三维仿真动画与既有建筑保护——典型历史风貌建筑综合改造示范工程

王彦华 姜 立 赵艳辉 张 雷

(中国建筑科学研究院，北京 100013)

1 引言

天津作为国家级历史文化名城，显著标志之一是拥有形式多样的历史风貌建筑。开展好历史风貌建筑保护工作的关键环节是建立丰富、完善的基础档案，并以此指导历史风貌建筑的维修和使用。[1]传统的档案如:历史照片、历史图纸和现状测绘图等还不能满足保护工作的需要，这是因为这些资料不够直观、全面，不能完整、细致的反映历史风貌建筑内外部全景及每一个建筑细部。因此，只有将计算机图形技术与历史风貌建筑测绘图纸、照片等资料相结合，制作的三维演示成果，才能满足历史风貌建筑档案的需要。这种电子档案不仅可以满足保护工作的需要，还可成为历史风貌建筑宣传的重要渠道，让公众足不出户进行浏览参观，实现与天津市历史风貌建筑的“零距离”全景接触。

1.1 三维动画技术概述

CG是Computer Graphic(计算机图形图像)首字母的缩写。在CG行业的各类动画中，最有魅力且运用最广的当属计算机3D动画，即三维动画。

三维动画是一种用计算机模拟空间造型和运动的动画形式，是纯粹的计算机技术的产物。三维动画的本质是通过计算机的运算和处理，建立三维物体造型，并使该物体在三维空间运动。用三维动画来表现内容主题，具有概念清晰、直观性强、视觉效果真实等特点[2]。

1.2 三维动画技术的优势

历史风貌建筑三维仿真动画是运用计算机图形图像技术，结合历史风貌建筑详细测绘成果、历史照片、历史图纸等资料，建立详实三维物体模型，对历史风貌建筑的内外部场景和周围环境予以仿真再现，并使建筑模型在三维空间不同角度予以展示。相对于传统的实景拍摄影片和照片而言，三维动画有如下优势:

(1)实拍不能完成的镜头可通过三维动画来模拟完成;

(2)能够对所表现的历史风貌建筑中已损坏的内外场景，通过已掌握的历史图纸、历史照片等历史资料进行仿真复原，展示历史原貌;

(3)实拍成本过高的镜头如航拍镜头等，可通过三维动画实现，以降低成本;

(4)相对于录像片、照片的单薄表现力而言，三维动画具备电影般的画面品质和震撼效果，可具备珍藏的价值。

2 在实际工程中的应用过程

天津市历史风貌建筑原法国工部局大楼建于1934年，原为法租界董事会下属工部局中的警察部，后改组为工部局，实为法租界的警察局。该建筑为四层混合结构楼房，清水墙面，里面较为简洁，强调三段式古典构图(如图1所示)。

图1 原法国工部局大楼

天津市历史风貌建筑原盐业银行大楼建于1928年，当时为盐业银行的总部大楼，由中国著名设计师沈理源设计。盐业银行大楼为钢筋混凝土砖混结构建筑，外立面以红砖墙为主调，平面近似矩形，入口两侧采用爱奥尼克巨柱支撑的空廊，檐部阁楼用方柱，上下呼应，气势雄伟壮观，充分显示了罗马古典复兴的建筑风格。厅内顶棚用黄金等材料构成“蓝天飞凤满天星”图案。地面、廊柱均以豪华大理石镶嵌。装饰富丽堂皇。整座建筑以博大壮观、豪华、精美反映出金融建筑的特征(如图2所示)。

图2 原盐业银行

接下来我们就以上述两个典型历史风貌建筑为实例，详述其仿真三维动画的制作过程。

2.1 制作前期准备工作

制作前的准备工作非常重要。首先是去现场实拍一些高分辨率的相片，拍摄相片时要注意兼顾建筑的各个角度，尽量做到周全，近景远景丰满。另外对于主要建筑的细节纹理的拍摄尤为重要(在后期处理模型的材质和纹理时必不可少)。在原盐业银行的拍摄中，由于其独特的建筑风格，所以无论其建筑的内外，都有大量的纹理细节需要拍摄收集(如图3所示)。

图3 原盐业银行大楼纹理细节

接下来就是收集整理主要建筑及周边建筑的详细尺寸测绘图，包括一些历史资料和历史相片。经过整理后，将有参考价值的图片及数字进行分类和存档以备用。

2.2 撰写分镜脚本文稿

确定要表现的室外及室内的重要元素场景细节，规划相机运动的路径，保证视觉运动流畅并覆盖所有重要元素，不可使画面衔接突兀或遗漏细节;以此为原则，按顺序撰写表现不同场景内容的分镜脚本，标注清楚每个镜头的大致运动路径、持续时间、及展示对象。

