静寄山庄泠然阁景区UE4 仿真漫游设计研究

杨传贵，杨 莹

（天津城建大学建筑学院，天津 300384）

1 构思准备

1.1 虚拟软件的分析选择

仿真场景呈现的真实性与虚拟软件有着直接关联.现对当前应用较多的几款主流渲染软件和虚拟现实软件进行分析，选择合适的场景仿真漫游制作软件.Lumion 和Vary 在渲染效果图方面应用较多，二者的场景渲染能力皆可达到良好的出图效果.但两者若发现模型存在问题，需修改后将全部模型重新导入软件中，重复之前工作.但UE4 中的模型，可以仅修改出错部分的模型，无须将全部模型重新导入，减少了工作量.Lumion 和Vary 中只能制作效果图和动画视频，展示的场景角度是设计者希望被观赏的部分，缺乏参观者的参与感、体验感.在UE4 中可以用第一人称控制器模拟参观者在场景中随意走动，按照主观意愿欣赏场景内的一切，增强对场景的感知.Unity3D 侧重于手机游戏开发，对于大场景的三维表现质感欠佳，此外Unity3D 没有材质编辑器，需要第三方插件.在使用简易度方面，Unity3D 在产品开发上主要使用C# 和Javascript 两种语言，需要有一定的编程知识基础.UE4提供了C++语言和蓝图可视化脚本系统.即使不懂编程语言的新手也可通过蓝图进行脚本编辑，降低使用难度.VRP（VR-Platform）是我国中视典公司开发的完全具有自主知识产权的虚拟引擎.VRP 的使用简易度高，可与多平台兼容，在升级后的渲染效果表现也不错，但与有着顶级图形处理能力的UE4 相比仍有差距.

结合各软件优势及泠然阁景点场景范围大且画面真实感要求高等因素，决定采用UE4 引擎完成虚拟仿真漫游设计.UE4 的图像表现能力更佳，更适合开发PC 端的大作，可以带给参观者更加真实的效果和自由的观赏体验.

1.2 泠然阁及UE4 使用的研究现状

专门涉及泠然阁的论著可谓凤毛麟角，在有关泠然阁的资料中大致有以下几种情况.一是关于盘山行宫的资料中或多或少都会提及新添六景，但一带而过，未深入细致研究.二是在旅游类书籍或旅游宣传稿中介绍盘山景点和行宫遗址时，仅提及泠然阁之名，不做深入介绍.三是学术论文中以泠然阁为例论证某一论点，如陈宇琳[3]将泠然阁作为奥景类型论证山地园林的景观处理方法.

UE4 主要是针对游戏开发的一款软件，但现在已经在众多领域得到广泛应用.王浩文[4]等利用UE4 实现古建筑室内环境的仿真交互系统，通过对复杂场景的优化展现出UE4 在室内空间应用中的高效性和真实性.胡启云[5]通过两个国外建筑设计的案例表现出UE4 在建筑可视化方面的优势，令人思考虚幻引擎4应用于建筑设计带来的直观感和优化设计方案的及时性.张二洋[6]等将UE4 应用到矿山设计中并完成矿山的虚拟漫游系统，分析虚幻引擎4 在矿山设计中的优势和需要改进的不足之处.余肖翰[7]等利用UE4 模拟海水自然状态，并重现水文气象场景完成实验证明.周孝吉[8]等通过UE4 完成实验前期的交通场景搭建，结合其他软件进行模拟实验.此外也有一系列硕士论文完成了UE4 在数字化展示、虚拟仿真系统实现和遗产保护等方面的应用研究.

通过对文献资料的整理与总结不难发现，UE4 虽然已经在诸多领域得到应用，但在传统园林领域的应用不多，缺乏对传统园林大场景的虚拟仿真研究.其次，在传统园林大场景的建模中仍是传统重复性操作建模，未形成对具有相同或相似结构的模型进行模块化设计，如对结构相同的斗栱进行模块化设计可以大大减轻工作量，提高工作效率.现阶段传统园林大场景渲染过程中仍存在电脑运行缓慢甚至卡顿现象，主要原因归咎于植物模型复杂，每一片树叶都是一个面造成模型面的数量众多，软件运行卡顿.此外，在现有学术文章中未见泠然阁的研究成果发表.

2 泠然阁景区仿真漫游设计流程

首先，需要收集整理泠然阁的相关文献和史料，分析确定仿真场景的设计方案以及模型尺寸大小.其次，在sketch up 中进行泠然阁仿真漫游场景的三维建模工作，主要是对地形、建筑和道路的建模.为避免模型过大和sketch up 中植物模型精度不足问题，植物将在UE4 中加入.仿真场景模型建成后，导出.FBX 文件并导入到UE4 中继续进一步的场景优化工作.在UE4中进一步细化各部分模型材质纹理、场景中光影变化，添加模型碰撞等内容，以增加场景的真实感. 最后，对仿真场景进行漫游检测，测试无误后打包输出项目.仿真漫游设计流程图见图1.

