楊傳貴，楊 瑩

（天津城建大學建筑學院，天津 300384）

1 構思準備

1.1 虛擬軟件的分析選擇

仿真場景呈現的真實性與虛擬軟件有著直接關聯.現對當前應用較多的幾款主流渲染軟件和虛擬現實軟件進行分析，選擇合適的場景仿真漫游制作軟件.Lumion 和Vary 在渲染效果圖方面應用較多，二者的場景渲染能力皆可達到良好的出圖效果.但兩者若發(fā)現模型存在問題，需修改后將全部模型重新導入軟件中，重復之前工作.但UE4 中的模型，可以僅修改出錯部分的模型，無須將全部模型重新導入，減少了工作量.Lumion 和Vary 中只能制作效果圖和動畫視頻，展示的場景角度是設計者希望被觀賞的部分，缺乏參觀者的參與感、體驗感.在UE4 中可以用第一人稱控制器模擬參觀者在場景中隨意走動，按照主觀意愿欣賞場景內的一切，增強對場景的感知.Unity3D 側重于手機游戲開發(fā)，對于大場景的三維表現質感欠佳，此外Unity3D 沒有材質編輯器，需要第三方插件.在使用簡易度方面，Unity3D 在產品開發(fā)上主要使用C# 和Javascript 兩種語言，需要有一定的編程知識基礎.UE4提供了C++語言和藍圖可視化腳本系統.即使不懂編程語言的新手也可通過藍圖進行腳本編輯，降低使用難度.VRP（VR-Platform）是我國中視典公司開發(fā)的完全具有自主知識產權的虛擬引擎.VRP 的使用簡易度高，可與多平臺兼容，在升級后的渲染效果表現也不錯，但與有著頂級圖形處理能力的UE4 相比仍有差距.

結合各軟件優(yōu)勢及泠然閣景點場景范圍大且畫面真實感要求高等因素，決定采用UE4 引擎完成虛擬仿真漫游設計.UE4 的圖像表現能力更佳，更適合開發(fā)PC 端的大作，可以帶給參觀者更加真實的效果和自由的觀賞體驗.

1.2 泠然閣及UE4 使用的研究現狀

專門涉及泠然閣的論著可謂鳳毛麟角，在有關泠然閣的資料中大致有以下幾種情況.一是關于盤山行宮的資料中或多或少都會提及新添六景，但一帶而過，未深入細致研究.二是在旅游類書籍或旅游宣傳稿中介紹盤山景點和行宮遺址時，僅提及泠然閣之名，不做深入介紹.三是學術論文中以泠然閣為例論證某一論點，如陳宇琳[3]將泠然閣作為奧景類型論證山地園林的景觀處理方法.

UE4 主要是針對游戲開發(fā)的一款軟件，但現在已經在眾多領域得到廣泛應用.王浩文[4]等利用UE4 實現古建筑室內環(huán)境的仿真交互系統，通過對復雜場景的優(yōu)化展現出UE4 在室內空間應用中的高效性和真實性.胡啟云[5]通過兩個國外建筑設計的案例表現出UE4 在建筑可視化方面的優(yōu)勢，令人思考虛幻引擎4應用于建筑設計帶來的直觀感和優(yōu)化設計方案的及時性.張二洋[6]等將UE4 應用到礦山設計中并完成礦山的虛擬漫游系統，分析虛幻引擎4 在礦山設計中的優(yōu)勢和需要改進的不足之處.余肖翰[7]等利用UE4 模擬海水自然狀態(tài)，并重現水文氣象場景完成實驗證明.周孝吉[8]等通過UE4 完成實驗前期的交通場景搭建，結合其他軟件進行模擬實驗.此外也有一系列碩士論文完成了UE4 在數字化展示、虛擬仿真系統實現和遺產保護等方面的應用研究.

