曹愉航 石曉樂 吳迎鵬 王 瑞 代 超 姜立婷

數(shù)字技術(shù)在建筑三維虛擬表現(xiàn)中的應(yīng)用

曹愉航 石曉樂 吳迎鵬 王 瑞 代 超 姜立婷

數(shù)字技術(shù)的高速發(fā)展正逐漸影響到人類社會(huì)的各方面，包括傳統(tǒng)的建筑領(lǐng)域。本文根據(jù)制作歷史建筑三維模型，進(jìn)而制成由外部到內(nèi)部漫游視頻的經(jīng)歷，探討了所涉及的數(shù)字技術(shù)及其在建筑三維虛擬表現(xiàn)中的應(yīng)用（包括技術(shù)路線、流程等）以及應(yīng)用體會(huì)等問題。

近年來，高速發(fā)展的數(shù)字技術(shù)逐漸滲透到人類社會(huì)的各個(gè)方面，也波及了傳統(tǒng)的建筑領(lǐng)域。數(shù)字技術(shù)不僅為建筑設(shè)計(jì)提供了全新的工作媒介，提高了工作效率，還通過運(yùn)用新的表達(dá)媒介，使建筑三維虛擬表現(xiàn)成為可能，彌補(bǔ)了觀者無法感受建筑內(nèi)部空間的不足。

三維虛擬表現(xiàn)是在完成空間方案設(shè)計(jì)后的一種效果表現(xiàn)，它綜合了模擬空間的造型、色彩、材質(zhì)、燈光等在空間中的視覺效果。通過建筑的三維虛擬表現(xiàn)對(duì)建筑進(jìn)行全方位的觀察，并可自由控制游覽路線，在此過程中獲得強(qiáng)力的感官?zèng)_擊。

目前較流行的三維模型制作表現(xiàn)的數(shù)字技術(shù)軟件有Auto CAD、SketchUp、Photoshop、After Effect、Premier、Fraps、3D Max、Rhino、Lumion以及相關(guān)插件Vray等。其中Lumion于2010年11月首次發(fā)布，設(shè)計(jì)師對(duì)其較為陌生，正處于逐漸被推廣使用階段。本文根據(jù)制作歷史建筑三維模型及漫游視頻的經(jīng)歷，探討所涉及的數(shù)字技術(shù)及其在建筑三維虛擬表現(xiàn)中的應(yīng)用（包括技術(shù)路線、流程等）以及應(yīng)用體會(huì)等問題，并總結(jié)出一套簡單、高效、實(shí)用的運(yùn)用數(shù)字技術(shù)的方法模擬建模和視頻處理工作流程。

對(duì)數(shù)字技術(shù)的認(rèn)識(shí)

Auto CAD

Auto CAD，即Computer Aided Design，是一款應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，在建筑方面主要用于二維制圖。CAD在建筑模型制作過程中由于其完善的圖形繪制、編輯功能而被用于繪制精準(zhǔn)的建筑二維圖形。使用者根據(jù)確定的數(shù)據(jù)，可在較短時(shí)間內(nèi)繪制出線稿，且能批量復(fù)制，節(jié)省繪圖時(shí)間。CAD可以將平面圖形導(dǎo)出至SketchUp， 3D Max等軟件中，進(jìn)一步建立三維模型。

Adobe Photoshop（PS）

PS是一款圖像處理及圖形制作軟件，在建筑模型制作方面主要用于處理貼圖圖像。PS強(qiáng)大的圖像處理功能如圖像編輯、合成、特效制作等，可將圖像處理得更加完美，滿足使用者的視覺需求。

SketchUp

SketchUp是Google旗下一款三維模型設(shè)計(jì)制作軟件，用以表達(dá)設(shè)計(jì)制作者的思想并將其立體化呈現(xiàn)。在建筑模型制作方面主要應(yīng)用于建立確定數(shù)據(jù)的建筑模型。使用者可以根據(jù)數(shù)據(jù)確定模型的平面，進(jìn)而通過推拉等操作形成體塊，體塊之間相互組合形成需要建立的模型，整個(gè)操作過程直觀簡明。

