張佳佳

(貴州民族大學 傳媒學院，貴州 貴陽 550025)

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少數(shù)民族建筑三維數(shù)字化模型的構建研究*

張佳佳

(貴州民族大學 傳媒學院，貴州 貴陽 550025)

少數(shù)民族建筑是建筑文化與人類文明演進的結晶，其蘊含的歷史信息、建筑技藝、審美形態(tài)都很值得研究。但由于人為性和自然性的破壞，少數(shù)民族建筑損毀嚴重。傳統(tǒng)的保護方法不能完全滿足需要，而三維技術為民族建筑的有效保護提供了新的途徑。本文分析了少數(shù)民族建筑三維數(shù)字模型的構建方法，重點介紹了模型制作流程及模型優(yōu)化方法。并用一個具體案例詳述了三維數(shù)字模型的制作過程。

少數(shù)民族建筑；數(shù)字化；三維模型

1 引言

少數(shù)民族建筑是一種文化形式的歷史沉淀[1]。它們形式豐富、風格各異。向人們傳遞了不同時期、不同地域少數(shù)民族的生活環(huán)境和生活狀態(tài)，體現(xiàn)了各民族的思想觀念、審美情趣和宗教信仰，具有珍貴的歷史價值和文化價值。然而，我國少數(shù)民族建筑現(xiàn)狀令人堪憂。一方面是城鎮(zhèn)化進程和人們自身居住的需要，很多有歷史價值的建筑被翻新重建，甚至拆毀；另一方面如果發(fā)生大規(guī)模的地質災害，民族建筑將遭受毀滅性的損壞。因此，對少數(shù)民族建筑進行有效的保護是一個重要的研究課題。目前對少數(shù)民族建筑的保護手段還停留在修繕、重建和建立傳統(tǒng)檔案上，這些手段還不能滿足全面保護工作的需要。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，可以將照片、測繪圖紙與三維動畫技術相結合，制作建筑三維數(shù)字模型和動畫展示，實現(xiàn)數(shù)字化的永久保存，以彌補傳統(tǒng)保護方法存在的缺陷。

2 模型制作的前期準備

在模型具體制作前，需要到實地考察收集相關資料，具體分為以下幾個方面。

(1)相關資料收集

首先要進行少數(shù)民族建筑相關資料的收集工作。主要針對少數(shù)民族建筑的歷史背景、人文環(huán)境、發(fā)展歷程收集資料。一般做法是調查采訪當?shù)鼐用窕虼砣宋?，用錄音筆或攝像機記錄重要內容。或者通過上網(wǎng)查找相關文獻資料，再對收集到的資料進行整理分析。收集這些資料的目的是為了更全面地了解少數(shù)民族建筑文化的背景和內涵，同時可以將其作為后續(xù)的系統(tǒng)交互展示的文字圖片素材，使用戶不僅看到三維模型，還可以通過文字圖片的介紹來了解少數(shù)民族建筑的文化。

(2)實地測量

實地測量指到少數(shù)民族建筑所在地進行各項數(shù)據(jù)的測量。目的是得到更準確的民族建筑的原始數(shù)據(jù)，以便精準地復原少數(shù)民族建筑的原貌。其中建筑外部和內部的尺寸數(shù)據(jù)是測量的重點。通過具體尺寸數(shù)據(jù)和CAD軟件詳細繪制出建筑的外部和內部結構，并繪制出建筑的正面結構圖、側面結構圖和底面結構圖。除此之外，還應該對少數(shù)民族建筑周邊的地形地貌和綠化情況做相應的測量。

(3)少數(shù)民族建筑照片的拍攝

為了在建模階段重現(xiàn)少數(shù)民族建筑的真實性，應該在實地測量的同時利用數(shù)碼相機對少數(shù)民族建筑進行全方位的拍攝。注意兼顧建筑物的各個角度，近景、遠景、特寫都要有[2]。重點拍攝建筑的紋理貼圖照片。紋理貼圖的拍攝包括少數(shù)民族建筑的正面、地面、屋頂、內部、外部等，甚至包括細微處的紋理貼圖，如木紋、石紋、磚紋、瓦片等紋理。拍攝照片的目的一是為了制作少數(shù)民族建筑模型及周邊環(huán)境模型做準備，二是為了制作少數(shù)民族建筑的貼圖素材。因此拍攝時不僅要注意畫面的整體性，同時還要注意避免曝光、陰影等問題。

3 模型制作流程

3.1 3DS MAX建模流程

少數(shù)民族建筑外觀模型采用3DS MAX軟件進行建模，民族建筑三維模型的建立是整個工作流程中非常重要的一環(huán)，其后的材質貼圖、燈光、動畫都是以模型作為基礎的。應用3DS MAX制作模型的流程如圖1所示。

