CGA参数化快速建模的研究与实现——以雨母山古寺庙建筑群为例

龚 雨，刘 媛，王 亮，雷 泳

(1. 湖南省第一测绘院，湖南 衡阳 421001； 2. 衡阳师范学院“古村古镇文化遗产数字化传承”湖南省协同创新中心，湖南 衡阳 421002； 3. 中国测绘科学研究院，北京 100039)

CGA参数化快速建模的研究与实现
——以雨母山古寺庙建筑群为例

龚 雨1,2，刘 媛2，王 亮3，雷 泳2

(1. 湖南省第一测绘院，湖南 衡阳 421001； 2. 衡阳师范学院“古村古镇文化遗产数字化传承”湖南省协同创新中心，湖南 衡阳 421002； 3. 中国测绘科学研究院，北京 100039)

参数化建模是通过属性参数进行实时、动态、快速三维建模的新方法。本文基于CityEngine的CGA参数化建模技术，结合地理设计的框架，并与Sketch Up、3ds Max建模软件实现了模型共享，完成了衡阳市雨母山古寺庙建筑群的三维精细模型的集中展示，对古建筑文化基因进行了较为友好的三维诠释。通过拓展已有参数化规则，创建了符合中国古建筑群三维建模的规则模板，集中展示了各式各样特色造型与样式，拓宽了三维建模技术的应用范围，为古寺庙建筑群三维基因图谱的构建和虚拟旅游规划设计提供了详细系统方案与新的理念。

CityEngine ；CGA参数化建模；古寺庙建筑群；地理设计；LOD

古建筑是古代劳动人民的伟大创作和智慧结晶，是研究古代历史、文化和科学发展的珍贵资料，因此对古建筑三维建模技术的研究具有重要意义[1]。采用传统三维建模方式构建古建筑三维精细模型，需要花费大量精力设计建筑外表面、调整贴图，模型数据量庞大，建模周期长，更新效率低，且不能三维网络共享数据。虽然后期前沿开展三维激光点云的快速构建，但是相对于复杂的古建筑而言，许多技术难关还有待攻破，成本上费用不菲[2-3]。而基于CityEngine平台的CGA参数化建模新技术，可实现建筑物的快速高效建模，可通过属性参数动态地渲染、调整模型的形态特征，在复用性、建模效率、模型实时显示和渲染方面，具有无可争议的领先地位[4-8]。对于CityEngine的CGA参数化设计，目前的研究均为简单建筑或道路的建模方面，未涉及有效的三维古建筑景观基因[9]的表达与管理，以及组织框架构建复杂的古建筑精模。本文将进行系统性的模块化组建古建筑群，着重对雨母山的古寺庙建筑群进行试验研究，对复杂的古建筑物模型表达给出简化性的设计思路，为衡阳市雨母山古寺庙建筑群三维交互精细模型的集中展示，并结合景观文化基因拓展构建古代商业风情街，有效管理数据容量和分层显示。

1 雨母山古寺庙建筑群特征分析

雨母山位于湖南省衡阳市雨母山乡境内，系南岳山脉之首，除了具有优越的地理位置和怡人的自然景观外，还孕育了千百年来钟灵毓秀的人文奇功，承载了悠久的中华文明[10]。雨母山的人文景观体现在3大古寺庙建筑群上,见表1。图1和图2是基于CGA参数化快速建模后应用到网络共享WebGL的旅游GIS服务。

表1 三大建筑群体系基本架构

图1 帝喾寺与雁雨寺

图2 赤松观

2 雨母山古寺庙群参数化交互建模的设计与实现

2.1 研究区数据准备

对佛教与道教古寺庙建筑群的前期调研与资料收集主要有以下的数据准备工作：

(1) 雨母山基础三维场景数据，包括平台自带的天空盒、地表影像和DEM数据。DEM地形与影像可以借助测绘与遥感数据获取。

(2) 基础二维矢量数据，通过前期采集的二维矢量数据，构建基础的空间布局，包括点、线、面等树、道路、房屋或河流的位置与形状，最终通过规则参数化实现二三维一体化交互建模。

(3) 精细二三维模型，用于LOD管理三维景观的精细与简化显示，主要包括精细二维模型贴图和精细三维景观基因单体。两者需要借助PS与相关的第3方三维构模软件(如SketchUp、3ds Max)构建佛教、道教古寺庙复杂单体，如斗拱、灯笼、弧形门拱、石鼓、石雕、镂空花窗等。