通過對文獻資料的整理與總結不難發(fā)現，UE4 雖然已經在諸多領域得到應用，但在傳統園林領域的應用不多，缺乏對傳統園林大場景的虛擬仿真研究.其次，在傳統園林大場景的建模中仍是傳統重復性操作建模，未形成對具有相同或相似結構的模型進行模塊化設計，如對結構相同的斗栱進行模塊化設計可以大大減輕工作量，提高工作效率.現階段傳統園林大場景渲染過程中仍存在電腦運行緩慢甚至卡頓現象，主要原因歸咎于植物模型復雜，每一片樹葉都是一個面造成模型面的數量眾多，軟件運行卡頓.此外，在現有學術文章中未見泠然閣的研究成果發(fā)表.

2 泠然閣景區(qū)仿真漫游設計流程

首先，需要收集整理泠然閣的相關文獻和史料，分析確定仿真場景的設計方案以及模型尺寸大小.其次，在sketch up 中進行泠然閣仿真漫游場景的三維建模工作，主要是對地形、建筑和道路的建模.為避免模型過大和sketch up 中植物模型精度不足問題，植物將在UE4 中加入.仿真場景模型建成后，導出.FBX 文件并導入到UE4 中繼續(xù)進一步的場景優(yōu)化工作.在UE4中進一步細化各部分模型材質紋理、場景中光影變化，添加模型碰撞等內容，以增加場景的真實感. 最后，對仿真場景進行漫游檢測，測試無誤后打包輸出項目.仿真漫游設計流程圖見圖1.

3 泠然閣仿真漫游的創(chuàng)建

3.1 資料收集與整理

圖1 虛幻場景創(chuàng)建流程圖

雖然現階段學術領域對泠然閣研究尚未見到成果發(fā)表，但幸運的是歷史古籍和詩畫資料中不乏有對泠然閣園林場景記錄的內容，如《欽定盤山志》及圖考、《乾隆薊州詩集》和《盤山圖》等，下文將對歷史資料中相關內容做進一步分析.

《清史稿》[9]《清實錄》[10]中都有提及泠然閣，但二者的內容多是記錄皇帝的日常行為活動，未涉及園林景觀內容，對泠然閣場景的創(chuàng)建無參考價值.《欽定日下舊聞考》[11]的薊州部分記載多與《欽定盤山志》[12]重復，較大程度是根據《欽定盤山志》增添，因此將《欽定日下舊聞考》作為輔助參考資料.《欽定盤山志》中既有關于各個景點的描述，又配有相應的版畫，內容的詳細度較高.《欽定盤山志》是“乾隆十九年二月十八日駐蹕行宮，命〈臣〉蔣溥汪由敦董邦逹等纂修盤山新志”[12]可證明其官方權威性.乾隆十九年盤山行宮已竣工，行宮內的建筑和園林環(huán)境已確定，此時篡修的新志內容有實際景點對照，所以記載內容更確切.乾隆對薊州和靜寄山莊部分所作的詩詞經學者整理為《乾隆薊州詩集》[1]，包含許多有關行宮內外景點的詩作，其中也不乏有關泠然閣的表述.乾隆帝所作之詩多記錄當時所見所聽，抒發(fā)內心情感.從紀實方面，乾隆帝詩集的歷史價值不遜于檔案典籍.詩集中包含的泠然閣園林景觀意境、建筑等內容，將是場景營造過程中重要的參考資料.

2013年國務院印發(fā)了《國務院辦公廳關于印發(fā)實行最嚴格水資源管理制度考核辦法的通知》（國辦發(fā)〔2013〕2 號），對松遼流域各省（自治區(qū)）級行政區(qū)用水總量指標提出要求，四?。ㄗ灾螀^(qū)）市、縣級用水總量指標分解確認工作也在穩(wěn)步推進。目前，松遼流域第一批江河水量分配方案已經編制完成，第二批江河水量分配工作業(yè)已啟動。

