基于VR系统下的古建筑模型优化方法研究

张志腾

摘 要：虚拟现实运用计算机技术对客观现实世界进行可视化仿真设计，构建虛拟环境场景是实现虚拟现实交互系统的基础。虚拟现实环境中的建筑模型又是主要的组成部分，只有将各种建筑模型进行有效的优化设计与处理，虚拟现实系统的整体视觉呈现才能更加完美。本文重点针对虚拟场景环境中的中国古建筑三维模型进行模型优化方法与策略的研究。

关键词：模型层级结构；LOD优化；结构优化；数量优化；纹理优化

0 引言

“虚拟现实（简称VR），是利用计算机图形学技术，通过对复杂数据进行可视化操作与交互，从而完成对真实的客观世界进行仿真再现的技术。”[1]目前，随着计算机数字技术的快速发展，古建筑的保护、修复、结构研究、历史及文化信息库建设等多方面成为VR技术应用的热点，这种技术所采用的交互体验与物象极致仿真的感知方式，是文化传承的有效传播途径。VR技术不仅可以对现存的古建筑遗产进行仿真再现，还可以重现已经不存在的建筑遗址面貌，而且用户体验到的是一种浸入式的、多重感官刺激的交互式经验。整个VR系统顺畅运行的基础是建立在虚拟现实环境中的古建筑模型能否合理优化上的。本文研究如何运用3DS MAX建模平台中的各种技术，完成古建筑模型优化方法的研究工作。

1 模型优化对于VR系统的重要性

由于VR系统的运行环境包括单机运行与网络运行两种，在VR场景模型的演示与操作过程中，流畅度是衡量该系统稳定性的一个重要指标。建筑模型的数据量大小对VR-DEMO的演示速度影响较大，整个VR系统的实时交互性能和效率就会降低，这是由于硬件设备的图形数据处理能力不能满足三维模型的大存储容量需求。在设计古建筑VR交互系统过程中，建立以古建筑结构层级为基础的场景模型优化是十分必要的。在模型设计阶段只有采用合理的模型优化方法，才能解决VR系统在不同的运行环境下出现的卡顿现象。如果前期对VR场景中的各类模型没有进行分类优化处理，后期制作环节就会因为模型数据量问题导致系统无法正常运行，需要在3DS MAX平台中反复修改模型的各项参数值，极大地降低了工作效率。

2 古建筑模型层级结构库的设计

中国古建筑具有独特而完整的建筑体系，无论是寺庙、宫殿，还是住宅，外观体形都是由台基、屋身和屋顶组成的单体建筑标准化建筑样式。“均以木构柱梁为承重骨架，利用斗拱构建在上部梁架和立柱之间传递荷载，以木材为围护物的木构架建筑体系。”[2]由于虚拟现实场景中的古建筑建模方法和室外建筑效果图、古建筑动画的建模方法存在较大的差异性，这种差异性主要体现在如何在虚拟现实环境中进行基于实景的模型有效优化。

笔者依据古建筑实际建造过程中运用到的结构构件，将各种构件具体划分到柱础层、装饰层、斗拱层、梁架层、屋顶层五个层级中，如表1所示的模型层级结构库。即在模型优化前期就做好建筑模型层级规划工作，按照不同层级主要建筑构件的不同特点，选择相应的建模方式。通过模型层级结构库的设计，不仅可以避免在模型优化过程中，由于场景复杂程度不一致、建筑模型量不一致等问题所产生的思路不清晰、建模次序混乱的问题，还可以及时纠正建筑模型优化方案使用不当等情况，从而优化解决方案，提高模型优化效率。

3 古建筑模型优化方法探究

3.1 古建筑模型LOD优化

按照VR系统权衡速度与效果的严格要求，确保近距离、多角度地观察古建筑和不同规模场景流畅运行率的双重要求，在3DS MAX平台中按照三级LOD（多层次细节）面数简化原则，在不同层次和视觉条件下，确保不同级别模型的顺畅切换与自然过渡。LOD的特点是：视点距离建筑物越近，近距离观摩采用精细模型表现，而视点离建筑物越远，远距离观摩采用极简模型表现，中距离观摩则采用精简模型表现。这样就能够兼顾系统速度与视觉表现效果（如图1所展示的古建筑屋顶模型的多级分层优化示意图）。

其中A1图和A2图分别呈现的是一级LOD模型的实体模型和对应的线框模型，古建筑的板瓦、椽、板、挂瓦条、正脊等结构均采用实体模型表述，面数较高。B1图和B2图为二级LOD模型的实体模型和对应的线框模型，该级别模型的面数往往控制为一级模型的1/15左右，除了古建筑物的瓦面构件仍然保持模型的实体造型，而正脊、飞檐、鸱吻等构件则多采用面片贴图的方式表述。C1图和C2图分别为三级LOD模型的实体模型和对应的线框模型，该级别模型在场景中属于距离视点较远的模型，主要用于表现建筑的基本轮廓，模型多采用三角形、长方形等基础几何体生成。例如，瓦面层采用以直代曲的建模方法，飞檐、鸱吻等构件全部删除，模型面数控制在二级模型的1/10左右。表2是根据图1中的屋顶模型在实际项目设计过程中，通过建立多级层次细节模型，研究得出的三级LOD模型精度对比样本。

