基于Enscape的蘇州獅子林虛擬漫游應(yīng)用探析

李云鵬 丁建坡

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 201600； 2.上海市建工設(shè)計(jì)研究總院，上海 200235)

1 概述

虛擬漫游是虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的重要分支，基于VR技術(shù)獨(dú)特的沉浸感、交互性和構(gòu)想性的3Ⅰ特征[1]。三維虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，應(yīng)用的范圍也越來(lái)越廣泛。三維虛擬場(chǎng)景不只是對(duì)現(xiàn)實(shí)空間建筑形狀、地理形態(tài)的仿真，而且是數(shù)字化建設(shè)的基礎(chǔ)。它依靠融合多種技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成一種模擬[2]用戶可以對(duì)場(chǎng)景中的虛擬建筑模型進(jìn)行遠(yuǎn)程交互式查詢?cè)L問(wèn)，也可以通過(guò)改變視點(diǎn)進(jìn)行環(huán)視以及進(jìn)行自動(dòng)漫游，從而幫助用戶方便快捷地了解并熟悉真實(shí)環(huán)境[3]。

Enscape渲染器最早應(yīng)用在Revit，后來(lái)兼容到SketchUp，Rhino等平臺(tái)，Enscape已經(jīng)成為Foster+Partners和Kohn Pedersen Fox(KPF)等公司的全球項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。渲染器具有實(shí)時(shí)渲染、效果真實(shí)、操作便捷等特點(diǎn)，吸引著眾多設(shè)計(jì)者對(duì)其探究和摸索。目前，Enscape雖然在設(shè)計(jì)領(lǐng)域未被廣泛使用，但其在三維虛擬空間的應(yīng)用有著極大的潛力。

2 研究對(duì)象簡(jiǎn)介

計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)的發(fā)展，為園林景觀提供了多空間展示的數(shù)字化平臺(tái)，用各種信息平臺(tái)將園林景觀進(jìn)行展示已經(jīng)成為一種趨勢(shì)[4]。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不僅可以真實(shí)地還原古典園林的風(fēng)貌，還可以虛擬重建已不存在的古文化遺址，并提供人機(jī)交互、漫游交互等需求，在古典園林的研究保護(hù)與文化傳承等方面起到了非常重要的作用，這項(xiàng)研究已經(jīng)在國(guó)際上得到了廣泛的認(rèn)同[5]。

獅子林是中國(guó)古典私家園林建筑的代表之一，其間亦園亦寺，屢易其主，雪泥鴻爪，歲月留痕，但卻依然可以感受到元時(shí)臨濟(jì)山林禪的氣息，成為元代江南臨濟(jì)宗孑遺，在蘇州諸園中別具一格[6]，具有多重歷史文化價(jià)值。虛擬漫游技術(shù)對(duì)于獅子林的三維構(gòu)建，在損壞或還原已經(jīng)消失的部分場(chǎng)景，不僅對(duì)古建筑的保護(hù)和恢復(fù)，同時(shí)也提升了自身的文化形象。虛擬漫游系統(tǒng)為用戶提供了對(duì)古典園林文化欣賞和學(xué)習(xí)的平臺(tái)，用戶可以根據(jù)自己的喜好游覽不同時(shí)節(jié)的景觀，逼真的動(dòng)態(tài)效果增加了游覽的真實(shí)性[7]。擁有虛擬的場(chǎng)景系統(tǒng)，可以便捷地隨時(shí)查閱園林的特征，更好地整理和利用現(xiàn)有的資源。

3 獅子林的虛擬場(chǎng)景構(gòu)建

基于Enscape對(duì)獅子林虛擬漫游場(chǎng)景的建立從技術(shù)程序上大致可分為數(shù)據(jù)采集、圖紙繪制、模型建立、場(chǎng)景渲染、漫游導(dǎo)出五部分(見(jiàn)圖1)。

