基于Normal Map虚拟技术的赣南客家围屋仿真实现探析

王志强,王犹建

(江西理工大学,江西　赣州　341000)



基于Normal Map虚拟技术的赣南客家围屋仿真实现探析

王志强,王犹建

(江西理工大学,江西赣州341000)

摘要：Normal Map技术是当前虚拟仿真实现的一个重要手段，它在模型基础上通过贴图信息来完成虚拟对象的高仿真实现。当前古建筑虚拟仿真的数字化实现更是离不开Normal Map技术的支撑。赣南客家围屋是江西古建筑群里极具代表性建筑，其历史悠久，文化深厚，建筑形制及材料十分丰富，Normal Map虚拟技术的研究将为赣南客家建筑的保护提供技术支持。本文从Normal Map的运算方式及技术特点，结合赣南客家围屋的具体实际进行建筑微观细节的仿真实现探析。

关键词：赣南客家围屋；Normal Map技术；虚拟仿真

作为汉民族分支的客家，自秦以来已有千年的历史。客家人自身所蕴育的客家文化在华夏传统文化中，也占有非常重要的位置，并且成为中国民俗文化的一朵奇葩。据罗香林先生《客家源流考》中考证，江西赣南的客家及客家文化均发源于晋武帝统一中国时期。赣南因而也是早期客家民系形成的摇篮之一。赣南客家文化作为客家文化的一个重要组成部分，具有赣南地域独特的文化特征。其中，赣南的客家围屋就是其文化魅力的一个重要表现。因此，对赣南客家围屋的保护及其文化的继承与传播是社会学者及研究机构所迫切研究的课题。本文从三维计算机仿真技术的角度对赣南客家围屋文化的现虚拟实现问题进行相关探析。

一、Normal Map技术在赣南客家围屋微观仿真实现中的运用

赣南客家的围屋文化，在建筑表现上，主要体现于外在建筑形制、内部的构造及建筑内外的装饰风格和整体色彩格调。在具体的围屋建筑仿真实施中，建筑文化的表现除上述因素之外，还须从虚拟技术层面考虑对建筑文化的实现性。这主要涉及对围屋建筑模型细节、材质细节、文化氛围的仿真技术实现。长期以来，学术界对于传统古建筑仿真的实现仅仅满足于建筑虚拟数据与概貌而忽视细节与文化氛围。而Normal Map技术的出现也正迎合了古建筑及其他仿真中高仿细节及微观文化虚拟实现的有效解决。

因此，对于赣南客家围屋文化的数字保护，Normal Map技术的仿真运用是实现围屋建筑细节及文化特征的关键方法。

1.关于Normal Map技术

在仿真虚拟技术快速发展的今天，Normal Map最早是应用于游戏及影视三维制作方面。Normal Map技术最初的概念也是来源于Peercy等人的论文“Efficient Bump Mapping Hardware”，是因围绕3D曲面凹凸的实现而设立的观念。它与Bump Map的区别在于Normal Mapping技术是直接把Normal信息存到一张法线贴图里面，并且贴图里面采集的值就是Normal数值，不需要像Bump Map那样直接的计算。严格意义上说，Normal Map也是Bump Mapping的一种。另外，Normal Map一般都是由三维软件或插件中实现生成。它具体的实现方法一般为由三维动画软件如XSI、3DS MAX、MAYA等创建低细节模型(low model)，再由其他数字建模雕刻工具如Autodesk Mudbox、zbrush等绘制高细节模型(high model)并利用低细节模型来导出生成Normal Map。同时，三维动画软件如XSI、3DS MAX、MAYA等一般都支持导出模型的Normal Map,即低细节模型在软件中可以加载Normal Map，在Pixel Shader采样中计算出Normal的值，并运行逐像素光照来渲染低细节模型成高细节图像。

