基于Lumion的虛擬仿真技術(shù)在景觀設(shè)計中的應(yīng)用研究

溫嘉瑜　曾艷

摘? 要：隨著景觀設(shè)計工作越來越智能和高效的需求，設(shè)計師為獲取更高質(zhì)量的景觀效果圖表現(xiàn)方法，促使虛擬仿真技術(shù)不斷更新?；谑袌龅男枰?，為實現(xiàn)虛擬場景軟件仿真效果的提高，提出使用Lumion出圖的優(yōu)化設(shè)計方法，流程包含原始場景的數(shù)據(jù)采集、場景三維模型的創(chuàng)建和導(dǎo)入、景觀模型的初步渲染、景觀場景的植物布置和圖片細(xì)節(jié)優(yōu)化等關(guān)鍵步驟。該流程利用SketchUp軟件創(chuàng)建景觀模型并導(dǎo)入到Lumion軟件，采用點、線、面、體描述虛擬現(xiàn)實景觀結(jié)構(gòu)的主要元素，使用次像素級別的偏移快速形成場景，通過材質(zhì)的高清貼圖處理、添加景觀設(shè)計細(xì)節(jié)，在此基礎(chǔ)上存儲完成后輸出虛擬現(xiàn)實景觀可視化圖像。在四種不同場景下的四次仿真設(shè)計實驗結(jié)果表明，基于Lumion虛擬仿真技術(shù)的方法與SketchUp for vray、3D Studio Max設(shè)計方法相比，用時少且圖片效果更好，是一種高效率的虛擬現(xiàn)實景觀仿真設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;Lumion;景觀設(shè)計;抗鋸齒設(shè)計;采樣;

基金項目：本文系電子科技大學(xué)中山學(xué)院2020年高等教育教學(xué)改革項目（JY202025）;電子科技大學(xué)中山學(xué)院 2020年校級質(zhì)量工程建設(shè)項目（ZXKC202011）研究成果。

一、引言

隨著數(shù)字化媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，景觀設(shè)計的場景空間表達(dá)越來越便利，由荷蘭的Act-3D公司開發(fā)的Lumion作為一個新的實時3D可視化工具越來越受到市場的認(rèn)可。Lumion使用了顯示卡的DirectX技術(shù)的Quest 3d引擎來完成場景的實時生成及渲染，并可將顯卡所形成的影像存為高質(zhì)量圖片或動畫，它涉及到的領(lǐng)域包括建筑、規(guī)劃景觀設(shè)計以及場景動畫等。Lumion 軟件的虛擬仿真具有制作效率高、輸出畫質(zhì)清晰的優(yōu)點，高效的制作優(yōu)勢能夠大大節(jié)省設(shè)計人員的時間與精力[1]。

lumion工作原理是通過內(nèi)置模型及支援其他軟件模型來快速進行場景建造，同時使用游戲引擎和真實材質(zhì)進行圖像生成，然后通過輔助功能強化圖像效果，最后運用顯卡處理計算合成圖像。由于游戲引擎的發(fā)展可以兼容多種技術(shù)幫助提升渲染效果，顯卡的計算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CPU，使渲染時間大大降低，并能實時低級渲染，方便查看效果[2]。軟件中大量的植物，人物素材庫也給景觀設(shè)計的工作帶來了便利性，使設(shè)計表現(xiàn)能一站式完成。

二、Lumion 的虛擬仿真技術(shù)原理分析

（一）Lumion在景觀工作中虛擬場景仿真設(shè)計流程

Lumion前期是依附于多樣化的其他軟件，在整理采集現(xiàn)場的模型數(shù)據(jù)后，由矢量軟件AutoCad優(yōu)化景觀的數(shù)字線化圖與線型圖，完成后進入建模軟件例如Sketch? Up，Rhinoceros，3D Studio Max等[3]，待模型數(shù)據(jù)完成后導(dǎo)入Lumion進行場景配置，依托場景材質(zhì)庫，添加景觀細(xì)節(jié)效果進行渲染，完成整個仿真設(shè)計流程（如圖1）。

（二）Lumion在虛擬仿真中高效出圖的設(shè)計方法

1.運用實時渲染技術(shù)對模型進行初步渲染

Lumion使用的顯示卡的超級采樣技術(shù)可十分快速地渲染出效果圖并減少鋸齒效果[4]，還可將顯卡所生成的影像保存為圖像文件或動畫，實時渲染以及預(yù)設(shè)值快速模擬場景實時產(chǎn)生可視效果。其原理是用點、線、面、體描述虛擬現(xiàn)實景觀結(jié)構(gòu)的主要元素[5]，使用次像素級別的偏移，在渲染時將一個像素拆開成多個，每次渲染次像素的一個部分，最后將多張圖合成一個平滑結(jié)果。

