柳子街古建筑数字化设计与研究

夏三鳌



柳子街古建筑数字化设计与研究

夏三鳌

（湖南科技学院 传媒学院，湖南 永州 425199）

本文着重阐述运用3ds max进行柳子街古建筑的三维建模、材质、灯光设计以及动画设计，让我们在虚拟的环境中提前欣赏柳子街的美景。通过柳子街古建筑数字化设计使人们更加了解中国的历史文化，弘扬中国文化。

柳子街；古建筑；建模；动画设计

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样，古墙和青瓦以及镂空的窗和精巧的装饰物蕴含着江南的味道，街道内的建筑除了用青石堆成的台阶和小路外，大多数的材质都是木板和瓦片，斑驳的木栏杆，耸立的根根支柱，整个街道散发着悠悠古韵。街道的旁边流淌着蜿蜒的河道，街道两旁的房屋大多都是两层而且每一栋基本都有前厅和后堂，前厅为店铺，后堂就用来当做住宅区。

柳子古街的全长为550米，宽度4米，皆是青石古道，与京城胡同颇为相似，巷的两边是粉墙黛瓦以及漏窗巧缀，颇具江南的水乡风韵。巷内的建筑，除云墙和台阶，大多数是古老的木屋和一些有着砖瓦结构的建筑。柳子街的街道是由青石板铺成的，两边是用鹅卵石筑成的，用木板铺面。两侧建筑多为前店后住，总体的空间格局是一街一水的，建筑以1-2层木构住宅建筑为主，南临愚溪水而建。两边的民房由木板青砖建成。整体古色风韵十足，可谓古色古香。凡来此处的游人，无不赞叹。仿佛身临唐宋时期，别有风味。

2　柳子街古建筑三维建模设计

2.1柳子街古建筑三维建模设计思路

通过对柳子街整体格局的实地观察与分析，结合我们所收集的素材，我们先在图纸上设计建模对象的整体布局，画好粗略的草纸。然后我们计划从对柳子街的街道与房屋的初步建模入手。首先是在相对应的视图中建立街道，用到创建命令面板下的几何体，设定长宽值[1]。然后对两边的房屋进行建模，在视图中建立几何体，继续调整，期间会用到修改命令面板下的复合对象，直至依次初步建成。

2.2柳子街古建筑三维建模方法

一般认为三维建模技术是整个虚拟现实系统的根基。创建虚拟现实系统，场景和模型的创建不能过于精细，如若不然将会产生大量的数据，过大的数据量将会给虚拟现实系统带来很大的负担，可能导致整个系统的崩溃，特别是复杂场景的创建。应用虚拟现实系统的模型时，应该在保证模型所必须的质量前提下尽可能的做到占用更少的内存，用来保证虚拟现实应用系统在运行时的速率，虚拟现实系统的硬件条件一般个人无法定制，因此只能从系统软件的方面去充分发挥个人能动性。在构建虚拟现实系统时我们所要做的大部分的工作就是利用各种软件的结合创建出逼真的三维模型。就现在的研究而言，常用的三维建模方法可分为三种类型：基于图像的三维建模方法、基于图形的三维建模方法以及基于图形和图像结合的三维建模方法。结合柳子街古建筑的具体实例来分析，本文设计使用第三种建模方法，主要涉及数字摄影测量和软件建模技术。在这个数字化信息时代，科技发展迅速，软件的更新换代时间越来越短，而三维建模的软件和工具有很多，包括3ds max、Zbrush、Maya等[2]，而本文主要介绍的为3ds max。3ds max是一款性价比非常高的软件，同时对于硬件性能的要求相对于其他软件来说较偏低。3ds max具有的强大的性能大大的超出了它自身的成本，一般来说普通配置的计算机就能够符合3ds max的使用要求。同时，3ds max软件简单易上手，节省了大量的时间。对构建古建筑三维模型而言，建筑物除了能够表达出它的基本平面位置及高度这些信息外，还可以表达出它的几何外形特征与色彩纹理，这些几何外形特征最能体现三维对象尤其是建筑物对象的独特风格。柳子街古建筑的基础数据包含有平面位置和相关的建筑细节，以及包括侧面纹理的真实影像数据和建筑物顶部建筑形态与特色。具体包括柳子街古建筑外貌数据、不同角度拍摄的照片以及纹理贴图等。

