少数民族建筑三维数字化模型的构建研究*

张佳佳

(贵州民族大学 传媒学院，贵州 贵阳 550025)



少数民族建筑三维数字化模型的构建研究*

张佳佳

(贵州民族大学 传媒学院，贵州 贵阳 550025)

少数民族建筑是建筑文化与人类文明演进的结晶，其蕴含的历史信息、建筑技艺、审美形态都很值得研究。但由于人为性和自然性的破坏，少数民族建筑损毁严重。传统的保护方法不能完全满足需要，而三维技术为民族建筑的有效保护提供了新的途径。本文分析了少数民族建筑三维数字模型的构建方法，重点介绍了模型制作流程及模型优化方法。并用一个具体案例详述了三维数字模型的制作过程。

少数民族建筑；数字化；三维模型

1 引言

少数民族建筑是一种文化形式的历史沉淀[1]。它们形式丰富、风格各异。向人们传递了不同时期、不同地域少数民族的生活环境和生活状态，体现了各民族的思想观念、审美情趣和宗教信仰，具有珍贵的历史价值和文化价值。然而，我国少数民族建筑现状令人堪忧。一方面是城镇化进程和人们自身居住的需要，很多有历史价值的建筑被翻新重建，甚至拆毁；另一方面如果发生大规模的地质灾害，民族建筑将遭受毁灭性的损坏。因此，对少数民族建筑进行有效的保护是一个重要的研究课题。目前对少数民族建筑的保护手段还停留在修缮、重建和建立传统档案上，这些手段还不能满足全面保护工作的需要。随着现代科技的发展，可以将照片、测绘图纸与三维动画技术相结合，制作建筑三维数字模型和动画展示，实现数字化的永久保存，以弥补传统保护方法存在的缺陷。

2 模型制作的前期准备

在模型具体制作前，需要到实地考察收集相关资料，具体分为以下几个方面。

(1)相关资料收集

首先要进行少数民族建筑相关资料的收集工作。主要针对少数民族建筑的历史背景、人文环境、发展历程收集资料。一般做法是调查采访当地居民或代表人物，用录音笔或摄像机记录重要内容。或者通过上网查找相关文献资料，再对收集到的资料进行整理分析。收集这些资料的目的是为了更全面地了解少数民族建筑文化的背景和内涵，同时可以将其作为后续的系统交互展示的文字图片素材，使用户不仅看到三维模型，还可以通过文字图片的介绍来了解少数民族建筑的文化。

(2)实地测量

实地测量指到少数民族建筑所在地进行各项数据的测量。目的是得到更准确的民族建筑的原始数据，以便精准地复原少数民族建筑的原貌。其中建筑外部和内部的尺寸数据是测量的重点。通过具体尺寸数据和CAD软件详细绘制出建筑的外部和内部结构，并绘制出建筑的正面结构图、侧面结构图和底面结构图。除此之外，还应该对少数民族建筑周边的地形地貌和绿化情况做相应的测量。

(3)少数民族建筑照片的拍摄

为了在建模阶段重现少数民族建筑的真实性，应该在实地测量的同时利用数码相机对少数民族建筑进行全方位的拍摄。注意兼顾建筑物的各个角度，近景、远景、特写都要有[2]。重点拍摄建筑的纹理贴图照片。纹理贴图的拍摄包括少数民族建筑的正面、地面、屋顶、内部、外部等，甚至包括细微处的纹理贴图，如木纹、石纹、砖纹、瓦片等纹理。拍摄照片的目的一是为了制作少数民族建筑模型及周边环境模型做准备，二是为了制作少数民族建筑的贴图素材。因此拍摄时不仅要注意画面的整体性，同时还要注意避免曝光、阴影等问题。

3 模型制作流程

3.1 3DS MAX建模流程

少数民族建筑外观模型采用3DS MAX软件进行建模，民族建筑三维模型的建立是整个工作流程中非常重要的一环，其后的材质贴图、灯光、动画都是以模型作为基础的。应用3DS MAX制作模型的流程如图1所示。

