基于SPEEDTREE軟件虛擬園林植物的建造研究

張婷

摘 要：虛擬植物模型在整個場景中與景觀要素模型（園林建筑模型，山石水體模型，道路模型，小品模型等等）共同構成。植物景觀是園林景觀設計中的軟質景觀，是具有生命的景觀表現，不僅能體現景觀的四維性，還能體現小氣候環境下的五維景觀，因此對于植物的設計是園林設計中重要的內容。該文比較詳細地概述了植物可視化技術在園林規劃設計中的應用，重點介紹了SPEEDTREE軟件的功能與植物建模技術，以供相關人員參考。

關鍵詞：園林可視化技術；虛擬植物模型；SPEEDTREE；園林輔助設計

中圖分類號 TU986 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）16-0123-05

Abstract：The design and application of garden plants is different from the main characteristics of the architectural design or urban planning. It plays an important role in landscape design. With the development in the landscape design process，is drawn with the traditional approach of long working hours，heavy workload，low efficiency compared to computer graphics，efficient，convenient，fast，etc. The modern designers accept and use the computer technology gradually.Floor plan drawing，simulation modeling and effects processing are becoming increasingly popular in landscape design. Plant simulation construction has more computer performance practices，such as the performance of the virtual plant.

Key words：Landscape visualization technology；Virtual plant model；SPEEDTREE；Computer-aided design

SPEEDTREE虛擬植物建模具有很強的可視性，這個技術是隨著信息技術進步而迅速發展起來的新興研究領域，已成為計算機領域的研究熱點之一。植物的模擬在自然景觀模擬中占很大的比重。豐富的植物景觀設計是風景園林規劃設計區別于城市規劃、建筑設計的顯著特征之一，植物模型的海量數據恰恰是虛擬現實交互性和沉浸性實現的瓶頸，因此研究在虛擬現實環境中的園林植物建模方法有重要的意義[1]。

1 植物可視化技術在園林規劃設計中的應用

1.1 植物可視化技術的相關內容 將植物的可視化技術與園林輔助設計結合是技術不斷發展的必然要求，植物的可視化技術目前在園林的計算機輔助設計中應用較廣。從園林的規劃設計類圖紙中表達出來的植物種植方面的圖紙，以及規劃設計總圖的植物表達，到設計類圖紙中立面和剖面的植物方向的表達等都需要體現植物的可視化技術的表達，使植物設計的內容通過計算機的可視化技術表達出，是設計師與讀者交流的工具。因此，研究植物可視化技術方面的內容是為了更好的表達出植物方向的設計信息，易于修改，易于交流（圖1）。

1.2 虛擬植物模型在園林設計中的應用 隨著植物可視化技術的發展，其中的植物建模技術近年來發展迅猛，應用的范圍也不斷擴大。針對上述園林設計的特點，植物在園林中的應用與位置十分重要，因而在景觀的輔助設計里，不管是平面設計還是場景建模都對虛擬植物的種類和立體模型要求較高。虛擬植物的應用滲入到輔助設計的每一個步驟，例如植物的種植設計，植物的場景設計，園林效果圖的設計等，由此可以看出虛擬植物在輔助設計中的重要地位。

1.3 虛擬植物模型的發展 由于建模的依據和方法不同，可以將虛擬植物的模型建造方式大致分三類：圖形學模型、動態結構模型和靜態結構模型。這三種不同的建造方式，可以比較得出，圖形學模型更適合于園林景觀設計中虛擬植物的建造研究，但是僅僅有圖形學模型還不能完全表達出想要表達的植物全方位信息，在探索園林虛擬植物模型的過程中，更加追求符合植物的形態特征及其生長規律所建的帶有拓撲結構的建造方式。

1.4 當前各類植物模型軟件的比較

1.4.1 3DS MAX 3DS MAX是眾所周知的三維軟件，用于制作各種模型并伴有后期渲染等功能。能很好的體現物體的空間感和尺度感，在園林上用處也很多。例如園林效果圖制作，作為園林設計的輔助工具等，給設計師增加空間感和尺度感，不但使設計師能更好的理解和擴充自己的設計思路，還可以更直觀的將設計者所設計的園林綠化景觀的全貌及每個細節展示給別人（圖2）。