3D Max

3D Max是一款三維模型制作與渲染軟件。制作建筑模型時(shí)，3D Max主要用于建模、材質(zhì)附加與模型渲染三方面。建模的方法為Grid網(wǎng)格建模，這為使用者提供了三維的建模環(huán)境，更精確地展示建模細(xì)節(jié)。材質(zhì)編輯器可令附與材質(zhì)后的模型表現(xiàn)出更真實(shí)的效果。同時(shí)，3D Max自帶儲(chǔ)備詳盡材質(zhì)庫，以滿足各類渲染效果。

Lumion

Lumion是一款3D動(dòng)畫制作軟件，在建筑方面的應(yīng)用是創(chuàng)建由SketchUp、3D Max等軟件導(dǎo)入的建筑模型的場(chǎng)景，并制作動(dòng)畫。Lumion可對(duì)已有建筑模型進(jìn)行材質(zhì)的渲染或二次附加，也可從內(nèi)容庫中選取植物、家具、人物等添加在模型中，使場(chǎng)景更豐富。相較于其他動(dòng)畫制作軟件，Lumion自帶的景觀、地形、場(chǎng)景效果等更加逼真。同時(shí)Lumion的動(dòng)畫制作過程也更為簡單，在建成的場(chǎng)景中設(shè)置鏡頭路徑，計(jì)算機(jī)便將自動(dòng)完成動(dòng)畫渲染，讓使用者感覺更加直觀且更具感染力。

Fraps

Fraps是一款視頻捕捉軟件，在建筑方面的應(yīng)用在于為不具有創(chuàng)建動(dòng)畫的軟件進(jìn)行動(dòng)畫錄制。Fraps操作簡單，且錄制的視頻質(zhì)量高，只要打開軟件便可捕捉運(yùn)行程序中的所有圖像。例如可以在Google Earth中錄制建筑物的區(qū)位和環(huán)境分析等，為建筑視頻的制作提供了豐富素材。

Adobe premiere/After Effects（AE）

Premiere是一款視頻編輯軟件，在建筑方面的應(yīng)用主要為編輯完善建筑動(dòng)畫。Premiere擁有素材編輯、輸出、DVD刻錄等功能，可對(duì)已有的動(dòng)畫素材進(jìn)行剪輯、添加效果、添加音樂等，使整個(gè)視頻更連貫完整。AE則是Premiere的兄弟軟件，除了具有Premiere的視頻編輯功能外，還有著更為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)圖形設(shè)計(jì)功能，是一款專業(yè)高端的視頻設(shè)計(jì)軟件。

數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用

利用數(shù)字技術(shù)軟件創(chuàng)建歷史建筑三維模型，進(jìn)而制成由外部到內(nèi)部的漫游視頻，主要包括數(shù)據(jù)采集、處理，創(chuàng)建三維模型，以及三維模型的可視化等過程。主要技術(shù)路線如下。

流程

資料收集和提取數(shù)據(jù)

該階段是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字技術(shù)中最重要的環(huán)節(jié)之一，資料收集的完整性對(duì)下述各環(huán)節(jié)的有效實(shí)施產(chǎn)生直接影響。需收集的數(shù)據(jù)包括建筑模型的長、寬、高等尺寸，建筑后期所需貼圖的圖像，貼圖紋理的參數(shù)，建筑所在區(qū)域的氣候、地理位置，基地環(huán)境等。

建筑長、寬、高可通過查閱相關(guān)建筑介紹，收集相關(guān)圖紙獲得。建筑所在區(qū)域氣候及地理位置數(shù)據(jù)，可通過瀏覽相關(guān)國家的氣象部門網(wǎng)站或者運(yùn)用相關(guān)專業(yè)軟件模擬得出。而建筑基地環(huán)境則可通過商業(yè)地圖軟件查獲相關(guān)的衛(wèi)星圖片。

形成建筑底圖dwg數(shù)據(jù)

