王志強(qiáng),王猶建

(江西理工大學(xué),江西　贛州　341000)

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基于Normal Map虛擬技術(shù)的贛南客家圍屋仿真實(shí)現(xiàn)探析

王志強(qiáng),王猶建

(江西理工大學(xué),江西贛州341000)

摘要：Normal Map技術(shù)是當(dāng)前虛擬仿真實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要手段，它在模型基礎(chǔ)上通過貼圖信息來完成虛擬對(duì)象的高仿真實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前古建筑虛擬仿真的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)更是離不開Normal Map技術(shù)的支撐。贛南客家圍屋是江西古建筑群里極具代表性建筑，其歷史悠久，文化深厚，建筑形制及材料十分豐富，Normal Map虛擬技術(shù)的研究將為贛南客家建筑的保護(hù)提供技術(shù)支持。本文從Normal Map的運(yùn)算方式及技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合贛南客家圍屋的具體實(shí)際進(jìn)行建筑微觀細(xì)節(jié)的仿真實(shí)現(xiàn)探析。

關(guān)鍵詞：贛南客家圍屋；Normal Map技術(shù)；虛擬仿真

作為漢民族分支的客家，自秦以來已有千年的歷史?？图胰俗陨硭N(yùn)育的客家文化在華夏傳統(tǒng)文化中，也占有非常重要的位置，并且成為中國(guó)民俗文化的一朵奇葩。據(jù)羅香林先生《客家源流考》中考證，江西贛南的客家及客家文化均發(fā)源于晉武帝統(tǒng)一中國(guó)時(shí)期。贛南因而也是早期客家民系形成的搖籃之一。贛南客家文化作為客家文化的一個(gè)重要組成部分，具有贛南地域獨(dú)特的文化特征。其中，贛南的客家圍屋就是其文化魅力的一個(gè)重要表現(xiàn)。因此，對(duì)贛南客家圍屋的保護(hù)及其文化的繼承與傳播是社會(huì)學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)所迫切研究的課題。本文從三維計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的角度對(duì)贛南客家圍屋文化的現(xiàn)虛擬實(shí)現(xiàn)問題進(jìn)行相關(guān)探析。

一、Normal Map技術(shù)在贛南客家圍屋微觀仿真實(shí)現(xiàn)中的運(yùn)用

贛南客家的圍屋文化，在建筑表現(xiàn)上，主要體現(xiàn)于外在建筑形制、內(nèi)部的構(gòu)造及建筑內(nèi)外的裝飾風(fēng)格和整體色彩格調(diào)。在具體的圍屋建筑仿真實(shí)施中，建筑文化的表現(xiàn)除上述因素之外，還須從虛擬技術(shù)層面考慮對(duì)建筑文化的實(shí)現(xiàn)性。這主要涉及對(duì)圍屋建筑模型細(xì)節(jié)、材質(zhì)細(xì)節(jié)、文化氛圍的仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)。長(zhǎng)期以來，學(xué)術(shù)界對(duì)于傳統(tǒng)古建筑仿真的實(shí)現(xiàn)僅僅滿足于建筑虛擬數(shù)據(jù)與概貌而忽視細(xì)節(jié)與文化氛圍。而Normal Map技術(shù)的出現(xiàn)也正迎合了古建筑及其他仿真中高仿細(xì)節(jié)及微觀文化虛擬實(shí)現(xiàn)的有效解決。

因此，對(duì)于贛南客家圍屋文化的數(shù)字保護(hù)，Normal Map技術(shù)的仿真運(yùn)用是實(shí)現(xiàn)圍屋建筑細(xì)節(jié)及文化特征的關(guān)鍵方法。

1.關(guān)于Normal Map技術(shù)

