劉媛，顏金彪，彭聰，胡穎莉

（1.古村古鎮(zhèn)文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳承湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 衡陽(yáng) 421002；2.衡陽(yáng)師范學(xué)院 城市與旅游學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002）

隨著時(shí)代的進(jìn)步，傳統(tǒng)的古建筑已經(jīng)不再局限于文字與圖片的表達(dá)，越來(lái)越多的人傾向于三維的表達(dá)?？焖?、準(zhǔn)確且高效地構(gòu)建三維模型是三維表達(dá)的基礎(chǔ)。三維建模目前主要有三類方式：第一類，手動(dòng)直接還原三維古建筑模型，借助測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)傳統(tǒng)古建筑實(shí)現(xiàn)1:1 還原三維模型，優(yōu)勢(shì)是精細(xì)美觀，但是耗時(shí)耗力，且專業(yè)性較強(qiáng)，由于個(gè)體化繪制差異，模型構(gòu)件的重復(fù)利用率不高[1-3]；第二類，利用現(xiàn)存的點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速且高效生成傳統(tǒng)古建筑三維模型，但三維模型整體為一層三角面片構(gòu)建的表面模型，無(wú)法區(qū)分不同的建筑構(gòu)件與單體建筑，模型的重復(fù)利用率不高，且對(duì)于表面相對(duì)平滑的對(duì)象，數(shù)據(jù)冗余較為嚴(yán)重，如沒(méi)有現(xiàn)存數(shù)據(jù)，將無(wú)法搭建三維模型[4-7]；第三類，借助數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)構(gòu)建傳統(tǒng)古建筑三維模型，在已知一定數(shù)量的不同建筑構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上來(lái)構(gòu)建三維模型，這類核心依賴于建筑構(gòu)件的數(shù)據(jù)庫(kù)足夠強(qiáng)大，才能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)古建筑的三維準(zhǔn)確還原。此建筑構(gòu)件的數(shù)據(jù)庫(kù)可以來(lái)源于不同的數(shù)據(jù)源，如第三方靜態(tài)三維模型，但是內(nèi)容無(wú)法調(diào)整；使用靈活的CityEngine規(guī)則類建筑構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)，雖然含豐富的語(yǔ)義，但是無(wú)法囊括其所有類型[8-12]；結(jié)合《營(yíng)造法式》相關(guān)理論生成客家建筑構(gòu)件庫(kù)，能夠減少重復(fù)建筑構(gòu)件的重編輯，提高整體的使用效率，建筑構(gòu)件本身也可以再次利用[13]。雖然《營(yíng)造法式》已經(jīng)比較詳盡地闡述了傳統(tǒng)古建筑的建造工藝，但是如何適用于多類古建筑構(gòu)模，需要進(jìn)一步深究與解析出古建筑語(yǔ)義密碼——三維景觀基因庫(kù)。該文以衡陽(yáng)市石鼓書院為例，借助CityEngine建筑語(yǔ)義規(guī)則建模技術(shù)，構(gòu)建一套強(qiáng)大的三維建筑景觀基因庫(kù)，利用該規(guī)則庫(kù)實(shí)現(xiàn)三維模型的自動(dòng)化拼接組合。

1 研究案例

石鼓書院是宋代四大書院之首，其三面環(huán)水，坐落在湖南省衡陽(yáng)市石鼓區(qū)石鼓山上，歷經(jīng)唐、宋、元、明、清五朝的歷史變遷。如今的石鼓書院是基于清代重建修復(fù)而成，功能涵蓋豐富，既有書舍也有祠堂，同時(shí)還包含觀景的亭，具有一定的典型性。建筑整體布局（圖1）呈明顯的中軸對(duì)稱的狹長(zhǎng)型帶狀分布，地勢(shì)從山腳經(jīng)長(zhǎng)橋至懸山壁有升有降、沿中軸左右層層遞進(jìn)、高低起伏，具有典型的縱深多進(jìn)的院落形式。規(guī)整的布局體現(xiàn)了我國(guó)儒家思想文化中尊卑有序、主次鮮明的社會(huì)倫理關(guān)系。

該研究主要針對(duì)房屋的建筑結(jié)構(gòu)，構(gòu)建一個(gè)通用的三維建筑景觀基因數(shù)據(jù)庫(kù)。該三維建筑景觀基因數(shù)據(jù)庫(kù)可以靈活地調(diào)整各類構(gòu)件的數(shù)據(jù)，同時(shí)便于滿足用戶其他實(shí)際三維構(gòu)模的需求。石鼓書院的古建筑是以木質(zhì)結(jié)構(gòu)為主、青瓦白墻為輔。建筑要素主要?jiǎng)澐譃椋何蓓?、屋身、臺(tái)基、廊、疊澀、建筑材質(zhì)和其他，并且解析出對(duì)應(yīng)空間位置、布局、樣式等細(xì)節(jié)（表1）。核心在搭建建筑空間三維景觀語(yǔ)法的語(yǔ)義——三維建筑景觀基因元數(shù)據(jù)，目的是區(qū)分出不同的三維建筑語(yǔ)義結(jié)構(gòu)。

