夏三鰲

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柳子街古建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)與研究

夏三鰲

（湖南科技學(xué)院 傳媒學(xué)院，湖南 永州 425199）

本文著重闡述運(yùn)用3ds max進(jìn)行柳子街古建筑的三維建模、材質(zhì)、燈光設(shè)計(jì)以及動畫設(shè)計(jì)，讓我們在虛擬的環(huán)境中提前欣賞柳子街的美景。通過柳子街古建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)使人們更加了解中國的歷史文化，弘揚(yáng)中國文化。

柳子街；古建筑；建模；動畫設(shè)計(jì)

1　柳子街古建筑概述

柳子街的青石板路就像北京胡同里的石板路一樣，古墻和青瓦以及鏤空的窗和精巧的裝飾物蘊(yùn)含著江南的味道，街道內(nèi)的建筑除了用青石堆成的臺階和小路外，大多數(shù)的材質(zhì)都是木板和瓦片，斑駁的木欄桿，聳立的根根支柱，整個(gè)街道散發(fā)著悠悠古韻。街道的旁邊流淌著蜿蜒的河道，街道兩旁的房屋大多都是兩層而且每一棟基本都有前廳和后堂，前廳為店鋪，后堂就用來當(dāng)做住宅區(qū)。

柳子古街的全長為550米，寬度4米，皆是青石古道，與京城胡同頗為相似，巷的兩邊是粉墻黛瓦以及漏窗巧綴，頗具江南的水鄉(xiāng)風(fēng)韻。巷內(nèi)的建筑，除云墻和臺階，大多數(shù)是古老的木屋和一些有著磚瓦結(jié)構(gòu)的建筑。柳子街的街道是由青石板鋪成的，兩邊是用鵝卵石筑成的，用木板鋪面。兩側(cè)建筑多為前店后住，總體的空間格局是一街一水的，建筑以1-2層木構(gòu)住宅建筑為主，南臨愚溪水而建。兩邊的民房由木板青磚建成。整體古色風(fēng)韻十足，可謂古色古香。凡來此處的游人，無不贊嘆。仿佛身臨唐宋時(shí)期，別有風(fēng)味。

2　柳子街古建筑三維建模設(shè)計(jì)

2.1柳子街古建筑三維建模設(shè)計(jì)思路

通過對柳子街整體格局的實(shí)地觀察與分析，結(jié)合我們所收集的素材，我們先在圖紙上設(shè)計(jì)建模對象的整體布局，畫好粗略的草紙。然后我們計(jì)劃從對柳子街的街道與房屋的初步建模入手。首先是在相對應(yīng)的視圖中建立街道，用到創(chuàng)建命令面板下的幾何體，設(shè)定長寬值[1]。然后對兩邊的房屋進(jìn)行建模，在視圖中建立幾何體，繼續(xù)調(diào)整，期間會用到修改命令面板下的復(fù)合對象，直至依次初步建成。

2.2柳子街古建筑三維建模方法

一般認(rèn)為三維建模技術(shù)是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的根基。創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，場景和模型的創(chuàng)建不能過于精細(xì)，如若不然將會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，過大的數(shù)據(jù)量將會給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)帶來很大的負(fù)擔(dān)，可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，特別是復(fù)雜場景的創(chuàng)建。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的模型時(shí)，應(yīng)該在保證模型所必須的質(zhì)量前提下盡可能的做到占用更少的內(nèi)存，用來保證虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的速率，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件條件一般個(gè)人無法定制，因此只能從系統(tǒng)軟件的方面去充分發(fā)揮個(gè)人能動性。在構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)時(shí)我們所要做的大部分的工作就是利用各種軟件的結(jié)合創(chuàng)建出逼真的三維模型。就現(xiàn)在的研究而言，常用的三維建模方法可分為三種類型：基于圖像的三維建模方法、基于圖形的三維建模方法以及基于圖形和圖像結(jié)合的三維建模方法。結(jié)合柳子街古建筑的具體實(shí)例來分析，本文設(shè)計(jì)使用第三種建模方法，主要涉及數(shù)字?jǐn)z影測量和軟件建模技術(shù)。在這個(gè)數(shù)字化信息時(shí)代，科技發(fā)展迅速，軟件的更新?lián)Q代時(shí)間越來越短，而三維建模的軟件和工具有很多，包括3ds max、Zbrush、Maya等[2]，而本文主要介紹的為3ds max。3ds max是一款性價(jià)比非常高的軟件，同時(shí)對于硬件性能的要求相對于其他軟件來說較偏低。3ds max具有的強(qiáng)大的性能大大的超出了它自身的成本，一般來說普通配置的計(jì)算機(jī)就能夠符合3ds max的使用要求。同時(shí)，3ds max軟件簡單易上手，節(jié)省了大量的時(shí)間。對構(gòu)建古建筑三維模型而言，建筑物除了能夠表達(dá)出它的基本平面位置及高度這些信息外，還可以表達(dá)出它的幾何外形特征與色彩紋理，這些幾何外形特征最能體現(xiàn)三維對象尤其是建筑物對象的獨(dú)特風(fēng)格。柳子街古建筑的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含有平面位置和相關(guān)的建筑細(xì)節(jié)，以及包括側(cè)面紋理的真實(shí)影像數(shù)據(jù)和建筑物頂部建筑形態(tài)與特色。具體包括柳子街古建筑外貌數(shù)據(jù)、不同角度拍攝的照片以及紋理貼圖等。