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是整個(gè)設(shè)計(jì)流程中至關(guān)重要的一步，數(shù)據(jù)收集的精確性和可靠性是整個(gè)模型建立的基礎(chǔ)。首先閱讀關(guān)于獅子林的相關(guān)書(shū)籍記錄史料了解園林的變遷過(guò)程。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與勘測(cè)，利用無(wú)人機(jī)航拍攝像，掌握項(xiàng)目區(qū)域的地形地貌、植物以及水路等基本情況，結(jié)合Google Earth對(duì)地理環(huán)境有一個(gè)總體的認(rèn)識(shí)。對(duì)具有獨(dú)特外觀特征的建筑物、景觀以及園林植物進(jìn)行專項(xiàng)拍攝，為后續(xù)的模型貼圖和近景細(xì)節(jié)等準(zhǔn)備數(shù)據(jù)(如圖2所示)。

3.2 圖紙繪制

根據(jù)書(shū)籍資料與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪所得數(shù)據(jù)，利用AutoCAD軟件描繪出園林的平面布置、立面圖、剖面圖等圖紙，對(duì)關(guān)鍵的點(diǎn)位應(yīng)注重結(jié)構(gòu)與穿插關(guān)系，對(duì)于比較復(fù)雜的場(chǎng)景，可以按區(qū)域分批導(dǎo)出dwg或dxf文件，在繪制的過(guò)程中依照不同的類別分圖層繪制。

3.3 建立模型

Enscape雖然安裝于SketchUp軟件中，但本身只是一個(gè)渲染器，在模型方面依然要依據(jù)SU和3dmax進(jìn)行。依照CAD中完成的圖紙分步完成整個(gè)園林的模型操作。一般在SU中完成較為簡(jiǎn)單的模型制作，對(duì)于較為復(fù)雜的屋檐、窗雕、斗拱等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以結(jié)合max進(jìn)行建模。利用Photoshop平面處理軟件對(duì)采集到的貼圖紋樣進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理，使整個(gè)模型的貼圖與場(chǎng)景盡可能的還原真實(shí)的園林原貌。模型建立完成后，添加建筑的小品、植物和家具陳設(shè)等物品，完成整個(gè)場(chǎng)景的SketchUp模型建立(如圖3所示)。

3.4 場(chǎng)景渲染

1)燈光處理。

獅子林模型燈光的處理主要根據(jù)真實(shí)的世界的環(huán)境效果去設(shè)置光源，以達(dá)到真實(shí)的虛擬效果，展示出古典園林的魅力和建筑的細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)了日光環(huán)境模式。Enscape中的燈光環(huán)境設(shè)置相較于3dmax和lumion非常簡(jiǎn)捷，整體的環(huán)境光可以通過(guò)Shift配合鼠標(biāo)右鍵或者鍵盤(pán)上的U和I鍵控制，在渲染窗口的右下角顯示有精確時(shí)間，利用實(shí)時(shí)渲染引擎，可以直觀地觀察光線對(duì)于園林模型的影響。

除環(huán)境光系統(tǒng)外，Enscape還具備球形燈、聚光燈、面形燈、線形燈和代理燈等五種光源類型來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。在燈光的面板還有與眾不同的音效功能，以圖形的方式顯示出聲音的波及范圍，通過(guò)設(shè)置音效的范圍，產(chǎn)生松濤竹韻、柳浪聞鶯、高槐蟬唱等詩(shī)意的聲景[8]。

2)材質(zhì)調(diào)節(jié)。

Enscape的材質(zhì)是在SketchUp的基礎(chǔ)材質(zhì)上進(jìn)行完善和升級(jí)。利用SketchUp可以對(duì)場(chǎng)景物體材質(zhì)賦予之后，通過(guò)漫反射、透明度、凹凸貼圖、反射設(shè)置的調(diào)節(jié)，為物體添加更為真實(shí)的效果。在園林景觀的材質(zhì)表現(xiàn)中，最難于表現(xiàn)得莫過(guò)于草木和水面，而在Enscape中可以對(duì)草地疏密和水面浪花進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到了速度和渲染效果的最佳狀態(tài)(見(jiàn)圖4)。

3)渲染測(cè)試。

對(duì)場(chǎng)景中的材質(zhì)和貼圖創(chuàng)建完成之后，選擇場(chǎng)景中重要的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行渲染測(cè)試，檢測(cè)光線、材質(zhì)在模型中的表現(xiàn)效果，對(duì)模型空間的比例進(jìn)行再次檢查，尤其是模型中家具和人物常見(jiàn)的比例失調(diào)、懸空漂浮等一些細(xì)節(jié)，還有一些地形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模型建立過(guò)程中有交錯(cuò)的區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，避免由模型問(wèn)題引起渲染圖像中出現(xiàn)的黑洞、破面等現(xiàn)象。