表1 建筑要素特征分析

2 三維建筑景觀基因庫(kù)的構(gòu)建

該文主要區(qū)分出不同的古建筑單體，開展較為友好且智能化的快速構(gòu)建書院模型。該三維建筑景觀基因庫(kù)內(nèi)部其每一個(gè)建筑基因單元可獨(dú)立、變化多樣地提取或拼接，支持無(wú)縫空間拓?fù)潢P(guān)聯(lián)，精準(zhǔn)角度等參數(shù)控制，且脫離專業(yè)人士精細(xì)建模的需求，建模過(guò)程高效實(shí)用。三維建筑景觀基因庫(kù)主要有屋頂、屋身、臺(tái)基、建筑材料4 類。其中前三者是形成結(jié)構(gòu)骨架的關(guān)鍵，區(qū)分該3類為三維建筑景觀造型庫(kù)，且不同基因庫(kù)存儲(chǔ)的類別與子類別不一，構(gòu)建的造型也會(huì)參差不同（圖2），且每一層對(duì)象關(guān)系是可以獨(dú)立生成并有效無(wú)縫關(guān)聯(lián)組合，為后續(xù)建筑構(gòu)件單元的智能解析、重組替換提供便利。最后的建筑材料，主要存儲(chǔ)不同造型對(duì)象的紋理材質(zhì)信息，便于外觀紋理貼圖。

圖2 三維建筑景觀造型庫(kù)的規(guī)則類的邏輯關(guān)系

2.1 屋頂三維建筑景觀基因庫(kù)

石鼓書院的屋頂三維建筑景觀基因庫(kù)，主要?jiǎng)澐殖煞轿活?、樣式類、角度類、檐邊類、面?xì)化類以及脊線類6 個(gè)對(duì)象。每個(gè)對(duì)象還有對(duì)應(yīng)的子對(duì)象精準(zhǔn)參數(shù)關(guān)聯(lián)，尤其是樣式類，主要包括歇山頂、攢尖頂、硬山頂3 種類別，結(jié)合重檐類可以組裝出更多的類別信息。對(duì)于面細(xì)化類而言主要考慮對(duì)斜面和直立面三維單體表達(dá)依賴復(fù)雜結(jié)構(gòu)來(lái)組件，因此也需要單獨(dú)區(qū)分。為了讓用戶直觀辨識(shí)，CityEngine 軟件還提供了對(duì)應(yīng)的樣式管理規(guī)則style，可以有效的靈活查看每個(gè)類別的形態(tài)關(guān)系，結(jié)合建筑材質(zhì)庫(kù)形成不同的建模屋頂樣式（圖3），結(jié)合其他對(duì)象，該屋頂三維建筑景觀基因庫(kù)將可以任意調(diào)節(jié)方向、屋檐長(zhǎng)度、角度、脊線參數(shù)等，使得屋頂可以從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的一體化管理，基因鏈關(guān)系更加明了，有利于參數(shù)化重復(fù)利用和精細(xì)化表達(dá)。

圖3 屋頂樣式管理

2.2 屋身三維建筑景觀基因庫(kù)

石鼓書院的屋身三維建筑景觀基因庫(kù)，主要?jiǎng)澐譃榉轿活悺⑽菽橆?、樓層? 個(gè)對(duì)象。每個(gè)對(duì)象也有對(duì)應(yīng)的子對(duì)象精準(zhǔn)參數(shù)關(guān)聯(lián)。其中核心主要是屋臉類，涉及到屋臉的方位、布局、柱子樣式、門種類、窗種類、護(hù)欄等子對(duì)象，這些子對(duì)象之間的自由組合形成符合石鼓書院屋身基礎(chǔ)造型，再根據(jù)細(xì)節(jié)的高度、寬度等參數(shù)化控制，可以調(diào)整細(xì)節(jié)變化信息。每一個(gè)屋臉都會(huì)存在差異，需要逐一討論。最終，石鼓書院組合樣式就有五種：大觀樓樣式、合江亭樣式、武侯祠樣式、山門樣式和普通樣式（圖4）。再者，由于樓層不同，可能對(duì)應(yīng)的屋臉也會(huì)有差異，比如合江亭是主要用于觀光遠(yuǎn)眺的古建筑，其一、二樓主要有護(hù)欄外圍，四面門窗造型，三樓則僅四面窗戶，三層樣式根據(jù)實(shí)用性而不同。內(nèi)部不同樓層是支持便攜控制與參數(shù)化調(diào)整表面，并配備相關(guān)樣式庫(kù)供用戶參考。

