曹 瑩，王 輝

(北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京 100083)

1 引言

暢春園始建于康熙二十六年(1684年)，是皇家第一御園，占地1200畝，是損毀最為嚴(yán)重的一座御園。為了保護(hù)暢春園文化遺址及數(shù)字化復(fù)原，在研究了大量古籍文獻(xiàn)、搜集史料、以及對(duì)考古勘測數(shù)據(jù)分析研究的基礎(chǔ)上，利用虛擬仿真技術(shù)數(shù)字化復(fù)原暢春園文化遺址。圣祖仁皇帝在御制暢春園記中寫道：“而以暢春為名，非必其特宜于春日也。夫三統(tǒng)之選建，以子為天之春，丑為地之春，寅為人之春，而易文言稱乾元統(tǒng)天，則四德皆元，四時(shí)皆春也。”春春有白丁香、桃花樹、柳樹、杏樹、春蘭、玉蘭，夏有牡丹、芍藥、鳶尾花、荷花、惠蘭，秋有小葉丁香、建蘭，冬有臘梅、寒蘭，四季常青有松樹、柏樹、竹林。因而，暢春園以植物景觀為主，以暢春為名，四時(shí)皆春，暢春園春、夏、秋、冬四季變化的植被復(fù)原、植物仿真尤為重要。

暢春園內(nèi)種植的植物主要有：

1)三道花堤：有丁香堤、蘭芝堤、桃花堤。丁香堤以丁香花為主，蘭芝堤以蘭草、鳶尾花為主，桃花堤以桃花樹為主。

2)花海：暢春園前湖四周、后湖西岸成千上萬的牡丹花、芍藥花，被稱為“花?！薄?/p>

3)竹軒：暢春園清溪書屋之后山建有竹軒，由翠竹編搭而成，軒后是峻峭假山，構(gòu)成一片青翠竹林。

4)松柏：暢春園內(nèi)有大量古松樹、古柏樹。

園中還有荷花、臘梅樹，柳樹、玉蘭、杏樹、葡萄藤等植物。

為了構(gòu)建精細(xì)、逼真的各種植物仿真模型，以及丁香堤、蘭芝堤、桃花堤、花海、竹軒等，采用專業(yè)植物建模軟件SpeedTree構(gòu)建各種植物模型及植被場景，研究了各種構(gòu)建方法；為了不影響暢春園文化遺址復(fù)原仿真的渲染效率，設(shè)計(jì)了優(yōu)化各種植物模型面數(shù)的有效方法，精確構(gòu)建了各種植物高、中、低分辨率的LOD模型，提高了植物仿真模型的實(shí)時(shí)渲染速度；為了模擬各種植物的四季變化、風(fēng)吹樹動(dòng)等自然景觀，研究了逼真植物動(dòng)態(tài)風(fēng)效模擬方法，以及植物四季變化的動(dòng)態(tài)仿真，開發(fā)了暢春園多種植物仿真原型系統(tǒng)。

2 精細(xì)植物仿真方法

在傳統(tǒng)虛擬仿真場景中，樹、花、草通常采用基于圖像的繪制技術(shù)，將樹、花、草的模型用其透明貼圖代替，主要方法是：創(chuàng)建適合樹、花、草尺寸的矩形面片或十字交叉矩形面片，在矩形面上貼上樹、花、草透明貼圖，設(shè)置為實(shí)時(shí)面向觀察者渲染，在中、遠(yuǎn)視點(diǎn)觀察時(shí)，效果還是可以的。但是，對(duì)于暢春園的植物仿真，需要突出展現(xiàn)的就是精細(xì)、逼真的各種植物的仿真，主要分為：樹類植物和花草類植物。

2.1 樹類植物仿真

對(duì)于精細(xì)、逼真的各種樹類植物的仿真方法，采用基于多邊形和圖像混合的繪制技術(shù)，借助專業(yè)植物建模軟件SpeedTree構(gòu)建樹類植物模型，將樹的繪制分為樹干、樹根、粗枝分支、細(xì)枝分支、樹葉、開花、果實(shí)幾個(gè)組成部分，并貼上相應(yīng)的紋理貼圖，模擬出符合現(xiàn)實(shí)樹類植物。下面以桃花樹為例，說明創(chuàng)建精細(xì)、逼真樹類植物的方法。例如：桃花樹自然高度300cm，胸徑8cm，冠幅200cm，擴(kuò)大10倍創(chuàng)建桃花樹。

