基于虚拟现实技术的建筑景观一体化设计研究

王 汉，任乃鑫，柳大江

（1.吉林建筑科技学院，吉林 长春 130114；2.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168；3.中元国际（长春）高新建筑设计院有限公司，吉林 长春 130102）

0 引 言

当前，国内绝大多数的建筑景观设计工作中，虚拟现实技术的应用主要由效果图制作单位（以下简称“效果图公司”）完成。首先，需要建筑景观设计单位（以下简称“设计院”）中负责设计方案创作的建筑师将已完成的方案SketchUp模型提供给效果图公司，效果图公司的模型师将方案模型在3ds Max建模软件中进行翻模，并将模型深度完善，之后交给渲染师通过Vray渲染器进行渲染，制作的效果图更多是作为方案展示内容呈现给甲方。这样的配合模式下，虚拟现实技术的应用更多出现于方案设计的后期表达，而不是在方案创作反复推敲的过程中使用。因此，虚拟现实技术在建筑设计师创作工作中的缺失不可避免地延长了设计周期并增加了工作成本，且方案成果的品质无法得到有效保证。

建筑往往不是独立存在的，在建筑方案创作过程中，设计者应当考虑建筑自身与周边环境的“对话”，以及建筑室内外空间与预留景观的关系。基于建筑景观一体化设计理念，设计院经常遇到将建筑与景观方案设计同时开展的情况，这不仅需要建筑设计师与景观设计师掌握良好的协同设计方法，同时更需要方便快捷的虚拟现实技术作为辅助工具。

Enscape渲染器在建筑景观一体化设计中可以发挥独特的辅助设计作用。设计者在推敲方案过程中，可借助Enscape即时渲染画面试验建筑外表皮切换多种材料及其材质的效果，并且该渲染器可以快速调节虚拟环境的时间以及布置人工照明来试验建筑在不同时间段所呈现的效果。同时，Enscape具备强大的场景素材模型资源库，包含多种类型室内外配景素材代理模型。资源库中的模型可以在软件中迅速调用到方案场景中，提升渲染场景的场所氛围。

最终方案确定之前，设计师会在多次阶段性汇报中仅通过运行SketchUp模型以建模操作界面的形式呈现给甲方进行讲解，虽然该软件操作者可以模型为中心进行360°无死角环绕观察，犹如动画展示效果，且汇报现场可以根据甲方的需求及时修改模型作出反馈，但是绝大多数的甲方并未接受过建筑、景观设计的专业训练，对于SketchUp模型中的材料表现、光影关系、模型尺度的理解能力，以及在脑中将虚拟模型转化为现实场景的空间想象力都是很有限的，这会造成甲、乙双方对方案的理解存在很大出入。Enscape渲染器可以解决这一问题，该渲染器植入于SketchUp软件中，启动之后，即两者同时运行呈现出2个操作界面共同展示给甲方，SketchUp软件界面用于设计者根据甲方的需求及时做出模型修改，Enscape渲染器界面则用于给甲方呈现渲染效果。值得注意的是，渲染界面中的模型成果与SketchUp中的模型是联动关系，其实时渲染能力便于甲方理解方案设计。并且该渲染器具备连接VR眼镜设备功能，可使甲方享受沉浸式方案观赏体验。

1 基于SketchUp与Enscape技术的建筑景观一体化设计方法分析

本文将Enscape渲染器作为建筑景观一体化设计的辅助工具，其对接的建模软件选用当前国内建筑师使用的主流建模工具SketchUp。基于两款辅助设计软件的应用，建筑景观一体化设计可视化思路如下：