圖1 3DS MAX模型制作流程Fig.1 The model production Process of 3DS MAX

3.2 CAD文件的導入

首先修改3DS MAX軟件的單位為毫米，將在CAD軟件中繪制好模型的正視圖、側視圖、剖面圖導入到3DS MAX中。

3.3 模型的建立

在模型的建立過程中，可以按同類建筑或結構分類，或是按少數(shù)民族分類，或是按地理區(qū)域分類進行制作。對于規(guī)則的結構形狀，可采用3DS MAX里的幾何體建模、多邊形建模、曲面建模、面片建模等方法來構建模型[3]。

3.4 模型的材質貼圖設計

大部分少數(shù)民族建筑由于受到風吹雨淋的侵蝕，實地拍攝的照片大都不能直接用于制作模型貼圖，需要利用專業(yè)的圖形圖像軟件Photoshop進行修復。同時照片拍攝過程中由于受到時間、角度、光照的影響，照片存在亮度不均、色彩差異等問題，也需要利用軟件對照片的色彩、亮度、對比度等進行調整。

為了使貼圖適合不規(guī)則結構模型，在photoshop中將貼圖大小制作成2的N次冪，在保存時寬高的像素大小不超過512*512為宜，貼圖長寬比盡量為1∶1或1∶2.

3.5 模型的優(yōu)化

模型建好之后，為了保證導入到虛擬現(xiàn)實環(huán)境中整個系統(tǒng)的流暢運行，需要對模型進行優(yōu)化處理，主要從以下幾個方面進行。

(1)刪除模型不可見的面

根據(jù)3DS MAX模型文件大小由面片數(shù)多少決定的原理，刪除多余的面來達到減小文件數(shù)據(jù)量的目的。例如在表現(xiàn)少數(shù)民族建筑的樓閣時，模型背部的面被屋檐遮擋住了，渲染畫面中看不見，可逐步找出不可見的面將其刪除?；蛘呖梢允褂?DS MAX的attach合并工具將多余的面合并成一個整體，也能達到優(yōu)化模型的目的。

(2)修改模型的面

在模型制作過程中，通常會用到大量的球體和圓柱體幾何模型，它們往往是導致文件數(shù)據(jù)量大的原因之一。例如一個圓柱體，6-12個面可以滿足精度要求，修改的方法是將圓柱體的邊數(shù)設為8，高度分段和邊分段設為1。

(3)模型的實例化

一個復雜的模型會由于使用大量相同的幾何體而導致存儲容量的增加。例如一座7層鼓樓建筑模型中的圓柱形柱子，會重復使用4-12次，大大增加了存儲空間。而實例化技術是一種減少幾何體數(shù)量的方法。實例就像一個對象的眾多影子，而實物就只有一個，內存中只裝入一次。操作方法一般是選取一個幾何體對象，以“實例”的方式進行復制。

(4)貼圖烘焙

制作好的少數(shù)民族建筑模型后期需導入到虛擬現(xiàn)實軟件中運行。為了在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中得到真實感光影效果和提高系統(tǒng)顯示速率，需要在三維軟件中對貼圖進行優(yōu)化。一般是采用貼圖的烘焙技術，方法是將貼圖通過UVW展開修改器展開為一個二維平面的貼圖，然后將貼圖導出，在圖像處理軟件中編輯使之更為精細，最后再將貼圖通過材質編輯器反貼回去。

4 案例

4.1 侗族鼓樓的結構

鼓樓是侗族村寨中最具標志性的建筑物之一。鼓樓采用傳統(tǒng)的木架構技術，整體建筑物全部用杉木鑿榫銜接,不用釘鉚,表現(xiàn)了高超的侗族建筑藝術[4]。鼓樓從外部形態(tài)上分為廳堂式、樓閣式、門闕式、塔式鼓樓四種類型；從屋頂形式上分為懸山頂、歇山頂、攢尖頂三種類型[5]。

無論哪一種類型的鼓樓，從立面造型上都可分為上、中、下三個部分。鼓樓的上部由不同類型的寶頂(如攢尖頂)和葫蘆形頂尖構成。鼓樓的中部是層層重檐疊加，形如寶塔的樓身。屋檐平面多為四邊形、六邊形、八邊形，檐角翹起。鼓樓的底部一般為方形的大廳，四周設有木質長凳，廳的中央設有火塘。從鼓樓內部結構來看，鼓樓主體由4根木柱作為承重立柱，從地面直達樓頂，形成內圈柱。外圈由12根木柱構成。這種內4外12的雙重柱體系還可衍生出很多其他的平面形式。另外，利用逐層內收的梁坊和設置的檐柱、瓜柱作為支撐，層層跳出樓檐，從而構成自上而下，逐層內收的水平架構體系[6]。