2.3 搭建三维场景模型

参考测绘图纸提供的具体尺寸信息，以真实尺寸在三维环境中搭建模型(包括主体建筑、周边次主体建筑、道路、绿地等功能区域);制作行人、来往车辆等丰富场景的细节模型。

具体制作过程为:首先利用前期的资料，将建筑设计CAD图文件打开，截取其中有效的边界线段，输出文件;然后打开三维设计软件(如3ds Max)，导入其中，根据边界参考，填入具体尺寸数字，利用多种建模技术，如拉伸，放样，布尔运算等搭建虚拟模型;在制作一些复杂模型的时候，需要用到多边形建模技术，Nurbs曲面建模技术等高级操作技术;在制作行人，来往车辆等含动画特征的三维模型的时候，还需要用到路径动画技术、骨骼动画技术、蒙皮技术等。

以原法国工部局大楼为例，搭建好的三维模型如图4、图5所示。主体模型要将不同类别的物体分别命名(如窗、砖墙、楼板、屋顶等);分别赋予单一颜色材质用于区别显示。主体模型的多边形面数要以10万—20万区间内为最佳，面数太大会影响之后的场景细化及动画的渲染。对于周边建筑及道路地形等次要模型对面数的要求则更为严苛，要控制在一万以下。

图4 原法国工部局大楼线框模型

图5 原法国工部局大楼实体模型

应用软件以3ds Max为主，3ds Max是目前最主要的也是首选的建筑动画制作软件，隶属于世界领先的设计软件和数字内容的Autodesk公司旗下。

2.4 绘制纹理贴图，赋予材质

在模型搭建好后，我们需要对于不同属性的三维物体赋予相应的材质及纹理，用以在最终的渲染中真实还原物体的视觉效果。

在材质调整过程中，需要绘制大量的贴图纹理。以原盐业银行大楼为例，由于其复杂的建筑结构及众多的细节表现，如果是单纯的使用模型来体现，则相应的其最终的模型面数将达到一个很可怕的数字，这将使得接下来要进行的动画制作无法继续。所以，为了保证最终的渲染质量和时间，除了模型的三维表现外，还需要在单纯的模型表面覆盖真实纹理的图片。

另外，为了保证渲染效果的真实性，还需要这些图片具备很多要求:如贴图的无缝，贴图的颜色倾向及大小的控制等;在贴图的制作过程中，因为很多时候我们没有现成的图片可以利用，就需要在平面软件如Photoshop等中精心的绘制，以符合最终要求。这个过程不仅工作量大，而且需要制作者较高的艺术控制力，是一个非常重要的制作过程，可以决定着最终画面的成败。

以原盐业银行大楼为例，用我们前期拍摄收集的图片资料，对应于楼体不同部位的三维物体，制作其相应的纹理贴图。以图3所示，左边的“蓝天飞凤满天星”图案用于室内大厅的天花板，中间的图片为罗马柱式柱头的图案，右边的羊头的装饰图案用于一层窗的上方。

赋好材质的原盐业银行大楼如图6。

应用软件:Adobe公司的Photoshop，Corel公司的Painter等相关平面软件。

图6 原盐业银行大楼赋材质

2.5 设置相机路径

将分别制作好的主体建筑模型、周边次要建筑模型、地形、道路、绿地等诸多模型元素按照各自的位置合并到一个统一的场景中。

场景合并完成后，参考前面的分镜脚本来设置相机运动路径。在3ds Max中设置摄像机，和真实的摄像机相类似，调整好相机焦距，视角等参数，根据脚本设计运动路线，记录相机动画;设置相机的时候，充分利用多种表达方式，如摇镜头，推拉镜头，升降镜头等，丰富影片运动画面。

2.6 分别制作具体分镜，细化场景

根据每个相机运动的起始及终点位置(包括其移动过的空间范围)，可以将场景分成若干个分镜画面。对于每个分镜场景，我们可以将其单独命名存储，然后分别制作。

图7 原盐业银行细化场景

首先，根据相机的移动，将看不到的建筑模型或局部删除，用来减小场景的数据量。如图7所示，白色高亮显示的楼体为原盐业银行大楼，此时相机的运动路径为从下到上，对主体建筑进行简单的环绕展示。那么我们就可以将画面中看不到的部分场景物体进行删除，如盐业银行西边的一些周边建筑及地形。