在仿真虛擬技術(shù)快速發(fā)展的今天，Normal Map最早是應(yīng)用于游戲及影視三維制作方面。Normal Map技術(shù)最初的概念也是來源于Peercy等人的論文“Efficient Bump Mapping Hardware”，是因圍繞3D曲面凹凸的實(shí)現(xiàn)而設(shè)立的觀念。它與Bump Map的區(qū)別在于Normal Mapping技術(shù)是直接把Normal信息存到一張法線貼圖里面，并且貼圖里面采集的值就是Normal數(shù)值，不需要像Bump Map那樣直接的計(jì)算。嚴(yán)格意義上說，Normal Map也是Bump Mapping的一種。另外，Normal Map一般都是由三維軟件或插件中實(shí)現(xiàn)生成。它具體的實(shí)現(xiàn)方法一般為由三維動(dòng)畫軟件如XSI、3DS MAX、MAYA等創(chuàng)建低細(xì)節(jié)模型(low model)，再由其他數(shù)字建模雕刻工具如Autodesk Mudbox、zbrush等繪制高細(xì)節(jié)模型(high model)并利用低細(xì)節(jié)模型來導(dǎo)出生成Normal Map。同時(shí)，三維動(dòng)畫軟件如XSI、3DS MAX、MAYA等一般都支持導(dǎo)出模型的Normal Map,即低細(xì)節(jié)模型在軟件中可以加載Normal Map，在Pixel Shader采樣中計(jì)算出Normal的值，并運(yùn)行逐像素光照來渲染低細(xì)節(jié)模型成高細(xì)節(jié)圖像。

值得注意的是，Normal Map存儲(chǔ)的法線是基于切線空間的，因此要進(jìn)行光照計(jì)算并需要把Normal,Light Direction,View direction統(tǒng)一到同一坐標(biāo)空間中。也就是說，Normal Map法線是一個(gè)三維向量，是由X、Y、Z等3個(gè)分量組成，并以這三個(gè)分量來對(duì)紅綠藍(lán)3個(gè)顏色值的存儲(chǔ)，Normal Map上的數(shù)值也是由這三個(gè)分量構(gòu)成(如圖1)。Normal Map值的范域是可以通過ATI程序或Adobe photoshop軟件來進(jìn)行修正。

圖1　Normal Map分量構(gòu)成示意圖

2.贛南客家圍屋建筑仿真的復(fù)雜性

贛南客家圍屋的仿真復(fù)雜性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是贛南圍屋建筑細(xì)部結(jié)構(gòu)的顯性復(fù)雜性；另一方面是贛南客家圍屋建筑內(nèi)涵的隱形地域文化復(fù)雜性體現(xiàn)。

贛南客家圍屋的這種建筑顯性復(fù)雜性主要表現(xiàn)在圍屋建筑本身結(jié)構(gòu)、建筑材料和內(nèi)外裝飾的復(fù)雜性。一方面贛南圍屋占地面積大，一般不少于500平方米，最大者可多達(dá)10 000平方米左右，并且圍屋四周環(huán)套方屋，一般是兩三層，也有四層的，為懸挑外廊結(jié)構(gòu)，大些的圍屋內(nèi)部建有祖廳，更大的則是多層的套圍，按八卦形布局，稱之為“四扇三間、九井十八廳”(如圖2)。另外，圍屋墻體的厚度一般在0.5米以上，最厚者可達(dá)1.5米，立面不少于2層且高度在5米以上，層數(shù)多者可達(dá)6層。另一方面贛南圍屋建筑的材料運(yùn)用也是相當(dāng)獨(dú)特——泥土、石塊、沙子、木料、竹子、石灰、青磚、青瓦、土紙漿就是全部材料，但圍屋內(nèi)墻壁卻是用可食用的蕨粉粉刷一定厚度，在久困缺糧之際可剝落食用。圍屋內(nèi)外裝飾符號(hào)更是嚴(yán)格的按宗族傳統(tǒng)、四季時(shí)節(jié)來布置：從建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能的布置到屋內(nèi)家具及器皿的安放，圍屋門額牌匾的占卜到節(jié)慶日吉祥符圖的形制。

圖2　南康鳳崗董氏九井十八廳民居

贛南客家圍屋其內(nèi)在的文化精神則主要體現(xiàn)在結(jié)合地域環(huán)境氛圍和傳統(tǒng)民俗民風(fēng)當(dāng)中，如對(duì)客家圍屋婚慶時(shí)節(jié)的仿真實(shí)現(xiàn)與客家懇親大會(huì)時(shí)節(jié)的仿真實(shí)現(xiàn)，其雖然在圍屋建筑本身上沒變化，但建筑附屬的文化裝飾、人物活動(dòng)甚至氣候環(huán)境都具有隱性的文化不同內(nèi)涵。圍屋仿真的這種隱形性是具有特定性、暫時(shí)性和復(fù)雜性，而贛南客家圍屋文化仿真的成功實(shí)現(xiàn)是需思考和加入文化的隱形因素。

