基于Lumion的虚拟仿真技术在景观设计中的应用研究

温嘉瑜　曾艳

摘  要：随着景观设计工作越来越智能和高效的需求，设计师为获取更高质量的景观效果图表现方法，促使虚拟仿真技术不断更新。基于市场的需要，为实现虚拟场景软件仿真效果的提高，提出使用Lumion出图的优化设计方法，流程包含原始场景的数据采集、场景三维模型的创建和导入、景观模型的初步渲染、景观场景的植物布置和图片细节优化等关键步骤。该流程利用SketchUp软件创建景观模型并导入到Lumion软件，采用点、线、面、体描述虚拟现实景观结构的主要元素，使用次像素级别的偏移快速形成场景，通过材质的高清贴图处理、添加景观设计细节，在此基础上存储完成后输出虚拟现实景观可视化图像。在四种不同场景下的四次仿真设计实验结果表明，基于Lumion虚拟仿真技术的方法与SketchUp for vray、3D Studio Max设计方法相比，用时少且图片效果更好，是一种高效率的虚拟现实景观仿真设计方法。

关键词：虚拟仿真;Lumion;景观设计;抗锯齿设计;采样;

基金项目：本文系电子科技大学中山学院2020年高等教育教学改革项目（JY202025）;电子科技大学中山学院 2020年校级质量工程建设项目（ZXKC202011）研究成果。

一、引言

随着数字化媒体技术的不断发展，景观设计的场景空间表达越来越便利，由荷兰的Act-3D公司开发的Lumion作为一个新的实时3D可视化工具越来越受到市场的认可。Lumion使用了显示卡的DirectX技术的Quest 3d引擎来完成场景的实时生成及渲染，并可将显卡所形成的影像存为高质量图片或动画，它涉及到的领域包括建筑、规划景观设计以及场景动画等。Lumion 软件的虚拟仿真具有制作效率高、輸出画质清晰的优点，高效的制作优势能够大大节省设计人员的时间与精力[1]。

lumion工作原理是通过内置模型及支援其他软件模型来快速进行场景建造，同时使用游戏引擎和真实材质进行图像生成，然后通过辅助功能强化图像效果，最后运用显卡处理计算合成图像。由于游戏引擎的发展可以兼容多种技术帮助提升渲染效果，显卡的计算能力远远高于CPU，使渲染时间大大降低，并能实时低级渲染，方便查看效果[2]。软件中大量的植物，人物素材库也给景观设计的工作带来了便利性，使设计表现能一站式完成。

二、Lumion 的虚拟仿真技术原理分析

（一）Lumion在景观工作中虚拟场景仿真设计流程

Lumion前期是依附于多样化的其他软件，在整理采集现场的模型数据后，由矢量软件AutoCad优化景观的数字线化图与线型图，完成后进入建模软件例如Sketch  Up，Rhinoceros，3D Studio Max等[3]，待模型数据完成后导入Lumion进行场景配置，依托场景材质库，添加景观细节效果进行渲染，完成整个仿真设计流程（如图1）。

（二）Lumion在虚拟仿真中高效出图的设计方法

1.运用实时渲染技术对模型进行初步渲染

Lumion使用的显示卡的超级采样技术可十分快速地渲染出效果图并减少锯齿效果[4]，还可将显卡所生成的影像保存为图像文件或动画，实时渲染以及预设值快速模拟场景实时产生可视效果。其原理是用点、线、面、体描述虚拟现实景观结构的主要元素[5]，使用次像素级别的偏移，在渲染时将一个像素拆开成多个，每次渲染次像素的一个部分，最后将多张图合成一个平滑结果。

2.对模型进行快速抗锯齿设置

Lumion的图像可使用超级采样抗锯齿混合合成图片[6]，它创建在一个分离的缓冲区，每个缓冲区的图像分辨率都高于屏幕分辨率，例如屏幕分辨率为2*1，那么缓冲区场景的水平尺寸比屏幕分辨率高两倍，若是2*2抗锯齿，缓冲区图像的水平和垂直均比显示图像大两倍。像素计算加倍之后，选取2个或4个邻近像素，此过程即是采样。把这些采样混合后生成的最终像素拥有邻近像素的特征，它们之间形成近似色，人肉眼看到的是色彩平滑过渡，计算机最终像素输出到帧缓冲[7]，形成了一幅仿真图像。将图像存储起来然后发到显示器，对每帧都进行抗锯齿处理[8]，景观场景中的所有画面都变得带有抗锯齿效果了，效果也更加精致[9]。

3.光线细节的优化方法

本文研究的运用Lumion景观仿真设计的方法中使用了Sky Visbility[8]，此元素在对场景自然光线真实度的体现起到了重要的作用（如图2、图3）。二维简化图表现了Sky Visbility原理，以P点模拟场景物体，每个点所能看到的天空大小，可见度，越低则越暗，P点的天空可见度为θ/π。有了这个明暗关系，让天空背景产生的照明得到了更好的描述，而有大气层几乎所有场景都会有天空光的存在，所以这个关系成了场景设计中必不可少的部分（如图2、图3）。反之，如果场景中没有Sky Visbility，则物体只能依靠CPU计算光线，所耗的时间更长而且相对效果缺乏真实感。