2.對模型進行快速抗鋸齒設(shè)置

Lumion的圖像可使用超級采樣抗鋸齒混合合成圖片[6]，它創(chuàng)建在一個分離的緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)的圖像分辨率都高于屏幕分辨率，例如屏幕分辨率為2*1，那么緩沖區(qū)場景的水平尺寸比屏幕分辨率高兩倍，若是2*2抗鋸齒，緩沖區(qū)圖像的水平和垂直均比顯示圖像大兩倍。像素計算加倍之后，選取2個或4個鄰近像素，此過程即是采樣。把這些采樣混合后生成的最終像素?fù)碛朽徑袼氐奶卣鳎鼈冎g形成近似色，人肉眼看到的是色彩平滑過渡，計算機最終像素輸出到幀緩沖[7]，形成了一幅仿真圖像。將圖像存儲起來然后發(fā)到顯示器，對每幀都進行抗鋸齒處理[8]，景觀場景中的所有畫面都變得帶有抗鋸齒效果了，效果也更加精致[9]。

3.光線細(xì)節(jié)的優(yōu)化方法

本文研究的運用Lumion景觀仿真設(shè)計的方法中使用了Sky Visbility[8]，此元素在對場景自然光線真實度的體現(xiàn)起到了重要的作用（如圖2、圖3）。二維簡化圖表現(xiàn)了Sky Visbility原理，以P點模擬場景物體，每個點所能看到的天空大小，可見度，越低則越暗，P點的天空可見度為θ/π。有了這個明暗關(guān)系，讓天空背景產(chǎn)生的照明得到了更好的描述，而有大氣層幾乎所有場景都會有天空光的存在，所以這個關(guān)系成了場景設(shè)計中必不可少的部分（如圖2、圖3）。反之，如果場景中沒有Sky Visbility，則物體只能依靠CPU計算光線，所耗的時間更長而且相對效果缺乏真實感。

虛擬場景中陰影的關(guān)系也是個重要的細(xì)節(jié)部分。對Soft Shadows和Fine Detail Shadows兩種陰影的設(shè)置是非常有效的搭配方法，SoftShadows讓僵硬無比的陰影變得柔和，達(dá)到自然的軟硬過渡[10]，提高物體的真實感和空間感。Fine Detail Shadows受限于Shadowmap的分辨率，一些細(xì)小的細(xì)節(jié)將無法投射陰影[11]，這會讓很多物體有“懸空”效果，因此可以直接使用屏幕的深度數(shù)據(jù)彌補這一問題。結(jié)合直射光的方向，計算出小半徑的遮擋關(guān)系，從而還原出細(xì)小物體的陰影，例如圖中的桌角、擺件等（如圖4、圖5）。

三、基于不同復(fù)雜度場景的多次實驗分析

（一）實驗平臺。在進行本文方法性能的仿真實驗過程中，設(shè)置的測試硬件配件平臺有：系統(tǒng)采用Windows 10專業(yè)版1809版本，平臺為處理器銳龍R7 2700，8核心16線程頻率鎖定為4.0GHZ，內(nèi)存是芝奇幻光戟16G DDR4 3000，顯卡是影馳RTX2070。

（二）本實驗內(nèi)容主要是采用SketchUp for vray，3D Studio Max和本文方法設(shè)計一個小型建筑景觀的虛擬現(xiàn)實仿真場景，渲染速度、圖片處理性能、圖片質(zhì)量等數(shù)據(jù)的對比分析[12]，證明在此過程中，本文所研究的方法與其他軟件仿真設(shè)計的差異性和優(yōu)勢所在。

為突出本文虛擬場景仿真設(shè)計的準(zhǔn)確性，在上一節(jié)提到的相同實驗平臺的基礎(chǔ)設(shè)備上，基于物體對象、場景內(nèi)平面數(shù)、物體對象邊數(shù)、裝飾植物四個方面，在簡單初步的景觀場景、復(fù)雜景觀場景、2倍的復(fù)雜場景和3倍的復(fù)雜場景這四種環(huán)境中（如表1），筆者分4次進行場景的模擬仿真渲染實驗。經(jīng)測試，不同軟件設(shè)計方法在模型庫的多少、操作難度、渲染時間、出圖的難度等方面都有很大的差異（如表2），這些差異對最終場景的效果也產(chǎn)生重要影響。

