，其實時渲染能力便于甲方理解方案設(shè)計。并且該渲染器具備連接VR眼鏡設(shè)備功能，可使甲方享受沉浸式方案觀賞體驗。

1 基于SketchUp與Enscape技術(shù)的建筑景觀一體化設(shè)計方法分析

本文將Enscape渲染器作為建筑景觀一體化設(shè)計的輔助工具，其對接的建模軟件選用當(dāng)前國內(nèi)建筑師使用的主流建模工具SketchUp。基于兩款輔助設(shè)計軟件的應(yīng)用，建筑景觀一體化設(shè)計可視化思路如下：

（1）設(shè)計方案CAD圖紙繪制完畢后，以.dwg格式文件形式導(dǎo)入SketchUp軟件中；

（2）通過SketchUp參照導(dǎo)入的圖紙進(jìn)行建模，將二維圖形轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型；

（3）建模完成后，將模型賦予材質(zhì)貼圖，調(diào)用Enscape資源庫素材布置室外景觀環(huán)境；

（4）模型優(yōu)化后，運行Enscape渲染器工具，根據(jù)方案表達(dá)調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，最終完成方案設(shè)計及可視化展示。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的建筑景觀一體化設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的建筑景觀一體化設(shè)計流程

1.1 SketchUp三維建模優(yōu)化技術(shù)

三維模型文件的輕量化是影響設(shè)計作品傳輸與展示效率的關(guān)鍵因素，為精簡模型數(shù)據(jù)規(guī)模，方案模型的優(yōu)化措施極為必要。該優(yōu)化手段主要在三個階段完成。

第一階段，方案CAD圖紙以二維圖形.dwg格式文件的形式導(dǎo)入 SketchUp軟件之后，首先需要將二維圖形進(jìn)行拍平處理，該功能可以解決CAD圖紙中由于局部數(shù)據(jù)存在標(biāo)高不統(tǒng)一導(dǎo)致SketchUp中導(dǎo)入的二維圖形邊線因不在同一平面而無法順利封面的問題；之后利用邊界工具，檢查并解決二維圖形中存在的相交邊線不閉合以及存留多余邊線的問題；最后，所有圖形進(jìn)行封面工作之前，通過開啟邊線設(shè)置的端點顯示功能，檢查二維圖形中存在的斷線，并及時重新繪制進(jìn)行替換。上述問題通常是CAD圖紙繪制過程中遺留的，上述步驟可以使得二維圖形數(shù)據(jù)在SketchUp文件中更為純凈，這也是實現(xiàn)三維模型輕量化的關(guān)鍵。

第二階段是SketchUp軟件建模過程中最為重要的部分（創(chuàng)建群組功能，以下簡稱“成組”）。將二維圖形推拉成三維模型之前，需要將每一部分的平面圖形成組，使之成為獨立個體，不僅便于方案模型后續(xù)的修改，并且SketchUp軟件識別群組相比非群組對模型文件的內(nèi)存消耗會更低，實現(xiàn)模型輕量化目標(biāo)。

第三階段，方案模型制作之后，SketchUp模型輕量化對接Enscape渲染器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的準(zhǔn)備工作。首先，檢查并清除模型中多余無用的對象。其次，利用清理廢線工具將模型中所有多余邊線及時清除，這些邊線一般藏匿于模型實體群組中，或在顏色較深且紋理圖案較為復(fù)雜的材質(zhì)貼圖中。最后，在SketchUp的統(tǒng)計信息中通過清除未使用項功能來降低模型內(nèi)存，可在一定程度上提高軟件操作流暢性。需要注意的是，這些未使用項是在推敲方案及建模過程中被替換的材質(zhì)及刪除的組件等內(nèi)容，雖然這些未使用項已刪除，不會出現(xiàn)在SketchUp模型中，但其大量積累會增加模型文件的內(nèi)存消耗。

需要強調(diào)的是，上述三個階段中提及的拍平、邊界工具、清理廢線三個功能源于SketchUp插件工具，這些功能需要通過軟件的擴展程序管理器，分別載入SUAPP、Edge Tools、Clean Up插件工具方可實現(xiàn)。

