汪浩文，張 捷

(南京航空航天大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院， 南京 211106)

近年來，數(shù)字技術(shù)在古建筑保護(hù)方面的應(yīng)用不斷完善，并且為古建筑的數(shù)字化保存、數(shù)字化監(jiān)管、數(shù)字化設(shè)計及數(shù)字化展示等提供了一定的技術(shù)支撐。在數(shù)字虛擬現(xiàn)實方面，由于古建筑的造型特點相對復(fù)雜，空間構(gòu)件元素形式多樣，因此在仿真交互的過程中難以高精度地表現(xiàn)。此外，當(dāng)整個場景的總面片數(shù)過多時，系統(tǒng)平臺會出現(xiàn)渲染丟幀或硬件負(fù)荷過高的現(xiàn)象，降低了虛擬現(xiàn)實的體驗效果。因此，建模的細(xì)化及優(yōu)化方法、模型面片的優(yōu)劣程度將關(guān)系到整個古建筑虛擬現(xiàn)實體驗的成敗，成為亟需解決的核心問題[1-8]。

1 虛擬現(xiàn)實對古建筑模型的要求

虛擬現(xiàn)實是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，通過計算機(jī)的軟、硬件生成一整套三維虛擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的動態(tài)化視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，能夠讓使用者徹底沉浸于虛擬世界中。與傳統(tǒng)的計算機(jī)三維動畫和三維游戲的視效截然不同，它對模型的精細(xì)要求和材質(zhì)、燈光的仿真效果要求更加具體與細(xì)致。因此，作為結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件繁瑣的古建筑場景，應(yīng)格外注重分析與探討虛擬現(xiàn)實對古建筑模型的要求。

1.1 幾何建模的要點

古建筑模型的幾何建模要點特指對模型的層次關(guān)系與主屬關(guān)系的要求。層次關(guān)系如古建筑單體包含了瓦面層、梁架層、斗拱層、柱礎(chǔ)層及裝飾層等層級。而主屬關(guān)系指在虛擬現(xiàn)實運動的過程中，模型的主要構(gòu)件運動將帶動次要構(gòu)件進(jìn)行連鎖反應(yīng)。如虛擬地震過程，古建筑的立柱發(fā)生形變，橫梁也連帶發(fā)生倒塌。因此，在建模的過程中必須考慮各個構(gòu)件不僅需要按照實際幾何尺寸、比例關(guān)系進(jìn)行建模，還必須滿足模塊化、層次化及通用性要求，能夠合理地對模型進(jìn)行成組或分解，保證每個部件都是獨立的節(jié)點，擁有獨立的方位變換矩陣，以便滿足虛擬現(xiàn)實中局部或整體的各種動態(tài)仿真的需要。

1.2 模型的幾何分割要點

把模型場景分割成更小的“世界”或“單元”的過程被稱作為模型的分割，只有作為當(dāng)前單元的對象才會被精細(xì)渲染，這樣極大地減少了模型的復(fù)雜性。對于復(fù)雜的古建筑場景而言，分割是更加必要的。古建筑模型分割可以視覺的遠(yuǎn)近程度分為3個等級LOD(levels of detail),保證觀察者在不同角度和視線范圍內(nèi)，確保不同級別的模型能夠自然切換與順暢過渡。LOD應(yīng)當(dāng)遵循的特性是：視點距離建筑越近，模型越需要精細(xì)展示，中距離的觀摩可以適當(dāng)采用面片適中的精簡模型，而遠(yuǎn)距離的模型則可以采用簡?；蚝喣＝Y(jié)合圖像的方式對建筑模型進(jìn)行替代(圖1)。

圖1 斗拱三級LOD

2 古建筑建模方法中常見的缺陷

在虛擬現(xiàn)實的古建筑場景制作中，常用建模方法很多，例如通過3dsMax或Maya中的Mesh網(wǎng)格建模、Surface表面建模、Polygon多邊形建模及Nurbs曲面建模等，或者可以利用三維掃描技術(shù)中的逆向建模方法，對建筑群進(jìn)行三維掃描以獲取模型點云數(shù)據(jù)，再通過3dsMax或Maya深入建模。雖然建模的形式非常多樣，但對于多邊形冗余的古建筑場景而言，如果不從虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的角度全面地對建模方法進(jìn)行思考與分析，那么極易出現(xiàn)很多常見的缺陷。

