数字技术在建筑三维虚拟表现中的应用

曹愉航 石晓乐 吴迎鹏 王 瑞 代 超 姜立婷

数字技术在建筑三维虚拟表现中的应用

曹愉航 石晓乐 吴迎鹏 王 瑞 代 超 姜立婷

数字技术的高速发展正逐渐影响到人类社会的各方面，包括传统的建筑领域。本文根据制作历史建筑三维模型，进而制成由外部到内部漫游视频的经历，探讨了所涉及的数字技术及其在建筑三维虚拟表现中的应用（包括技术路线、流程等）以及应用体会等问题。

近年来，高速发展的数字技术逐渐渗透到人类社会的各个方面，也波及了传统的建筑领域。数字技术不仅为建筑设计提供了全新的工作媒介，提高了工作效率，还通过运用新的表达媒介，使建筑三维虚拟表现成为可能，弥补了观者无法感受建筑内部空间的不足。

三维虚拟表现是在完成空间方案设计后的一种效果表现，它综合了模拟空间的造型、色彩、材质、灯光等在空间中的视觉效果。通过建筑的三维虚拟表现对建筑进行全方位的观察，并可自由控制游览路线，在此过程中获得强力的感官冲击。

目前较流行的三维模型制作表现的数字技术软件有Auto CAD、SketchUp、Photoshop、After Effect、Premier、Fraps、3D Max、Rhino、Lumion以及相关插件Vray等。其中Lumion于2010年11月首次发布，设计师对其较为陌生，正处于逐渐被推广使用阶段。本文根据制作历史建筑三维模型及漫游视频的经历，探讨所涉及的数字技术及其在建筑三维虚拟表现中的应用（包括技术路线、流程等）以及应用体会等问题，并总结出一套简单、高效、实用的运用数字技术的方法模拟建模和视频处理工作流程。

对数字技术的认识

Auto CAD

Auto CAD，即Computer Aided Design，是一款应用广泛的计算机辅助设计软件，在建筑方面主要用于二维制图。CAD在建筑模型制作过程中由于其完善的图形绘制、编辑功能而被用于绘制精准的建筑二维图形。使用者根据确定的数据，可在较短时间内绘制出线稿，且能批量复制，节省绘图时间。CAD可以将平面图形导出至SketchUp， 3D Max等软件中，进一步建立三维模型。

Adobe Photoshop（PS）

PS是一款图像处理及图形制作软件，在建筑模型制作方面主要用于处理贴图图像。PS强大的图像处理功能如图像编辑、合成、特效制作等，可将图像处理得更加完美，满足使用者的视觉需求。

SketchUp

SketchUp是Google旗下一款三维模型设计制作软件，用以表达设计制作者的思想并将其立体化呈现。在建筑模型制作方面主要应用于建立确定数据的建筑模型。使用者可以根据数据确定模型的平面，进而通过推拉等操作形成体块，体块之间相互组合形成需要建立的模型，整个操作过程直观简明。

3D Max

3D Max是一款三维模型制作与渲染软件。制作建筑模型时，3D Max主要用于建模、材质附加与模型渲染三方面。建模的方法为Grid网格建模，这为使用者提供了三维的建模环境，更精确地展示建模细节。材质编辑器可令附与材质后的模型表现出更真实的效果。同时，3D Max自带储备详尽材质库，以满足各类渲染效果。

Lumion

Lumion是一款3D动画制作软件，在建筑方面的应用是创建由SketchUp、3D Max等软件导入的建筑模型的场景，并制作动画。Lumion可对已有建筑模型进行材质的渲染或二次附加，也可从内容库中选取植物、家具、人物等添加在模型中，使场景更丰富。相较于其他动画制作软件，Lumion自带的景观、地形、场景效果等更加逼真。同时Lumion的动画制作过程也更为简单，在建成的场景中设置镜头路径，计算机便将自动完成动画渲染，让使用者感觉更加直观且更具感染力。

Fraps

Fraps是一款视频捕捉软件，在建筑方面的应用在于为不具有创建动画的软件进行动画录制。Fraps操作简单，且录制的视频质量高，只要打开软件便可捕捉运行程序中的所有图像。例如可以在Google Earth中录制建筑物的区位和环境分析等，为建筑视频的制作提供了丰富素材。

Adobe premiere/After Effects（AE）

Premiere是一款视频编辑软件，在建筑方面的应用主要为编辑完善建筑动画。Premiere拥有素材编辑、输出、DVD刻录等功能，可对已有的动画素材进行剪辑、添加效果、添加音乐等，使整个视频更连贯完整。AE则是Premiere的兄弟软件，除了具有Premiere的视频编辑功能外，还有着更为复杂的动态图形设计功能，是一款专业高端的视频设计软件。