啟動(dòng)SpeedTree，新建一個(gè)工程，保存為：taohuashu.spm。

1)添加樹干。在結(jié)點(diǎn)面板，單擊Trunk，添加樹干，在Generation中，設(shè)置Mode為Absolute，樹干數(shù)量Number為1。在Spine中，改變樹高度Length為30，在Skin中，改變樹的半徑Radius為0.4，調(diào)整桃花樹傾斜度，在Spine中，改變Start angle為0.51，Gravity重力為0.12，單擊其后的曲線調(diào)整面板，調(diào)整樹干為平滑彎曲。精確調(diào)整：精確調(diào)整樹干的彎曲度，單擊All，在Hand Drawn下，單擊Convert to hand drawn，單擊Nodes結(jié)點(diǎn)模式，選中樹干，調(diào)整樹干中間的各個(gè)控制點(diǎn)，精確調(diào)整樹干的彎曲度。

2)添加樹根、樹干封頂。在結(jié)點(diǎn)面板，選中樹干，單擊Decorations修飾，單擊Roots，添加樹根。在Generation中，Mode為Interval，分支數(shù)量frequency為3，Count為4，控制分支生長的起點(diǎn)，改Boundaries下First為0.001，Last為0.01。在結(jié)點(diǎn)面板，選中樹干，單擊+Add，單擊Cap，添加樹干橫截面封頂。

3)添加粗分枝。在結(jié)點(diǎn)面板，選中樹干，單擊Big Branches，添加粗分枝，在Generation中，Mode為Interval，分枝數(shù)量Frequency為3，控制樹分支生長的起點(diǎn)，改Boundaries下First為0.2，Last為0.9，讓分枝互相錯(cuò)開，改Spread為0.65。在Spine中，改變粗分支長度Length為10，正負(fù)相差1.5。改變樹枝生長的方向，改Start angle為0.4，調(diào)整樹頂部密集一點(diǎn)，單擊右側(cè)曲線圖，調(diào)整左側(cè)頂點(diǎn)向上，右側(cè)頂點(diǎn)向下，在曲線中間雙擊增加一個(gè)點(diǎn)，雙擊產(chǎn)生平滑調(diào)整點(diǎn)，拖動(dòng)使樹冠符合桃花樹冠外形?？梢跃_調(diào)整修剪每一個(gè)樹枝，選擇Nodes結(jié)點(diǎn)模式，選中不合適的樹枝，可以任意調(diào)整其長度、旋轉(zhuǎn)方向、或刪除等。

4)添加細(xì)分枝。在結(jié)點(diǎn)面板，選中粗分枝，單擊Little Branches，添加細(xì)分枝，在Generation中，Mode為Interval，分支數(shù)量frequency為2，Count為3，控制細(xì)分支生長的起點(diǎn)，改Boundaries下First為0.15，Last為0.85，讓分枝互相錯(cuò)開，改Spread為0.6。在Spine中，改變細(xì)分支長度Length中的+%ofparent為0.15，改變樹枝生長的方向，改Start angle為0.35，在Skin中，改變細(xì)分支的半徑Radius為0.6?？梢跃_調(diào)整修剪每一個(gè)細(xì)分樹枝，選擇Nodes結(jié)點(diǎn)模式，選中不合適的細(xì)樹枝，可以任意調(diào)整其長度、旋轉(zhuǎn)方向、或刪除等。

5)添加更細(xì)分枝。在結(jié)點(diǎn)面板，選中細(xì)分枝，單擊Little Branches，添加更細(xì)分枝，在Generation中，Mode為Interval，分支數(shù)量frequency為3，Count為4，控制更細(xì)分支生長的起點(diǎn)，改Boundaries下First為0.15，Last為0.9，Spread為0。在Spine中，改變細(xì)分支長度Length中的+%ofparent為0.13，改變樹枝生長的方向，改Start angle為0.34，在Skin中，改變細(xì)分支的半徑Radius的+%ofparent為0.9?？梢跃_調(diào)整修剪每一個(gè)更細(xì)分樹枝，選擇Nodes結(jié)點(diǎn)模式，選中不合適的更細(xì)樹枝，可以任意調(diào)整其長度、旋轉(zhuǎn)方向、或刪除等。