值得注意的是，Normal Map存储的法线是基于切线空间的，因此要进行光照计算并需要把Normal,Light Direction,View direction统一到同一坐标空间中。也就是说，Normal Map法线是一个三维向量，是由X、Y、Z等3个分量组成，并以这三个分量来对红绿蓝3个颜色值的存储，Normal Map上的数值也是由这三个分量构成(如图1)。Normal Map值的范域是可以通过ATI程序或Adobe photoshop软件来进行修正。

图1　Normal Map分量构成示意图

2.赣南客家围屋建筑仿真的复杂性

赣南客家围屋的仿真复杂性主要体现在两个方面：一方面是赣南围屋建筑细部结构的显性复杂性；另一方面是赣南客家围屋建筑内涵的隐形地域文化复杂性体现。

赣南客家围屋的这种建筑显性复杂性主要表现在围屋建筑本身结构、建筑材料和内外装饰的复杂性。一方面赣南围屋占地面积大，一般不少于500平方米，最大者可多达10 000平方米左右，并且围屋四周环套方屋，一般是两三层，也有四层的，为悬挑外廊结构，大些的围屋内部建有祖厅，更大的则是多层的套围，按八卦形布局，称之为“四扇三间、九井十八厅”(如图2)。另外，围屋墙体的厚度一般在0.5米以上，最厚者可达1.5米，立面不少于2层且高度在5米以上，层数多者可达6层。另一方面赣南围屋建筑的材料运用也是相当独特——泥土、石块、沙子、木料、竹子、石灰、青砖、青瓦、土纸浆就是全部材料，但围屋内墙壁却是用可食用的蕨粉粉刷一定厚度，在久困缺粮之际可剥落食用。围屋内外装饰符号更是严格的按宗族传统、四季时节来布置：从建筑内部结构功能的布置到屋内家具及器皿的安放，围屋门额牌匾的占卜到节庆日吉祥符图的形制。

图2　南康凤岗董氏九井十八厅民居

赣南客家围屋其内在的文化精神则主要体现在结合地域环境氛围和传统民俗民风当中，如对客家围屋婚庆时节的仿真实现与客家恳亲大会时节的仿真实现，其虽然在围屋建筑本身上没变化，但建筑附属的文化装饰、人物活动甚至气候环境都具有隐性的文化不同内涵。围屋仿真的这种隐形性是具有特定性、暂时性和复杂性，而赣南客家围屋文化仿真的成功实现是需思考和加入文化的隐形因素。

3.围绕赣南客家围屋微观细节的Normal Map技术实现

在现实虚拟仿真中，仿真对象的微观细节程度是决定仿真真实性、可靠性的关键之一。从LOD节点技术与mip-Mapping技术的融合到Normal Map技术的实现都是在最大程度上完善对象仿真的真实性、有效性、数据性和交互性。然而，针对仿真对象和意义的不同，其仿真微观细节实现的角度也是尽不相同。对于工程类项目的仿真，其客观数据及交互性要求较高，而视觉微观细节则可降到最低；而对于社会的文化性场所仿真，则更注重其有效保护和虚拟实现的视觉合理、真实，即微观细节的精细度的仿真度要求较高。在赣南客家的围屋建筑群中，据史料记载最早的围屋是建于明代万历39年杨村的乌石围，清代早期所建的围屋约占总数的30%左右。因此，赣南客家围屋的仿真虚拟应从文化的角度出发，以Normal Map技术为平台，在建立高精度建筑仿真细节的基础之上，再去完善地域建筑和客家文化的内涵体现。赣南客家围屋虚拟仿真的高精度细节制作基础则更是对Normal Map技术的合理、有效实现。赣南客家围屋仿真虚拟的建筑微观细节主要凸显在墙体、瓦片屋顶、屋檐细节三个方面。

赣南客家围屋墙体、瓦片屋顶及屋檐微观细节的Normal Map技术实现，一方面是由于赣南客家围屋建筑自身细节的复杂结构特色；另一方面是它常年坐落在多雨的地理环境，并因人为与自然的因素构筑了其斑驳的多层次细节。因此，围屋墙体的细节表现主要突出在两个方面：一个是整体灰砖多交叉的堆砌形式、二是墙体较严重的受风雨侵蚀的风化现象(如图3)。