1.4.2 TREE STORM Tree Storm是3D的插件之一，用于專業樹木模型建造的軟件，其3D植物模型有很強的觀賞性和自然氛圍，作景觀配景很自然。Tree Storm可以在3ds max中制作各種樹木模型，并且根據風力搖動可以模擬風吹樹葉的效果。自帶的植物庫提供280種基本樹木模型和140種樹葉模型，加上大量可以調整的參數，可以創造出許多植物，包括喬木，灌木，草本（圖3、圖4、圖5）。

使用Tree Storm的樹木庫可以選擇不同種類的樹木。該插件的優點之一就是可以制作出不同種類的樹木模型。Tree Storm可以對樹木模型的樹干，樹枝等的數量進行設置，這樣就可以根據場景的需要制作不同精度的樹木效果。雖然該插件提供了多種樹木模型，但是考慮到不能完全滿足用戶的需求，所以通過該插件的部分功能允許用戶自己制作樹木模型效果。

1.4.3 X frog X frog同樣也是基于3D的一款插件。X frog所建模型非常逼真，而且自帶的植物種類非常多，提供的模型庫超過600種植物，不僅可以制作樹木，花卉組件，還可以制作地被以及動畫等，樹葉，樹干，花朵都采用實物掃描，更為真實。材質方面例如樹皮，樹葉，花卉等可以通過相關的貼圖來實現，貼圖通過PS處理后導出相應的格式進行使用。但X frog軟件缺乏風吹的動態效果，而且操作過程比較復雜，因此有待改進的地方比較多（圖6）。

1.4.4 SPEEDTREE SPEEDTREE是專門制作虛擬植物模型的一種新型的植物建模軟件。此款軟件也是采用了拓撲結構來生產樹木的形體，操作過程相對其他軟件較為簡單，可調節的參數非常多，所建模型的植物形態非常逼真。在SPEEDTREE系列軟件中，還增加了保存材質和制作場景等的多種植物軟件，極大地方便了使用者，同時也為渲染類的軟件帶來了優秀的組件和優質的畫面效果。此外，在建立模型的基礎上，還可以進行陰影和光照的調節，包括材質通道的調節，植物材質的處理等等。自身提供的模型庫數量也非常眾多，極大方便了園林設計師們進行植物配置設計（圖7）。

1.4.5 植物建模軟件的對比結論 通過對比可以看出SPEEDDTREE這個軟件比較適合在園林輔助設計中使用（表1）。在保證效果的同時，盡量減少了頂點和面片的數量，提高了制作效率；而且陰影真突，支持各種渲染器和動力學系統，可以制作樹木的動畫；植物模型的種類眾多，可以滿足園林輔助設計對植物的需求。

2 SPEEDTREE軟件植物建模概述

2.1 SPEEDTREE軟件的功能介紹 SPEEDTREE是建立模型與繪制貼圖的總和，樹木可以調控內容很詳實，樹葉，花果可以以貼圖的方式來模擬。這個插件的庫中已經內置了多個種類的樹，并且還可以隨機生成樹葉的貼圖的方式來模擬，讓每棵樹看起來很不一樣，在同一棵樹復制時也會隨機生成不一樣的樹形，可以根據地形設定樹木種植。

2.2 建造植物模型 SPEEDTREE MODELER軟件主要用于植物模型的建立和導出使用等方面。SPEEDTREE軟件是模型與貼圖的綜合體，因而在制作模型之前，需要準備好植物的材質貼圖，例如樹葉貼圖，樹干貼圖，花的貼圖等等。

2.2.1 SPEEDTREE工作面板介紹 在SPEEDTREE MODELER中，有幾大操作面板構成，其中Generators面板：ST模型主要由兩類物體組成：生成器和node生成器可以被看作是確定那一部分分叉的一套規則。生成器主要決定branches，leaves和frond。node實際上是一個樹模型的構件（組成部分），生成器對node的創造是基于對象屬性值，所編輯的曲線，再加上其中的一些隨機變化數值。