3.圍繞贛南客家圍屋微觀細(xì)節(jié)的Normal Map技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在現(xiàn)實(shí)虛擬仿真中，仿真對(duì)象的微觀細(xì)節(jié)程度是決定仿真真實(shí)性、可靠性的關(guān)鍵之一。從LOD節(jié)點(diǎn)技術(shù)與mip-Mapping技術(shù)的融合到Normal Map技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都是在最大程度上完善對(duì)象仿真的真實(shí)性、有效性、數(shù)據(jù)性和交互性。然而，針對(duì)仿真對(duì)象和意義的不同，其仿真微觀細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)的角度也是盡不相同。對(duì)于工程類項(xiàng)目的仿真，其客觀數(shù)據(jù)及交互性要求較高，而視覺微觀細(xì)節(jié)則可降到最低；而對(duì)于社會(huì)的文化性場(chǎng)所仿真，則更注重其有效保護(hù)和虛擬實(shí)現(xiàn)的視覺合理、真實(shí)，即微觀細(xì)節(jié)的精細(xì)度的仿真度要求較高。在贛南客家的圍屋建筑群中，據(jù)史料記載最早的圍屋是建于明代萬歷39年楊村的烏石圍，清代早期所建的圍屋約占總數(shù)的30%左右。因此，贛南客家圍屋的仿真虛擬應(yīng)從文化的角度出發(fā)，以Normal Map技術(shù)為平臺(tái)，在建立高精度建筑仿真細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)之上，再去完善地域建筑和客家文化的內(nèi)涵體現(xiàn)。贛南客家圍屋虛擬仿真的高精度細(xì)節(jié)制作基礎(chǔ)則更是對(duì)Normal Map技術(shù)的合理、有效實(shí)現(xiàn)。贛南客家圍屋仿真虛擬的建筑微觀細(xì)節(jié)主要凸顯在墻體、瓦片屋頂、屋檐細(xì)節(jié)三個(gè)方面。

贛南客家圍屋墻體、瓦片屋頂及屋檐微觀細(xì)節(jié)的Normal Map技術(shù)實(shí)現(xiàn)，一方面是由于贛南客家圍屋建筑自身細(xì)節(jié)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特色；另一方面是它常年坐落在多雨的地理環(huán)境，并因人為與自然的因素構(gòu)筑了其斑駁的多層次細(xì)節(jié)。因此，圍屋墻體的細(xì)節(jié)表現(xiàn)主要突出在兩個(gè)方面：一個(gè)是整體灰磚多交叉的堆砌形式、二是墻體較嚴(yán)重的受風(fēng)雨侵蝕的風(fēng)化現(xiàn)象(如圖3)。

圖3　贛南客家圍屋風(fēng)貌

圖4　圍屋墻體低精度模型實(shí)現(xiàn)

贛南客家圍屋微觀細(xì)節(jié)的實(shí)現(xiàn)，主要依賴Normal Map技術(shù)，其將高度紋理圖與法向量紋理圖結(jié)合來產(chǎn)生更多的細(xì)節(jié)，如圍屋墻體磚塊疊加、砂土層凹凸、表面剝落等。在此之前，Normal Map技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需在3ds max或maya軟件中借助Editablepolyon等建模方式來完成墻體、瓦片屋頂?shù)牡图?xì)節(jié)模型的實(shí)現(xiàn)，如圖示模型的整個(gè)面數(shù)polys為128、點(diǎn)數(shù)verts130、fps值為159.793(如圖4)。

Normal Map本身是從一張顏色紋理圖得到高度值且通過擾動(dòng)周圍像素的顏色值相加獲得。其象素與它周圍象素的高度差，在切空間構(gòu)筑S與T的向量并由差值疊加獲得Normal的法線向量。具體計(jì)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)為沿S方向的高度差，也就是S方向的坡度，H(i,j+1)-H(i,j-1)為沿T方向的高度差，也就是T方向的坡度。

