基于虛擬現實技術的建筑景觀一體化設計研究

王 漢，任乃鑫，柳大江

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

0 引 言

當前，國內絕大多數的建筑景觀設計工作中，虛擬現實技術的應用主要由效果圖制作單位（以下簡稱“效果圖公司”）完成。首先，需要建筑景觀設計單位（以下簡稱“設計院”）中負責設計方案創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渲染器進行渲染，制作的效果圖更多是作為方案展示內容呈現給甲方。這樣的配合模式下，虛擬現實技術的應用更多出現于方案設計的后期表達，而不是在方案創作反復推敲的過程中使用。因此，虛擬現實技術在建筑設計師創作工作中的缺失不可避免地延長了設計周期并增加了工作成本，且方案成果的品質無法得到有效保證。

建筑往往不是獨立存在的，在建筑方案創作過程中，設計者應當考慮建筑自身與周邊環境的“對話”，以及建筑室內外空間與預留景觀的關系。基于建筑景觀一體化設計理念，設計院經常遇到將建筑與景觀方案設計同時開展的情況，這不僅需要建筑設計師與景觀設計師掌握良好的協同設計方法，同時更需要方便快捷的虛擬現實技術作為輔助工具。

Enscape渲染器在建筑景觀一體化設計中可以發揮獨特的輔助設計作用。設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的效果，并且該渲染器可以快速調節虛擬環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給甲方進行講解，雖然該軟件操作者可以模型為中心進行360°無死角環繞觀察，猶如動畫展示效果，且匯報現場可以根據甲方的需求及時修改模型作出反饋，但是絕大多數的甲方并未接受過建筑、景觀設計的專業訓練，對于SketchUp模型中的材料表現、光影關系、模型尺度的理解能力，以及在腦中將虛擬模型轉化為現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出2個操作界面共同展示給甲方，SketchUp軟件界面用于設計者根據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中的模型是聯動關系，其實時渲染能力便于甲方理解方案設計。并且該渲染器具備連接VR眼鏡設備功能，可使甲方享受沉浸式方案觀賞體驗。

1 基于SketchUp與Enscape技術的建筑景觀一體化設計方法分析

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

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

（2）通過SketchUp參照導入的圖紙進行建模，將二維圖形轉變為三維模型；

（3）建模完成后，將模型賦予材質貼圖，調用Enscape資源庫素材布置室外景觀環境；

（4）模型優化后，運行Enscape渲染器工具，根據方案表達調節相應參數設置，最終完成方案設計及可視化展示。

基于虛擬現實技術的建筑景觀一體化設計流程如圖1所示。

圖1 基于虛擬現實技術的建筑景觀一體化設計流程

1.1 SketchUp三維建模優化技術

三維模型文件的輕量化是影響設計作品傳輸與展示效率的關鍵因素，為精簡模型數據規模，方案模型的優化措施極為必要。該優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格式文件的形式導入 SketchUp軟件之后，首先需要將二維圖形進行拍平處理，該功能可以解決CAD圖紙中由于局部數據存在標高不統一導致SketchUp中導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，所有圖形進行封面工作之前，通過開啟邊線設置的端點顯示功能，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據在SketchUp文件中更為純凈，這也是實現三維模型輕量化的關鍵。

第二階段是SketchUp軟件建模過程中最為重要的部分（創建群組功能，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的修改，并且SketchUp軟件識別群組相比非群組對模型文件的內存消耗會更低，實現模型輕量化目標。

第三階段，方案模型制作之后，SketchUp模型輕量化對接Enscape渲染器數據轉化的準備工作。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雜的材質貼圖中。最后，在SketchUp的統計信息中通過清除未使用項功能來降低模型內存，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及刪除的組件等內容，雖然這些未使用項已刪除，不會出現在SketchUp模型中，但其大量積累會增加模型文件的內存消耗。