数字技术的应用

利用数字技术软件创建历史建筑三维模型，进而制成由外部到内部的漫游视频，主要包括数据采集、处理，创建三维模型，以及三维模型的可视化等过程。主要技术路线如下。

流程

资料收集和提取数据

该阶段是整个虚拟现实数字技术中最重要的环节之一，资料收集的完整性对下述各环节的有效实施产生直接影响。需收集的数据包括建筑模型的长、宽、高等尺寸，建筑后期所需贴图的图像，贴图纹理的参数，建筑所在区域的气候、地理位置，基地环境等。

建筑长、宽、高可通过查阅相关建筑介绍，收集相关图纸获得。建筑所在区域气候及地理位置数据，可通过浏览相关国家的气象部门网站或者运用相关专业软件模拟得出。而建筑基地环境则可通过商业地图软件查获相关的卫星图片。

形成建筑底图dwg数据

烟气脱硫是降低煤燃烧所产生的主要污染物二氧化硫的重要措施。吸收塔是脱硫工艺中的主要结构，属于大型薄壁壳体钢结构，设备受到自重、浆液、风、地震及操作压力等荷载的影响，同时塔体的大开孔削弱了塔体强度，塔顶还自带高烟囱，使得塔体受力十分复杂，难以用经典解析方法弄清楚塔体的受力情况。文中以某自带烟囱的高塔型脱硫吸收塔为研究对象，用MIDAS有限元软件对吸收塔进行建模计算，分析出吸收塔在各工况下的强度及变形，并通过线性屈曲分析的方法分析了吸收塔结构的稳定性。

运用AutoCAD软件，通过高分辨率的平面图像，描绘出所需的建筑模型及周围场景的底图，把模糊的光栅图像数据转化为精确的矢量图像数据，然后分层保存建筑部分与基地周围场景部分。在分层过程中，一定要理清条理，明确分层内容，避免出现项目推进到一半回头重新分层的情况。

建筑物底图数据

把步骤2.2.2中保存的基地底图中建筑部分的图像导入到三维建模软件SketchUp或3D Max中，使之形成可用的三维模型底图。同样把场地部分的图像导入到三维建模软件中，另形成一份供场地建模使用的底图。这一过程中需注意能简化的边、线一定要尽可能简化。导入的底图文件单位一定要与使用的三维建模软件相统一。导入时如果是多边形建模软件，一定要注意用适当的分段分面数，以减少接下来作图中可能遇到的不必要的麻烦。

建筑物闭合底面

把导入的建筑底图矢量文件成组，进入组中修整线头，得到一套完整的、各区域闭合的建筑底图。然后缝合底面，使建筑底图成面，并检查各部分未成面的区域，使之完全缝合成面并成组。同样把导入的场地底图矢量文件封面、成组。

建筑物裸模型

建模过程以应用SketchUp为例。

进入底面文件组中，把相应各部分建筑模型与相关图片资料作对照，从二维平面生成完整的三维建筑轮廓，然后对照细部，细化各部分模型并成组。在修改中每一物件都要成组，以便于修改、简化。另外生成组件在修改等工作中也会很有帮助，如要建一排柱子，可把一个柱子成组之后进行复制，而当需要修改这些柱子时，只需对其中一个柱子进行修改，就可获得全部柱子均被修改的结果。对于一些特别精细的地方（例如浮雕，复杂线脚装饰等），先统一做成面域留待后期处理时进行修改。期间赋予各面域简单的材质贴图，利于直观、快速建模，以及后期赋予高级材质时区分模型各部分。最后把模型导出相应的 3ds文件以及skp文件与3D Max，Lumion衔接，渲染模型。在导出过程中，调出样式菜单，在纯色模式下显示模型，检查模型的各个面，确保模型向外的面都为正面，以避免导至其他软件中出现破面、漏面等情况。

赋予模型材质并渲染的过程，可使用以下方法，一套是基于Lumion软件为核心的方法，另一套主要使用的软件则是3D Max。本文以操作更为简易的Lumion来进行阐述。

建筑物模型

为使模型看起来更加生动，需赋予模型贴图。墙体纹理图片的制作需在Photoshop中完成。利用相关模型的立面图片，加入纹理并赋予其光泽、凹凸等效果，使纹理贴图更加接近于真实质感。纹理贴图调整成尺寸为512*512分辨率的图片，这可使图片适应模型“面”的同时，在空间占用、复杂程度上取得平衡。对于一些浮雕效果和一些复杂的线脚、装饰等，可不必为这些效果单独建模、渲染，因为这样既占用模型空间又浪费时间。可获得这些装饰、浮雕的图像于Photoshop中处理成有凹凸感的贴图，然后贴到相应的面域上。对于玻璃、金属等材质，需要找好相应的材质的底色，然后给图片定好一个适中的尺寸即可。