圖4 屋臉綜合樣式的管理

2.3 臺(tái)基三維建筑景觀基因庫(kù)

臺(tái)基作為承托建筑物的必要條件，主要由臺(tái)階、基身和護(hù)欄構(gòu)成。為了襯托古建筑的審美與等級(jí)性，臺(tái)階和護(hù)欄會(huì)構(gòu)建出不同的造型特征。禹碑亭、書舍、宗祠、大觀樓的臺(tái)基都存在不同的形態(tài)，核心是臺(tái)階開口方向主要有四周型、前后兩面型和單面型的差別。根據(jù)CGA 參數(shù)化的優(yōu)勢(shì)，可以獲取不同的側(cè)面替換臺(tái)階樣式模型，且臺(tái)階的層數(shù)、高度以及寬度可控（圖5）。

圖5 臺(tái)基樣式管理

2.4 建筑材質(zhì)庫(kù)

由于所有的造型都需要依賴材質(zhì)紋理才能更加直觀的表達(dá)，因此三維建筑景觀基因庫(kù)必然存在紋理數(shù)據(jù)庫(kù)。主要涉及的材質(zhì)有磚、瓦、木頭等。構(gòu)建一個(gè)較為龐大的建筑材質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)主要由不同屋頂、屋身、臺(tái)基性質(zhì)來(lái)分配。如，屋頂和匾聯(lián)就會(huì)存在不同的樣式紋理圖層（圖6-7）。

圖6 屋頂Style 管理界面

圖7 匾聯(lián)Style 管理界面

3 三維建筑模型的半自動(dòng)化或自動(dòng)化生成

該文基于構(gòu)件的三維建筑景觀基因庫(kù)，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)語(yǔ)法規(guī)則積木式搭建三維古建筑模型，支持整體樣式半自動(dòng)或自動(dòng)化生成。由于不同的三維建筑景觀基因庫(kù)主要由不同的規(guī)則文件管理，且規(guī)則文件可以配合對(duì)應(yīng)的二維屬性參數(shù)管理，因此一次性快速構(gòu)建想要生成三維模型成為可能。其核心思路：基于想繪制三維的底層數(shù)據(jù)，結(jié)合其屬性字段或者指定的參數(shù)表格，利用不同的三維建筑景觀基因庫(kù)文件，將共享的參數(shù)對(duì)應(yīng)從總規(guī)則傳遞到子規(guī)則，利用帶參規(guī)則傳遞參數(shù)的變量信息，實(shí)現(xiàn)必要建筑構(gòu)件或整體模型的生成。半自動(dòng)化與自動(dòng)化生成核心差別在于自動(dòng)化需要結(jié)合Python 自動(dòng)更新屬性參數(shù)，屬性參數(shù)是預(yù)先設(shè)定的類，一鍵既可以實(shí)現(xiàn)人工調(diào)整參數(shù)，為后續(xù)圖形識(shí)別自定語(yǔ)義參數(shù)提供必要的參數(shù)化接口。以石鼓書院為例設(shè)計(jì)86 個(gè)相關(guān)類型參數(shù)，通過(guò)統(tǒng)籌設(shè)置與布局，可以較為快捷地實(shí)現(xiàn)模型的智能生成（表2）。由于模型智能化程度相對(duì)較高，因此中間錯(cuò)誤面片不會(huì)出現(xiàn)，從而避免人工干預(yù)導(dǎo)致的不一致性、不完整性、錯(cuò)誤拼接等一系列問(wèn)題的出現(xiàn)。

表2 建筑半自動(dòng)化成果

4 結(jié)論

三維建筑景觀基因庫(kù)，可以適用于任意一種類型的三維古建筑模型，無(wú)論是簡(jiǎn)單的民居類型還是復(fù)雜的宮殿、寺廟類型都能逐一調(diào)整參數(shù)輕松實(shí)現(xiàn)，并且支持半自動(dòng)化與自動(dòng)化建模，但是局限在于如果出現(xiàn)不規(guī)則基礎(chǔ)二維地塊，有待更新對(duì)于每一個(gè)立面的管理。該方法為后續(xù)開展非專業(yè)人士收集古村古鎮(zhèn)三維資料以及圖像識(shí)別自動(dòng)化古建的還原，提供前期的底層核心建?？蚣?。目前整理的三維建筑景觀基因庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量為800 多兆，可以調(diào)整的參數(shù)（含樣式、數(shù)值等要素）高達(dá)108 種類型，可以涵蓋不同類型的古建筑基礎(chǔ)造型79200 種造型，細(xì)節(jié)變異差別可以高達(dá)45619200 種。古建筑群無(wú)論構(gòu)建有多復(fù)雜，大都能比較便捷地生成與更新。