全 文 ：收稿日期：2010-05-03
作者简介：杨立新（1972-），男，沈阳农业大学副教授，硕士，从事计算机辅助园林规划设计、园林虚拟现实技术研究。
园林树木稠李 SpeedtreeCAD虚拟建模技术研究
杨立新，田 贞
（沈阳农业大学 林学院，辽宁 沈阳 110866）
摘要：为探讨虚拟园林树木全息模型技术，以稠李（Padus racemosa）为例，对 SpeedtreeCAD植物建模软件进行研究，依据树木基本参
数编辑为原理，对其整体骨架、分枝、叶片及模型后期效果进行编辑设置，研究结果表明，采用 SpeedtreeCAD创建树木模型，其真实度
高、具有动感效果、渲染速度较快、操作性简便，并与 3Dmax兼容，有良好的匹配性。在园林景观设计中，可有效地指导园林植物配置
效果表达，为园林植物物种选择提供了实践依据。
关键词：虚拟园林树木；3Dmax；SpeedtreeCAD；稠李；园林；景观设计
中图分类号：TU986.2；TP391.72 文献标志码：A 文章编号：1008- 9713（2010）06- 0738- 04
近年来，自然界中非规则景物是经常出现在被绘制场景中的对象，对植物等模拟也一直是计算机图形学
的研究热点[1]，并广泛应用各领域中，无论是教育教学，还是工业、农业，或是电影游戏，植物的虚拟表现都具有
重要作用，但在园林设计中，植物建模还存在颇多问题。在计算机飞速发展的时代，园林设计方法也在飞跃，清
华大学国家光盘工程已经将虚拟现实技术应用到景观中[2]，这不仅仅是园林的进步，对于生态环境中可持续发
展这一要点，亦具有极其重要的生态意义。
目前，植物模拟软件主要分为两大类：应用于农林业研究的软件和单纯植物外观形态的模拟软件[3]。1978
年，法国农业科学研究中心研发的 AMAP[4]，可以模仿真实植物不同时期的生长。该软件不仅拥有一个庞大的植
物数据库，还包括一个植物生长引擎[5]。1989年，加拿大卡尔加里大学开发的 COEG和 L- Studio[6]，用于 L- 系统
和植物形态的关系、植物学教学和再现灭绝植物的研究。1990年由美国农业部 Forest Service公司研发的 SVS，
用来建立植物群丛模型。2003年，德国卡尔斯鲁厄大学研发了又一款可模拟植物生长动态的软件 Xfrog[7]。随
后，美国 Onyx Computing Inc公司开发了 OnyxTree系列软件[8]，包含阔叶树、针叶树、棕榈、竹子及花卉五大部分
的植被引擎。
一、SpeedtreeCAD及其原理
SpeedtreeCAD由美国农业部研究开发，是第一个为解决 3D Max中树木和森林制作的独立软件，主要的功
能为模拟单纯植物外观形态。该软件可以创建、修改树木模型并保存为.spt文件，然后用 3D软件打开，或在虚
拟程序中通过 SpeedtreeRT软件包调用。SpeedtreeRT是一个 C++的程序库，可用在多数虚拟现实和仿真开发环
境中[9]。SpeedtreeCAD是运用程序技术生成树木模型，通过编辑一系列的植物结构参数来塑造，这些参数生成
树木的面片图像，最重要的是该软件可以运用少量的多边形面片生成比较真实的树木模型，也可通过进一步
修改树木基本参数的设置，改变树木结构，从而生成一个全新的树木形态。其编辑参数主要有整体属性、树干、
分枝、叶片、叶状体、光照、LOD和风场，其中光照和风场是 SpeedtreeCAD的一大特点，光照模拟白天到夜晚、飞
行物经过等，也正是源于光源的存在，即可模拟阴影，使分枝和叶片产生不同的明暗变化。
二、SpeedtreeCAD树木建模原理和稠李模型实例
SpeedtreeCAD主要以编辑参数为基本原理。软件启动后，其自带一个树木初始模型，所需要创建的树木都
要以此为基础进行编辑。首先，根据各树木的形态特征，在 Global属性页面确定树木的基本骨架；其次，编辑树
木的树干、分枝和叶片属性。树木分枝按分层方式排列，一级分枝、二级分枝、三级分枝等；最后，添加叶片，编
沈阳农业大学学报（社会科学版），2010－11，12(6)：738-741
Journal of Shenyang Agricultural University（Social Sciences Edition），2010－11，12(6)：738-741
第 6期
图 3 稠李主干参数面板图 1 SpeedtreeCAD树木建模原理图 图 2 稠李整体参数面板
辑树叶形态、大小以及颜色等（图 1）。
（一）稠李形态特征
稠李(Padus racemosa)，蔷薇科，稠李属，落叶乔木，高 15m，叶椭圆形，先端尾尖，基部圆形，具细锐锯齿，托
叶与叶柄近等长。总状花序，有花 20余朵，基部有小叶 1~4，花白色，雄蕊比花柱短近一半。果卵球形，红褐色至
黑色。分布黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北等地。喜光，较耐寒，喜肥沃湿润的沙壤土。花序长而美丽，早春观
花观叶树种，果实招引鸟类，适宜作庭荫树、独赏树[10]。
（二）稠李模型创建
稠李是东北地区主要的绿化树种之一，树冠饱满，秋叶黄红色，在校园、公共绿地、城市公园等有广泛应用，
是良好的园林观赏树种。本研究主要从园林植物的观赏及设计应用的角度对稠李的外观形态进行模拟。
1. 整体骨架的设置 Global属性，主要参数为 Randomize，根据稠李的特征，随机筛选产生树木的总体形
态，模拟稠李的大体骨架。此属性页面显示稠李模型的分枝、叶片、叶状体的面片数以及模型整体坐标值（图2）。
2. 主干的设置 Trunk属性，主要设置稠李树干的长度、宽度、弯曲度、分枝长势。其中，稠李主干的长度和
半径是尤为重要的两个参数。Start angle控制树干相对于地面的生长方式。Flexibility决定树干的弯曲性，并沿
着树干长势而分布。根据稠李的自然情况，其细节部分通过半径曲线、弯曲度曲线、角度曲线而进一步完善。稠
李树皮的材质纹理，表现为贴图的 s坐标和 t坐标的横纵关系（图 3）。
3. 分枝的设置 Branches属性可设置稠李的分枝，Level1、Level2……分别表示一级分枝、二级分枝……。
所有属性通过调节曲线形式而实现。新枝相对于母枝（或上一级分枝）的生长角度，是决定稠李形态的重要参