把模型导入Lumion，打开材质编辑器，把在Photoshop中制作好的纹理贴图导入Lumion中，调整好地面的粗糙感、玻璃的透光和反射率、颜色等各种纹理参数，并置换对应的贴图，对照模型上材质显现的效果进行随时调整。

创建建筑场景

三维虚拟表现是真实的建筑与周围环境、场景的再现，所以还需要构筑出建筑周围的场景模型。

在Lumion中，根据收集到的周围场景信息，通过地形创建工具建立起相应的高差等地形条件，并回到SketchUp中把需要的粗略场景信息创建出来，导入到Lumion中。通过外部组件插入人、物件、树木等，丰富场景。并在Lumion中调整好太阳的高度角、不同的气候特点、一天中的显现时间等场景气候参数。

动画录制渲染

在Lumion中，调出视频录制管理器，在当前场景中开始设置视频录制片段，通过调整镜头的远近、方向来确定视角，捕捉视频，并利用控制人物行走路线、鸟儿飞翔路线、叫声等，来丰富视频场景。根据计划中的视频片段录制每段视频，在录制完成后，通过自由的剪辑器进行初步的剪辑，特效处理，并利用照明、效果处理等修改器，进行照明修改、气候场景的改进。

在动画录制渲染中，也可运用Fraps配合建模软件，省去渲染所需的大量时间及精力，同样可以取得不错的效果。在SketchUp模型建出以后，赋予相应的材质，设定镜头，在SketchUp中直接导出视频。然后在场景的制作上，运用Fraps抓取商业地图软件的动态三维场景，制作成视频。把模型视频与场景视频合并，待后期动画处理。

后期动画处理

把渲染好的视频导入视频处理软件Premiere，把视频放入视频轨道，把外部讲解语音进行简单调整降噪处理后放入音频轨道，调整并剪接使视频与音频合理同步。按照计划视频路线，穿插、剪接视频片段，使整段视频完整、连贯并随之调整音频轨道保持同步。

在视频剪接完成后，把剪接好的视频放入AE处理后期效果。处理好每段视频的衔接效果、字幕效果、视频中所要体现出来的氛围，添加各种滤镜使整段视频更加丰满。

模型案例

通过运用相应数字技术软件制作了圣彼得大教堂的三维建筑模型及动画漫游视频。

应用体会

通过制作上述具体案例，对所应用的数字技术软件有了更进一步的认识。CAD使用广泛，制图精准、高效，为使用者的制图带来方便。PS功能强大，可对图像进行各种编辑、效果处理，但PS为位图软件处理，图形清晰度受像素大小限制，放大一定比例后便会出现模糊的情况。SketchUp建模过程简单，易获得三维视图效果，可直观感受模型的立体效果，但其在曲面等复杂形态的建立方面略显不足，无法确定数据；同时其自带的功能有限，所以需要借助其他插件来弥补，且基于多边形建模原理的内核使得软件内部经常出错，经常要在补面、检查中浪费大量时间。3D Max渲染效果逼真生动，材质库资源丰富，但建模与渲染过程中参数较复杂难控制，而软件的学习和熟练操作也是一大挑战，需要大量的专业基础知识来支撑。Lumion的场景效果较真实且创建过程简单，易编辑的场景及材质修改器也是这个软件的一大特色，不足的是Lumion只具有编辑模型的功能但自身却无法创建模型，只能依附于其他模型制作软件，因此便要求模型的制作过程不准许出现失误，这对于使用者来说是一项极大的挑战；而且Lumion较3D Max这类软件来说功能不够强大，效果也不够逼真，所提供的录像功能也比较简单，相对于其他软件来说还存在着资源占用较高的情况，需要强大的机器配置来支撑。Fraps的录制操作简单方便，但是录制的画面仅限电脑运行软件中的，却无法录制整个电脑屏幕的，而除此之外再无其他功能，所以只能作为这一系列软件的辅助软件。

综上，各种技术均有其优点和不足，只有对其深入了解、灵活配合应用，才能达到理想效果。

结语

建筑是典型的三维视觉艺术，因而三维虚拟建模是一种重要的建筑表现形式，其中有多种技术和方法可供建模使用。每个建模方法和技术有各自的优势与不足。本文结合实际工作经验，总结出一套简单、高效、实用的运用数字技术的方法模拟虚拟现实的建模和视频处理模式的工作流程，希望能给予相关人员一定帮助和参考。同时制作的历史建筑三维模型漫游视频也可作为教师教授相关课程的辅助课件使用，以弥补学生无法直观的感受建筑方面的不足，强化对学生空间观念建立的培养，以及加深对经典历史建筑空间的理解。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.012