4.2 侗族鼓樓三維模型生成過程

為了反映鼓樓所包含的真實特性和建筑理念，在創(chuàng)建鼓樓三維模型時，要求用科學的方法進行建模和貼圖。

首先，導入繪制好的鼓樓的正視圖、側視圖、剖面圖，以圖片作為參考標準，將鼓樓分為三個部分進行制作。第一步制作鼓樓的整體框架，利用幾何體建模、陣列復制、實例化技術的方法進行制作，如圖2所示。第二步制作鼓樓的屋檐，屋檐的外型呈不規(guī)則狀，因此可以采取多邊形建模的方法，調整相應的點、線，達到效果，如圖3所示。第三步是創(chuàng)建鼓樓的寶頂和葫蘆形頂尖。寶頂由“蜜蜂窩”斗拱和四角攢尖頂構成，如圖4所示。

圖2 鼓樓整體框架圖Fig.2 The configuration diagram of drumtower

圖3 鼓樓屋檐圖Fig.3 The diagram of drumtower eaves

圖4 鼓樓頂部造型圖Fig.4 The top style diagram of drumtower

其次，為鼓樓的各個部分設置材質與貼圖。在設置時，每一個材質和貼圖對應一個名字，方便后面查找。對同一類型的對象，可賦予一樣的貼圖，如鼓樓的16根立柱都可以賦予“木柱”材質。對于不規(guī)則物體的貼圖，可使用UVW貼圖修改器或UVW展開修改器，如圖3中的屋檐是一個四角形的檐面，將貼圖直接賦予這個對象效果非常不理想。通過使用UVW展開修改器，調整好UV貼圖的坐標，得到正確的貼圖效果，如圖5所示。

圖5 屋檐貼圖效果Fig.5 The texture of eaves

最后，加入燈光，調整好攝影機的位置，對模型進行渲染，得到效果圖，如圖6所示。

圖6 模型渲染效果圖Fig.6 The Rendering output diagram of model

5 結語

中國少數(shù)民族建筑是歷史留給我們的文化遺產(chǎn)，對它的保護是一項任重道遠的工作。在高科技日新月異發(fā)展的今天，采用三維數(shù)字技術構建少數(shù)民族建筑的數(shù)字模型，不僅真實復原了少數(shù)民族建筑的實物，還記錄了少數(shù)民族建筑的各項數(shù)據(jù)信息。同時還可以將模型進行進一步擴展加工，如將模型加入三維動畫展示或虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，讓更多的人去關注民族建筑。對于少數(shù)民族文化的保護、傳承和發(fā)展都有著十分重要的意義。

[1]李芾,張仁靜,蘇靜. 三維動畫虛擬技術在少數(shù)民族建筑保護中的運用[J].大眾文藝,2013(06):178.

[2]水晶石數(shù)字場景部.水晶石技法3DS Max建筑模型技術手冊[M]. 北京：人民郵電出版社,2013:35.

[3]譚雪松,李如超,袁云華.3DS Max 2010中文版基礎教程[M]. 北京：人民郵電出版社,2010:100.

[4]蔡凌．侗族鼓樓的建構技術[J].華中建筑,2004(3)：137.

[5]蔡凌．侗族聚居區(qū)的傳統(tǒng)村落與建筑 [M] ．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：214.

[6]羅興華,彭國斌,趙勤恒. 三江侗族木架構古建筑三維虛擬展示設計的思考[J].藝術百家,2013(s2):171.

Construction Research on Three-dimensional digital Model of Minority Architecture

ZHANG Jia-jia

(College of Journalism&Communication Guizhou Nationalities University, Guiyang Guizhou 550025,China)

Minority Architecture is crystallization of accumulation of culture and the evolution of human civilization. The research on the historical information,building structure technology and aesthetical Forms is worth. However artifical and natrual damage will be almost destroyed the minority architecture to danger.And the traditional protection motheds cannot satisfy the requirement.The 3D technology provide a new method for protecting minority architecture.After introducting the method for building three-dimensional model of minority Architecture,the primary key techniques of model production process and optimal method are analyzed and reviewed in detail.By using a specific case,the manufacturing process of the three-dimensional model is intruduced.

minority architecture ;digital ;three-dimensional model

2015-12-20

貴州省科技廳、貴州民族大學聯(lián)合基金項目：“ 三維虛擬侗族建筑遺產(chǎn)漫游系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)”(項目編號：黔科合LH字[2015]7205)。

張佳佳(1981-)，女，侗族，貴州黎平人，講師、碩士。主要研究方向：網(wǎng)絡多媒體、數(shù)字動畫技術。

TP391.414

A

1673-6125(2016)01-0042-04