需要強調的是，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。

1.2 Enscape渲染技術

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行觀察，在Enscape材質功能中將方案模型的所有材質設置調節至符合其材料屬性特點的真實效果。與其他渲染器不同，Enscape材質參數設置選項中，僅包含返照率、反射、凹凸、自發光、透明度的設置，且調節方式簡單。Enscape材質功能的便捷性在于SketchUp方案模型建造過程中，可以快速調用已在Enscape材質功能中自定義調制完成的參數材質，該材質庫需由設計者預制。預制材質庫的建設方法：使用者在SketchUp文件中放置一定數量的矩形面，將建筑、景觀設計常用材質貼圖賦予矩形面中，放置矩形面的數量取決于設計者常用材質的數量。在Enscape材質功能中調節所有材質的參數，最后在SketchUp材質選擇器中將所有設置完畢的材質另存為.skm格式的材質文件，儲備到預制材質庫文件夾中。故方案模型需要Enscape參數材質時，只需在SketchUp材質選擇器中載入預制材質庫的文件夾即可。這樣的Enscape材質調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外場景的活躍氣氛，并表現場所活動的故事性。方案模型中的景觀素材可以在資源庫中快速調用，資源庫的素材模型與傳統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存，使得軟件運行出現卡頓情況甚至崩潰。而Enscape資源庫的素材模型均為代理模型，如圖2所示，即表現為有著與傳統SketchUp組件素材模型相似的外形，但面數更少，造型更簡化的模型，且絲毫不影響渲染質量，甚至具備更優的真實度。使用代理模型能夠有效減輕計算機硬件的負擔，使得軟件運行更加流暢，實現模型的輕量化。

圖2 資源庫代理模型在SketchUp與Enscape中的表現形式

2 建筑景觀一體化設計方法測試

2.1 軟硬件平臺參數

本文以“寒冷地區某特色小鎮接待中心建筑景觀設計”為實際項目進行實驗。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）。需要強調的是，顯卡需要支持硬件加速，并確保視頻卡驅動程序完全支持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 設計效果展示

將本文方法應用于寒冷地區某特色小鎮接待中心建筑景觀設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計的方案可視化需求。圖3所示為依照本文方法設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。可以看出，優化后的模型通過調用Enscape資源庫素材代替SketchUp組件素材布置室外環境場景使得模型文件更加輕量化。

圖3 方案SketchUp模型優化前后對比

優化后的三維模型基于Enscape技術渲染，如圖4所示。Enscape渲染器能夠將SketchUp模型文件中賦予的Enscape參數材質以及用于布置室外場景調用的Enscape資產庫素材代理模型即時渲染出逼真的效果；通過Enscape渲染設置調節功能可以快速設置渲染場景的環境，使渲染場景陰影明暗變化顯著，細節表現較好；SketchUp與Enscape同步運行，滿足方案的實時修改及效果展示設計可視化需求。

圖4 方案場景Enscape渲染效果

2.3 多種渲染器優劣勢對比

本文采用SketchUp軟件構建方案模型，通過Enscape技術對模型進行渲染，輸出表現圖。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，節省設計師的渲染時間及學習成本。即時渲染技術可以使得模型在SketchUp中進行修改操作，只需在Enscape渲染界面中便能夠實時反饋修改后的渲染結果，同時具備強大的景觀素材資產庫；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將模型文件轉換，導出.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，雖然在室內場景方面能夠表現出極具真實感的圖像，但渲染速度慢且操作復雜，對計算機配置要求較高，同時不具備景觀素材資產庫。綜上所述，采用本文方法進行建筑景觀設計可視化渲染性能較優，實驗將進一步驗證此觀點。

表1 三種渲染器優劣勢對比分析

為了驗證本文方法的優勢，采用Lumion渲染器、Vray渲染器與Enscape渲染器進行對比測試，以實驗項目的渲染器參數設置工作量、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，三種方法對比結果見表2所列。

表2 三種方法的渲染效率對比分析

從表2可知，本文方法設計接待中心建筑景觀的渲染時間為22 s，渲染器參數調節工作量為19，渲染效率高。采用Lumion技術與Vray技術的渲染設計方法，進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計的渲染效率，降低設計時間成本。

3 結 語

本文提出了一種基于SketchUp與Enscape技術的建筑景觀一體化設計方法，將虛擬現實技術應用于建筑景觀方案設計階段，真正實現了可視化設計，并能夠克服傳統效果圖公司與設計院合作模式的弊端。總體來看，基于SketchUp與Enscape技術融合設計的建筑景觀一體化展示效果較優，不僅為建筑方案設計提供了一種有效途徑，在建筑學專業教學內容的展示及渲染技術初學者入門學習方面亦能發揮不容小覷的作用。SketchUp軟件作為國內建筑師使用的主流建模工具，其與Enscape渲染器的結合為設計者的方案創作工作、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。