1.2 Enscape渲染技術(shù)

SketchUp方案模型制作完畢后，啟動Enscape渲染界面并開啟實時更新功能，使用者通過對渲染界面的模型進(jìn)行觀察，在Enscape材質(zhì)功能中將方案模型的所有材質(zhì)設(shè)置調(diào)節(jié)至符合其材料屬性特點的真實效果。與其他渲染器不同，Enscape材質(zhì)參數(shù)設(shè)置選項中，僅包含返照率、反射、凹凸、自發(fā)光、透明度的設(shè)置，且調(diào)節(jié)方式簡單。Enscape材質(zhì)功能的便捷性在于SketchUp方案模型建造過程中，可以快速調(diào)用已在Enscape材質(zhì)功能中自定義調(diào)制完成的參數(shù)材質(zhì)，該材質(zhì)庫需由設(shè)計者預(yù)制。預(yù)制材質(zhì)庫的建設(shè)方法：使用者在SketchUp文件中放置一定數(shù)量的矩形面，將建筑、景觀設(shè)計常用材質(zhì)貼圖賦予矩形面中，放置矩形面的數(shù)量取決于設(shè)計者常用材質(zhì)的數(shù)量。在Enscape材質(zhì)功能中調(diào)節(jié)所有材質(zhì)的參數(shù)，最后在SketchUp材質(zhì)選擇器中將所有設(shè)置完畢的材質(zhì)另存為.skm格式的材質(zhì)文件，儲備到預(yù)制材質(zhì)庫文件夾中。故方案模型需要Enscape參數(shù)材質(zhì)時，只需在SketchUp材質(zhì)選擇器中載入預(yù)制材質(zhì)庫的文件夾即可。這樣的Enscape材質(zhì)調(diào)用方式可有效提高方案模型渲染工作的效率。

同時，Enscape資源庫的素材種類繁多，可提升方案模型室內(nèi)外場景的活躍氣氛，并表現(xiàn)場所活動的故事性。方案模型中的景觀素材可以在資源庫中快速調(diào)用，資源庫的素材模型與傳統(tǒng)SketchUp組件素材模型不同，在大型場景建模中，大量SketchUp素材，如樹木草叢組件會占用較大內(nèi)存，使得軟件運行出現(xiàn)卡頓情況甚至崩潰。而Enscape資源庫的素材模型均為代理模型，如圖2所示，即表現(xiàn)為有著與傳統(tǒng)SketchUp組件素材模型相似的外形，但面數(shù)更少，造型更簡化的模型，且絲毫不影響渲染質(zhì)量，甚至具備更優(yōu)的真實度。使用代理模型能夠有效減輕計算機硬件的負(fù)擔(dān)，使得軟件運行更加流暢，實現(xiàn)模型的輕量化。

圖2 資源庫代理模型在SketchUp與Enscape中的表現(xiàn)形式

2 建筑景觀一體化設(shè)計方法測試

2.1 軟硬件平臺參數(shù)

本文以“寒冷地區(qū)某特色小鎮(zhèn)接待中心建筑景觀設(shè)計”為實際項目進(jìn)行實驗。實驗PC主機的硬件配置為：Inte（lR）Core（TM）i7-4790k型號四核心八線程CPU，主頻4.0 GHz，16 GB RAM，120 GB固態(tài)硬盤空間，2 TB機械硬盤空間，NVIDIA Quadro K2200型號顯卡（4 GB顯存容量）。需要強調(diào)的是，顯卡需要支持硬件加速，并確保視頻卡驅(qū)動程序完全支持OpenGL 3.0或更高版本。

采用的軟件包括：Auto CAD繪圖軟件、SketchUp建模軟件、Enscape渲染器、Lumion渲染器、Vray渲染器。

2.2 設(shè)計效果展示

將本文方法應(yīng)用于寒冷地區(qū)某特色小鎮(zhèn)接待中心建筑景觀設(shè)計項目的可視化工作中，測試本文方法是否滿足輔助建筑景觀一體化設(shè)計的方案可視化需求。圖3所示為依照本文方法設(shè)計的建筑景觀方案三維模型，此效果圖為未渲染的接待中心建筑景觀的場景模型?？梢钥闯?，優(yōu)化后的模型通過調(diào)用Enscape資源庫素材代替SketchUp組件素材布置室外環(huán)境場景使得模型文件更加輕量化。

