汪浩文，张 捷

(南京航空航天大学 艺术学院， 南京 211106)

近年来，数字技术在古建筑保护方面的应用不断完善，并且为古建筑的数字化保存、数字化监管、数字化设计及数字化展示等提供了一定的技术支撑。在数字虚拟现实方面，由于古建筑的造型特点相对复杂，空间构件元素形式多样，因此在仿真交互的过程中难以高精度地表现。此外，当整个场景的总面片数过多时，系统平台会出现渲染丢帧或硬件负荷过高的现象，降低了虚拟现实的体验效果。因此，建模的细化及优化方法、模型面片的优劣程度将关系到整个古建筑虚拟现实体验的成败，成为亟需解决的核心问题[1-8]。

1 虚拟现实对古建筑模型的要求

虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，通过计算机的软、硬件生成一整套三维虚拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的动态化视景和实体行为的系统仿真，能够让使用者彻底沉浸于虚拟世界中。与传统的计算机三维动画和三维游戏的视效截然不同，它对模型的精细要求和材质、灯光的仿真效果要求更加具体与细致。因此，作为结构复杂、构件繁琐的古建筑场景，应格外注重分析与探讨虚拟现实对古建筑模型的要求。

1.1 几何建模的要点

古建筑模型的几何建模要点特指对模型的层次关系与主属关系的要求。层次关系如古建筑单体包含了瓦面层、梁架层、斗拱层、柱础层及装饰层等层级。而主属关系指在虚拟现实运动的过程中，模型的主要构件运动将带动次要构件进行连锁反应。如虚拟地震过程，古建筑的立柱发生形变，横梁也连带发生倒塌。因此，在建模的过程中必须考虑各个构件不仅需要按照实际几何尺寸、比例关系进行建模，还必须满足模块化、层次化及通用性要求，能够合理地对模型进行成组或分解，保证每个部件都是独立的节点，拥有独立的方位变换矩阵，以便满足虚拟现实中局部或整体的各种动态仿真的需要。

1.2 模型的几何分割要点

把模型场景分割成更小的“世界”或“单元”的过程被称作为模型的分割，只有作为当前单元的对象才会被精细渲染，这样极大地减少了模型的复杂性。对于复杂的古建筑场景而言，分割是更加必要的。古建筑模型分割可以视觉的远近程度分为3个等级LOD(levels of detail),保证观察者在不同角度和视线范围内，确保不同级别的模型能够自然切换与顺畅过渡。LOD应当遵循的特性是：视点距离建筑越近，模型越需要精细展示，中距离的观摩可以适当采用面片适中的精简模型，而远距离的模型则可以采用简模或简模结合图像的方式对建筑模型进行替代(图1)。

图1 斗拱三级LOD

2 古建筑建模方法中常见的缺陷

在虚拟现实的古建筑场景制作中，常用建模方法很多，例如通过3dsMax或Maya中的Mesh网格建模、Surface表面建模、Polygon多边形建模及Nurbs曲面建模等，或者可以利用三维扫描技术中的逆向建模方法，对建筑群进行三维扫描以获取模型点云数据，再通过3dsMax或Maya深入建模。虽然建模的形式非常多样，但对于多边形冗余的古建筑场景而言，如果不从虚拟现实应用的角度全面地对建模方法进行思考与分析，那么极易出现很多常见的缺陷。

2.1 模型的面片数量过多

通常情况下，古建模型的细节程度是影响虚拟现实仿真度的重要指标。但是建立模型的目的是为了给观察者创建一个虚拟的环境，满足其在空间中实现动态观察与交互的实现，因此在建模的过程中必须考虑虚拟现实整体系统的综合功能。盲目追求模型的细腻程度，通过大量的面片去实现古建筑模型的各个造型构件，无疑会影响整个场景数据库整体结构的优化设计，从而破坏虚拟现实体验的顺畅性。

2.2 模型的拼接关系错误

古建筑模型的局部构件不是用一个外形吻合的几何形状就可以概括表现，因为它是由多个实体模型拼接而成，但是这种拼接并非简单的积木搭接方式，如果拼合关系不正确，会引起模型的面片重叠，即多个面片会争夺同一坐标系(如图2)。这在虚拟现实实时渲染时，会导致计算机的Z-Buffer消隐算法无法判断哪一个面片应当优先渲染，引起画面出现频繁闪烁的现象。避免这种错误的有效途径是针对重叠的模型构件进行单面建模处理或通过子面模式进行删减设置。

图2 争夺Z值

2.3 模型的网格布线混乱

在古建筑场景中，一些曲面程度较高的，如斗拱、吻兽、雕塑等局部造型需要通过网格布线的方式对模型进行完善。在具体建模的过程中，网格布线为了满足造型的需要，网格控点在建模时会根据造型需要进行坐标调整。而网格的大小、疏密度，以及网格的形状有可能成为被忽略的对象。这样的布线方式在虚拟现实静态呈现的过程中是没有问题的，但是在模型需要完成类似动态变形的演示时，布线杂乱的模型会使面片发生褶皱或黑面的现象，从而导致虚拟现实的视觉效果失真，因此模型的网格形状与布线规律在虚拟现实的动态模拟中仍是值得思考的重要问题(图3)。