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

3.2 CAD文件的导入

首先修改3DS MAX软件的单位为毫米，将在CAD软件中绘制好模型的正视图、侧视图、剖面图导入到3DS MAX中。

3.3 模型的建立

在模型的建立过程中，可以按同类建筑或结构分类，或是按少数民族分类，或是按地理区域分类进行制作。对于规则的结构形状，可采用3DS MAX里的几何体建模、多边形建模、曲面建模、面片建模等方法来构建模型[3]。

3.4 模型的材质贴图设计

大部分少数民族建筑由于受到风吹雨淋的侵蚀，实地拍摄的照片大都不能直接用于制作模型贴图，需要利用专业的图形图像软件Photoshop进行修复。同时照片拍摄过程中由于受到时间、角度、光照的影响，照片存在亮度不均、色彩差异等问题，也需要利用软件对照片的色彩、亮度、对比度等进行调整。

为了使贴图适合不规则结构模型，在photoshop中将贴图大小制作成2的N次幂，在保存时宽高的像素大小不超过512*512为宜，贴图长宽比尽量为1∶1或1∶2.

3.5 模型的优化

模型建好之后，为了保证导入到虚拟现实环境中整个系统的流畅运行，需要对模型进行优化处理，主要从以下几个方面进行。

(1)删除模型不可见的面

根据3DS MAX模型文件大小由面片数多少决定的原理，删除多余的面来达到减小文件数据量的目的。例如在表现少数民族建筑的楼阁时，模型背部的面被屋檐遮挡住了，渲染画面中看不见，可逐步找出不可见的面将其删除。或者可以使用3DS MAX的attach合并工具将多余的面合并成一个整体，也能达到优化模型的目的。

(2)修改模型的面

在模型制作过程中，通常会用到大量的球体和圆柱体几何模型，它们往往是导致文件数据量大的原因之一。例如一个圆柱体，6-12个面可以满足精度要求，修改的方法是将圆柱体的边数设为8，高度分段和边分段设为1。

(3)模型的实例化

一个复杂的模型会由于使用大量相同的几何体而导致存储容量的增加。例如一座7层鼓楼建筑模型中的圆柱形柱子，会重复使用4-12次，大大增加了存储空间。而实例化技术是一种减少几何体数量的方法。实例就像一个对象的众多影子，而实物就只有一个，内存中只装入一次。操作方法一般是选取一个几何体对象，以“实例”的方式进行复制。

(4)贴图烘焙

制作好的少数民族建筑模型后期需导入到虚拟现实软件中运行。为了在虚拟现实环境中得到真实感光影效果和提高系统显示速率，需要在三维软件中对贴图进行优化。一般是采用贴图的烘焙技术，方法是将贴图通过UVW展开修改器展开为一个二维平面的贴图，然后将贴图导出，在图像处理软件中编辑使之更为精细，最后再将贴图通过材质编辑器反贴回去。

4 案例

4.1 侗族鼓楼的结构

鼓楼是侗族村寨中最具标志性的建筑物之一。鼓楼采用传统的木架构技术，整体建筑物全部用杉木凿榫衔接,不用钉铆,表现了高超的侗族建筑艺术[4]。鼓楼从外部形态上分为厅堂式、楼阁式、门阙式、塔式鼓楼四种类型；从屋顶形式上分为悬山顶、歇山顶、攒尖顶三种类型[5]。

无论哪一种类型的鼓楼，从立面造型上都可分为上、中、下三个部分。鼓楼的上部由不同类型的宝顶(如攒尖顶)和葫芦形顶尖构成。鼓楼的中部是层层重檐叠加，形如宝塔的楼身。屋檐平面多为四边形、六边形、八边形，檐角翘起。鼓楼的底部一般为方形的大厅，四周设有木质长凳，厅的中央设有火塘。从鼓楼内部结构来看，鼓楼主体由4根木柱作为承重立柱，从地面直达楼顶，形成内圈柱。外圈由12根木柱构成。这种内4外12的双重柱体系还可衍生出很多其他的平面形式。另外，利用逐层内收的梁坊和设置的檐柱、瓜柱作为支撑，层层跳出楼檐，从而构成自上而下，逐层内收的水平架构体系[6]。

