基于SPEEDTREE软件虚拟园林植物的建造研究

张婷

摘 要：虚拟植物模型在整个场景中与景观要素模型（园林建筑模型，山石水体模型，道路模型，小品模型等等）共同构成。植物景观是园林景观设计中的软质景观，是具有生命的景观表现，不仅能体现景观的四维性，还能体现小气候环境下的五维景观，因此对于植物的设计是园林设计中重要的内容。该文比较详细地概述了植物可视化技术在园林规划设计中的应用，重点介绍了SPEEDTREE软件的功能与植物建模技术，以供相关人员参考。

关键词：园林可视化技术；虚拟植物模型；SPEEDTREE；园林辅助设计

中图分类号 TU986 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）16-0123-05

Abstract：The design and application of garden plants is different from the main characteristics of the architectural design or urban planning. It plays an important role in landscape design. With the development in the landscape design process，is drawn with the traditional approach of long working hours，heavy workload，low efficiency compared to computer graphics，efficient，convenient，fast，etc. The modern designers accept and use the computer technology gradually.Floor plan drawing，simulation modeling and effects processing are becoming increasingly popular in landscape design. Plant simulation construction has more computer performance practices，such as the performance of the virtual plant.

Key words：Landscape visualization technology；Virtual plant model；SPEEDTREE；Computer-aided design

SPEEDTREE虚拟植物建模具有很强的可视性，这个技术是随着信息技术进步而迅速发展起来的新兴研究领域，已成为计算机领域的研究热点之一。植物的模拟在自然景观模拟中占很大的比重。丰富的植物景观设计是风景园林规划设计区别于城市规划、建筑设计的显著特征之一，植物模型的海量数据恰恰是虚拟现实交互性和沉浸性实现的瓶颈，因此研究在虚拟现实环境中的园林植物建模方法有重要的意义[1]。

1 植物可视化技术在园林规划设计中的应用

1.1 植物可视化技术的相关内容 将植物的可视化技术与园林辅助设计结合是技术不断发展的必然要求，植物的可视化技术目前在园林的计算机辅助设计中应用较广。从园林的规划设计类图纸中表达出来的植物种植方面的图纸，以及规划设计总图的植物表达，到设计类图纸中立面和剖面的植物方向的表达等都需要体现植物的可视化技术的表达，使植物设计的内容通过计算机的可视化技术表达出，是设计师与读者交流的工具。因此，研究植物可视化技术方面的内容是为了更好的表达出植物方向的设计信息，易于修改，易于交流（图1）。

1.2 虚拟植物模型在园林设计中的应用 随着植物可视化技术的发展，其中的植物建模技术近年来发展迅猛，应用的范围也不断扩大。针对上述园林设计的特点，植物在园林中的应用与位置十分重要，因而在景观的辅助设计里，不管是平面设计还是场景建模都对虚拟植物的种类和立体模型要求较高。虚拟植物的应用渗入到辅助设计的每一个步骤，例如植物的种植设计，植物的场景设计，园林效果图的设计等，由此可以看出虚拟植物在辅助设计中的重要地位。

1.3 虚拟植物模型的发展 由于建模的依据和方法不同，可以将虚拟植物的模型建造方式大致分三类：图形学模型、动态结构模型和静态结构模型。这三种不同的建造方式，可以比较得出，图形学模型更适合于园林景观设计中虚拟植物的建造研究，但是仅仅有图形学模型还不能完全表达出想要表达的植物全方位信息，在探索园林虚拟植物模型的过程中，更加追求符合植物的形态特征及其生长规律所建的带有拓扑结构的建造方式。

1.4 当前各类植物模型软件的比较

1.4.1 3DS MAX 3DS MAX是众所周知的三维软件，用于制作各种模型并伴有后期渲染等功能。能很好的体现物体的空间感和尺度感，在园林上用处也很多。例如园林效果图制作，作为园林设计的辅助工具等，给设计师增加空间感和尺度感，不但使设计师能更好的理解和扩充自己的设计思路，还可以更直观的将设计者所设计的园林绿化景观的全貌及每个细节展示给别人（图2）。