煙氣脫硫是降低煤燃燒所產(chǎn)生的主要污染物二氧化硫的重要措施。吸收塔是脫硫工藝中的主要結(jié)構(gòu)，屬于大型薄壁殼體鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)備受到自重、漿液、風(fēng)、地震及操作壓力等荷載的影響，同時(shí)塔體的大開孔削弱了塔體強(qiáng)度，塔頂還自帶高煙囪，使得塔體受力十分復(fù)雜，難以用經(jīng)典解析方法弄清楚塔體的受力情況。文中以某自帶煙囪的高塔型脫硫吸收塔為研究對(duì)象，用MIDAS有限元軟件對(duì)吸收塔進(jìn)行建模計(jì)算，分析出吸收塔在各工況下的強(qiáng)度及變形，并通過線性屈曲分析的方法分析了吸收塔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

運(yùn)用AutoCAD軟件，通過高分辨率的平面圖像，描繪出所需的建筑模型及周圍場(chǎng)景的底圖，把模糊的光柵圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為精確的矢量圖像數(shù)據(jù)，然后分層保存建筑部分與基地周圍場(chǎng)景部分。在分層過程中，一定要理清條理，明確分層內(nèi)容，避免出現(xiàn)項(xiàng)目推進(jìn)到一半回頭重新分層的情況。

建筑物底圖數(shù)據(jù)

把步驟2.2.2中保存的基地底圖中建筑部分的圖像導(dǎo)入到三維建模軟件SketchUp或3D Max中，使之形成可用的三維模型底圖。同樣把場(chǎng)地部分的圖像導(dǎo)入到三維建模軟件中，另形成一份供場(chǎng)地建模使用的底圖。這一過程中需注意能簡化的邊、線一定要盡可能簡化。導(dǎo)入的底圖文件單位一定要與使用的三維建模軟件相統(tǒng)一。導(dǎo)入時(shí)如果是多邊形建模軟件，一定要注意用適當(dāng)?shù)姆侄畏置鏀?shù)，以減少接下來作圖中可能遇到的不必要的麻煩。

建筑物閉合底面

把導(dǎo)入的建筑底圖矢量文件成組，進(jìn)入組中修整線頭，得到一套完整的、各區(qū)域閉合的建筑底圖。然后縫合底面，使建筑底圖成面，并檢查各部分未成面的區(qū)域，使之完全縫合成面并成組。同樣把導(dǎo)入的場(chǎng)地底圖矢量文件封面、成組。

建筑物裸模型

建模過程以應(yīng)用SketchUp為例。

進(jìn)入底面文件組中，把相應(yīng)各部分建筑模型與相關(guān)圖片資料作對(duì)照，從二維平面生成完整的三維建筑輪廓，然后對(duì)照細(xì)部，細(xì)化各部分模型并成組。在修改中每一物件都要成組，以便于修改、簡化。另外生成組件在修改等工作中也會(huì)很有幫助，如要建一排柱子，可把一個(gè)柱子成組之后進(jìn)行復(fù)制，而當(dāng)需要修改這些柱子時(shí)，只需對(duì)其中一個(gè)柱子進(jìn)行修改，就可獲得全部柱子均被修改的結(jié)果。對(duì)于一些特別精細(xì)的地方（例如浮雕，復(fù)雜線腳裝飾等），先統(tǒng)一做成面域留待后期處理時(shí)進(jìn)行修改。期間賦予各面域簡單的材質(zhì)貼圖，利于直觀、快速建模，以及后期賦予高級(jí)材質(zhì)時(shí)區(qū)分模型各部分。最后把模型導(dǎo)出相應(yīng)的 3ds文件以及skp文件與3D Max，Lumion銜接，渲染模型。在導(dǎo)出過程中，調(diào)出樣式菜單，在純色模式下顯示模型，檢查模型的各個(gè)面，確保模型向外的面都為正面，以避免導(dǎo)至其他軟件中出現(xiàn)破面、漏面等情況。