3ds max建模，按照柳子街古建筑特点在3ds max软件中进行建模，可使用多边形工具或点工具将柳子街古建筑的造型拉出然后挤出或车削，完成造型设计[3]（图1柳子街古建筑三维建模）。

图1.柳子街古建筑三维建模

3　柳子街古建筑材质贴图设计

3.1柳子街古建筑材质贴图编辑

我们在使用3ds max创建模型的时候同时也设置物体的颜色，但是，我们要知道这些并不是材质，材质是附在物体面上的，可以使物体以某种形式呈现的信息，它是体现物体的色彩，纹理，凹凸感等等，主要是反映场景中的物体对光线的反射和折射[4]。简单来说就是给物体贴了材质，那么物体看上去就会更加真实。要想会发挥材质的作用，就要把设置好的材质赋给物体才可以。

材质编辑器(英文状态：Material Editor)指的是用来建立以及设置材质和贴图的工具。它由菜单栏、材质实例窗口、材质编辑工具、材质参数区、材质类型和名称区五部分组成。材质编辑器可以通过菜单渲染(Rendering)、主工具栏上单击Material Editor 图标、快捷键M三种模式来调用。

3.2柳子街古建筑三维建模材质贴图方法

（1）柳子街古建筑外部取景，使用单反摄影机对柳子街古建筑进行实际现场数据的收集，对柳子街古建筑的各个细节进行拍摄，获取相关的材质贴图；同时进行现场观察柳子街古建筑风格，对柳子街古建筑风貌形成基本的轮廓。

（2）用Photoshop软件进行图片处理，使用专业的图像处Photoshop软件对拍摄的图片进行预处理，从这些图像中提取与所建柳子街古建筑模型相对应的照片，对所选照片进行投影、变形、纠正、旋转、裁切等操作，处理后的图片要符合材质贴图的要求，同时对于不符合要求的照片应在网络上获取相同材质的照片并去除水印。

3.3柳子街古建筑材质贴图设计的几个关键问题

要想在3ds max中给模型赋予的材质和灯光产生逼真的效果，那么使用贴图时我们需留意以下几点:

（1）给材质球赋予材质贴图的应该注意路径问题，防止换电脑时产生找不到贴图的问题，影响渲染效果。

（2）不要完全使用材质贴图，多和色彩进行搭配。设置好贴图的坐标参数，效果图才会看起来比较真实。

（3）贴图时可以使用多维子材质防止出现材质球不够用的情况，也可以给一个物体添加多个材质球。

（4）当载入的贴图的颜色不符合自己所需的预期的效果时，最好不要直接在3ds max中修改，比如说添加自发光颜色等，应该使用第三方软件像Photoshop等去修改位图的颜色，然后再重新导入。

4 柳子街古建筑灯光设计

想要更好的显示三维场景，就不能少了灯光。光与影是三维场景的生命，灯光的主要作用是使场景看起来更加的接近现实，它可以形成一天中不同时刻的光照，比如早晨，中午，傍晚以及晚上等[5]。灯光的类型主要分为光度学灯光，比如说目标灯光，自由灯光等和标准灯光，比如天光、泛光灯、目标聚光灯等。

在本设计中，灯光是用来照明和装饰场景中的房屋的，主要使用了泛光灯来照明主体。又因为模拟的是白天的柳子街，所以，就少不了用来模拟太阳光的天光了。除了天光外还在局部增加了一些平行光来增强主体的光线明暗程度。