1.4.2 TREE STORM Tree Storm是3D的插件之一，用于专业树木模型建造的软件，其3D植物模型有很强的观赏性和自然氛围，作景观配景很自然。Tree Storm可以在3ds max中制作各种树木模型，并且根据风力摇动可以模拟风吹树叶的效果。自带的植物库提供280种基本树木模型和140种树叶模型，加上大量可以调整的参数，可以创造出许多植物，包括乔木，灌木，草本（图3、图4、图5）。

使用Tree Storm的树木库可以选择不同种类的树木。该插件的优点之一就是可以制作出不同种类的树木模型。Tree Storm可以对树木模型的树干，树枝等的数量进行设置，这样就可以根据场景的需要制作不同精度的树木效果。虽然该插件提供了多种树木模型，但是考虑到不能完全满足用户的需求，所以通过该插件的部分功能允许用户自己制作树木模型效果。

1.4.3 X frog X frog同样也是基于3D的一款插件。X frog所建模型非常逼真，而且自带的植物种类非常多，提供的模型库超过600种植物，不仅可以制作树木，花卉组件，还可以制作地被以及动画等，树叶，树干，花朵都采用实物扫描，更为真实。材质方面例如树皮，树叶，花卉等可以通过相关的贴图来实现，贴图通过PS处理后导出相应的格式进行使用。但X frog软件缺乏风吹的动态效果，而且操作过程比较复杂，因此有待改进的地方比较多（图6）。

1.4.4 SPEEDTREE SPEEDTREE是专门制作虚拟植物模型的一种新型的植物建模软件。此款软件也是采用了拓扑结构来生产树木的形体，操作过程相对其他软件较为简单，可调节的参数非常多，所建模型的植物形态非常逼真。在SPEEDTREE系列软件中，还增加了保存材质和制作场景等的多种植物软件，极大地方便了使用者，同时也为渲染类的软件带来了优秀的组件和优质的画面效果。此外，在建立模型的基础上，还可以进行阴影和光照的调节，包括材质通道的调节，植物材质的处理等等。自身提供的模型库数量也非常众多，极大方便了园林设计师们进行植物配置设计（图7）。

1.4.5 植物建模软件的对比结论 通过对比可以看出SPEEDDTREE这个软件比较适合在园林辅助设计中使用（表1）。在保证效果的同时，尽量减少了顶点和面片的数量，提高了制作效率；而且阴影真突，支持各种渲染器和动力学系统，可以制作树木的动画；植物模型的种类众多，可以满足园林辅助设计对植物的需求。

2 SPEEDTREE软件植物建模概述

2.1 SPEEDTREE软件的功能介绍 SPEEDTREE是建立模型与绘制贴图的总和，树木可以调控内容很详实，树叶，花果可以以贴图的方式来模拟。这个插件的库中已经内置了多个种类的树，并且还可以随机生成树叶的贴图的方式来模拟，让每棵树看起来很不一样，在同一棵树复制时也会随机生成不一样的树形，可以根据地形设定树木种植。

2.2 建造植物模型 SPEEDTREE MODELER软件主要用于植物模型的建立和导出使用等方面。SPEEDTREE软件是模型与贴图的综合体，因而在制作模型之前，需要准备好植物的材质贴图，例如树叶贴图，树干贴图，花的贴图等等。

2.2.1 SPEEDTREE工作面板介绍 在SPEEDTREE MODELER中，有几大操作面板构成，其中Generators面板：ST模型主要由两类物体组成：生成器和node生成器可以被看作是确定那一部分分叉的一套规则。生成器主要决定branches，leaves和frond。node实际上是一个树模型的构件（组成部分），生成器对node的创造是基于对象属性值，所编辑的曲线，再加上其中的一些随机变化数值。