賦予模型材質(zhì)并渲染的過程，可使用以下方法，一套是基于Lumion軟件為核心的方法，另一套主要使用的軟件則是3D Max。本文以操作更為簡易的Lumion來進(jìn)行闡述。

建筑物模型

為使模型看起來更加生動(dòng)，需賦予模型貼圖。墻體紋理圖片的制作需在Photoshop中完成。利用相關(guān)模型的立面圖片，加入紋理并賦予其光澤、凹凸等效果，使紋理貼圖更加接近于真實(shí)質(zhì)感。紋理貼圖調(diào)整成尺寸為512*512分辨率的圖片，這可使圖片適應(yīng)模型“面”的同時(shí)，在空間占用、復(fù)雜程度上取得平衡。對(duì)于一些浮雕效果和一些復(fù)雜的線腳、裝飾等，可不必為這些效果單獨(dú)建模、渲染，因?yàn)檫@樣既占用模型空間又浪費(fèi)時(shí)間?？色@得這些裝飾、浮雕的圖像于Photoshop中處理成有凹凸感的貼圖，然后貼到相應(yīng)的面域上。對(duì)于玻璃、金屬等材質(zhì)，需要找好相應(yīng)的材質(zhì)的底色，然后給圖片定好一個(gè)適中的尺寸即可。

把模型導(dǎo)入Lumion，打開材質(zhì)編輯器，把在Photoshop中制作好的紋理貼圖導(dǎo)入Lumion中，調(diào)整好地面的粗糙感、玻璃的透光和反射率、顏色等各種紋理參數(shù)，并置換對(duì)應(yīng)的貼圖，對(duì)照模型上材質(zhì)顯現(xiàn)的效果進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整。

創(chuàng)建建筑場(chǎng)景

三維虛擬表現(xiàn)是真實(shí)的建筑與周圍環(huán)境、場(chǎng)景的再現(xiàn)，所以還需要構(gòu)筑出建筑周圍的場(chǎng)景模型。

在Lumion中，根據(jù)收集到的周圍場(chǎng)景信息，通過地形創(chuàng)建工具建立起相應(yīng)的高差等地形條件，并回到SketchUp中把需要的粗略場(chǎng)景信息創(chuàng)建出來，導(dǎo)入到Lumion中。通過外部組件插入人、物件、樹木等，豐富場(chǎng)景。并在Lumion中調(diào)整好太陽的高度角、不同的氣候特點(diǎn)、一天中的顯現(xiàn)時(shí)間等場(chǎng)景氣候參數(shù)。

動(dòng)畫錄制渲染

在Lumion中，調(diào)出視頻錄制管理器，在當(dāng)前場(chǎng)景中開始設(shè)置視頻錄制片段，通過調(diào)整鏡頭的遠(yuǎn)近、方向來確定視角，捕捉視頻，并利用控制人物行走路線、鳥兒飛翔路線、叫聲等，來豐富視頻場(chǎng)景。根據(jù)計(jì)劃中的視頻片段錄制每段視頻，在錄制完成后，通過自由的剪輯器進(jìn)行初步的剪輯，特效處理，并利用照明、效果處理等修改器，進(jìn)行照明修改、氣候場(chǎng)景的改進(jìn)。

在動(dòng)畫錄制渲染中，也可運(yùn)用Fraps配合建模軟件，省去渲染所需的大量時(shí)間及精力，同樣可以取得不錯(cuò)的效果。在SketchUp模型建出以后，賦予相應(yīng)的材質(zhì)，設(shè)定鏡頭，在SketchUp中直接導(dǎo)出視頻。然后在場(chǎng)景的制作上，運(yùn)用Fraps抓取商業(yè)地圖軟件的動(dòng)態(tài)三維場(chǎng)景，制作成視頻。把模型視頻與場(chǎng)景視頻合并，待后期動(dòng)畫處理。

后期動(dòng)畫處理

把渲染好的視頻導(dǎo)入視頻處理軟件Premiere，把視頻放入視頻軌道，把外部講解語音進(jìn)行簡單調(diào)整降噪處理后放入音頻軌道，調(diào)整并剪接使視頻與音頻合理同步。按照計(jì)劃視頻路線，穿插、剪接視頻片段，使整段視頻完整、連貫并隨之調(diào)整音頻軌道保持同步。