6)添加樹葉。在結(jié)點(diǎn)面板，選中更細(xì)分枝，單擊Leaf Mesh，添加樹葉，單擊Meshes，單擊+/-按鈕，單擊Add new，改名為taoyezi，單擊High右側(cè)瀏覽按鈕，選擇桃葉子模型，taoyezi.FBX，導(dǎo)入樹葉材質(zhì)貼圖及透明貼圖，單擊選擇Materials面板，單擊+/-按鈕，單擊Add new，添加材質(zhì)，命名為taoyezi，在Materials文本框選擇taoyezi，勾選Two-sided，單擊Color，選擇taoshuye.tga，單擊Normal法線貼圖，選擇taoshuye2.tga，單擊Opacity不透明度，選擇taoshuye3.tga，在通道文本框中，選擇Aloha，單擊Mesh下的文本框，選擇關(guān)聯(lián)桃葉子模型taoyezi，選中葉子結(jié)點(diǎn)Leaf Mesh，單擊選擇Material，在Material中選擇樹葉材質(zhì)taoyezi。在Generation中，Mode選擇Phyllotaxy，控制頁生長起點(diǎn)，改Boundaries下First為0，Last為0.6，在Skin中，改變樹葉頂端變小一點(diǎn)，單擊Size右側(cè)曲線框，將右側(cè)控制點(diǎn)向下移動(dòng)一些，單擊+/-按鈕，輸入0.1，給葉子一個(gè)大小變化值。使葉子下垂一點(diǎn)，選擇Orientation方向，改變Fold折疊為-0.3，單擊+/-按鈕，輸入0.1，給折疊一個(gè)變化范圍。選中更細(xì)分支，加一點(diǎn)重力，在Spine中，改變Start angle為0.3，Gravity重力為0.1。在桃樹里面再增加一些樹葉，在結(jié)點(diǎn)面板，選中細(xì)分枝，單擊+Add，單擊Leaf Mesh，選中這個(gè)Leaf Mesh，單擊選擇Material，在Material中選擇樹葉材質(zhì)taoyezi。在generation中，調(diào)節(jié)樹葉大一點(diǎn)，改Size scalar為1.5。

7)添加桃花。單擊Meshes，單擊+/-按鈕，單擊Add new，改名為taohua，單擊High右側(cè)瀏覽按鈕，選擇桃花模型，taohua.FBX，單擊選擇Materials面板，單擊+/-按鈕，單擊Add new，命名為taohua1，在Materials文本框選擇taohua1，勾選Two-sided，單擊Color，選擇taohua1.tga，單擊Normal法線貼圖，選擇taohua2.tga，單擊Mesh下的文本框，選擇關(guān)聯(lián)桃花模型taohua，選中更細(xì)分枝Little Branches，單擊+Add，單擊Leaf Mesh，添加桃花，選中桃花結(jié)點(diǎn)Leaf Mesh，單擊選擇Material，在Material中選擇桃花材質(zhì)taohua1。

8)添加紋理貼圖。給樹干貼圖：單擊選擇Materials面板，單擊+/-按鈕，單擊Add new，添加材質(zhì)，命名為taoshugan，在Materials文本框選擇taoshugan，單擊Color，選擇taoshugan1.tga，單擊Normal法線貼圖，選擇taoshugan2.tga，選中樹干結(jié)點(diǎn)Trunk，單擊選擇Material，在Material中選擇樹干材質(zhì)taoshugan，選中Cap結(jié)點(diǎn)，單擊選擇Material，在Material中選擇樹干材質(zhì)taoshugan。給樹枝貼圖：單擊選擇Materials面板，單擊+/-按鈕，單擊Add new，命名為taoshuzhi，在Materials文本框選擇taoshuzhi，單擊Color，選擇taoshuzhi1.tga，單擊Normal法線貼圖，選擇taoshuzhi2.tga，選中粗分枝結(jié)點(diǎn)Big Branches，單擊選擇Material，在Material中選擇樹枝材質(zhì)taoshuzhi。文件，保存。逼真桃花樹制作完成，如圖1所示。

圖1 逼真桃花樹制作過程

9)制作桃花提。將SpeedTree制作的桃花樹導(dǎo)出為Unity格式，在Unity中構(gòu)建桃花堤。具體方法是：先創(chuàng)建文件夾taohuadi，啟動(dòng)Unity，新建工程：taohuadi，選中Assets，創(chuàng)建toahuadi文件夾。然后，在SpeedTree中，單擊文件，導(dǎo)出模型(Export Mess)，選擇Unity中的toahuadi文件夾，保存為taohuashu.fbx。最后，在Unity中創(chuàng)建桃花堤，拖動(dòng)taohuashu到層次面板中，在桃花堤上種植桃花樹，構(gòu)建桃花堤，如圖2所示。

圖2 在Unity中構(gòu)建桃花堤

2.2 花類植物仿真

對(duì)于精細(xì)、逼真的各種花類植物的仿真方法，也是采用基于多邊形和圖像混合的繪制技術(shù)，借助SpeedTree構(gòu)建花類植物模型，將花類的繪制分為莖稈、葉、花、果幾個(gè)部分，并貼上相應(yīng)的紋理貼圖，模擬出符合現(xiàn)實(shí)花類植物。下面以牡丹花為例，說明創(chuàng)建精細(xì)、逼真花類植物的方法。例如：牡丹花自然高度100cm，莖稈直徑2cm，冠幅70cm，擴(kuò)大10倍創(chuàng)建牡丹花。

啟動(dòng)SpeedTree，新建一個(gè)工程，文件，保存為：D：