虚拟场景中阴影的关系也是个重要的细节部分。对Soft Shadows和Fine Detail Shadows两种阴影的设置是非常有效的搭配方法，SoftShadows让僵硬无比的阴影变得柔和，达到自然的软硬过渡[10]，提高物体的真实感和空间感。Fine Detail Shadows受限于Shadowmap的分辨率，一些细小的细节将无法投射阴影[11]，这会让很多物体有“悬空”效果，因此可以直接使用屏幕的深度数据弥补这一问题。结合直射光的方向，计算出小半径的遮挡关系，从而还原出细小物体的阴影，例如图中的桌角、摆件等（如图4、图5）。

三、基于不同复杂度场景的多次实验分析

（一）实验平台。在进行本文方法性能的仿真实验过程中，设置的测试硬件配件平台有：系统采用Windows 10专业版1809版本，平台为处理器锐龙R7 2700，8核心16线程频率锁定为4.0GHZ，内存是芝奇幻光戟16G DDR4 3000，显卡是影驰RTX2070。

（二）本实验内容主要是采用SketchUp for vray，3D Studio Max和本文方法设计一个小型建筑景观的虚拟现实仿真场景，渲染速度、图片处理性能、图片质量等数据的对比分析[12]，证明在此过程中，本文所研究的方法与其他软件仿真设计的差异性和优势所在。

为突出本文虚拟场景仿真设计的准确性，在上一节提到的相同实验平台的基础设备上，基于物体对象、场景内平面数、物体对象边数、装饰植物四个方面，在简单初步的景观场景、复杂景观场景、2倍的复杂场景和3倍的复杂场景这四种环境中（如表1），笔者分4次进行场景的模拟仿真渲染实验。经测试，不同软件设计方法在模型库的多少、操作难度、渲染时间、出图的难度等方面都有很大的差异（如表2），这些差异对最终场景的效果也产生重要影响。

（三）场景渲染用时差异性分析

仿真景观设计过程中批量渲染物体的使用频率很高[13]，因此速度也是影响效率的关键之处[14]。本文方法用Lumion测试渲染简单场景四次实验中，消耗的时间介于8.62—10.10秒之间，相比3D max在同样的场景中采用的渲染方法节约了725.13—759.91秒，相比Sketchup的渲染方法节约856.01—892.66秒，实验的数据成果显示本文采用的方法具有更快的效率优势。方法是基于Direct x开发的Quest 3d引擎进行实时渲染[15]，文件预先进行优化处理，做好灯光的设计和抗锯齿设置，将场景文件处理效率大大提高。随着场景复杂度的增加，渲染用时平稳，分布均匀，渲染所有场景中的时长曲线位于图像最下方，远远低于另外两种方法。例如实验渲染3倍复杂场景的时间控制在30秒之内;而3Dmax虚拟现实仿真设计方法与本文方法相反，伴随实验的展开，渲染用时不断上涨，在3倍复杂场景实验中最长用时高达2082.31秒;Sketchup仿真设计方法在整个测试过程中的用时呈先增加、后减缓增长速度的情况，在第3倍复杂场景实验中的渲染用时最长约为1990.02秒，3Dmax和Sketchup在测试后期会随着文件數量的增加会使vray渲染时间明显变长，增加到一定数量由于物体遮挡，使渲染时间增加变缓（如表3、表4、表5、表6）。3D Studio Max在进行建模过程中CPU频率越高处理速度越快，建模过程就不容易卡顿[16]，测试用的VRAY通过自适应细分或者蒙特卡洛细分[17]，计算效果图中所有折射反射，灯光越多渲染越久，因此产生的时间就更长。

（四）场景渲染效果差异性分析

根据实验最后出图的质量来看（如表7），文中采用的方法出图不仅速度快，而且场景灯光反射、折射效果好，建筑表现真实，景观细节表现细腻。Lumion显示卡的仿真技术产生实时结果，并且可将显卡所生成的影像保存为图像文件或动画，通过实时渲染以及预设值快速模拟场景，采用超级采样进行图片细分极大提升画面精度[18]，通过各种细节的增加达到真实效果。3D Studio Max制作的仿真效果稍次，但是它需依托Adobe Photoshop制作景观植物、天空细节等效果，给工作带来了复杂性。SketchUp for vray的效果在空间色彩上表现较前两种的逊色一些，整体光线泛白，缺乏天光的真实感，材质也单一（如图6、图7、图8）。

四、结语

针对目前设计市场高效率的出图要求，本文提出基于Lumion的虚拟现实景观仿真设计应用研究的方法。在基础模型导入后，如何对文件初步渲染，进行光线设置，细节的抗锯齿设计等，通过实验的分析，证明了运用Lumion软件进行场景效果图制作的优势[19]。但由于人工照明的设计不够真实化，在夜晚图像灯光优化设计方面还有待提升[20]，在下一阶段，将对此方面展开研究。

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作者简介：

温嘉瑜，硕士，电子科技大学中山学院助教。研究方向：环境艺术与城市更新设计及其相关理论。

曾艳，电子科技大学中山学院副教授。研究方向：环境景观设计、公共空间设计。