数。分枝的弯曲度和重力性只有在风力作用下才被激活。与 Trunk类似，s坐标和 t坐标用于处理分枝纹理贴图
（图 4、图 5）。
4. 叶片的设置 稠李叶片贴图通过 Photoshop制作，以不同的叶片形式组合为叶群组，并存储于’png’或’
tga’格式。Leaves属性，通过图像文件选择器添加稠李叶片，可设置成 3~5种。叶片的大小及颜色只有在实时渲
染下有效。叶片的生成位置、树叶的稀疏稠密可自行调整，使所有叶片的分布呈自然化（图 6）。稠李大体效果图
（图 7），稠李模型面片数量，SpeedtreeCAD模型有一定的精细度。但是，在建模过程中，应当尽量减少多边形的
数量，可以降低系统资源消耗以及模型渲染时间。
5. 模型光照和风效果处理 SpeedtreeCAD中对稠李的光照分为三部分进行处理。首先，Lighting属性，有
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沈 阳 农 业 大 学 学 报（社 会 科 学 版） 第 12卷
图 4 稠李一级分枝参数面板 图 5 稠李叶片参数面板 图 6 稠李骨架图
图 8 稠李光照效果图 图 9 稠李真实照片
Branches、Leaves、Frond三个部分的材质球，每一个部位均可设置光照的反射、散射、高光、阴影色等；其次，设置
光源为动态，使分枝和叶片基于表面产生光照反应；最后，稠李的明暗度面积，一般为 30%比较适中。Wind属
性，主要设置树木的风摆效果，基于风扇而实现。稠李虚拟光照效果图与稠李真实照片对照（图 8、图 9）。
三、结论与讨论
（一）结论
根据 SpeedtreeCAD创建稠李模型的数据表明：从模型外观角度看，其真实度比较高，能够清晰准确地表达
树木的形态特征。也可作模型后期效果处理，运用光照属性，产生明暗以及颜色的变化，模拟光源生成阴影效
果，且能加入风场，产生随风摆动的效果，并能控制风摆幅度及强度，使树木模型具有动感效果，更加逼真。
SpeedtreeCAD软件的渲染速度比较快，可瞬间生成树木模型。SpeedtreeCAD软件的操作性简便，有良好的匹配
性，与 3DMax兼容，设计师可直观的使用参数编辑模型。
（二）讨论
目前最新研发的植物建模软件中，SpeedtreeCAD是一款功能相对中庸的软件。与 OnyxTree 和 Tree
Generator相比而言，SpeedtreeCAD创建的模型立体感更强，参数编辑更为系统，并增设了光照、风场、材质贴图
等功能，这是计算机软件在园林植物种植设计方面的重要突破，降低了后期处理效果图的复杂度，使设计方案
更为美观。而与北京林业大学王忠芝在 2009年研究的Xfrog相比[11]，其模型真实度稍逊色，最主要为 SpeedtreeCAD
图 7 稠李效果图
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第 6期
An Applied Research on the SpeedtreeCAD-based Virtual Tree Modeling
Technology
YANG Li-Xin， TIAN Zhen
(College of Forestry, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, Liaoning Province, China)
Abstract: In order to explore the virtual tree holographic modeling, a research on SpeedtreeCAD, a software
called plant modeling, was made, in which prunus padus was taken for example, the principle of editing the
basic parameters of trees was applied as basis, the settings were edited in the four areas of framework,
branch, leaf and effect of the model and the data of the model of the prunus padus in SpeedtreeCAD were
obtained. The result showed that the tree model generated by SpeedtreeCAD has a high trueform, dynamic
effect, fast rendering speed and easy maneuverability. Also, it is so excellently matchable as to be compatible
with 3DMAX. And in the garden landscape designing, this model can be effectively used to guide the effect
show of the plant arrangement and thus provides a very practical basis for the selection of gardening plant
species
Key words: virtual park trees; 3DMAX; SpeedtreeCAD; European bird cherry; gardens; landscape design
[责任编辑 于洪飞]
不能模拟植物生长动态模式，在园林设计中无法生成植物生长动画，使园林植物配置效果无可预见性。因此，
SpeedtreeCAD软件的功能仍需要进一步完善。但二者仍有共同之处，即均可模拟树木风摆效果，使植物模型更
具动感。
综上所述，通过研讨 SpeedtreeCAD虚拟园林树木建模技术，能够直观地探究植物形态结构。合理应用植物
建模软件，对指导园林植物配置效果表达以及植物物种选择有重要意义。
参考文献
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