虛擬現實技術在種植設計課程教學中的應用

王 宏，王玲玲

(合肥師范學院 生命科學學院，安徽 合肥 230601)

隨著Lumion、Enscape、Twinmotion等虛擬現實軟件逐漸進入了風景園林領域。這些渲染速度快、簡單易學的3D虛擬現實(Virtual Reality，VR)軟件，使設計師能夠在制作電影動畫和效果圖時展示他們無限的想象力。涉及的領域包括園林景觀、建筑設計、城市規劃和室內設計等[1]。在風景園林景觀設計領域運用VR技術，可以快速、高效、直觀地傳遞現場演示，為課堂教學解決了教學時間、空間等諸多限制，迅速創造出沉浸式的園林景觀可視化效果，使設計者有了交互且直觀的設計體驗。在設計意圖的表達中，VR技術也可以使人身臨其境地感受設計作品。基于虛擬現實技術的課程教學是今后風景園林類、園林植物類課程教學的一個方向。

1 虛擬現實技術在種植設計類課程教學中應用的必要性

目前的園林植物類課程仍以教師課堂多媒體課件講授的傳統教學模式為主，無法較好地調動學生的學習積極性，學生也缺少對設計空間的感受，對于實踐性、設計性、創新性很強的種植設計課程，仍有很多局限性[2]。“種植設計”是風景園林類課程體系中的一門重要專業課，傳統的園林種植設計類課程的理論教學存在著授課場地限制、教學形式局限于課件展示、缺乏互動媒介等問題，學生很難建立起平面圖紙與實體空間之間的聯系，無法直觀感受種植設計的場地、空間尺度、植物氛圍。傳統的種植設計課堂教學由于場地限制，介紹植物配置案例時只能通過圖片、PPT展示的形式，學生無法實際感受觀摩案例實景，無法直觀感受植物群落氛圍以及呈現出的不同樹齡、樹姿、花色、葉色、季相等狀態。

傳統教學演示種植設計過程時，一般都是通過繪制CAD種植平面圖或使用Sketchup建模的形式，存在很多局限性：CAD平面種植圖由于只能顯示二維平面，無法展現植物景觀的空間形態、群落組織方式等，使學生在學習初期設計圖紙時無從下手，理論性的知識很難轉換成制圖能力，并且難以做到實際景觀效果與平面圖之間的切換；運用Sketchup建模，只適合建立場景模型，不適合進行植物設計和景觀深化的細節表達。因為Sketchup軟件中本身不自帶植物模型，只有少量平面的草地材質，而網上下載的植物模型大多為2D平面植物，只有一個面，不符合真實情況且較為卡通。即使是3D的植物模型，也多因為模型太大，導入軟件后會異常卡頓，無法進行景觀深入表達，使設計只能停留在草圖的初步設計階段，后期還需結合Vray進行渲染，效率非常低，直接影響設計體驗感。同時，Vray參數繁多、復雜，非實時渲染，需要多次嘗試查看效果，耗時長、不直觀的缺點十分明顯。因此，如何將虛擬現實技術與種植設計教學相結合，使設計過程更加方便、直觀、快速，提升學生的空間思維、空間設計能力和設計體驗感，是課堂教學中亟待解決的問題。

通過在教學中引入VR技術——Lumion、Enscape、Twinmotion等實時3D可視化渲染器，可以現場完整地演示設計方案和設計的各個過程，提升學生對場景空間的沉浸式體驗。使學生通過可視化的沉浸式、游戲化、交互性的設計體驗，充分感受園林空間內的布局結構、色彩尺度和材料肌理；合理地設計植物空間、選擇植物品種、構建植物群落，科學地安排種植工序；通過模擬植物群落的四季季相變化和生長變化，做到科學性與藝術性并存的可視化園林設計，同時大幅降低了設計制作時間。通過VR技術，師生可在虛擬場景對設計作品反復推敲，提升了學生的設計能力和設計效率。

2 不同虛擬現實軟件的對比及在教學中的應用

目前景觀設計行業尤其是偏向植物景觀設計的實時虛擬現實軟件，以Lumion、Enscape、Twinmotion三款軟件為代表，其特點是出圖快效果好，且簡單易學，可以同時出效果圖和動畫，因此逐漸替代了傳統以靜態渲染為主的Vray等軟件。

Lumion的獨特技術使得它非常適合用于景觀可視化，種類極其豐富的素材庫是Lumion的核心生產力。最新版的Lumion 11 pro素材庫中的項目總數達到6224種，可以輕松種植大面積的樹木、觀賞草、花卉以及3D草地[3]。在深化設計階段，可以精確推敲景觀材質肌理、光影變化、地形設計、植物種類以及由此形成的空間氛圍。Lumion11版本還可以通過“正交視圖”功能制作精美的平面圖、剖面圖、軸測圖以及對應的動畫。因此對于課堂演示案例以及演示整個設計過程來說，作為快速展示真實景觀效果的Lumion無疑是目前最適合的虛擬現實軟件。但由于Lumion對電腦配置尤其是顯卡配置要求較高，CPU最好是i7處理器以上，顯卡最好在GTX1060以上[4]，因此更適合作為教師課堂演示設計過程的虛擬現實工具。