3.2 古建筑模型结构优化

由于古建筑构件具有层级复杂、形式多样、类型丰富的特点，在运用3DS MAX平台建模过程中，各种构件契合部位都存在大量的不可见面片、各种构件分段面数较大、内部结构优化方式不合理等问题。这些问题不解决，会造成文件容量增大，导致VR系统运行速度缓慢甚至无法运行，从而严重地影响VR系统的网络发布和下载速度。

古建筑结构优化的具体方法：第一，单体构件简模化，控制模型分段数，用最少的面片数进行模型几何结构的精简。如图2所示，古建筑屋顶层级中的正脊构件模型采用Loft（放样）工具进行优化，通过直线路径拾取二维线框截面，得到具有三维属性的复杂几何体造型，在此基础上适度减少放样物体的Shape（形状步幅）和Path Steps（路径步幅）参数值，从而精简模型总面数。第二，确保模型的三角面为等边三角形，等边三角形面有利于渲染及烘焙，同时锯齿和纹理模糊现象较少。第三，删除古建筑底部看不见的面、各种模型之间的重叠面、各种模型之间相交的面以及因遮挡关系不可见的面。例如，柱子作为木构架建筑承重体系中的主要部分，在进行该类构件的模型优化过程中，不仅要减少冗余分段数，而且要将柱子与其他构件相互接触的底面和顶面删除。第四，制作复杂镂空及窗框模型时，采用导入AI格式线框图编辑制作的方法。第五，减少曲面，将模型截面上的分段数值设置为最低，以达到优化模型的效果。

3.3 古建筑模型数量优化

應该按照古建筑模型层级规划方案，根据VR系统中设计好的不同观察视角，对古建筑模型个数进行优化，减少场景模型量也是十分重要的。VR场景中的模型数量过多，不仅会增加烘培物体的数量，还会影响建筑物模型的渲染时间，严重降低系统运行速度，应当去除场景中所有模型的冗余面，将VR场景中的模型数量尽量控制在1500～4000个之间，达到优化内存资源的目的。

减少古建筑模型数量的方法：第一，合理分布模型的密度。运行速度的不稳定往往是因为场景中模型密度分布的不均匀导致的。第二，将所有相同材质的模型合并在一起，通过3DS MAX平台中的Attach（附加）和Collapse（塌陷）工具，从而减少物体个数。充分利用Attach（附加）命令可以将不同的建筑构件合并为一个可编辑多边形，并且保留合并后的多边形中任意建筑构件的可编辑性。古建筑模型往往由于结构复杂，需要在修改器命令面板中通过添加各种修改命令才能完成，Collapse（塌陷）命令能够将相同材质的建筑构件模型合并成一个模型，解决建筑单体模型量多、系统运行缓慢的问题。另外，还应该注意处理距离视角较远、模型面数多的配景建筑物模型时，一般不建议合并模型，因为这样反而会影响VR场景的运行速度。

3.4 古建筑模型纹理优化

VR场景中，曲面面数较高的古建筑构件模型往往采用纹理优化方法进行优化处理，从而得到高度仿真效果。例如，屋顶层级中的走兽、脊首、吻兽、宝刹、鸱吻、飞檐等复杂构件通常都采用该方法进行优化。

纹理优化方法主要包括静帧贴图优化和烘焙贴图优化两种。静帧贴图优化方式的纹理渲染时间较少，极大地降低了复杂模型的面数。图3为古模型层级结构库中屋顶层级列表下的吻兽模型构建的制作方法，该贴图的制作依赖于Photoshop位图处理软件和CorelDRAW矢量图处理软件的综合应用。通过在Photoshop软件中合理化设计贴图的分辨率、输出格式、色彩模式、滤镜组配、透明度要素完成构件贴图的制作，运用CorelDraw软件完成古建筑构件的轮廓线稿制作，在3DS MAX平台中完成模型的仿真表现。

烘焙贴图优化方式利用3DS MAX平台中的Vray渲染器插件工具，通过计算场景中的光照信息，渲染生成建筑立面贴图。烘焙贴图优化技术的优点在于保证了贴图信息的完整性，系统分别生成材质贴图和光影贴图两张贴图。由于渲染后的纹理带有光照信息，从而增强了场景的真实感。如图4所示的户牖构建，通过烘焙贴图优化后的效果，渲染得出的材质贴图纹理清晰，烘焙出来的光效真实，明暗区分明确，根据户牖模型的复杂度烘焙不同尺寸的贴图，如l024*1024、512*512、256*256等尺寸。在实际的运算过程中，图像纹理分辨率的变化主要根据视距的大小而变。这种优化方式极大地缩短了浏览系统实时计算灯光的时间，增强了场景的视觉仿真度。

4 结语

基于VR系统的模型优化方法的课题研究是当下虚拟现实应用技术的重要方向。本文以虚拟环境中古建筑为研究对象，探讨了如何借助于3DS Max实现全方位的模型优化体系，并得到了比较满意的模型仿真效果，为真实还原古代建筑原貌及其所蕴涵的艺术、文化信息提供了强有力的技术支持。

参考文献：

[1] 李儒茂，郭翠翠.虚拟现实编辑器标准教程[M].印刷工业出版社，2013：3.

[2] 王晓华.中国古建筑构造技术[M].化学工业出版社，

2013：6.

[3] 刘祥.虚拟现实技术辅助建筑设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4] 卜德清，唐子颖，刘培善，宋效巍.中国古代建筑与近代建筑[M].天津：天津大学出版社，2000.

[5] 朱庆，林珲.数码城市地理信息系统——虚拟城市环境中的三维城市模型初探[M].武汉：武汉大学出版社，

2004.