（1）设计方案CAD图纸绘制完毕后，以.dwg格式文件形式导入SketchUp软件中；

（2）通过SketchUp参照导入的图纸进行建模，将二维图形转变为三维模型；

（3）建模完成后，将模型赋予材质贴图，调用Enscape资源库素材布置室外景观环境；

（4）模型优化后，运行Enscape渲染器工具，根据方案表达调节相应参数设置，最终完成方案设计及可视化展示。

基于虚拟现实技术的建筑景观一体化设计流程如图1所示。

图1 基于虚拟现实技术的建筑景观一体化设计流程

1.1 SketchUp三维建模优化技术

三维模型文件的轻量化是影响设计作品传输与展示效率的关键因素，为精简模型数据规模，方案模型的优化措施极为必要。该优化手段主要在三个阶段完成。

第一阶段，方案CAD图纸以二维图形.dwg格式文件的形式导入 SketchUp软件之后，首先需要将二维图形进行拍平处理，该功能可以解决CAD图纸中由于局部数据存在标高不统一导致SketchUp中导入的二维图形边线因不在同一平面而无法顺利封面的问题；之后利用边界工具，检查并解决二维图形中存在的相交边线不闭合以及存留多余边线的问题；最后，所有图形进行封面工作之前，通过开启边线设置的端点显示功能，检查二维图形中存在的断线，并及时重新绘制进行替换。上述问题通常是CAD图纸绘制过程中遗留的，上述步骤可以使得二维图形数据在SketchUp文件中更为纯净，这也是实现三维模型轻量化的关键。

第二阶段是SketchUp软件建模过程中最为重要的部分（创建群组功能，以下简称“成组”）。将二维图形推拉成三维模型之前，需要将每一部分的平面图形成组，使之成为独立个体，不仅便于方案模型后续的修改，并且SketchUp软件识别群组相比非群组对模型文件的内存消耗会更低，实现模型轻量化目标。

第三阶段，方案模型制作之后，SketchUp模型轻量化对接Enscape渲染器数据转化的准备工作。首先，检查并清除模型中多余无用的对象。其次，利用清理废线工具将模型中所有多余边线及时清除，这些边线一般藏匿于模型实体群组中，或在颜色较深且纹理图案较为复杂的材质贴图中。最后，在SketchUp的统计信息中通过清除未使用项功能来降低模型内存，可在一定程度上提高软件操作流畅性。需要注意的是，这些未使用项是在推敲方案及建模过程中被替换的材质及删除的组件等内容，虽然这些未使用项已删除，不会出现在SketchUp模型中，但其大量积累会增加模型文件的内存消耗。

需要强调的是，上述三个阶段中提及的拍平、边界工具、清理废线三个功能源于SketchUp插件工具，这些功能需要通过软件的扩展程序管理器，分别载入SUAPP、Edge Tools、Clean Up插件工具方可实现。

1.2 Enscape渲染技术

SketchUp方案模型制作完毕后，启动Enscape渲染界面并开启实时更新功能，使用者通过对渲染界面的模型进行观察，在Enscape材质功能中将方案模型的所有材质设置调节至符合其材料属性特点的真实效果。与其他渲染器不同，Enscape材质参数设置选项中，仅包含返照率、反射、凹凸、自发光、透明度的设置，且调节方式简单。Enscape材质功能的便捷性在于SketchUp方案模型建造过程中，可以快速调用已在Enscape材质功能中自定义调制完成的参数材质，该材质库需由设计者预制。预制材质库的建设方法：使用者在SketchUp文件中放置一定数量的矩形面，将建筑、景观设计常用材质贴图赋予矩形面中，放置矩形面的数量取决于设计者常用材质的数量。在Enscape材质功能中调节所有材质的参数，最后在SketchUp材质选择器中将所有设置完毕的材质另存为.skm格式的材质文件，储备到预制材质库文件夹中。故方案模型需要Enscape参数材质时，只需在SketchUp材质选择器中载入预制材质库的文件夹即可。这样的Enscape材质调用方式可有效提高方案模型渲染工作的效率。

同时，Enscape资源库的素材种类繁多，可提升方案模型室内外场景的活跃气氛，并表现场所活动的故事性。方案模型中的景观素材可以在资源库中快速调用，资源库的素材模型与传统SketchUp组件素材模型不同，在大型场景建模中，大量SketchUp素材，如树木草丛组件会占用较大内存，使得软件运行出现卡顿情况甚至崩溃。而Enscape资源库的素材模型均为代理模型，如图2所示，即表现为有着与传统SketchUp组件素材模型相似的外形，但面数更少，造型更简化的模型，且丝毫不影响渲染质量，甚至具备更优的真实度。使用代理模型能够有效减轻计算机硬件的负担，使得软件运行更加流畅，实现模型的轻量化。