除歷史文獻外，圖像資料對泠然閣場景創(chuàng)建同樣有著至關重要的參考價值.收藏于第一歷史檔案館的《盤山行宮內外地盤總繪全圖》[13-14]尚不確定繪于何年，一說繪于咸豐九年，一說為同治年間維修時繪制.圖繪行宮內外景點平面圖，比例為1 ∶1 000，精確度不高，且此圖中泠然閣建筑群是左右對稱的平面格局，這與其他圖像出入較大.從眾多圖像資料中選擇出對泠然閣有較強參考價值的當屬《欽定盤山志·卷一·圖考》、《盤山圖》.《欽定盤山志·卷一·圖考》是白描版圖，行宮內外景點齊全，屬寫實型鳥瞰圖.《盤山圖》[15]是清代袁瑛與姚文瀚合筆所作，收錄于《石渠寶笈續(xù)編》，目前收藏于臺北故宮博物院.推測此圖繪于乾隆四十五至五十四年間[14]，圖像繪制了行宮盛期時的內外全景，并標注景點名稱，對研究盤山行宮意義重大.此圖中泠然閣樣貌與《欽定盤山志·卷一·圖考》中泠然閣圖像相似度較高，兩幅圖像相結合分析泠然閣園林格局.泠然閣各圖像對比見圖2. 綜上，《欽定盤山志》《乾隆御制詩集》《盤山圖》作為泠然閣場景創(chuàng)建的第一手資料，也是最重要的材料.其他涉及泠然閣內容的文獻作為場景創(chuàng)建的輔助資料.

圖2 泠然閣各圖像對比

根據姚文瀚和袁瑛合筆的《盤山圖》可清晰分辨出泠然閣為坐西朝東的庭院朝向.通過《欽定盤山志》圖考中的三幅泠然閣圖像比較分析，綜合得出泠然閣的園林布局：庭院四周建有圍墻，將其與周圍的山林分隔開，創(chuàng)造相對獨立的環(huán)境.園內建筑分布有明顯的中軸線即垂花門—牌坊—泠然閣，其余建筑對稱分布在此中軸線南北兩側.南側為四角亭及與之相連的游廊，北側為廂房與六角亭.入口處的垂花門連接著四周圍墻，垂花門相當于游覽的起點，開啟泠然閣園林景觀的序幕.經過垂花門，映入眼簾的是四柱三樓三間的牌坊.牌坊連接著園內矮墻，這道矮墻再次將園內分隔成兩個空間.前一個空間是垂花門與牌坊之間形成的空間，此處較為寬敞開闊.下一個空間需經牌坊進入，此空間是整個園林的高潮部分，集合了園林的主要建筑、草木植被，也是園主活動的主要場所.南側的四角亭與游廊承擔著主要的游賞停坐功能，北側的六角亭和廂房與南側建筑相呼應，既存異又協調，合為園林建筑整體.四角亭與六角亭前各有一株樹木為其遮陰的同時，也承擔著美化園林環(huán)境的作用.中軸線末端的二層樓閣泠然閣則是整座園林的主體建筑，二層高度并帶有南北耳房的建筑體量，在氣勢上便比其他建筑更勝一籌.泠然閣南北兩側各種有一喬木，高度大致與二層耳房高度齊平.泠然閣與外圍圍墻構成庭院的第三個空間場所，也是整個園林空間的尾聲部分.閣后樹木枝葉競相伸展開來，以便能被閣前人欣賞. 此處是整個園林環(huán)境的升華與總結部分，用植物與山石加以布置，營造庭院最后可游可賞的園林景觀.泠然閣總平面示意圖如圖3 所示.

圖3 泠然閣總平面示意圖

3.2 模型創(chuàng)建

前期的三維模型在傳統軟件sketch up 中完成，原因有三：其一，因sketch up 操作簡單，利于邊構思推理邊進行建模工作，快速確定最佳方案. 其二，如今sketch up 搭載多種插件可以完成復雜模型的建模.基于傳統園林場景所需構建的模型，sketch up 是可以輕松勝任此次建模工作.其三，sketch up 可以導出多種格式的文件，能與UE4 完美對接.基于以上三點，選擇sketch up 作為前期建模軟件.

3.2.1 地形創(chuàng)建

根據《欽定盤山志》卷一中的泠然閣圖像確定泠然閣處于山體半山腰位置，坐落于山林之中，周圍是起伏的山體和郁郁蔥蔥的樹木.因沒有具體文字記載尚不能判斷泠然閣現今在地圖中的位置，依靠主觀判斷大致繪制泠然閣一帶地形.利用global mapper 軟件找到盤山位置，再找到泠然閣大致位置進行圖像截取，下載保存生成的.dwg 地形文件，此文件將作為地形生成的數據文件.在Auto cad2014 中打開.dwg 地形文件，對地形數據不合理之處進行適度調整，將檢查后的.dwg 地形文件導入到sketch up，利用沙盒工具完成地形模型創(chuàng)建.