2.2.2 SPEEDTREE建模程序介紹 下面通過模型制作出植物主體形態，根據真實植物的外表形態進行近一步調整。通過SPEEDTREE MODELER的具體調節植物形態的參數面板進行各種參數的調節（見圖8）。

2.2.3 PS處理需要用到的材質 葉片的處理：選取質感較強，葉片豐滿，色澤光滑的木槿樹葉圖片進行處理，將葉片導入PS中，運用魔棒和蒙板工具將圖片多余的部分去除，留下樹葉部分，導出時運用PNG格式。此外，也可以對已經處理好的葉片進行添加alpha通道，通道顏色和葉片顏色要相一致，這樣進行處理的葉片在模型中質感更強。

2.2.4 SPEEDTREE MODELER建立植物模型 根據SPEEDTREE MODELER的建模原理，運用植物生長原理和拓樸結構原理進行建模，由主干（trunk）—一級分支（branch）—葉片（leave）的基本建模順序進行建模（圖9）。

在選項中選擇要的樹干類型，樹枝類型和葉片的類型。SPEEDTREE MODELER軟件中提供了樹枝的類型，棕櫚科植物的樹枝及葉片類型，手繪樹枝類型，葉片類型，根系類型以及樹干類型，每種制作模型所用的植物部位中又提供了多種不同類型的選擇，例如葉片有單葉，復業，標準葉片，豎向葉片以及橫向葉片模型等供設計者選擇[3]。如果軟件提供的各種植物模型的數據類型都和所繪植物模型效果不符，也可以通過鍵盤空格鍵進行手動繪制枝干，然后進行各種參數的調節（圖10）。

對于木槿模型樹干的粗細，長短，樹枝的數量多少，葉片的濃密程度等，在制作過程中可以通過植物模型編輯器面板進行調節。調節方式為通過調節面板中的參數或者通過調節相應的曲線，達到想要的效果（圖11）。

2.3 植物材質保存 SPEEDTREE系列軟件中SPEEDTREE COMPILER是將已經做好的SPEEDTREE植物模型材質進行打包和處理，為導入其他軟件做準備。下面以已經完成的SPEEDTREE MODELER木槿模型為例運用SPEEDTREE COMPILER進行材質的導出與保存。

2.3.1 材質保存 打開SPEEDTREE CMOPILER，其中彈出的對話框中有add trees的按鈕，選擇此命令添加已經做好的植物模型（圖13）。

2.3.2 點擊Add Trees 進行添加已經做好的木槿SPM模型，按順序點擊下一步，經過提示，需要添加輸出路徑，輸出路徑可以放置于想要的文件夾中，在這一步操作中，將文件輸出路徑設于桌面的MUJIN文件夾中。已經導入的SPEEDTREE COMPILER軟件中，界面上出現了木槿模型的材質。在Session菜單欄中選擇start compilation選項，進入材質導出階段（圖14、圖15）。

2.3.3 將材質導出 作為植物組件使用，SPEEDTREE做出的植物模型導入渲染軟件中會自帶風吹效果，植物模型具有一定的生動性和真實性。

3 關于SPEEDTREE虛擬植物建模的總結與思考

針對目前園林輔助設計上虛擬植物模型的問題，分析其研發歷史，思考研究當前各種類型的植物建模軟件，進行功能和參數的對比與研究分析，得出UDK中自帶的植物建模軟件SPEEDTREE非常適合園林輔助設計中的虛擬模型制作。本文主要研究SPEEDTREE系列軟件的參數設置，軟件建模原理，建模過程，建模參數的調整等，運用SPEEDTREE系列軟件制作出某區域常用的園林植物模型，觀察所建植物模型的應用效果，并對其進行總結和思考。

參考文獻

[1]雄壯，王潤杰，陳蕾，姚連鈺.動態三維樹實時仿真設計與實現[J].計算機工程與設計，2009（8）：1-2.

[2]侯加林，王一鳴，董喬雪，等.虛擬植物生長的研究現狀與發展趨勢[J].農業機械學報，2004，35（3）：15-20.

[3]毛衛強，耿衛東，潘云鶴.基于特征綜合的植物建模方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2000，12（8）：596-599.

（責編：張長青）