2.2 雨母山古寺庙群参数化建模设计与实现

古代建筑通常采用桦卯交接的方式组成成千上万个构件，还常有很多种兽形饰件，这都加大了古建筑三维重建的难度[1]。雨母山古寺庙群参数化交互式建模主要分为道路、山脉、水体、建筑4大类，其中前三者交互建模相对较为容易，无论从规模还是模型组件，都不及古建筑复杂。因此本文基于CityEngine对古建筑群进行规则参数化交互建模。该方法不仅使用二维图层属性来管理每个建筑实体单元，同时还利用CGA规则参数化设计模型统一外框骨架，以及配备管理精细与粗糙模型LOD管理，使得构建更加灵活多变，可以实时调整，快速变换，批量修改。

通过对古寺庙模型结构的研究，将古寺庙群建筑群划分为亭子、山门及房屋3大类。亭子相对小而集中，一般可划分为阶梯、屋顶、护栏、柱子4个部分；山门则更为简洁，主要由阶梯、屋顶、柱子和门脸构建。由于前两者都可通过房屋简化构建，因此结合房屋景观基因(见表2)可实现每个基因要素的通用建模规则库文件。该参数化交互主要协同在样式框架、纹理、装饰上进行优化，统筹管理，使得房屋能够支持各种寺庙建筑多样化变更。

表2 房屋主要景观基因表

本次雨母山古寺庙群三维建模中的房屋主要从阶梯、屋顶、山墙、屋身4个方面来展现。并且通过参数化管理，灵活地将亭子、山门、房屋友好地交互实现(参见图3)。其中，图3(b)是编写规则代码设定参数后，人机可交互修改的条件，并灵活地变动亭子和房屋的效果。

图3 一组参数化变更快速构建古建筑模型

2.2.1 阶 梯

本文阶梯主要根据排列结构来分类，构建一个通用参数化管理阶梯的规则。从位置上区分两类管理：前后阶梯与两侧阶梯；从样式上分为单段(普通阶梯)、三段(两侧滑坡面阶梯、两侧带护栏阶梯)、五段(中间滑坡面两侧带护栏阶梯)及旋转阶梯(古代直角转弯的宅院)；阶梯的宽度、高度、层数可根据实际情况参数化灵活变更。该结构不仅满足古代祭祀石雕御道阶梯和花雕护栏综合表达，也可间接变更为现代楼梯和电梯的表达形式。阶梯的参数化建模主要体现在结合迭代函数循环增量矩形，该矩形可以借助矩形函数和拉伸函数来生成，阶梯数量与倾斜关系一一对应，两侧斜坡可以利用台函数实现，同时精细的石雕和护栏可以友好地参数化替换模型。

2.2.2 屋 顶

在雨母山古寺庙群中出现的屋顶主要呈现为简单双坡顶、单檐歇山顶、重檐歇山顶。参数化主要是样式的管理与部分精细零部件的管理，其中重要建筑的屋顶大都以斗拱挑出檐口，在屋檐转角处形成翼角起翘，屋檐处的剪边增添屋面的色彩，屋顶两侧有山花，山花上以悬鱼略加装饰，正脊的顶部有宝顶，正脊有吻兽或望兽，垂脊有垂兽，戗脊有仙人走兽和戗兽。实现核心是借助平台自带的屋顶样式，进行切割与拆分优化，生成古代歇山顶样式并确定屋檐边沿各类雕花位置。局部精细装饰采用LOD管理精细模型与简单面片的切换。

2.2.3 屋 身

屋身不仅拥有边缘结构柱子与护栏，还有门脸、山墙等。其参数化建模主要表现在：柱子管理和护栏的表达都具有样式和方位的可调性，满足5种以上的交互响应，同时模型可精可粗；楼层中楼高与楼层数量可根据情况自动调节；门脸可调节5种以上的样式，并对应调节墙体纹理；山墙形态主要划分为简单马头墙、半边马头墙、带门洞马头墙、双拱形山墙等，变异的马头墙存在多檐变化的特征，区分为一阶、三阶。核心建模思路是：将地块抬升至地基高度，选取地基顶部，复制3个地基顶部，分别做柱子地面、护栏地面及楼层墙面；护栏通过偏移函数实现内部缩进，提取周边，再通过切分规律，实现前后开口、环绕等样式调整；柱子均匀切割格网找寻柱子摆放规律，设定参数管理前后柱子、四周柱子、中间柱子等样式调整；门脸主要切割垂直与水平的开孔数量，设置对应的牌匾方位等参数；山墙通过迭代方式管理阶层，借助参数管理高度、宽度、层数、形态，以及内部景观基因要素的LOD管理。