Enscape這款效果強大的虛擬現實插件和Lumion不同，它完全內置于SketchUp作為插件搭配，安裝文件體量較小，非常方便，適合于方案階段對模型真實度以及材質、環境的表達，可更好地控制方案的表達深度。但其地形、植物、素材、材質等都要依賴Sketchup，自帶素材少，材質參數不能細調，植物種類較少，更適合學生電腦配置不是特別高的小場景園林設計使用。

Twinmotion和Lumion一樣都是建筑、景觀設計表現的強大虛擬現實軟件，采用著名的虛幻引擎(Unreal Engine)作為核心引擎，具有簡單易學且兼容性強等特點。目前的Twinmotion2020.2版本的植被系統較之前版本有了顯著提升：其中的植物葉色可以與季節實現動態鏈接，只需拖動滑塊就可以實時改變季節實現樹葉的葉色改變、落葉等季相變化景觀，感受植物四季不同生長期所營造的不同意境[5]。其植物素材尤其是花卉種類雖較Lumion較少，但對電腦配置的要求稍低，不但同時支持Windows和macOS操作系統，還兼容所有的BIM軟件。同時，渲染出圖、導出動畫的速度較Lumion稍快，適用場景較為廣泛。

從植物素材的豐富程度及最終的渲染效果上，Lumion是較適用于景觀設計、種植設計以及教師課堂教學演示的虛擬現實軟件。但因學生的電腦配置不同，學生也可以根據自身電腦的配置情況和個人喜好，在設計作品時選擇Twinmotion和Enscape兩款軟件。綜合對比Lumion、Twinmotion和Enscape三款虛擬現實設計軟件，目前無論在園林景觀設計行業，還是園林類課程教學中都各自有著重要的應用價值。

3 虛擬現實技術應用于“種植設計”課程教學的應用探索

3.1 課堂教學引入VR技術

通過引入虛擬現實技術，改革傳統理論課局限于PPT、圖片展示等教學手段，結合案例式、項目式教學方法，很大程度地提高了學生的學習興趣。在課堂教學中，結合具體的場景設計，首先在SketchUp軟件中建立場景基礎模型，應用Lumion_livesync聯動插件，在Lumion中與SketchUp模型實時聯動，從而方便隨時對模型進行修改。然后通過賦予模型材質、添加配景，使模型更加真實，使學生能夠真實體驗場景空間，對空間尺度有更好的把握。在虛擬場景完善的基礎上，向學生演示具體的景觀及植物設計流程，一邊演示一邊講解設計方法和設計理論，從而使學生能更好地理解設計理論并學會在實際中運用。最后通過調整特效參數，展示各種角度的設計成果，引導學生參與推敲設計方案。

在“植物組團設計”章節中，通過Lumion軟件可以展現樹叢樹群的設計方法，清楚地模擬演示不同樹種之間的前后位置關系、樹姿的搭配、植物群落的層次組合、植物組團的色彩設計、與景觀氛圍的協調等，較之前用植物平面圖展示的方法更直觀、便于理解，且學生學習興趣較濃。利用虛擬現實技術模擬植物組團設計，可以直觀感受不同植物搭配方案所產生的效果(圖1)。

圖1 應用Lumion軟件對Sketchup模型進行植物組團設計

在“不同場景的種植設計”一章中，通過虛擬現實軟件在課堂向學生演示了種植設計的全過程：首先建立不同場景的Sketchup原始精簡模型，導入Lumion軟件，然后賦予模型景觀材質并調整材質參數，塑造景觀氛圍。利用Lumion強大的素材庫，添加樹木、草坪、花卉、觀賞草等各種植物素材以及人物、車輛、動物、石頭等配景。最后調整真實天空、太陽、體積光、霧氣、陰影、超光、兩點透視、曝光度、景深、反射、顏色校正、模擬色彩實驗室等特效參數，展示不同角度的鳥瞰、人視，并反復推敲植物尺度及配置的合理性，最后導出平面圖、立面圖、剖面圖、軸測圖以及全景圖或3D實景動畫效果(圖2)。傳統的教學因只能演示平面圖的設計過程，即使用Sketchup也無法體現植物群落的真實感，尤其對于初學者來說，單純的植物平面圖，學生很難想象出設計的實景，對設計過程感到無助，進而降低了學習興趣。通過這種虛擬現實的案例式教學，學生能直觀地看到設計的實際效果，更好地理解植物關系，也提高了學生的設計熱情和設計創意，增加了學生的學習興趣。