图2 资源库代理模型在SketchUp与Enscape中的表现形式

2 建筑景观一体化设计方法测试

2.1 软硬件平台参数

本文以“寒冷地区某特色小镇接待中心建筑景观设计”为实际项目进行实验。实验PC主机的硬件配置为：Inte（lR）Core（TM）i7-4790k型号四核心八线程CPU，主频4.0 GHz，16 GB RAM，120 GB固态硬盘空间，2 TB机械硬盘空间，NVIDIA Quadro K2200型号显卡（4 GB显存容量）。需要强调的是，显卡需要支持硬件加速，并确保视频卡驱动程序完全支持OpenGL 3.0或更高版本。

采用的软件包括：Auto CAD绘图软件、SketchUp建模软件、Enscape渲染器、Lumion渲染器、Vray渲染器。

2.2 设计效果展示

将本文方法应用于寒冷地区某特色小镇接待中心建筑景观设计项目的可视化工作中，测试本文方法是否满足辅助建筑景观一体化设计的方案可视化需求。图3所示为依照本文方法设计的建筑景观方案三维模型，此效果图为未渲染的接待中心建筑景观的场景模型。可以看出，优化后的模型通过调用Enscape资源库素材代替SketchUp组件素材布置室外环境场景使得模型文件更加轻量化。

图3 方案SketchUp模型优化前后对比

优化后的三维模型基于Enscape技术渲染，如图4所示。Enscape渲染器能够将SketchUp模型文件中赋予的Enscape参数材质以及用于布置室外场景调用的Enscape资产库素材代理模型即时渲染出逼真的效果；通过Enscape渲染设置调节功能可以快速设置渲染场景的环境，使渲染场景阴影明暗变化显著，细节表现较好；SketchUp与Enscape同步运行，满足方案的实时修改及效果展示设计可视化需求。

图4 方案场景Enscape渲染效果

2.3 多种渲染器优劣势对比

本文采用SketchUp软件构建方案模型，通过Enscape技术对模型进行渲染，输出表现图。普及度、使用频率较高的，能够与SketchUp兼容的渲染器还有 Lumion和Vray，三种渲染器的优势与劣势分析见表1所列。相对而言，Enscape渲染器对计算机配置要求一般，渲染速度快且操作难度低，节省设计师的渲染时间及学习成本。即时渲染技术可以使得模型在SketchUp中进行修改操作，只需在Enscape渲染界面中便能够实时反馈修改后的渲染结果，同时具备强大的景观素材资产库；Lumion作为即时渲染器，操作简单且渲染速度快，同时还具备景观素材资产库，但是对计算机配置要求高，其作为独立渲染器时，需要通过SketchUp将模型文件转换，导出.dae格式文件才能够在渲染器中运行；Vray作为光线跟踪模式的模拟渲染器，虽然在室内场景方面能够表现出极具真实感的图像，但渲染速度慢且操作复杂，对计算机配置要求较高，同时不具备景观素材资产库。综上所述，采用本文方法进行建筑景观设计可视化渲染性能较优，实验将进一步验证此观点。

表1 三种渲染器优劣势对比分析

为了验证本文方法的优势，采用Lumion渲染器、Vray渲染器与Enscape渲染器进行对比测试，以实验项目的渲染器参数设置工作量、渲染时间（按照图4重两个角度渲染鸟瞰图及人视图）、渲染效率为目标，三种方法对比结果见表2所列。

表2 三种方法的渲染效率对比分析

从表2可知，本文方法设计接待中心建筑景观的渲染时间为22 s，渲染器参数调节工作量为19，渲染效率高。采用Lumion技术与Vray技术的渲染设计方法，进行实验接待中心建筑景观的渲染效率低于本文方法，并且两种方法的渲染时间均长于本文方法。说明本文方法可以有效提高建筑景观方案设计的渲染效率，降低设计时间成本。

3 结 语

本文提出了一种基于SketchUp与Enscape技术的建筑景观一体化设计方法，将虚拟现实技术应用于建筑景观方案设计阶段，真正实现了可视化设计，并能够克服传统效果图公司与设计院合作模式的弊端。总体来看，基于SketchUp与Enscape技术融合设计的建筑景观一体化展示效果较优，不仅为建筑方案设计提供了一种有效途径，在建筑学专业教学内容的展示及渲染技术初学者入门学习方面亦能发挥不容小觑的作用。SketchUp软件作为国内建筑师使用的主流建模工具，其与Enscape渲染器的结合为设计者的方案创作工作、与甲方的有效沟通、与效果图公司的方案后期对接均能带来益处。