中国古代建筑多维模型库的搭建与展示界面设计研究

张子迎，周平，曹莹，薛露然，张泓胤

(北京联合大学应用文理学院，北京100191）

1 引言

中国古代建筑是一种在中国发展了数千年的建筑风格，具有悠久的历史和光辉的成就。自商周时期以来，中国建筑的整体结构特点基本没有改变，总体都以木构架结构为主要的结构方式，布局对称，具有一种简明的组织规律，规划严整，造型优美，装饰丰富多彩，特别注意跟周围自然环境的协调[1]。同时，中国建筑的构成都非常重视追求中和、平易、含蓄而深沉的美学特质，这同时也体现了中国人的民族审美习惯，这与欧洲建筑体系突出建筑个体的放射外向性格、体形体量的强烈对比等审美习惯有明显的差别[2]。

近年来，古建的调查与保护开始采用一些先进技术，例如以3S技术为核心的综合应用[3]。3S主要包括全球定位系统（GPS）、遥感（RS）、地理信息系统（GIS），其产品的多样化能够满足古建多目标多尺度地行业需求。三维建模技术在古建保护中的应用也非常广泛，三种常用的建模方法（三维极光扫描技术[4]、几何建模技术[5]、摄影测量技术[6]）都在古建三维建模中使用。古建的三维模型数据对古建的研究与展示非常有价值。通过三维模型数据，可直接获得古建不同视角平面图；在古建三维数据的基础上可开发古建筑数字化管理系统，不仅为古建筑的研究与使用提供帮助，还极大的方便了古建筑的保护工作[7]；利用三维模型，可虚拟拆解建筑结构[8]，并模拟出古建筑建造的过程动画，以便更清晰的展示古建的结构，让古代的建造过程得以真实再现，从而增加古建数字化展示的交互性与趣味性。

目前古建三维模型已经积累了大量的数据基础，如何对这些数据进行分析与再利用，使其能够更好的支撑不同时期，不同类型的古建三维模型的搭建，并进行展示利用，是大量三维模型获得之后需要密切关注的问题。文章工作主要针对已有的大量模型数据，对模型进行梳理、分类，最终形成方便调用、方便查询的多维模型库。

2 研究思路与方法

目前积累的古建及相关构件模型数量约1029件（套），数据量将近50G。这些数字化模型包括不同时期，不同布局的典型建单体筑，还包括不同类型、不同材质的建筑构件。数据来源以几何建模方法为主，少数是三维激光扫描或摄影测量的数据。图1展示了部分SkechUp和3DsMax格式的模型。

基于上述大量建筑模型数据，首先在模型数据信息分析的基础上，设置多维度分类标签。例如可从模型数据质量的角度，对这些古建三维模型数据的精度进行评估，同时提升模型质量，并根据模型质量设置模型质量级别标签；还可从建筑模型知识信息的角度，根据时代、功能、地域等划分建筑模型，根据类型、等级、归属等划分构件模型。其次，根据标签建立古建多维模型库的三维模型展示系统，根据展示的多样性，提供三维模型展示、高清图片展示及详细信息展示。具体工作思路如图2所示。

3 古建模型多维标签设置

中国古代建筑多姿多彩，有多种分类方法，例如按时代分类，按房屋造型分类，按使用功能分类等等，但是要做到一分而盖全的分类几乎是不可能的。所以，标签设置中改用了多种分类方法结合的方法。下面对部分标签进行详述。

3.1 朝代标签

中国建筑已经发展了很长一段时间，但由于文化的连续性和工匠对传统风格的执着，它具有很大的一致性。由于设计的连续性，要区分大多数中国古代建筑的建造年代并不容易。但是每个朝代还是有一些文化影响下的特征，例如汉代建筑的典型建筑形式是阙，建筑上筑以高台，屋脊平直而短，屋顶瓦当均为全圆瓦当等特点；宋代建筑梁柱上有硕大的斗拱，更出现了不规整的梁柱铺排形式，建筑物的屋脊、屋角有起翘之势，柱子造型更是变化多端。根据这些古建筑的朝代特征，把这些古建筑都归属到不同的朝代下。