3 泠然阁仿真漫游的创建

3.1 资料收集与整理

图1 虚幻场景创建流程图

虽然现阶段学术领域对泠然阁研究尚未见到成果发表，但幸运的是历史古籍和诗画资料中不乏有对泠然阁园林场景记录的内容，如《钦定盘山志》及图考、《乾隆蓟州诗集》和《盘山图》等，下文将对历史资料中相关内容做进一步分析.

《清史稿》[9]《清实录》[10]中都有提及泠然阁，但二者的内容多是记录皇帝的日常行为活动，未涉及园林景观内容，对泠然阁场景的创建无参考价值.《钦定日下旧闻考》[11]的蓟州部分记载多与《钦定盘山志》[12]重复，较大程度是根据《钦定盘山志》增添，因此将《钦定日下旧闻考》作为辅助参考资料.《钦定盘山志》中既有关于各个景点的描述，又配有相应的版画，内容的详细度较高.《钦定盘山志》是“乾隆十九年二月十八日驻跸行宫，命〈臣〉蒋溥汪由敦董邦逹等纂修盘山新志”[12]可证明其官方权威性.乾隆十九年盘山行宫已竣工，行宫内的建筑和园林环境已确定，此时篡修的新志内容有实际景点对照，所以记载内容更确切.乾隆对蓟州和静寄山庄部分所作的诗词经学者整理为《乾隆蓟州诗集》[1]，包含许多有关行宫内外景点的诗作，其中也不乏有关泠然阁的表述.乾隆帝所作之诗多记录当时所见所听，抒发内心情感.从纪实方面，乾隆帝诗集的历史价值不逊于档案典籍.诗集中包含的泠然阁园林景观意境、建筑等内容，将是场景营造过程中重要的参考资料.

2013年国务院印发了《国务院办公厅关于印发实行最严格水资源管理制度考核办法的通知》（国办发〔2013〕2 号），对松辽流域各省（自治区）级行政区用水总量指标提出要求，四省（自治区）市、县级用水总量指标分解确认工作也在稳步推进。目前，松辽流域第一批江河水量分配方案已经编制完成，第二批江河水量分配工作业已启动。

除历史文献外，图像资料对泠然阁场景创建同样有着至关重要的参考价值.收藏于第一历史档案馆的《盘山行宫内外地盘总绘全图》[13-14]尚不确定绘于何年，一说绘于咸丰九年，一说为同治年间维修时绘制.图绘行宫内外景点平面图，比例为1 ∶1 000，精确度不高，且此图中泠然阁建筑群是左右对称的平面格局，这与其他图像出入较大.从众多图像资料中选择出对泠然阁有较强参考价值的当属《钦定盘山志·卷一·图考》、《盘山图》.《钦定盘山志·卷一·图考》是白描版图，行宫内外景点齐全，属写实型鸟瞰图.《盘山图》[15]是清代袁瑛与姚文瀚合笔所作，收录于《石渠宝笈续编》，目前收藏于台北故宫博物院.推测此图绘于乾隆四十五至五十四年间[14]，图像绘制了行宫盛期时的内外全景，并标注景点名称，对研究盘山行宫意义重大.此图中泠然阁样貌与《钦定盘山志·卷一·图考》中泠然阁图像相似度较高，两幅图像相结合分析泠然阁园林格局.泠然阁各图像对比见图2. 综上，《钦定盘山志》《乾隆御制诗集》《盘山图》作为泠然阁场景创建的第一手资料，也是最重要的材料.其他涉及泠然阁内容的文献作为场景创建的辅助资料.

图2 泠然阁各图像对比

根据姚文瀚和袁瑛合笔的《盘山图》可清晰分辨出泠然阁为坐西朝东的庭院朝向.通过《钦定盘山志》图考中的三幅泠然阁图像比较分析，综合得出泠然阁的园林布局：庭院四周建有围墙，将其与周围的山林分隔开，创造相对独立的环境.园内建筑分布有明显的中轴线即垂花门—牌坊—泠然阁，其余建筑对称分布在此中轴线南北两侧.南侧为四角亭及与之相连的游廊，北侧为厢房与六角亭.入口处的垂花门连接着四周围墙，垂花门相当于游览的起点，开启泠然阁园林景观的序幕.经过垂花门，映入眼帘的是四柱三楼三间的牌坊.牌坊连接着园内矮墙，这道矮墙再次将园内分隔成两个空间.前一个空间是垂花门与牌坊之间形成的空间，此处较为宽敞开阔.下一个空间需经牌坊进入，此空间是整个园林的高潮部分，集合了园林的主要建筑、草木植被，也是园主活动的主要场所.南侧的四角亭与游廊承担着主要的游赏停坐功能，北侧的六角亭和厢房与南侧建筑相呼应，既存异又协调，合为园林建筑整体.四角亭与六角亭前各有一株树木为其遮阴的同时，也承担着美化园林环境的作用.中轴线末端的二层楼阁泠然阁则是整座园林的主体建筑，二层高度并带有南北耳房的建筑体量，在气势上便比其他建筑更胜一筹.泠然阁南北两侧各种有一乔木，高度大致与二层耳房高度齐平.泠然阁与外围围墙构成庭院的第三个空间场所，也是整个园林空间的尾声部分.阁后树木枝叶竞相伸展开来，以便能被阁前人欣赏. 此处是整个园林环境的升华与总结部分，用植物与山石加以布置，营造庭院最后可游可赏的园林景观.泠然阁总平面示意图如图3 所示.