（三）場景渲染用時差異性分析

仿真景觀設(shè)計過程中批量渲染物體的使用頻率很高[13]，因此速度也是影響效率的關(guān)鍵之處[14]。本文方法用Lumion測試渲染簡單場景四次實驗中，消耗的時間介于8.62—10.10秒之間，相比3D max在同樣的場景中采用的渲染方法節(jié)約了725.13—759.91秒，相比Sketchup的渲染方法節(jié)約856.01—892.66秒，實驗的數(shù)據(jù)成果顯示本文采用的方法具有更快的效率優(yōu)勢。方法是基于Direct x開發(fā)的Quest 3d引擎進行實時渲染[15]，文件預(yù)先進行優(yōu)化處理，做好燈光的設(shè)計和抗鋸齒設(shè)置，將場景文件處理效率大大提高。隨著場景復(fù)雜度的增加，渲染用時平穩(wěn)，分布均勻，渲染所有場景中的時長曲線位于圖像最下方，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于另外兩種方法。例如實驗渲染3倍復(fù)雜場景的時間控制在30秒之內(nèi);而3Dmax虛擬現(xiàn)實仿真設(shè)計方法與本文方法相反，伴隨實驗的展開，渲染用時不斷上漲，在3倍復(fù)雜場景實驗中最長用時高達(dá)2082.31秒;Sketchup仿真設(shè)計方法在整個測試過程中的用時呈先增加、后減緩增長速度的情況，在第3倍復(fù)雜場景實驗中的渲染用時最長約為1990.02秒，3Dmax和Sketchup在測試后期會隨著文件數(shù)量的增加會使vray渲染時間明顯變長，增加到一定數(shù)量由于物體遮擋，使渲染時間增加變緩（如表3、表4、表5、表6）。3D Studio Max在進行建模過程中CPU頻率越高處理速度越快，建模過程就不容易卡頓[16]，測試用的VRAY通過自適應(yīng)細(xì)分或者蒙特卡洛細(xì)分[17]，計算效果圖中所有折射反射，燈光越多渲染越久，因此產(chǎn)生的時間就更長。

（四）場景渲染效果差異性分析

根據(jù)實驗最后出圖的質(zhì)量來看（如表7），文中采用的方法出圖不僅速度快，而且場景燈光反射、折射效果好，建筑表現(xiàn)真實，景觀細(xì)節(jié)表現(xiàn)細(xì)膩。Lumion顯示卡的仿真技術(shù)產(chǎn)生實時結(jié)果，并且可將顯卡所生成的影像保存為圖像文件或動畫，通過實時渲染以及預(yù)設(shè)值快速模擬場景，采用超級采樣進行圖片細(xì)分極大提升畫面精度[18]，通過各種細(xì)節(jié)的增加達(dá)到真實效果。3D Studio Max制作的仿真效果稍次，但是它需依托Adobe Photoshop制作景觀植物、天空細(xì)節(jié)等效果，給工作帶來了復(fù)雜性。SketchUp for vray的效果在空間色彩上表現(xiàn)較前兩種的遜色一些，整體光線泛白，缺乏天光的真實感，材質(zhì)也單一（如圖6、圖7、圖8）。

四、結(jié)語

針對目前設(shè)計市場高效率的出圖要求，本文提出基于Lumion的虛擬現(xiàn)實景觀仿真設(shè)計應(yīng)用研究的方法。在基礎(chǔ)模型導(dǎo)入后，如何對文件初步渲染，進行光線設(shè)置，細(xì)節(jié)的抗鋸齒設(shè)計等，通過實驗的分析，證明了運用Lumion軟件進行場景效果圖制作的優(yōu)勢[19]。但由于人工照明的設(shè)計不夠真實化，在夜晚圖像燈光優(yōu)化設(shè)計方面還有待提升[20]，在下一階段，將對此方面展開研究。

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作者簡介：

溫嘉瑜，碩士，電子科技大學(xué)中山學(xué)院助教。研究方向：環(huán)境藝術(shù)與城市更新設(shè)計及其相關(guān)理論。

曾艷，電子科技大學(xué)中山學(xué)院副教授。研究方向：環(huán)境景觀設(shè)計、公共空間設(shè)計。