3.2 功能标签

根据乐嘉藻先生的《中国建筑史》中的描述，我们把古建单体模型按功能分为平屋、塔、桥、亭子、宫殿、汉阙、城门、牌楼、楼阁这几类。故乐嘉藻先生认为“中国建筑，就实用上言，如特殊之结构，不外三间五间、一正两厢组合而成，故不能用西人之法，在用途上分类，而由形式上分类”这是乐先生的观点，不过他认为虽然形式上结构上大体相同，但是由于用途的不同，各种不同类用途的建筑或建筑群都有着自己光辉的历史。于是他又提出了仿欧人就用途上分类：曰城市、曰宫殿、曰明堂、曰园林、曰庙、寺、观。

西方人的功能分类方法比较简单，比如城堡就是一个整体，一个颇具规模的庞大的单体建筑。因此，按西方人的分类方法，就适用于一组建筑，即达到规模的建筑组群。据此在标签设置中有一个宫殿分类，就是按照一组建筑的标准进行分类。

3.3 地域标签

地域标签主要用在传统民居的分类中，民居分类主要来源于《中国传统民居类型全集（上、中、下）》。民居属于公元1840年之后的近代乡土建筑，是非皇亲国戚权贵高官的一类百姓的建筑。传统民居有几个重要的特点：大量性、地域性、多样性与活化石。

图3 古建多维模型库框架结构

图4 古建多维模型库展示界面

无论是古代还是近代，民居都是建造数量最多的，在整个中国传统建筑体系中，占据着突出的数量优势。古建模型数据中就有很多土地庙、祠堂、四合院等单体模型。中国国土的地域多样性，带来了传统民居建筑的多样性，同样是木构架建筑，北方与南方的散屋会呈现不同的形态；同样是木构架体系下的庭院式布局，北京四合院、东北大院、晋陕窄院、徽州天井院又不相同。与此同时，该部分还把苏州园林分在了民居分类中，不同于传统皇家园林，苏州园林属于私家园林，所以属于民居的范围。

3.4 建筑构件标签

除了单体建筑或建筑群，还有建筑构件的分类，根据模型数据情况，主要包括建筑组成部件及室内家具陈设两部分。对于建筑组成部件，我们主要根据其功能、等级进行标签设置。主要类别根据建筑基本构件功能的划分，包括走廊、照壁景墙、小品、围墙、宅门、美人靠、佛像菩萨、雕花窗、窗花格、花窗等。除此之外，还可根据等级进一步划分，例如宅门可细分为广亮大门、金柱大门、蛮子门、如意门等。室内家具陈设模型主要为明代桌、椅，灯笼等。

4 古建多维模型库及展示界面

根据古建模型标签搭建古建多维度模型库。同时在已设置标签模型库的基础上，进行多维展示页面的设计。设置朝代为一级查询目录，功能为二级查询目录，实际分类情况根据模型进行划分。例如根据模型的朝代归属，目前只有汉唐、宋代、明代、清代的建筑模型。考虑民居、构件的层级特点，设置民居、部件为两个独立一级查询目录，民居下分地域查询目录，构件下分功能查询目录。详细模型库构架如图3所示。

利用网页制作软件Dreamweaver设计展示界面，根据古建多维模型库的基本样例范式，设计简洁的展示界面首页，如图4a所示，同时根据古代建筑多维展示的主题设计了网页LOGO。依据标签分级显示，考虑到层级显示的友好性，设计三级显示。图4b为二级显示界面，图4c为三级显示界面，可对模型的详细信息、高清图、三维模型等内容进行进一步以弹窗形式展示。

5 结论

三维建模技术在古建中的应用日益广泛，随着数据量的丰富，如何在大量模型数据的基础上开展古建三维模型的可持续开发与利用成为古代建筑数字化领域逐渐为人关注的焦点。文章即基于大量古建三维模型数据，通过标签设置的形式，建立可展示、可利用的多维模型库，并以多维模型库为内容设计展示界面。这不仅实现了模型的多维管理与展示，避免了古建模型的重复制作和资源浪费，而且对基于模型库的场景复原，建筑重建都有重要的现实意义。在今后的工作，将把多维模型库应用到古遗址场景再现的项目中。