图3 泠然阁总平面示意图

3.2 模型创建

前期的三维模型在传统软件sketch up 中完成，原因有三：其一，因sketch up 操作简单，利于边构思推理边进行建模工作，快速确定最佳方案. 其二，如今sketch up 搭载多种插件可以完成复杂模型的建模.基于传统园林场景所需构建的模型，sketch up 是可以轻松胜任此次建模工作.其三，sketch up 可以导出多种格式的文件，能与UE4 完美对接.基于以上三点，选择sketch up 作为前期建模软件.

3.2.1 地形创建

根据《钦定盘山志》卷一中的泠然阁图像确定泠然阁处于山体半山腰位置，坐落于山林之中，周围是起伏的山体和郁郁葱葱的树木.因没有具体文字记载尚不能判断泠然阁现今在地图中的位置，依靠主观判断大致绘制泠然阁一带地形.利用global mapper 软件找到盘山位置，再找到泠然阁大致位置进行图像截取，下载保存生成的.dwg 地形文件，此文件将作为地形生成的数据文件.在Auto cad2014 中打开.dwg 地形文件，对地形数据不合理之处进行适度调整，将检查后的.dwg 地形文件导入到sketch up，利用沙盒工具完成地形模型创建.

3.2.2 建筑模型创建

园林建筑是技术与艺术的结合，建筑形态多变，既承担着观赏造景功能，也是园林“可居”之所.泠然阁建筑组群共有主体建筑泠然阁、南北耳房、厢房（北）、六角亭（北）、四角亭（南）、游廊（南）、牌坊、垂花门九座.泠然阁的建筑三维模型从建筑的外观和尺寸入手.建筑外观方面，泠然阁整体建筑风格质朴大方，不雕不绘.主体建筑泠然阁属于卷棚式歇山顶建筑，大式不带斗科，面阔三间，上下两层，前后有廊.南北耳房是硬山卷棚顶建筑，面阔三间，上下两层，前后有廊，较泠然阁相比体量小得多.厢房为硬山卷棚顶，面阔三间，前有廊.牌坊是四柱三间三楼，有明显的标识引导作用.建筑尺寸方面，泠然阁是清代皇家园林建筑，当属清代官式建筑范畴.清代官式建筑在工官制度背景和官方文本《工程做法则例》规范下，已经形成建筑形式统一化和工程标准化的建筑体系.规范化的建筑模式，为当今研究清代官式建筑提供理论指导的同时，也增加了研究的便利性.此外，一系列古建参考书也为建筑尺寸的确定提供指导，如梁思成清工部《工程做法则例》图解[16]、马炳坚《中国古建筑木作营造技术》[17]等.

3.3 场景优化

3.3.1 导入.FBX 文件

将sketch up 中的三维模型导入UE4 中需以下几步：首先，调整sketch up 中模型单位为厘米，使模型单位与UE4 中保持一致.其次，检查sketch up 中模型面是否完整恰当，保证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会被显示，反面不显示.然后，将sketch up 中的模型进行分图层处理，将每个图层的模型分别导入单独的文件夹中.这利于在UE4 中发现模型错误时，在众多.FBX 文件中快速准确找到该文件，并只修改此文件，减少软件操作的重复性和复杂性.最后，打开UE4 在下方文件栏新建多个文件夹并命名，导入.FBX 文件到各文件夹中.当.FBX文件导入后，全部选中模型拖入到中间视图中，修改右侧坐标栏的数值为（0，0，0），完成模型对位工作.重复此操作步骤，最终完成模型的全部重组.

3.3.2 添加碰撞

UE4 通过物体系统添加碰撞，模拟物体间的阻碍效果实现交互仿真功能，优化漫游体验[18].选中要添加碰撞的模型，双击模型进入模型编辑器中，选择菜单栏碰撞下有多种碰撞形式可选，如sphere、capsule、box等，但这些直接生成的碰撞体适合快速出图需求，高精确碰撞还需手动完成. 经试验选择Auto Convex Collision 自动生成的碰撞体是较合适的，并且可以调节凸分解参数达到最适合的碰撞体.精确度和最大外壳顶点数数值越大，碰撞体精确度越高，但数值过大，也会增加软件运行负担.