在視頻剪接完成后，把剪接好的視頻放入AE處理后期效果。處理好每段視頻的銜接效果、字幕效果、視頻中所要體現(xiàn)出來的氛圍，添加各種濾鏡使整段視頻更加豐滿。

模型案例

通過運(yùn)用相應(yīng)數(shù)字技術(shù)軟件制作了圣彼得大教堂的三維建筑模型及動(dòng)畫漫游視頻。

應(yīng)用體會(huì)

通過制作上述具體案例，對(duì)所應(yīng)用的數(shù)字技術(shù)軟件有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。CAD使用廣泛，制圖精準(zhǔn)、高效，為使用者的制圖帶來方便。PS功能強(qiáng)大，可對(duì)圖像進(jìn)行各種編輯、效果處理，但PS為位圖軟件處理，圖形清晰度受像素大小限制，放大一定比例后便會(huì)出現(xiàn)模糊的情況。SketchUp建模過程簡單，易獲得三維視圖效果，可直觀感受模型的立體效果，但其在曲面等復(fù)雜形態(tài)的建立方面略顯不足，無法確定數(shù)據(jù)；同時(shí)其自帶的功能有限，所以需要借助其他插件來彌補(bǔ)，且基于多邊形建模原理的內(nèi)核使得軟件內(nèi)部經(jīng)常出錯(cuò)，經(jīng)常要在補(bǔ)面、檢查中浪費(fèi)大量時(shí)間。3D Max渲染效果逼真生動(dòng)，材質(zhì)庫資源豐富，但建模與渲染過程中參數(shù)較復(fù)雜難控制，而軟件的學(xué)習(xí)和熟練操作也是一大挑戰(zhàn)，需要大量的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)來支撐。Lumion的場(chǎng)景效果較真實(shí)且創(chuàng)建過程簡單，易編輯的場(chǎng)景及材質(zhì)修改器也是這個(gè)軟件的一大特色，不足的是Lumion只具有編輯模型的功能但自身卻無法創(chuàng)建模型，只能依附于其他模型制作軟件，因此便要求模型的制作過程不準(zhǔn)許出現(xiàn)失誤，這對(duì)于使用者來說是一項(xiàng)極大的挑戰(zhàn)；而且Lumion較3D Max這類軟件來說功能不夠強(qiáng)大，效果也不夠逼真，所提供的錄像功能也比較簡單，相對(duì)于其他軟件來說還存在著資源占用較高的情況，需要強(qiáng)大的機(jī)器配置來支撐。Fraps的錄制操作簡單方便，但是錄制的畫面僅限電腦運(yùn)行軟件中的，卻無法錄制整個(gè)電腦屏幕的，而除此之外再無其他功能，所以只能作為這一系列軟件的輔助軟件。

綜上，各種技術(shù)均有其優(yōu)點(diǎn)和不足，只有對(duì)其深入了解、靈活配合應(yīng)用，才能達(dá)到理想效果。

結(jié)語

建筑是典型的三維視覺藝術(shù)，因而三維虛擬建模是一種重要的建筑表現(xiàn)形式，其中有多種技術(shù)和方法可供建模使用。每個(gè)建模方法和技術(shù)有各自的優(yōu)勢(shì)與不足。本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套簡單、高效、實(shí)用的運(yùn)用數(shù)字技術(shù)的方法模擬虛擬現(xiàn)實(shí)的建模和視頻處理模式的工作流程，希望能給予相關(guān)人員一定幫助和參考。同時(shí)制作的歷史建筑三維模型漫游視頻也可作為教師教授相關(guān)課程的輔助課件使用，以彌補(bǔ)學(xué)生無法直觀的感受建筑方面的不足，強(qiáng)化對(duì)學(xué)生空間觀念建立的培養(yǎng)，以及加深對(duì)經(jīng)典歷史建筑空間的理解。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.012