圖3 方案SketchUp模型優(yōu)化前后對比

優(yōu)化后的三維模型基于Enscape技術(shù)渲染，如圖4所示。Enscape渲染器能夠?qū)ketchUp模型文件中賦予的Enscape參數(shù)材質(zhì)以及用于布置室外場景調(diào)用的Enscape資產(chǎn)庫素材代理模型即時渲染出逼真的效果；通過Enscape渲染設(shè)置調(diào)節(jié)功能可以快速設(shè)置渲染場景的環(huán)境，使渲染場景陰影明暗變化顯著，細(xì)節(jié)表現(xiàn)較好；SketchUp與Enscape同步運行，滿足方案的實時修改及效果展示設(shè)計可視化需求。

圖4 方案場景Enscape渲染效果

2.3 多種渲染器優(yōu)劣勢對比

本文采用SketchUp軟件構(gòu)建方案模型，通過Enscape技術(shù)對模型進(jìn)行渲染，輸出表現(xiàn)圖。普及度、使用頻率較高的，能夠與SketchUp兼容的渲染器還有 Lumion和Vray，三種渲染器的優(yōu)勢與劣勢分析見表1所列。相對而言，Enscape渲染器對計算機配置要求一般，渲染速度快且操作難度低，節(jié)省設(shè)計師的渲染時間及學(xué)習(xí)成本。即時渲染技術(shù)可以使得模型在SketchUp中進(jìn)行修改操作，只需在Enscape渲染界面中便能夠?qū)崟r反饋修改后的渲染結(jié)果，同時具備強大的景觀素材資產(chǎn)庫；Lumion作為即時渲染器，操作簡單且渲染速度快，同時還具備景觀素材資產(chǎn)庫，但是對計算機配置要求高，其作為獨立渲染器時，需要通過SketchUp將模型文件轉(zhuǎn)換，導(dǎo)出.dae格式文件才能夠在渲染器中運行；Vray作為光線跟蹤模式的模擬渲染器，雖然在室內(nèi)場景方面能夠表現(xiàn)出極具真實感的圖像，但渲染速度慢且操作復(fù)雜，對計算機配置要求較高，同時不具備景觀素材資產(chǎn)庫。綜上所述，采用本文方法進(jìn)行建筑景觀設(shè)計可視化渲染性能較優(yōu)，實驗將進(jìn)一步驗證此觀點。

表1 三種渲染器優(yōu)劣勢對比分析

為了驗證本文方法的優(yōu)勢，采用Lumion渲染器、Vray渲染器與Enscape渲染器進(jìn)行對比測試，以實驗項目的渲染器參數(shù)設(shè)置工作量、渲染時間（按照圖4重兩個角度渲染鳥瞰圖及人視圖）、渲染效率為目標(biāo)，三種方法對比結(jié)果見表2所列。

表2 三種方法的渲染效率對比分析

從表2可知，本文方法設(shè)計接待中心建筑景觀的渲染時間為22 s，渲染器參數(shù)調(diào)節(jié)工作量為19，渲染效率高。采用Lumion技術(shù)與Vray技術(shù)的渲染設(shè)計方法，進(jìn)行實驗接待中心建筑景觀的渲染效率低于本文方法，并且兩種方法的渲染時間均長于本文方法。說明本文方法可以有效提高建筑景觀方案設(shè)計的渲染效率，降低設(shè)計時間成本。

3 結(jié) 語

本文提出了一種基于SketchUp與Enscape技術(shù)的建筑景觀一體化設(shè)計方法，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于建筑景觀方案設(shè)計階段，真正實現(xiàn)了可視化設(shè)計，并能夠克服傳統(tǒng)效果圖公司與設(shè)計院合作模式的弊端。總體來看，基于SketchUp與Enscape技術(shù)融合設(shè)計的建筑景觀一體化展示效果較優(yōu)，不僅為建筑方案設(shè)計提供了一種有效途徑，在建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的展示及渲染技術(shù)初學(xué)者入門學(xué)習(xí)方面亦能發(fā)揮不容小覷的作用。SketchUp軟件作為國內(nèi)建筑師使用的主流建模工具，其與Enscape渲染器的結(jié)合為設(shè)計者的方案創(chuàng)作工作、與甲方的有效溝通、與效果圖公司的方案后期對接均能帶來益處。