3ds max建模，按照柳子街古建筑特點(diǎn)在3ds max軟件中進(jìn)行建模，可使用多邊形工具或點(diǎn)工具將柳子街古建筑的造型拉出然后擠出或車削，完成造型設(shè)計(jì)[3]（圖1柳子街古建筑三維建模）。

圖1.柳子街古建筑三維建模

3　柳子街古建筑材質(zhì)貼圖設(shè)計(jì)

3.1柳子街古建筑材質(zhì)貼圖編輯

我們在使用3ds max創(chuàng)建模型的時(shí)候同時(shí)也設(shè)置物體的顏色，但是，我們要知道這些并不是材質(zhì)，材質(zhì)是附在物體面上的，可以使物體以某種形式呈現(xiàn)的信息，它是體現(xiàn)物體的色彩，紋理，凹凸感等等，主要是反映場景中的物體對光線的反射和折射[4]。簡單來說就是給物體貼了材質(zhì)，那么物體看上去就會更加真實(shí)。要想會發(fā)揮材質(zhì)的作用，就要把設(shè)置好的材質(zhì)賦給物體才可以。

材質(zhì)編輯器(英文狀態(tài)：Material Editor)指的是用來建立以及設(shè)置材質(zhì)和貼圖的工具。它由菜單欄、材質(zhì)實(shí)例窗口、材質(zhì)編輯工具、材質(zhì)參數(shù)區(qū)、材質(zhì)類型和名稱區(qū)五部分組成。材質(zhì)編輯器可以通過菜單渲染(Rendering)、主工具欄上單擊Material Editor 圖標(biāo)、快捷鍵M三種模式來調(diào)用。

3.2柳子街古建筑三維建模材質(zhì)貼圖方法

（1）柳子街古建筑外部取景，使用單反攝影機(jī)對柳子街古建筑進(jìn)行實(shí)際現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集，對柳子街古建筑的各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行拍攝，獲取相關(guān)的材質(zhì)貼圖；同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場觀察柳子街古建筑風(fēng)格，對柳子街古建筑風(fēng)貌形成基本的輪廓。

（2）用Photoshop軟件進(jìn)行圖片處理，使用專業(yè)的圖像處Photoshop軟件對拍攝的圖片進(jìn)行預(yù)處理，從這些圖像中提取與所建柳子街古建筑模型相對應(yīng)的照片，對所選照片進(jìn)行投影、變形、糾正、旋轉(zhuǎn)、裁切等操作，處理后的圖片要符合材質(zhì)貼圖的要求，同時(shí)對于不符合要求的照片應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)上獲取相同材質(zhì)的照片并去除水印。

3.3柳子街古建筑材質(zhì)貼圖設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵問題

要想在3ds max中給模型賦予的材質(zhì)和燈光產(chǎn)生逼真的效果，那么使用貼圖時(shí)我們需留意以下幾點(diǎn):

（1）給材質(zhì)球賦予材質(zhì)貼圖的應(yīng)該注意路徑問題，防止換電腦時(shí)產(chǎn)生找不到貼圖的問題，影響渲染效果。

（2）不要完全使用材質(zhì)貼圖，多和色彩進(jìn)行搭配。設(shè)置好貼圖的坐標(biāo)參數(shù)，效果圖才會看起來比較真實(shí)。

（3）貼圖時(shí)可以使用多維子材質(zhì)防止出現(xiàn)材質(zhì)球不夠用的情況，也可以給一個(gè)物體添加多個(gè)材質(zhì)球。

（4）當(dāng)載入的貼圖的顏色不符合自己所需的預(yù)期的效果時(shí)，最好不要直接在3ds max中修改，比如說添加自發(fā)光顏色等，應(yīng)該使用第三方軟件像Photoshop等去修改位圖的顏色，然后再重新導(dǎo)入。

4 柳子街古建筑燈光設(shè)計(jì)

想要更好的顯示三維場景，就不能少了燈光。光與影是三維場景的生命，燈光的主要作用是使場景看起來更加的接近現(xiàn)實(shí)，它可以形成一天中不同時(shí)刻的光照，比如早晨，中午，傍晚以及晚上等[5]。燈光的類型主要分為光度學(xué)燈光，比如說目標(biāo)燈光，自由燈光等和標(biāo)準(zhǔn)燈光，比如天光、泛光燈、目標(biāo)聚光燈等。

在本設(shè)計(jì)中，燈光是用來照明和裝飾場景中的房屋的，主要使用了泛光燈來照明主體。又因?yàn)槟M的是白天的柳子街，所以，就少不了用來模擬太陽光的天光了。除了天光外還在局部增加了一些平行光來增強(qiáng)主體的光線明暗程度。