2.1 模型的面片數(shù)量過多

通常情況下，古建模型的細(xì)節(jié)程度是影響虛擬現(xiàn)實仿真度的重要指標(biāo)。但是建立模型的目的是為了給觀察者創(chuàng)建一個虛擬的環(huán)境，滿足其在空間中實現(xiàn)動態(tài)觀察與交互的實現(xiàn)，因此在建模的過程中必須考慮虛擬現(xiàn)實整體系統(tǒng)的綜合功能。盲目追求模型的細(xì)膩程度，通過大量的面片去實現(xiàn)古建筑模型的各個造型構(gòu)件，無疑會影響整個場景數(shù)據(jù)庫整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，從而破壞虛擬現(xiàn)實體驗的順暢性。

2.2 模型的拼接關(guān)系錯誤

古建筑模型的局部構(gòu)件不是用一個外形吻合的幾何形狀就可以概括表現(xiàn)，因為它是由多個實體模型拼接而成，但是這種拼接并非簡單的積木搭接方式，如果拼合關(guān)系不正確，會引起模型的面片重疊，即多個面片會爭奪同一坐標(biāo)系(如圖2)。這在虛擬現(xiàn)實實時渲染時，會導(dǎo)致計算機(jī)的Z-Buffer消隱算法無法判斷哪一個面片應(yīng)當(dāng)優(yōu)先渲染，引起畫面出現(xiàn)頻繁閃爍的現(xiàn)象。避免這種錯誤的有效途徑是針對重疊的模型構(gòu)件進(jìn)行單面建模處理或通過子面模式進(jìn)行刪減設(shè)置。

圖2 爭奪Z值

2.3 模型的網(wǎng)格布線混亂

在古建筑場景中，一些曲面程度較高的，如斗拱、吻獸、雕塑等局部造型需要通過網(wǎng)格布線的方式對模型進(jìn)行完善。在具體建模的過程中，網(wǎng)格布線為了滿足造型的需要，網(wǎng)格控點在建模時會根據(jù)造型需要進(jìn)行坐標(biāo)調(diào)整。而網(wǎng)格的大小、疏密度，以及網(wǎng)格的形狀有可能成為被忽略的對象。這樣的布線方式在虛擬現(xiàn)實靜態(tài)呈現(xiàn)的過程中是沒有問題的，但是在模型需要完成類似動態(tài)變形的演示時，布線雜亂的模型會使面片發(fā)生褶皺或黑面的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致虛擬現(xiàn)實的視覺效果失真，因此模型的網(wǎng)格形狀與布線規(guī)律在虛擬現(xiàn)實的動態(tài)模擬中仍是值得思考的重要問題(圖3)。

3 古建筑建模方法的新思考

古建筑模型的建模方法應(yīng)當(dāng)充分考慮虛擬現(xiàn)實的平臺特性，并以精準(zhǔn)、恰當(dāng)?shù)拿嫫峙浞绞酵瓿赡Ｐ蛨鼍暗恼w創(chuàng)建，這就意味著不僅需要在建模環(huán)節(jié)注重把握好模型的幾何造型，同時也需要找尋一種適合虛擬現(xiàn)實動態(tài)呈現(xiàn)、并具備高仿真度的模型細(xì)化和優(yōu)化的方案。

圖3 布線混亂

3.1 利用樣條線建模細(xì)化模型

古建筑模型的構(gòu)件如窗花、格柵、梁架等可以通過二維樣條線編輯先建立模型的截面圖形，再沿相應(yīng)的路徑放樣成三維實體模型。在截面的處理過程中應(yīng)該考慮放樣后模型面片的連貫性與整體性，即放樣后的模型不能存在面片的重合及穿插等現(xiàn)象(如圖4)。因此，在繪制中應(yīng)當(dāng)仔細(xì)觀察圖形各頂點的實際焊接情況，確保圖形能夠以閉合狀態(tài)整體放樣。在創(chuàng)建實體模型后，模型段數(shù)可以利用蒙皮屬性進(jìn)行直接設(shè)置，將xyz三坐標(biāo)下的模型段數(shù)根據(jù)模型的實際情況進(jìn)行精確分段設(shè)置并保障模型的面片質(zhì)量(圖5)。