3 古建筑建模方法的新思考

古建筑模型的建模方法应当充分考虑虚拟现实的平台特性，并以精准、恰当的面片分配方式完成模型场景的整体创建，这就意味着不仅需要在建模环节注重把握好模型的几何造型，同时也需要找寻一种适合虚拟现实动态呈现、并具备高仿真度的模型细化和优化的方案。

图3 布线混乱

3.1 利用样条线建模细化模型

古建筑模型的构件如窗花、格栅、梁架等可以通过二维样条线编辑先建立模型的截面图形，再沿相应的路径放样成三维实体模型。在截面的处理过程中应该考虑放样后模型面片的连贯性与整体性，即放样后的模型不能存在面片的重合及穿插等现象(如图4)。因此，在绘制中应当仔细观察图形各顶点的实际焊接情况，确保图形能够以闭合状态整体放样。在创建实体模型后，模型段数可以利用蒙皮属性进行直接设置，将xyz三坐标下的模型段数根据模型的实际情况进行精确分段设置并保障模型的面片质量(图5)。

图4 样条线放样

图5 段数变化

3.2 利用多边形建模细化模型

对于古建筑模型结构转折丰富或曲面状态的模型构件，如吻兽及室内家具、假山、雕塑小品等，需要利用多边形的建模方式进行创建，在创建时应当保持单面建模的习惯，即每个单面的背面都需要及时进行背面消隐，确保模型的法线显示始终朝外，避免虚拟现实渲染时光线追踪的计算量过大。同时在曲面造型的布线方式上应当采用有利于动画计算的四边形布线(图6)，对于因造型特征原因所无法避免的三角面或五边形面，尽量放置于模型的隐蔽位置，确保动画过程中的破面、褶皱、黑面现象不过于明显。此外，需要在模型的转折区域及结构穿插区域进行大量布线与细化，确保吻合相应特征，而对于模型平整的面片区域尽可能弱化布线，使模型整体布线稀密得当，这样也利于后继的Nurms网格平滑对模型的结构柔化做出准确的细分判断，并确保模型的转折与穿插等结构关系过渡自然。

图6 吻兽模型四边形布线

3.3 几何优化

模型的几何优化其实是为了满足古建筑模型分割的具体要求，在有效保证模型精度的同时也能够实现硬件的低资源消耗。在具体的做法上可以利用结构优化和贴图置换两种方法针对模型的几何造型进行综合优化。

1) 结构优化

古建筑构件不仅类型丰富同时形式变化多样。模型的咬合部位存在大量不可见的面片。例如模型中的梁架层、斗拱层与柱础层等存在很多榫卯咬合现象，因此在模型的优化处理中不仅要去除模型的冗余分段，而且要删除因遮挡关系无法看见的各个面片(图7)。此外，考虑到虚拟现实平台的通用性，场景中尽量不使用凹多边形，否则系统将对其进行自动切分或补偿，极易引起画面卡顿现象。所以，理想的处理方式应当是在不影响模型轮廓、结构关系的情况下，将凹多边形分割成若干个较小的凸多边形进行拼接与组合(图8)，在操作时应注意每个面片的分割大小均衡，确保细分后的模型面片平顺光滑。

图7 需优化的面片

图8 多边形变化

2) 贴图置换

对于古建筑场景的镂空墙面与门窗等，在制作过程中可以灵活运用贴图置换的方式代替实物模型。即针对场景中非主体区域的构件，创建出模型的主要体块，而体块内部的镂空样式与纹理造型等则可采用材质系统的透明、凹凸及混合等遮罩功能对模型进行置换(图9)，从而避免由样条线挤出所产生大量冗余的三角面数据，为实时浏览奠定了基础，也可以保证模型的渲染效果。

图9 贴图置换

3.4 场景烘焙

场景烘焙是把古建筑的光影信息烘焙到贴图上。这样即使场景中没有设置虚拟灯光，模型仍能呈现带有光照信息的表面纹理与真实光效，通过这样的处理方法可以在有效节省系统资源的同时加快渲染速度。尽管贴图烘焙能为古建筑虚拟现实提供一定的视觉效果。但是在虚拟现实的实际应用中，由于动态对象不能很好地融合在静态场景中，它的光线会显得比较突兀，有时候极易与静态场景脱节。如果要为动态对象增加实时烘焙计算，会增加较多的硬件消耗时间，因此可以通过在场景中灵活地设置一定数量的Light Probes探测器去探测场景周围的明暗信息，然后对动态对象邻近的探测器进行插值运算，并将其插值结果作用于动态对象上，以便于虚拟现实在硬件低资源消耗的基础上实现静态场景与动态对象的实时融合效果。

4 结束语

综上所述，古建筑虚拟现实的基础与核心是三维建模技术。完成一个好的虚拟现实作品必须深度剖析虚拟现实平台特性与建模原理之间的逻辑关系。以优秀的建模思路及灵活的建模手段为虚拟现实的真实性、易用性、稳定性及便捷性做出积极有效的保障，从而给观察者提供良好的仿真及交互环境，有效实现古建筑场景虚拟现实建模的价值最大化。