图3　赣南客家围屋风貌

图4　围屋墙体低精度模型实现

赣南客家围屋微观细节的实现，主要依赖Normal Map技术，其将高度纹理图与法向量纹理图结合来产生更多的细节，如围屋墙体砖块叠加、砂土层凹凸、表面剥落等。在此之前，Normal Map技术的实现需在3ds max或maya软件中借助Editablepolyon等建模方式来完成墙体、瓦片屋顶的低细节模型的实现，如图示模型的整个面数polys为128、点数verts130、fps值为159.793(如图4)。

Normal Map本身是从一张颜色纹理图得到高度值且通过扰动周围像素的颜色值相加获得。其象素与它周围象素的高度差，在切空间构筑S与T的向量并由差值叠加获得Normal的法线向量。具体计算方法如下：

S(i,j) = (1,0,H(i+1,j) - H(i-1,j) )

T(i,j) = (0,1,H(i,j+1) - H(i,j-1) )

Normal(i,j) = S(i,j) T(i,j)

注：H(i+1,j)-H(i-1,j)为沿S方向的高度差，也就是S方向的坡度，H(i,j+1)-H(i,j-1)为沿T方向的高度差，也就是T方向的坡度。

其中，在高度贴图计算中Tangent space和world space，view space表达的是同一个概念，都是代表三个向量坐标系。因此，围绕对应高度纹理贴图的计算方式，对围屋墙体低细节模在Zbrush软件中进行动态高细节模型制作，并完成的效果，这个模型获得的整体面数polys为137480、点数verts68880、fps值255.655(如图5)。

图5　围屋墙体高精度模型实现

通过ZBrush软件、3ds max等软件利用低细节模型和高细节模型的对应纹理贴图计算方式可到得围屋墙体较为精确的Normal Map纹理图(如图6)。

Normal Map纹理图的纹理生成通常在XYZ向量上带有不正确的数值，在纹理中显示为偏亮色或纯色的区域(如图7中标注的a、b、c区域)。因此，我们需要通过第三方插件来对Normal Map纹理图进行修正，修正结果如图8。

图7　围屋墙体Normal Map纹理修正示意图

图8　围屋墙体Normal Map纹理修正图

图9　围屋墙体最终细节实现图

图10　围屋墙体Normal Map技术实现流程图

在虚拟软件中配合Normal Map纹理图完成墙体的高细节模型匹配低细节模型的仿真虚拟，围屋墙体模型具有高精度的细节，但在软件中所显示的整个面数polys为128、点数verts130、fps值为159.793与低细节模型的整体点面数等同。围屋墙体最终高精度效果及制作流程如图9、10。

对于Normal Map纹理图分辨率大小需注意的是，对于通常较大的场景仿真，Normal Map纹理图的分辨率大小对软件及计算机硬件系统性能的影响是比较明显的。一般而言，4096×4096 pixel分辨率的贴图尺寸是当前PC硬件机器和仿真软件所承受的一个最高强度。过于大的贴图尺寸也将导致在线虚拟系统无法流畅交互运转。根据虚拟软件的计算方法，Normal Map纹理图尺寸大小设置与仿真虚拟视点高度和、对象距离密切相关。假设Normal Map纹理图片纹理的分辨率为X(单位： pixel)，视点的高度或距离为Y( 单位：m)；模型的面积为Z( 单位：km2)，则它们的函数关系为：X2Y2=52 428 800×Z(其中，52 428 800为恒定常数)。例如从20m的距离观看，按2×102m4=0.02 km2的虚拟场景贴图面积计算， Normal Map纹理最佳纹理分辨率则计算出应达到512×512 pixel。因此，对于赣南客家围屋的纹理贴图制作，需要充分思考整体场景的大小、观看角度和距离，并计算出与之相匹配的纹理尺寸，以免过大或过小而造成不必要的误工。