2.2.2 SPEEDTREE建模程序介绍 下面通过模型制作出植物主体形态，根据真实植物的外表形态进行近一步调整。通过SPEEDTREE MODELER的具体调节植物形态的参数面板进行各种参数的调节（见图8）。

2.2.3 PS处理需要用到的材质 叶片的处理：选取质感较强，叶片丰满，色泽光滑的木槿树叶图片进行处理，将叶片导入PS中，运用魔棒和蒙板工具将图片多余的部分去除，留下树叶部分，导出时运用PNG格式。此外，也可以对已经处理好的叶片进行添加alpha通道，通道颜色和叶片颜色要相一致，这样进行处理的叶片在模型中质感更强。

2.2.4 SPEEDTREE MODELER建立植物模型 根据SPEEDTREE MODELER的建模原理，运用植物生长原理和拓朴结构原理进行建模，由主干（trunk）—一级分支（branch）—叶片（leave）的基本建模顺序进行建模（图9）。

在选项中选择要的树干类型，树枝类型和叶片的类型。SPEEDTREE MODELER软件中提供了树枝的类型，棕榈科植物的树枝及叶片类型，手绘树枝类型，叶片类型，根系类型以及树干类型，每种制作模型所用的植物部位中又提供了多种不同类型的选择，例如叶片有单叶，复业，标准叶片，竖向叶片以及横向叶片模型等供设计者选择[3]。如果软件提供的各种植物模型的数据类型都和所绘植物模型效果不符，也可以通过键盘空格键进行手动绘制枝干，然后进行各种参数的调节（图10）。

对于木槿模型树干的粗细，长短，树枝的数量多少，叶片的浓密程度等，在制作过程中可以通过植物模型编辑器面板进行调节。调节方式为通过调节面板中的参数或者通过调节相应的曲线，达到想要的效果（图11）。

2.3 植物材质保存 SPEEDTREE系列软件中SPEEDTREE COMPILER是将已经做好的SPEEDTREE植物模型材质进行打包和处理，为导入其他软件做准备。下面以已经完成的SPEEDTREE MODELER木槿模型为例运用SPEEDTREE COMPILER进行材质的导出与保存。

2.3.1 材质保存 打开SPEEDTREE CMOPILER，其中弹出的对话框中有add trees的按钮，选择此命令添加已经做好的植物模型（图13）。

2.3.2 点击Add Trees 进行添加已经做好的木槿SPM模型，按顺序点击下一步，经过提示，需要添加输出路径，输出路径可以放置于想要的文件夹中，在这一步操作中，将文件输出路径设于桌面的MUJIN文件夹中。已经导入的SPEEDTREE COMPILER软件中，界面上出现了木槿模型的材质。在Session菜单栏中选择start compilation选项，进入材质导出阶段（图14、图15）。

2.3.3 将材质导出 作为植物组件使用，SPEEDTREE做出的植物模型导入渲染软件中会自带风吹效果，植物模型具有一定的生动性和真实性。

3 关于SPEEDTREE虚拟植物建模的总结与思考

针对目前园林辅助设计上虚拟植物模型的问题，分析其研发历史，思考研究当前各种类型的植物建模软件，进行功能和参数的对比与研究分析，得出UDK中自带的植物建模软件SPEEDTREE非常适合园林辅助设计中的虚拟模型制作。本文主要研究SPEEDTREE系列软件的参数设置，软件建模原理，建模过程，建模参数的调整等，运用SPEEDTREE系列软件制作出某区域常用的园林植物模型，观察所建植物模型的应用效果，并对其进行总结和思考。

参考文献

[1]雄壮，王润杰，陈蕾，姚连钰.动态三维树实时仿真设计与实现[J].计算机工程与设计，2009（8）：1-2.

[2]侯加林，王一鸣，董乔雪，等.虚拟植物生长的研究现状与发展趋势[J].农业机械学报，2004，35（3）：15-20.

[3]毛卫强，耿卫东，潘云鹤.基于特征综合的植物建模方法[J].计算机辅助设计与图形学学报，2000，12（8）：596-599.

（责编：张长青）