3.3.3 添加植物

据几幅行宫画作易知，泠然阁庭院内部植物数量不多，可直接观赏到的仅四棵大树.分别是二层楼阁前对称种植的两棵树，四角亭与六角亭前分别种有一棵树.遗憾的是根据现有资料尚不能明确判断四棵树的种类.其一，文字记载中未有确定泠然阁园内植物种类的有效信息；其二，图像中会因保持画面协调美观对植物绘画掺杂艺术手法，或对植物采用概括式勾画，不足以确定树木种类.但由诗词描述可知，泠然阁植物种类以松树为主，“古柏及苍松御以行”[1]“松涛石海间”[1]；也有柳和梅“拂柳将开眼，催梅乍启思”[1]；还有蕙草、时令花卉等草本点缀，如“蕙草緑抽丛”[1]“时卉蔓之如锦”[1].加之图像中植物形态推断泠然阁前两棵为梅，四角亭前为松树，六角亭前为柳，后续如有更准确的植物信息，将及时更正.虚拟场景中的植物是直接利用UE4 的植物素材，调整植物外形与图像中大致相同，尽可能还原泠然阁内植物效果.在UE4 中添加植物有两种方式，笔刷种植和鼠标左键直接拖入素材.笔刷适合种植大面积成片植物，如地被和密林.直接拖入适合种植孤赏树，便于调节植物方向、大小以及在孤赏树的材质编辑器通过蓝图更改其他属性.

3.3.4 光影制作

本次实验中的模型贴图在sketch up 中已经附好，故在导入UE4 中带着贴图，但也可以在蓝图中替换掉原有材质贴图.在UE4 中调整模型光影变化分为以下几步①调节贴图重复率，在材质编辑器中搜索Texture Coordinate，拖入编辑器，选中该节点，在左侧编辑栏UTilling 和VTilling 中调整数值，改变贴图纹理的密度.②制作法线贴图和高光贴图，让模型表面有合适的凹凸和明暗.在软件Shader Map 中打开贴图.jpg 格式，在软件中会自动生成法线、高光等贴图类型，一键导出贴图到文件中.将法线贴图、高光贴图导入UE4，并将二者拖入材质的蓝图编辑器中，法线贴图连接法线通道，高光贴图连接高光通道，材质定位节点连接法线贴图.③灯光调节. Light Source 旋转角度改变主光源的照射角度，Sky Light 模拟整个天空对场景的包裹性光照. 根据需要添加光源，调节各灯光的参数值，达到合适的场景灯光效果.④烘焙全局设置.烘焙可以使场景更加真实，提高仿真效果.打开模型编辑器，找到General Settings-Light Map Resolution 进行数据设置. 根据模型大小自定义设置参数值，参数值越大，烘焙效果越好，但需要的烘焙时间也越久. 各模型参数值设置完成后，点击播放查看场景烘焙效果.

3.4 仿真漫游测试与输出

场景优化完成后，用第一人称控制器代表用户在场景中游览.用户使用鼠标和键盘控制视角的移动和转动.鼠标左键和W、S、A、D 键用来驱动在虚拟场景中向前、向左、向右和向后的移动方向，鼠标右键调节视点高低.场景仿真结果如图4.漫游功能不仅能在视觉上可以欣赏虚拟园林场景，也可以在触觉上体验与场景中物体发生交互，如行走台阶，不能穿越墙体、树木、置石等真实感.完成漫游体验并确认无误后，在文件—打包项目下有多种输出方式，选择对应输出的平台完成打包工作.

图4 场景仿真效果图

4 结 语

通过泠然阁景区仿真漫游设计实现了仿真系统中模型与环境的搭配，对建筑、地形、植物、光影等协调整合，构建了动态、直观、实时的可视化漫游场景，为以后进一步研究虚拟现实技术在传统园林中的应用积累经验.在泠然阁景区仿真漫游设计过程中得出三点总结：①仿真漫游设计丰富了泠然阁景区的可视化表现形式，与效果图和动画视频相比，仿真漫游增加了场景的真实感和浸入感，使用户可以自主选择观赏视角体验园林环境.②UE4 的场景渲染适合快速出图，细节处理仍需深入完善.如自动生成的碰撞体并不是都合理，适合快速出图需求，若生成自主定义的高精度碰撞体需借助3d max、maya 等外部软件搭配使用. ③现有资料无法辨认景点内树种名称，真实度大打折扣.基于场景创建中存在的问题，今后的研究中仍需深入学习，完善研究成果.