圖2 應用Lumion軟件對公園綠地Sketchup模型進行種植設計

3.2 VR技術應用于課程設計作業

傳統的植物設計類課程設計作業一般都是以手繪或CAD繪制植物平面圖，學生很難對場景空間和植物群落有直觀感知，也很難發現自己圖紙中的設計問題。通過引入虛擬現實技術，學生在SketchUp中創建場景基礎模型，再根據自身電腦配置情況自由選擇VR軟件進行園林設計。通過在虛擬場景中賦予景觀材質、添加配景、配置植物，反復推敲景觀材質、植物的位置關系、樹種搭配、空間氛圍、植物季相色彩等，增強了學生的設計樂趣，有助于激發設計靈感。

在“花境設計”的課程設計中，學生通過虛擬現實技術設計各種花灌木、花卉的組合，更好地理解了花境是如何展現植物高低錯落的群落景觀。傳統的花境設計，學生都是以平面圖繪制為主，但設計時因為花境植物種類非常多且繁雜，植物斑塊之間應該如何做到方向、姿態、株高、花色的對比對于學生來說很困難。因無法想象植物之間組合的實際效果，學生以前往往只能找各種植物隨便組合，導致設計的平面圖禁不起推敲，植物配置存在很多不合理現象。通過“Mes_MAX轉SU插件”，可以將大量的中國本土植物的3D模型通過適當減面的方法壓縮模型，然后轉換為植物模型。再通過“SDT物件助手”插件中的模型代理功能將電腦中轉換壓縮好的本地3D植物模型批量生成代理緩存。此方法可以構建大量的中國本土植物模型素材，并且能快速地加載各種3D植物的代理模型，在Enscape窗口中可實時看到設計的花境效果(圖3)。根據效果可以方便地替換植物、調整植物位置、大小、數量，綜合對比不同花卉、灌木組合的景觀效果和空間層次。這種方式有效解決了VR軟件中國本土植物素材少的問題很，很大程度地彌補了傳統教學中無法虛擬設計成果的缺陷。

圖3 應用Enscape軟件進行花境種植設計

3.3 VR設備結合線上線下混合式教學

由于課堂教學學時限制，不可能在課堂教學中系統地講授VR實時渲染軟件的操作方法。筆者依托超星學習通平臺，將自主制作的實時渲染軟件基礎操作視頻教程及教學案例、課件上傳至學習平臺，作為課堂教學的補充。學生可在課下學習平臺上教師錄制的教學視頻，掌握這些軟件的操作方法，不懂的地方再通過課堂教學集中答疑。學生還可將自己設計的作品上傳至專業全景工具平臺(如720云、全景云、Venus全景故事生成器等)，通過手機即可快速瀏覽；還可佩戴簡易沉浸式VR設備如VR眼鏡、VR頭盔等，真實體驗自己的作品，反復推敲修改直至滿意。學生還可將課程設計作業生成一個可供分享的輕量級互動演示，或者將效果圖、動畫上傳至學習通平臺，教師可以直接線上批改點評，實現了無紙化電子作業。此外，利用Twinmotion、Enscape軟件還可以通過“一鍵VR”模式，與Oculus Rift、HTC Vive、Windows MR等常用的VR設備連接，學生可以方便地沉浸式漫游體驗自己的設計作品。VR設備結合線上線下的混合式教學模式激發了學生自主學習能力，增強了學生的設計體驗感和成就感，有利于師生交流和互動，取得了良好的教學效果。

4 虛擬現實技術在“種植設計”課程教學中的應用效果

將虛擬現實技術引入“種植設計”課程教學中，學生從傳統的平面繪圖設計思維轉向了沉浸式體驗設計，能夠更加直觀地感受設計場景的空間和植物氛圍，身臨其境的設計場景取代了枯燥的平面圖紙，提高了學生對植物空間和植物配置關系的感受，也增強了課程的趣味性。

虛擬現實常用的三個渲染軟件都較簡單易學，學生可根據自身電腦配置和喜好選擇不同的軟件。學生還可以反復推敲修改自己的設計作品，對渲染出的設計作品都比較滿意，提升了學生的成就感和學習熱情。這種方法成本低廉、操作快捷，可以在較短時間內將一個簡單的原始模型設計成一個精美的植物景觀空間。配合VR技術，學生的設計創意成果可以方便地動態展示。虛擬現實技術帶來的身臨其境、游戲化、交互式的設計體驗遠比抽象的理論解說更具說服力，改變了學生在課堂教學中的定位。同時，虛擬現實技術在園林設計、園林工程、室內設計、建筑設計、城市規劃類的專業課程中也具有廣闊的應用前景，有助于提高學生創新能力與設計能力。