3.2.2 建筑模型創(chuàng)建

園林建筑是技術與藝術的結合，建筑形態(tài)多變，既承擔著觀賞造景功能，也是園林“可居”之所.泠然閣建筑組群共有主體建筑泠然閣、南北耳房、廂房（北）、六角亭（北）、四角亭（南）、游廊（南）、牌坊、垂花門九座.泠然閣的建筑三維模型從建筑的外觀和尺寸入手.建筑外觀方面，泠然閣整體建筑風格質樸大方，不雕不繪.主體建筑泠然閣屬于卷棚式歇山頂建筑，大式不帶斗科，面闊三間，上下兩層，前后有廊.南北耳房是硬山卷棚頂建筑，面闊三間，上下兩層，前后有廊，較泠然閣相比體量小得多.廂房為硬山卷棚頂，面闊三間，前有廊.牌坊是四柱三間三樓，有明顯的標識引導作用.建筑尺寸方面，泠然閣是清代皇家園林建筑，當屬清代官式建筑范疇.清代官式建筑在工官制度背景和官方文本《工程做法則例》規(guī)范下，已經形成建筑形式統一化和工程標準化的建筑體系.規(guī)范化的建筑模式，為當今研究清代官式建筑提供理論指導的同時，也增加了研究的便利性.此外，一系列古建參考書也為建筑尺寸的確定提供指導，如梁思成清工部《工程做法則例》圖解[16]、馬炳堅《中國古建筑木作營造技術》[17]等.

3.3 場景優(yōu)化

3.3.1 導入.FBX 文件

將sketch up 中的三維模型導入UE4 中需以下幾步：首先，調整sketch up 中模型單位為厘米，使模型單位與UE4 中保持一致.其次，檢查sketch up 中模型面是否完整恰當，保證模型中每一面都是正面朝向操作者.在UE4 中，只有正面朝上的面才會被顯示，反面不顯示.然后，將sketch up 中的模型進行分圖層處理，將每個圖層的模型分別導入單獨的文件夾中.這利于在UE4 中發(fā)現模型錯誤時，在眾多.FBX 文件中快速準確找到該文件，并只修改此文件，減少軟件操作的重復性和復雜性.最后，打開UE4 在下方文件欄新建多個文件夾并命名，導入.FBX 文件到各文件夾中.當.FBX文件導入后，全部選中模型拖入到中間視圖中，修改右側坐標欄的數值為（0，0，0），完成模型對位工作.重復此操作步驟，最終完成模型的全部重組.

3.3.2 添加碰撞

UE4 通過物體系統添加碰撞，模擬物體間的阻礙效果實現交互仿真功能，優(yōu)化漫游體驗[18].選中要添加碰撞的模型，雙擊模型進入模型編輯器中，選擇菜單欄碰撞下有多種碰撞形式可選，如sphere、capsule、box等，但這些直接生成的碰撞體適合快速出圖需求，高精確碰撞還需手動完成. 經試驗選擇Auto Convex Collision 自動生成的碰撞體是較合適的，并且可以調節(jié)凸分解參數達到最適合的碰撞體.精確度和最大外殼頂點數數值越大，碰撞體精確度越高，但數值過大，也會增加軟件運行負擔.