3.5 漫游導(dǎo)出

Enscape支持與VR Headset如：Oculus Rift和HTC Vive等設(shè)備連接，達(dá)到真實(shí)的模擬效果。對(duì)于場(chǎng)景文件的輸出上主要有靜幀效果圖、三維漫游動(dòng)畫(huà)和3D虛擬漫游場(chǎng)景執(zhí)行文件三種模式。

1)靜幀效果圖。

Enscape采用實(shí)時(shí)渲染的模式，可以隨時(shí)切換渲染器窗口進(jìn)行觀察效果圖的畫(huà)面效果，及時(shí)進(jìn)行修改。對(duì)獅子林比較重要的空間進(jìn)行切換，設(shè)置渲染的參數(shù)后可以選擇直接保存當(dāng)前視圖，迅速導(dǎo)出JPG，TGA圖像格式(見(jiàn)圖5)。

2)三維漫游動(dòng)畫(huà)。

三維漫游動(dòng)畫(huà)功能是通過(guò)渲染器窗口內(nèi)設(shè)定的關(guān)鍵幀的位置以動(dòng)畫(huà)的形式連貫渲染而成，即在每一個(gè)關(guān)鍵幀的位置設(shè)定角度和焦距，前后關(guān)鍵幀之間需要保證設(shè)定位置的連貫性。在獅子林的漫游動(dòng)畫(huà)中，采用了由遠(yuǎn)及近、由空中到地面的順序來(lái)記錄游覽路線，從最初空中的俯視到園林的入口，最后對(duì)園林中的重要場(chǎng)景進(jìn)行表現(xiàn)(見(jiàn)圖6)。

3)虛擬漫游場(chǎng)景。

除以上兩種常見(jiàn)的場(chǎng)景表現(xiàn)形式之外，Enscape還具備獨(dú)特場(chǎng)景文件格式，后綴名為.exe的執(zhí)行文件，無(wú)需安裝軟件程序，用戶打開(kāi)場(chǎng)景文件后可以利用鍵盤(pán)上的按鍵操控在虛擬的場(chǎng)景內(nèi)自由行走觀測(cè)，場(chǎng)景內(nèi)的環(huán)境光還可以根據(jù)自己的喜好進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)于獅子林場(chǎng)景的虛擬漫游，猶如身臨其境地漫游在場(chǎng)景之中。程序內(nèi)還有地圖模式，使虛擬的場(chǎng)景更易于被用戶所接受。三維立體地展示了古典園林的優(yōu)美意境，使古典園林的欣賞不再局限于二維圖片或單一視頻，提升了古典園林觀賞的品質(zhì)(見(jiàn)圖7)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究重點(diǎn)解決了以獅子林為案例的古典園林虛擬場(chǎng)景的建立，通對(duì)圖紙繪制、模型建立等數(shù)字化操作，最終通過(guò)Enscape的渲染得到.exe的程序文件。對(duì)古典園林中建筑景觀進(jìn)行三維可視化的場(chǎng)景模擬，將傳統(tǒng)的建筑特征和園林風(fēng)貌直觀生動(dòng)地展現(xiàn)在用戶的面前，滿足了人們對(duì)獅子林的游覽與學(xué)習(xí)需要，為傳統(tǒng)的園林的保護(hù)再開(kāi)發(fā)提供了一些思路和方法[9]。

利用Enscape和SketchUp相結(jié)合的方式對(duì)三維虛擬空間的創(chuàng)建中，可以看到Enscape具有對(duì)硬件要求較低，實(shí)時(shí)渲染時(shí)間較短，渲染效果優(yōu)秀和支持VR設(shè)備等優(yōu)勢(shì)。但是與當(dāng)下常用的Lumion,Unity,3dmax等軟件相比在環(huán)境特效、素材庫(kù)資源、場(chǎng)景交互、模型細(xì)節(jié)等方面還存在明顯的不足。這也對(duì)設(shè)計(jì)者提出了更高的要求，需運(yùn)用多款軟件聯(lián)合，充分發(fā)揮軟件的優(yōu)勢(shì)，提高效率，節(jié)省制作成本和設(shè)計(jì)周期。