其次，我们要在场景中添加具体的模型配景植入其相应位置。如图7所示的画面中添加了三维树木，运动的车辆等。在一些近景画面中，还需要添加行人和喷泉等元素。

最后，设置灯光效果。不同的灯光可以营造不同的场景氛围。由于要展示的主体建筑为历史风貌建筑，所以就要营造出晴朗而略带冷调的天气环境。灯光的调节是一个微调的过程，对于不同的分镜场景，要设置不同的灯光。在一些近景表现中，需要添加数量较多的不同角度的辅助灯光，以增加渲染时的真实感。在灯光调节完成后，还需要对先前做好的材质进行进一步的调节。通过在不同的材质调节通道中添加相应的纹理贴图(如高光、凹凸、反射折射等)，并在多次的测试渲染后，可确定最终的参数值。

应用软件:依然是在3ds Max环境中完成。但应用了一些特殊的插件，如 Digimation公司的SpeedTree(树木及植物制作系统);ITOO公司的Forest插件(大面积树林、草丛和人群制作系统);ArchVision公司的RPC全息三维模型插件等等;

2.7 渲染输出最终序列帧

在上述的步骤完成后，就可以利用渲染器对每个分镜进行逐帧渲染。渲染的时间受场景大小、灯光参数及机器配置的不同的影响。但无论如何，渲染都是一个非常耗时的过程。

在渲染器的使用上，应用了目前最流行的全局光渲染器Chaos Group公司的VRay(VRay rendering system)渲染器。

如图8所示为原法国工部局大楼局部走廊的模型线框图;如图9所示为渲染生成的画面效果。

图8 原法国工部局大楼局部线框场景

图9 原法国工部局大楼局部渲染场景

2.8 后期剪辑、添加特效，输出成片

将渲染完成的每个分镜的序列帧调出，在特效软件中添加光效，雾效，景深等特殊效果，重新输出。

在完成特效后，在剪辑软件中按顺序排列每个分镜的序列帧。然后对其进行加速减速，镜头之间的过渡衔接，蒙太奇手法的运用等操作。在音频通道配音乐，添加字幕等，最终输出影片(格式为AVI、MPEG)。

最后的影片截帧如图10、图11所示。

图10 原法国工部局大楼影片片段

图11 原盐业银行影片片段

特效软件:Adobe公司的After Effects软件，Autodesk公司的Combustion软件。剪辑软件:Adobe公司Premiere软件，Sony的Vegas软件等。

3 结语

天津市历史风貌建筑“原法国工部局大楼”及“原盐业银行”的三维仿真动画的推出和应用，弥补了在风貌建筑的保护中传统方式方法的不足，为风貌建筑建立了独立的，准确的三维模拟数据库资料。以上动画的制作完成，得到了天津市保护历史风貌建筑办公室的领导和专家的一致首肯，并将其正式列入长期的风貌建筑的保护规划中。通过在“十一五”国家重大科技成就展会中的对外展示，以及在“天津历史风貌建筑网站”上的播映，使得经历历史变迁的风貌建筑重新焕发新姿，被越来越多的公众所熟悉和了解。

[1]徐连和.天津历史风貌建筑的保护与整修[J].天津建设科技.2006，16(1):25-27.

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[3](美)Jeremy Birn.译者:吴洪涛，王华，等.图形图像:数字绘图中的光照与渲染[M].北京:电子工业出版社，2001.

[4]行行.3dsmax 8材质与贴图的艺术[M].北京:中国青年出版社，2006.

[5]路红，夏青.天津历史风貌建筑——总览[M].北京:中国建筑工业出版社，2007.

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[7]徐连和，傅建华，李倚琳，等.创新构建技术体系 妥善保护历史遗产[C]//第二届历史建筑遗产保护与可持续发展国际会议论文集.天津:天津大学出版社，2010.

[8]傅建华，李倚琳，孔晖.关于天津历史风貌建筑保护机制的探索[C]//第二届历史建筑遗产保护与可持续发展国际会议论文集.天津:天津大学出版社，2010.

[9]康庄.传承传统工艺 再现历史原真[C]//第二届历史建筑遗产保护与可持续发展国际会议论文集.天津:天津大学出版社，2010.

[10]李巍，宋雪.近代历史建筑保护修缮工程体系化问题初探——以天津为例[C]//第二届历史建筑遗产保护与可持续发展国际会议论文集.天津:天津大学出版社，2010.