3.3.3 添加植物

據幾幅行宮畫作易知，泠然閣庭院內部植物數量不多，可直接觀賞到的僅四棵大樹.分別是二層樓閣前對稱種植的兩棵樹，四角亭與六角亭前分別種有一棵樹.遺憾的是根據現有資料尚不能明確判斷四棵樹的種類.其一，文字記載中未有確定泠然閣園內植物種類的有效信息；其二，圖像中會因保持畫面協調美觀對植物繪畫摻雜藝術手法，或對植物采用概括式勾畫，不足以確定樹木種類.但由詩詞描述可知，泠然閣植物種類以松樹為主，“古柏及蒼松御以行”[1]“松濤石海間”[1]；也有柳和梅“拂柳將開眼，催梅乍啟思”[1]；還有蕙草、時令花卉等草本點綴，如“蕙草緑抽叢”[1]“時卉蔓之如錦”[1].加之圖像中植物形態(tài)推斷泠然閣前兩棵為梅，四角亭前為松樹，六角亭前為柳，后續(xù)如有更準確的植物信息，將及時更正.虛擬場景中的植物是直接利用UE4 的植物素材，調整植物外形與圖像中大致相同，盡可能還原泠然閣內植物效果.在UE4 中添加植物有兩種方式，筆刷種植和鼠標左鍵直接拖入素材.筆刷適合種植大面積成片植物，如地被和密林.直接拖入適合種植孤賞樹，便于調節(jié)植物方向、大小以及在孤賞樹的材質編輯器通過藍圖更改其他屬性.

3.3.4 光影制作

本次實驗中的模型貼圖在sketch up 中已經附好，故在導入UE4 中帶著貼圖，但也可以在藍圖中替換掉原有材質貼圖.在UE4 中調整模型光影變化分為以下幾步①調節(jié)貼圖重復率，在材質編輯器中搜索Texture Coordinate，拖入編輯器，選中該節(jié)點，在左側編輯欄UTilling 和VTilling 中調整數值，改變貼圖紋理的密度.②制作法線貼圖和高光貼圖，讓模型表面有合適的凹凸和明暗.在軟件Shader Map 中打開貼圖.jpg 格式，在軟件中會自動生成法線、高光等貼圖類型，一鍵導出貼圖到文件中.將法線貼圖、高光貼圖導入UE4，并將二者拖入材質的藍圖編輯器中，法線貼圖連接法線通道，高光貼圖連接高光通道，材質定位節(jié)點連接法線貼圖.③燈光調節(jié). Light Source 旋轉角度改變主光源的照射角度，Sky Light 模擬整個天空對場景的包裹性光照. 根據需要添加光源，調節(jié)各燈光的參數值，達到合適的場景燈光效果.④烘焙全局設置.烘焙可以使場景更加真實，提高仿真效果.打開模型編輯器，找到General Settings-Light Map Resolution 進行數據設置. 根據模型大小自定義設置參數值，參數值越大，烘焙效果越好，但需要的烘焙時間也越久. 各模型參數值設置完成后，點擊播放查看場景烘焙效果.

3.4 仿真漫游測試與輸出

場景優(yōu)化完成后，用第一人稱控制器代表用戶在場景中游覽.用戶使用鼠標和鍵盤控制視角的移動和轉動.鼠標左鍵和W、S、A、D 鍵用來驅動在虛擬場景中向前、向左、向右和向后的移動方向，鼠標右鍵調節(jié)視點高低.場景仿真結果如圖4.漫游功能不僅能在視覺上可以欣賞虛擬園林場景，也可以在觸覺上體驗與場景中物體發(fā)生交互，如行走臺階，不能穿越墻體、樹木、置石等真實感.完成漫游體驗并確認無誤后，在文件—打包項目下有多種輸出方式，選擇對應輸出的平臺完成打包工作.

圖4 場景仿真效果圖

4 結 語

通過泠然閣景區(qū)仿真漫游設計實現了仿真系統中模型與環(huán)境的搭配，對建筑、地形、植物、光影等協調整合，構建了動態(tài)、直觀、實時的可視化漫游場景，為以后進一步研究虛擬現實技術在傳統園林中的應用積累經驗.在泠然閣景區(qū)仿真漫游設計過程中得出三點總結：①仿真漫游設計豐富了泠然閣景區(qū)的可視化表現形式，與效果圖和動畫視頻相比，仿真漫游增加了場景的真實感和浸入感，使用戶可以自主選擇觀賞視角體驗園林環(huán)境.②UE4 的場景渲染適合快速出圖，細節(jié)處理仍需深入完善.如自動生成的碰撞體并不是都合理，適合快速出圖需求，若生成自主定義的高精度碰撞體需借助3d max、maya 等外部軟件搭配使用. ③現有資料無法辨認景點內樹種名稱，真實度大打折扣.基于場景創(chuàng)建中存在的問題，今后的研究中仍需深入學習，完善研究成果.