其中，在高度貼圖計(jì)算中Tangent space和world space，view space表達(dá)的是同一個(gè)概念，都是代表三個(gè)向量坐標(biāo)系。因此，圍繞對(duì)應(yīng)高度紋理貼圖的計(jì)算方式，對(duì)圍屋墻體低細(xì)節(jié)模在Zbrush軟件中進(jìn)行動(dòng)態(tài)高細(xì)節(jié)模型制作，并完成的效果，這個(gè)模型獲得的整體面數(shù)polys為137480、點(diǎn)數(shù)verts68880、fps值255.655(如圖5)。

圖5　圍屋墻體高精度模型實(shí)現(xiàn)

通過ZBrush軟件、3ds max等軟件利用低細(xì)節(jié)模型和高細(xì)節(jié)模型的對(duì)應(yīng)紋理貼圖計(jì)算方式可到得圍屋墻體較為精確的Normal Map紋理圖(如圖6)。

Normal Map紋理圖的紋理生成通常在XYZ向量上帶有不正確的數(shù)值，在紋理中顯示為偏亮色或純色的區(qū)域(如圖7中標(biāo)注的a、b、c區(qū)域)。因此，我們需要通過第三方插件來對(duì)Normal Map紋理圖進(jìn)行修正，修正結(jié)果如圖8。

圖7　圍屋墻體Normal Map紋理修正示意圖

圖8　圍屋墻體Normal Map紋理修正圖

圖9　圍屋墻體最終細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)圖

圖10　圍屋墻體Normal Map技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程圖

在虛擬軟件中配合Normal Map紋理圖完成墻體的高細(xì)節(jié)模型匹配低細(xì)節(jié)模型的仿真虛擬，圍屋墻體模型具有高精度的細(xì)節(jié)，但在軟件中所顯示的整個(gè)面數(shù)polys為128、點(diǎn)數(shù)verts130、fps值為159.793與低細(xì)節(jié)模型的整體點(diǎn)面數(shù)等同。圍屋墻體最終高精度效果及制作流程如圖9、10。

對(duì)于Normal Map紋理圖分辨率大小需注意的是，對(duì)于通常較大的場(chǎng)景仿真，Normal Map紋理圖的分辨率大小對(duì)軟件及計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)性能的影響是比較明顯的。一般而言，4096×4096 pixel分辨率的貼圖尺寸是當(dāng)前PC硬件機(jī)器和仿真軟件所承受的一個(gè)最高強(qiáng)度。過于大的貼圖尺寸也將導(dǎo)致在線虛擬系統(tǒng)無法流暢交互運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)虛擬軟件的計(jì)算方法，Normal Map紋理圖尺寸大小設(shè)置與仿真虛擬視點(diǎn)高度和、對(duì)象距離密切相關(guān)。假設(shè)Normal Map紋理圖片紋理的分辨率為X(單位： pixel)，視點(diǎn)的高度或距離為Y( 單位：m)；模型的面積為Z( 單位：km2)，則它們的函數(shù)關(guān)系為：X2Y2=52 428 800×Z(其中，52 428 800為恒定常數(shù))。例如從20m的距離觀看，按2×102m4=0.02 km2的虛擬場(chǎng)景貼圖面積計(jì)算， Normal Map紋理最佳紋理分辨率則計(jì)算出應(yīng)達(dá)到512×512 pixel。因此，對(duì)于贛南客家圍屋的紋理貼圖制作，需要充分思考整體場(chǎng)景的大小、觀看角度和距離，并計(jì)算出與之相匹配的紋理尺寸，以免過大或過小而造成不必要的誤工。

二、從Normal Map技術(shù)的虛擬仿真到贛南客家圍屋的保護(hù)性思考

贛南客家圍屋在數(shù)量上，從建國(guó)初期的近千座到現(xiàn)今不足七百余座，平均每年都有數(shù)座圍屋倒塌消亡。而造成圍屋消亡的原因則有諸多方面，自然的老化和風(fēng)化是一個(gè)重要原因，但人為破壞與保護(hù)不力則是另一個(gè)重要因素。對(duì)客家圍屋建筑的保護(hù)和如何保護(hù)的論點(diǎn)也越發(fā)顯得迫切。當(dāng)然，從達(dá)爾文優(yōu)勝劣汰的生物進(jìn)化觀點(diǎn)來看，物質(zhì)形態(tài)的消亡也是社會(huì)發(fā)展的必然。但從文化保護(hù)與傳承視角來看，以數(shù)字化仿真技術(shù)，尤其是Normal Map技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)贛南客家圍屋的文化保護(hù)是當(dāng)今學(xué)者和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)值得思考的問題。