二、从Normal Map技术的虚拟仿真到赣南客家围屋的保护性思考

赣南客家围屋在数量上，从建国初期的近千座到现今不足七百余座，平均每年都有数座围屋倒塌消亡。而造成围屋消亡的原因则有诸多方面，自然的老化和风化是一个重要原因，但人为破坏与保护不力则是另一个重要因素。对客家围屋建筑的保护和如何保护的论点也越发显得迫切。当然，从达尔文优胜劣汰的生物进化观点来看，物质形态的消亡也是社会发展的必然。但从文化保护与传承视角来看，以数字化仿真技术，尤其是Normal Map技术的实现，对赣南客家围屋的文化保护是当今学者和相关研究机构值得思考的问题。

在数字化仿真实现中，Normal Map技术的出现在一定程度上缓解了虚拟技术对实物文化遗产仿真的微观细节局限性。Normal Map技术在除了建筑仿真虚拟之外的其他领域都有出色的运用，如次时代游戏领域，医疗仿真领域等等。因此，在赣南客家围屋建筑文化保护中，一方面要发挥和利用好现有的前沿虚拟仿真技术从多角度构建一个开放式、可持续的赣南客家围屋群数字化仿真共享平台。另一方面充分调动政府和民间的力量，组织好技术和文化群体为赣南客家围屋的数字化设施架构好多元化沟通桥梁。

同时，基于Normal Map虚拟技术下，对赣南客家围屋的微观数字化仿真研究也是为我国其他古建筑文化遗产保护实施提供了一项新的有效途径。如今，虚拟仿真技术在世界文化遗产保护的进程中，从其运用的范畴及保护效果也凸显出越发重要的作用和意义。然而，从当前国内各传统古建筑数字化文化遗产的项目成果中，我们不难看出一些不足：其一是技术和硬件的瓶颈，即在当前的数字技术和硬件实施中，难以详实有效的虚拟出完整古建筑文化遗产。其二是建筑文化与数字技术结合缺失桥梁，在数字化实施中，虚拟仿真的实现往往依托的是网络照片和部分实地拍摄的影像资料，数字虚拟的只是建筑和地貌的外壳，因而缺乏当地古建筑文化本身内在因素表达。如何有效、合理、贴切的对传统古建筑的文化数字化实现，除了依托数字技术本身以外，还需更多的从具体传统古建筑对象背后的文化内涵出发，探寻能与虚拟仿真行之有效的结合方式。

三、结语

众所周知，虚拟仿真的数字化方式并不是一个新颖的思路，但在虚拟仿真类型和应用途径当中却千差万别。对传统古建筑的虚拟仿真则是以文化保护和传承为主要任务。而在传统古建筑的数字化保护中，虚拟仿真作品的完美呈现形式是数字化虚拟仿真技术与仿真对象的科学、严谨实现，并依托对象内涵的文化魅力，借助前沿的虚拟表现方式来达到技术与文化、科学与艺术的完美结合。因此，借用前沿的Normal Map虚拟仿真技术，通过对围屋建筑的各种微观细节仿真，以达到赣南客家围屋建筑内涵的文化体现，正是本文的初衷。

参考文献：

[1]Ben Cloward.Tutorials:Normal map Part Ⅰand Part Ⅱ.http://www.monitorstudios.com/

[2] CSDN. Normal Map的一些问题 [EB/OL]. (2007-04).http://blog.csdn.net/cywater,2000.

[3] 熊建新，黎文勤. 赣南客家围屋建筑的特点和文化探析[J]. 安徽农业科学，2012,(36).

[4]徐晓刚，鲍虎军，马利庄.纹理合成技术研究[J].中国计算机图形学研究会,2002,(11).

[5] 李勋祥，陈定方，李文锋. 超大规模视景系统中的建模与纹理技术研究[J].三明学院学报,2005,(12).

文章编号：2095-4654(2016)04-0012-05

收稿日期：2016-01-28

基金项目：2015年江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ150691)

中图分类号：TP311.1

文献标识码：A