柳子街古建筑數字化設計與研究

夏三鰲

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柳子街古建筑數字化設計與研究

夏三鰲

（湖南科技學院 傳媒學院，湖南 永州 425199）

本文著重闡述運用3ds max進行柳子街古建筑的三維建模、材質、燈光設計以及動畫設計，讓我們在虛擬的環境中提前欣賞柳子街的美景。通過柳子街古建筑數字化設計使人們更加了解中國的歷史文化，弘揚中國文化。

柳子街；古建筑；建模；動畫設計

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含著江南的味道，街道內的建筑除了用青石堆成的臺階和小路外，大多數的材質都是木板和瓦片，斑駁的木欄桿，聳立的根根支柱，整個街道散發著悠悠古韻。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，后堂就用來當做住宅區。

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，頗具江南的水鄉風韻。巷內的建筑，除云墻和臺階，大多數是古老的木屋和一些有著磚瓦結構的建筑。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。仿佛身臨唐宋時期，別有風味。

2　柳子街古建筑三維建模設計

2.1柳子街古建筑三維建模設計思路

通過對柳子街整體格局的實地觀察與分析，結合我們所收集的素材，我們先在圖紙上設計建模對象的整體布局，畫好粗略的草紙。然后我們計劃從對柳子街的街道與房屋的初步建模入手。首先是在相對應的視圖中建立街道，用到創建命令面板下的幾何體，設定長寬值[1]。然后對兩邊的房屋進行建模，在視圖中建立幾何體，繼續調整，期間會用到修改命令面板下的復合對象，直至依次初步建成。

2.2柳子街古建筑三維建模方法

一般認為三維建模技術是整個虛擬現實系統的根基。創建虛擬現實系統，場景和模型的創建不能過于精細，如若不然將會產生大量的數據，過大的數據量將會給虛擬現實系統帶來很大的負擔，可能導致整個系統的崩潰，特別是復雜場景的創建。應用虛擬現實系統的模型時，應該在保證模型所必須的質量前提下盡可能的做到占用更少的內存，用來保證虛擬現實應用系統在運行時的速率，虛擬現實系統的硬件條件一般個人無法定制，因此只能從系統軟件的方面去充分發揮個人能動性。在構建虛擬現實系統時我們所要做的大部分的工作就是利用各種軟件的結合創建出逼真的三維模型。就現在的研究而言，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合的三維建模方法。結合柳子街古建筑的具體實例來分析，本文設計使用第三種建模方法，主要涉及數字攝影測量和軟件建模技術。在這個數字化信息時代，科技發展迅速，軟件的更新換代時間越來越短，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是一款性價比非常高的軟件，同時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算機就能夠符合3ds max的使用要求。同時，3ds max軟件簡單易上手，節省了大量的時間。對構建古建筑三維模型而言，建筑物除了能夠表達出它的基本平面位置及高度這些信息外，還可以表達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三維對象尤其是建筑物對象的獨特風格。柳子街古建筑的基礎數據包含有平面位置和相關的建筑細節，以及包括側面紋理的真實影像數據和建筑物頂部建筑形態與特色。具體包括柳子街古建筑外貌數據、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在3ds max軟件中進行建模，可使用多邊形工具或點工具將柳子街古建筑的造型拉出然后擠出或車削，完成造型設計[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　柳子街古建筑材質貼圖設計

3.1柳子街古建筑材質貼圖編輯

我們在使用3ds max創建模型的時候同時也設置物體的顏色，但是，我們要知道這些并不是材質，材質是附在物體面上的，可以使物體以某種形式呈現的信息，它是體現物體的色彩，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，那么物體看上去就會更加真實。要想會發揮材質的作用，就要把設置好的材質賦給物體才可以。

材質編輯器(英文狀態：Material Editor)指的是用來建立以及設置材質和貼圖的工具。它由菜單欄、材質實例窗口、材質編輯工具、材質參數區、材質類型和名稱區五部分組成。材質編輯器可以通過菜單渲染(Rendering)、主工具欄上單擊Material Editor 圖標、快捷鍵M三種模式來調用。

3.2柳子街古建筑三維建模材質貼圖方法

（1）柳子街古建筑外部取景，使用單反攝影機對柳子街古建筑進行實際現場數據的收集，對柳子街古建筑的各個細節進行拍攝，獲取相關的材質貼圖；同時進行現場觀察柳子街古建筑風格，對柳子街古建筑風貌形成基本的輪廓。

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

3.3柳子街古建筑材質貼圖設計的幾個關鍵問題

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

（1）給材質球賦予材質貼圖的應該注意路徑問題，防止換電腦時產生找不到貼圖的問題，影響渲染效果。

（2）不要完全使用材質貼圖，多和色彩進行搭配。設置好貼圖的坐標參數，效果圖才會看起來比較真實。

（3）貼圖時可以使用多維子材質防止出現材質球不夠用的情況，也可以給一個物體添加多個材質球。

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

4 柳子街古建筑燈光設計

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實，它可以形成一天中不同時刻的光照，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燈光，比如說目標燈光，自由燈光等和標準燈光，比如天光、泛光燈、目標聚光燈等。

在本設計中，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。又因為模擬的是白天的柳子街，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主體的光線明暗程度。

本次設計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，在早上的時間內，物體產生的影子朝著西方；到了中午的時候，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計

5.1攝像機作用

攝像機在3ds max中相當于人的眼睛，分為目標和自由。要注意鏡頭的值越大看到的內容反而更加的小，反之，鏡頭的值小的我們看到東西就多。可以這么說，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攝像機的擺放

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

所需視頻導出后，將視頻1和視頻2導入premiere中合成視頻并且加入合適的音樂。按照一定的需求導入一些拍攝好的關于柳子街風貌的視頻，調整好后導出最終文件。

動畫制作時要注意的關鍵一點就是：最好先加入攝像機再為場景添加燈光，這樣對渲染出的結果效果比較好調整（見圖3）。

圖3.柳子街古建筑動畫設計

小　結

3ds max是一個非常好用的軟件，界面簡單學習起來比較輕松，是一款國內公認的最好的美術設計軟件，我們不但可以將照片中的景物進行編輯建模，構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用來增加材質的真實性等等。我們對軟件的熟悉程度直接影響著作品的效率和真實程度，由于對3ds max還沒有達到了如指掌的地步，對燈光的打光設置和攝像機的機位擺放不夠精準，紋理設置得不夠準確，導致做出來的圖形不是那么精確，這點還需要加強自己的專業知識水平。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系。所以，在不影響外觀的前提下，應該使位圖的尺寸盡可能的達到最小。而材質貼圖的逼真度是展示一個模型相像性的關鍵，圖片質量、圖片清晰度以及設置的參數情況會影響模型外觀的直接展現。所以說一定要做好材質貼圖的處理。

[1]王映輝.3D建模與編程技術[J].計算機應用研究,2004,(1): 37-43.

[2]譚云蘭.賈金原,張晨,等.3D樹木建模技術研究進展[J].中國圖象圖形學報,2013,(11)1520-1528.

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

[4]方沁.基于Unity和3dmax的虛擬實驗室三維建模設計與實現[D].北京郵電大學,2015.

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

（責任編校：宮彥軍）

2017－01－18

2017年度湖南省社會科學成果評審委員會一般課題“新農村建設背景下的鄉土建筑文化遺產數字化研究—以永州為例”（項目編號WX244）；2014年度湖南省社科基金項目“非物質文化遺產數字化研究—以女書為例”（項目編號14YBA181）；2014年度湖南科技學院專業綜合改革試點項目。

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

TP37

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1673-2219（2017）10-0089-03