本次设计灯光是模拟早上的阳光，那么就要知道早上的太阳光走势。太阳从东方升起，所以，在早上的时间内，物体产生的影子朝着西方；到了中午的时候，太阳就处于正南的位置了，那么投影就面对北方了；到了傍晚时刻，太阳移动到偏西方的位置，投影便指向东方。因此，模拟早上灯光是需要将点光源放在东方的位置上使物体的投影偏向西方(图2柳子街古建筑灯光效果)。

图2.柳子街古建筑灯光效果

5 柳子街古建筑动画设计

5.1摄像机作用

摄像机在3ds max中相当于人的眼睛，分为目标和自由。要注意镜头的值越大看到的内容反而更加的小，反之，镜头的值小的我们看到东西就多。可以这么说，我们可以看到镜头柳子街的多少就取决于镜头值的大小。

5.2摄像机的摆放

制作好材质灯光后就要为场景添加动画了，主要是通过为摄像机添加关键帧改变摄像机的视野大小来制作动画。从第一帧开始每隔十帧添加关键帧，调整摄像机的视野大小，制作成由远及近的效果，然后将灯笼、牌匾等物体制作成随风舞动的效果，命名为视频1导出。同样的在相同的关键帧位置先删除以前的关键帧再重新调整摄像机视野大小形成由左往右的视频动画命名为视频2并导出。

所需视频导出后，将视频1和视频2导入premiere中合成视频并且加入合适的音乐。按照一定的需求导入一些拍摄好的关于柳子街风貌的视频，调整好后导出最终文件。

动画制作时要注意的关键一点就是：最好先加入摄像机再为场景添加灯光，这样对渲染出的结果效果比较好调整（见图3）。

图3.柳子街古建筑动画设计

小　结

3ds max是一个非常好用的软件，界面简单学习起来比较轻松，是一款国内公认的最好的美术设计软件，我们不但可以将照片中的景物进行编辑建模，构建二维或是三维的图形，而且还可以配合其他的软件一起使用，比如Photoshop用来增加材质的真实性等等。我们对软件的熟悉程度直接影响着作品的效率和真实程度，由于对3ds max还没有达到了如指掌的地步，对灯光的打光设置和摄像机的机位摆放不够精准，纹理设置得不够准确，导致做出来的图形不是那么精确，这点还需要加强自己的专业知识水平。总的来说，文件的大小和渲染速度与纹理贴图有着直接的关系。所以，在不影响外观的前提下，应该使位图的尺寸尽可能的达到最小。而材质贴图的逼真度是展示一个模型相像性的关键，图片质量、图片清晰度以及设置的参数情况会影响模型外观的直接展现。所以说一定要做好材质贴图的处理。

[1]王映辉.3D建模与编程技术[J].计算机应用研究,2004,(1): 37-43.

[2]谭云兰.贾金原,张晨,等.3D树木建模技术研究进展[J].中国图象图形学报,2013,(11)1520-1528.

[3]刘向铜.熊助国,曹秋香.基于3Dmax的虚拟现实的建立过程的探讨[J].西部探矿工程,2009,(2):78-81.

[4]方沁.基于Unity和3dmax的虚拟实验室三维建模设计与实现[D].北京邮电大学,2015.

[5]王辛龙.基于3DMax的三维城市建模与可视化的研究——以锦州市某小区为例[D].东华理工大学,2014.

（责任编校：宫彦军）

2017－01－18

2017年度湖南省社会科学成果评审委员会一般课题“新农村建设背景下的乡土建筑文化遗产数字化研究—以永州为例”（项目编号WX244）；2014年度湖南省社科基金项目“非物质文化遗产数字化研究—以女书为例”（项目编号14YBA181）；2014年度湖南科技学院专业综合改革试点项目。

夏三鳌（1972－），男，湖南南县人，教授，主要从事影视动画、数字教育媒体等方向研究。

TP37

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1673-2219（2017）10-0089-03