4.2 侗族鼓楼三维模型生成过程

为了反映鼓楼所包含的真实特性和建筑理念，在创建鼓楼三维模型时，要求用科学的方法进行建模和贴图。

首先，导入绘制好的鼓楼的正视图、侧视图、剖面图，以图片作为参考标准，将鼓楼分为三个部分进行制作。第一步制作鼓楼的整体框架，利用几何体建模、阵列复制、实例化技术的方法进行制作，如图2所示。第二步制作鼓楼的屋檐，屋檐的外型呈不规则状，因此可以采取多边形建模的方法，调整相应的点、线，达到效果，如图3所示。第三步是创建鼓楼的宝顶和葫芦形顶尖。宝顶由“蜜蜂窝”斗拱和四角攒尖顶构成，如图4所示。

图2 鼓楼整体框架图Fig.2 The configuration diagram of drumtower

图3 鼓楼屋檐图Fig.3 The diagram of drumtower eaves

图4 鼓楼顶部造型图Fig.4 The top style diagram of drumtower

其次，为鼓楼的各个部分设置材质与贴图。在设置时，每一个材质和贴图对应一个名字，方便后面查找。对同一类型的对象，可赋予一样的贴图，如鼓楼的16根立柱都可以赋予“木柱”材质。对于不规则物体的贴图，可使用UVW贴图修改器或UVW展开修改器，如图3中的屋檐是一个四角形的檐面，将贴图直接赋予这个对象效果非常不理想。通过使用UVW展开修改器，调整好UV贴图的坐标，得到正确的贴图效果，如图5所示。

图5 屋檐贴图效果Fig.5 The texture of eaves

最后，加入灯光，调整好摄影机的位置，对模型进行渲染，得到效果图，如图6所示。

图6 模型渲染效果图Fig.6 The Rendering output diagram of model

5 结语

中国少数民族建筑是历史留给我们的文化遗产，对它的保护是一项任重道远的工作。在高科技日新月异发展的今天，采用三维数字技术构建少数民族建筑的数字模型，不仅真实复原了少数民族建筑的实物，还记录了少数民族建筑的各项数据信息。同时还可以将模型进行进一步扩展加工，如将模型加入三维动画展示或虚拟现实环境中，让更多的人去关注民族建筑。对于少数民族文化的保护、传承和发展都有着十分重要的意义。

[1]李芾,张仁静,苏静. 三维动画虚拟技术在少数民族建筑保护中的运用[J].大众文艺,2013(06):178.

[2]水晶石数字场景部.水晶石技法3DS Max建筑模型技术手册[M]. 北京：人民邮电出版社,2013:35.

[3]谭雪松,李如超,袁云华.3DS Max 2010中文版基础教程[M]. 北京：人民邮电出版社,2010:100.

[4]蔡凌．侗族鼓楼的建构技术[J].华中建筑,2004(3)：137.

[5]蔡凌．侗族聚居区的传统村落与建筑 [M] ．北京：中国建筑工业出版社，2007：214.

[6]罗兴华,彭国斌,赵勤恒. 三江侗族木架构古建筑三维虚拟展示设计的思考[J].艺术百家,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

贵州省科技厅、贵州民族大学联合基金项目：“ 三维虚拟侗族建筑遗产漫游系统的研究与实现”(项目编号：黔科合LH字[2015]7205)。

张佳佳(1981-)，女，侗族，贵州黎平人，讲师、硕士。主要研究方向：网络多媒体、数字动画技术。

TP391.414

A

1673-6125(2016)01-0042-04