本次設(shè)計(jì)燈光是模擬早上的陽光，那么就要知道早上的太陽光走勢。太陽從東方升起，所以，在早上的時(shí)間內(nèi)，物體產(chǎn)生的影子朝著西方；到了中午的時(shí)候，太陽就處于正南的位置了，那么投影就面對北方了；到了傍晚時(shí)刻，太陽移動到偏西方的位置，投影便指向東方。因此，模擬早上燈光是需要將點(diǎn)光源放在東方的位置上使物體的投影偏向西方(圖2柳子街古建筑燈光效果)。

圖2.柳子街古建筑燈光效果

5 柳子街古建筑動畫設(shè)計(jì)

5.1攝像機(jī)作用

攝像機(jī)在3ds max中相當(dāng)于人的眼睛，分為目標(biāo)和自由。要注意鏡頭的值越大看到的內(nèi)容反而更加的小，反之，鏡頭的值小的我們看到東西就多?？梢赃@么說，我們可以看到鏡頭柳子街的多少就取決于鏡頭值的大小。

5.2攝像機(jī)的擺放

制作好材質(zhì)燈光后就要為場景添加動畫了，主要是通過為攝像機(jī)添加關(guān)鍵幀改變攝像機(jī)的視野大小來制作動畫。從第一幀開始每隔十幀添加關(guān)鍵幀，調(diào)整攝像機(jī)的視野大小，制作成由遠(yuǎn)及近的效果，然后將燈籠、牌匾等物體制作成隨風(fēng)舞動的效果，命名為視頻1導(dǎo)出。同樣的在相同的關(guān)鍵幀位置先刪除以前的關(guān)鍵幀再重新調(diào)整攝像機(jī)視野大小形成由左往右的視頻動畫命名為視頻2并導(dǎo)出。

所需視頻導(dǎo)出后，將視頻1和視頻2導(dǎo)入premiere中合成視頻并且加入合適的音樂。按照一定的需求導(dǎo)入一些拍攝好的關(guān)于柳子街風(fēng)貌的視頻，調(diào)整好后導(dǎo)出最終文件。

動畫制作時(shí)要注意的關(guān)鍵一點(diǎn)就是：最好先加入攝像機(jī)再為場景添加燈光，這樣對渲染出的結(jié)果效果比較好調(diào)整（見圖3）。

圖3.柳子街古建筑動畫設(shè)計(jì)

小　結(jié)

3ds max是一個(gè)非常好用的軟件，界面簡單學(xué)習(xí)起來比較輕松，是一款國內(nèi)公認(rèn)的最好的美術(shù)設(shè)計(jì)軟件，我們不但可以將照片中的景物進(jìn)行編輯建模，構(gòu)建二維或是三維的圖形，而且還可以配合其他的軟件一起使用，比如Photoshop用來增加材質(zhì)的真實(shí)性等等。我們對軟件的熟悉程度直接影響著作品的效率和真實(shí)程度，由于對3ds max還沒有達(dá)到了如指掌的地步，對燈光的打光設(shè)置和攝像機(jī)的機(jī)位擺放不夠精準(zhǔn)，紋理設(shè)置得不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致做出來的圖形不是那么精確，這點(diǎn)還需要加強(qiáng)自己的專業(yè)知識水平。總的來說，文件的大小和渲染速度與紋理貼圖有著直接的關(guān)系。所以，在不影響外觀的前提下，應(yīng)該使位圖的尺寸盡可能的達(dá)到最小。而材質(zhì)貼圖的逼真度是展示一個(gè)模型相像性的關(guān)鍵，圖片質(zhì)量、圖片清晰度以及設(shè)置的參數(shù)情況會影響模型外觀的直接展現(xiàn)。所以說一定要做好材質(zhì)貼圖的處理。

[1]王映輝.3D建模與編程技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2004,(1): 37-43.

[2]譚云蘭.賈金原,張晨,等.3D樹木建模技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào),2013,(11)1520-1528.

[3]劉向銅.熊助國,曹秋香.基于3Dmax的虛擬現(xiàn)實(shí)的建立過程的探討[J].西部探礦工程,2009,(2):78-81.

[4]方沁.基于Unity和3dmax的虛擬實(shí)驗(yàn)室三維建模設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京郵電大學(xué),2015.

[5]王辛龍.基于3DMax的三維城市建模與可視化的研究——以錦州市某小區(qū)為例[D].東華理工大學(xué),2014.

（責(zé)任編校：宮彥軍）

2017－01－18

2017年度湖南省社會科學(xué)成果評審委員會一般課題“新農(nóng)村建設(shè)背景下的鄉(xiāng)土建筑文化遺產(chǎn)數(shù)字化研究—以永州為例”（項(xiàng)目編號WX244）；2014年度湖南省社科基金項(xiàng)目“非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化研究—以女書為例”（項(xiàng)目編號14YBA181）；2014年度湖南科技學(xué)院專業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目。

夏三鰲（1972－），男，湖南南縣人，教授，主要從事影視動畫、數(shù)字教育媒體等方向研究。

TP37

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1673-2219（2017）10-0089-03