在數(shù)字化仿真實(shí)現(xiàn)中，Normal Map技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上緩解了虛擬技術(shù)對(duì)實(shí)物文化遺產(chǎn)仿真的微觀細(xì)節(jié)局限性。Normal Map技術(shù)在除了建筑仿真虛擬之外的其他領(lǐng)域都有出色的運(yùn)用，如次時(shí)代游戲領(lǐng)域，醫(yī)療仿真領(lǐng)域等等。因此，在贛南客家圍屋建筑文化保護(hù)中，一方面要發(fā)揮和利用好現(xiàn)有的前沿虛擬仿真技術(shù)從多角度構(gòu)建一個(gè)開放式、可持續(xù)的贛南客家圍屋群數(shù)字化仿真共享平臺(tái)。另一方面充分調(diào)動(dòng)政府和民間的力量，組織好技術(shù)和文化群體為贛南客家圍屋的數(shù)字化設(shè)施架構(gòu)好多元化溝通橋梁。

同時(shí)，基于Normal Map虛擬技術(shù)下，對(duì)贛南客家圍屋的微觀數(shù)字化仿真研究也是為我國(guó)其他古建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)實(shí)施提供了一項(xiàng)新的有效途徑。如今，虛擬仿真技術(shù)在世界文化遺產(chǎn)保護(hù)的進(jìn)程中，從其運(yùn)用的范疇及保護(hù)效果也凸顯出越發(fā)重要的作用和意義。然而，從當(dāng)前國(guó)內(nèi)各傳統(tǒng)古建筑數(shù)字化文化遺產(chǎn)的項(xiàng)目成果中，我們不難看出一些不足：其一是技術(shù)和硬件的瓶頸，即在當(dāng)前的數(shù)字技術(shù)和硬件實(shí)施中，難以詳實(shí)有效的虛擬出完整古建筑文化遺產(chǎn)。其二是建筑文化與數(shù)字技術(shù)結(jié)合缺失橋梁，在數(shù)字化實(shí)施中，虛擬仿真的實(shí)現(xiàn)往往依托的是網(wǎng)絡(luò)照片和部分實(shí)地拍攝的影像資料，數(shù)字虛擬的只是建筑和地貌的外殼，因而缺乏當(dāng)?shù)毓沤ㄖ幕旧韮?nèi)在因素表達(dá)。如何有效、合理、貼切的對(duì)傳統(tǒng)古建筑的文化數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，除了依托數(shù)字技術(shù)本身以外，還需更多的從具體傳統(tǒng)古建筑對(duì)象背后的文化內(nèi)涵出發(fā)，探尋能與虛擬仿真行之有效的結(jié)合方式。

三、結(jié)語

眾所周知，虛擬仿真的數(shù)字化方式并不是一個(gè)新穎的思路，但在虛擬仿真類型和應(yīng)用途徑當(dāng)中卻千差萬別。對(duì)傳統(tǒng)古建筑的虛擬仿真則是以文化保護(hù)和傳承為主要任務(wù)。而在傳統(tǒng)古建筑的數(shù)字化保護(hù)中，虛擬仿真作品的完美呈現(xiàn)形式是數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)與仿真對(duì)象的科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)實(shí)現(xiàn)，并依托對(duì)象內(nèi)涵的文化魅力，借助前沿的虛擬表現(xiàn)方式來達(dá)到技術(shù)與文化、科學(xué)與藝術(shù)的完美結(jié)合。因此，借用前沿的Normal Map虛擬仿真技術(shù)，通過對(duì)圍屋建筑的各種微觀細(xì)節(jié)仿真，以達(dá)到贛南客家圍屋建筑內(nèi)涵的文化體現(xiàn)，正是本文的初衷。

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文章編號(hào)：2095-4654(2016)04-0012-05

收稿日期：2016-01-28

基金項(xiàng)目：2015年江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(GJJ150691)

中圖分類號(hào)：TP311.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A