圖4 樣條線放樣

圖5 段數(shù)變化

3.2 利用多邊形建模細(xì)化模型

對于古建筑模型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)折豐富或曲面狀態(tài)的模型構(gòu)件，如吻獸及室內(nèi)家具、假山、雕塑小品等，需要利用多邊形的建模方式進(jìn)行創(chuàng)建，在創(chuàng)建時應(yīng)當(dāng)保持單面建模的習(xí)慣，即每個單面的背面都需要及時進(jìn)行背面消隱，確保模型的法線顯示始終朝外，避免虛擬現(xiàn)實渲染時光線追蹤的計算量過大。同時在曲面造型的布線方式上應(yīng)當(dāng)采用有利于動畫計算的四邊形布線(圖6)，對于因造型特征原因所無法避免的三角面或五邊形面，盡量放置于模型的隱蔽位置，確保動畫過程中的破面、褶皺、黑面現(xiàn)象不過于明顯。此外，需要在模型的轉(zhuǎn)折區(qū)域及結(jié)構(gòu)穿插區(qū)域進(jìn)行大量布線與細(xì)化，確保吻合相應(yīng)特征，而對于模型平整的面片區(qū)域盡可能弱化布線，使模型整體布線稀密得當(dāng)，這樣也利于后繼的Nurms網(wǎng)格平滑對模型的結(jié)構(gòu)柔化做出準(zhǔn)確的細(xì)分判斷，并確保模型的轉(zhuǎn)折與穿插等結(jié)構(gòu)關(guān)系過渡自然。

圖6 吻獸模型四邊形布線

3.3 幾何優(yōu)化

模型的幾何優(yōu)化其實是為了滿足古建筑模型分割的具體要求，在有效保證模型精度的同時也能夠?qū)崿F(xiàn)硬件的低資源消耗。在具體的做法上可以利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和貼圖置換兩種方法針對模型的幾何造型進(jìn)行綜合優(yōu)化。

1) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

古建筑構(gòu)件不僅類型豐富同時形式變化多樣。模型的咬合部位存在大量不可見的面片。例如模型中的梁架層、斗拱層與柱礎(chǔ)層等存在很多榫卯咬合現(xiàn)象，因此在模型的優(yōu)化處理中不僅要去除模型的冗余分段，而且要刪除因遮擋關(guān)系無法看見的各個面片(圖7)。此外，考慮到虛擬現(xiàn)實平臺的通用性，場景中盡量不使用凹多邊形，否則系統(tǒng)將對其進(jìn)行自動切分或補(bǔ)償，極易引起畫面卡頓現(xiàn)象。所以，理想的處理方式應(yīng)當(dāng)是在不影響模型輪廓、結(jié)構(gòu)關(guān)系的情況下，將凹多邊形分割成若干個較小的凸多邊形進(jìn)行拼接與組合(圖8)，在操作時應(yīng)注意每個面片的分割大小均衡，確保細(xì)分后的模型面片平順光滑。

圖7 需優(yōu)化的面片

圖8 多邊形變化

2) 貼圖置換

對于古建筑場景的鏤空墻面與門窗等，在制作過程中可以靈活運用貼圖置換的方式代替實物模型。即針對場景中非主體區(qū)域的構(gòu)件，創(chuàng)建出模型的主要體塊，而體塊內(nèi)部的鏤空樣式與紋理造型等則可采用材質(zhì)系統(tǒng)的透明、凹凸及混合等遮罩功能對模型進(jìn)行置換(圖9)，從而避免由樣條線擠出所產(chǎn)生大量冗余的三角面數(shù)據(jù)，為實時瀏覽奠定了基礎(chǔ)，也可以保證模型的渲染效果。

圖9 貼圖置換

3.4 場景烘焙

場景烘焙是把古建筑的光影信息烘焙到貼圖上。這樣即使場景中沒有設(shè)置虛擬燈光，模型仍能呈現(xiàn)帶有光照信息的表面紋理與真實光效，通過這樣的處理方法可以在有效節(jié)省系統(tǒng)資源的同時加快渲染速度。盡管貼圖烘焙能為古建筑虛擬現(xiàn)實提供一定的視覺效果。但是在虛擬現(xiàn)實的實際應(yīng)用中，由于動態(tài)對象不能很好地融合在靜態(tài)場景中，它的光線會顯得比較突兀，有時候極易與靜態(tài)場景脫節(jié)。如果要為動態(tài)對象增加實時烘焙計算，會增加較多的硬件消耗時間，因此可以通過在場景中靈活地設(shè)置一定數(shù)量的Light Probes探測器去探測場景周圍的明暗信息，然后對動態(tài)對象鄰近的探測器進(jìn)行插值運算，并將其插值結(jié)果作用于動態(tài)對象上，以便于虛擬現(xiàn)實在硬件低資源消耗的基礎(chǔ)上實現(xiàn)靜態(tài)場景與動態(tài)對象的實時融合效果。

4 結(jié)束語

綜上所述，古建筑虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)與核心是三維建模技術(shù)。完成一個好的虛擬現(xiàn)實作品必須深度剖析虛擬現(xiàn)實平臺特性與建模原理之間的邏輯關(guān)系。以優(yōu)秀的建模思路及靈活的建模手段為虛擬現(xiàn)實的真實性、易用性、穩(wěn)定性及便捷性做出積極有效的保障，從而給觀察者提供良好的仿真及交互環(huán)境，有效實現(xiàn)古建筑場景虛擬現(xiàn)實建模的價值最大化。