3 结 语

本文在CityEngine平台下，对雨母山古寺庙建筑群开展了一系列CGA参数化快速建模方法研究。通过设计一种通用参数化的三维建模方法，打破了以往复杂古建筑群三维模型设计理念，同时也提升了CityEngine的适用范围，并创新提出了古建模方法。通过编写分类参数、合理调用分类函数，创建了一套符合中国古建筑三维建模的规则模板。这类方法的参数化不仅适用于开发的建模人员，而且对于中间层用户而言，可以傻瓜式地通过交互参数友好地调整模型类型、样式、纹理等。本文还提供了LOD管理，主要是可以针对某一类景观基因要素友好替换精细模型或粗模，并能实时更新查看，并快速批量建模。应用此类方法不仅构建了雨母山的佛、道教文化，还拓展重复利用规则快速构建了规划中的古代商业风情街(如图4所示)。

图4 古代商业区参数化快速建模

[1] 王茹.古建筑数字化及三维建模关键技术研究[D].西安：西北大学，2010：391-494.

[2] 王天明,王晏民,黄明.基于三维激光扫描技术的古建筑模型构建[J].测绘通报，2014(S2)：146-150.

[3] 王峰,李长辉,宋杨,等.古建筑园林三维激光扫描测绘与系统开发[J].测绘通报，2013(S1)：47-49.

[4] 吴宁.基于目标识别和参数化技术的城市建筑群三维重建研究[D].杭州：浙江大学，2013：112-364.

[5] 张晖，刘超，李妍，等.基于CityEngine的建筑物三维建模技术研究[J].测绘通报，2014(11)：108-112.

[6] 刘媛，邓运员，刘立生，等.CityEngine CGA支持下的传统民居复杂屋顶建模及优化——以衡阳市中田村为例[J].测绘通报，2016(3)：98-102.

[7] 韩东成，唐志敏，张守文，等.基于CityEngine与CGA规则构建3D室外及室内精细模型的研究[J].电子世界，2014(14)：363-364.

[8] 李晓婧，李建华，杨春白雪.基于3DS Max与CityEngine的虚拟校园设计——以宁夏大学为例[J].电脑知识与技术，2015(14)：202-206.

[9] 刘沛林.中国传统聚落景观基因图谱的构建与应用研究[D].北京：北京大学，2011：126-406.

[10] 刘峥嵘.管窥历史云雾中的人文雨母[N].衡阳日报，2011-12-15(02).

Research and Implementation of CGA-based Parametric Fast Modeling——Taking Ancient Temples in the Yu-mu Mountain as an Example

GONG Yu1,2,LIU Yuan2,WANG Liang3，LEI Yong2

(1. The First Surveying and Mapping Institute of Hunan Province, Hengyang 421001,China; 2. Cooperative Innovation Center for Digitalization of Cultural Heritage in Traditional Villages and Towns, Hengyang 421002,China； 3. Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing 100039,China)

Parametric modeling is a new method of real-time, dynamic fast 3D modeling using property parameters. This paper shows 3D refined models of complex ancient temples in Yumu Mountain. It is more friendly three-dimensional interpretation of ancient culture. This is based on CityEngine parametric modeling technology, combined with the geographical framework design and SketchUp, 3ds Max modeling software model sharing. By extending the existing model rules, we create a rule template in line with China’s ancient architectural complex three dimensional modeling. It not only focuses on various characteristic modelling and style but also broads the application scope of 3D modeling technology. It provides system solutions and new ideas in detail for the construction of 3D genetic map of the complex ancient temple and virtual tourism planning and design.

CityEngine; CGA parametric modeling; ancient temples; geographical design; LOD

龚雨，刘媛，王亮，等.CGA参数化快速建模的研究与实现——以雨母山古寺庙建筑群为例[J].测绘通报，2017(4)：112-115.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0133.

2016-08-10

“传统数字化保护技术”湖南省工程实验室开发基金(CT14K10)；国家自然科学基金(41471118)；湖南省高校创新平台开放基金(14K014)

龚 雨(1984—)，男，土家族，硕士，研究方向为测绘与GIS三维可视化。E-mail: qqnvshen@126.com

刘 媛

P208

A

0494-0911(2017)04-0112-04