基于虚拟现实技术的南京鼓楼建筑情景复原

赵菁，张乘风

南京林业大学，南京 210037

中国古建是将历史环境、艺术形态、结构规制融为一体的建筑体系，以空间灵活性、构件实用性、陈设精巧性而著称。钟鼓楼，自西汉建立以来，就被作为具有计时报时、警示礼仪功能的传统建筑，更是中国古建中不可或缺的宝贵遗产。南京钟鼓楼原为明初所建的官作建筑，由于历经几个朝代的改建，现已几乎不存在了。在这种不能进行实物保护和复原的情况下，可以利用虚拟现实技术，形成较为完整的数字复原流程。20 世纪40 年代，虚拟现实技术的概念首先被美国提出，并且很多国家都应用此技术，对历史遗迹进行了虚拟复原。虽然我国自90年代起至今，也逐渐开始重视此技术，并通过此技术完成了部分文化遗址的修复，但是我国利用虚拟现实技术来完成数字复原的流程仍不完善，与发达国家相比，还存在一定差距。其中，主要的问题集中于建模效率低下、实时交互卡顿等。

一、虚拟复原南京鼓楼的流程设计

（一）整体框架

基于虚拟现实技术的古建数字化复原过程囊括了三项基本环节，即资料采集、三维建模、交互发布。每一环节的开发涉及不同的学科领域，因此，需要事先制定完整的逻辑框架，避免因操作人员不同、开发周期过长等问题造成结果偏差。此整体框架设计基于明初的真实情景进行复原，为了能够反映古建的真实状态，需要事先罗列出相关注意问题，即项目展示方法和平台、模型制作成果和分配、交互使用方式和体验。以此为基础，南京鼓楼数字复原流程见图1。

（二）资料采集

资料采集，作为前期工作，是确保古建复原真实性的关键环节，它能够保证后期交互平台具有可靠的使用价值。现对南京鼓楼的数据资料按照文件类型进行分类管理：（1）传统古建资料，涉及南京鼓楼的直接资料和相关钟鼓楼建筑、明代建筑形制的间接资料；（2）测绘数据与图纸，包含南京鼓楼建筑文物保护项目与古代建筑复原设计流程等；（3）实地影像数据，主要是现场采集现存与后建的鼓楼建筑结构、建筑外观纹理贴图及其他补充类实地数据；（4）影像短片参考，相关建筑形制补充和影像脚本分镜设计，如《暮鼓晨钟——西安钟楼、鼓楼风云》（CCTV纪录片）等。

（三）虚拟建模

在前期采集资料的基础上，开展中期工作，即虚拟建模。明初南京鼓楼的实地测绘资料有限，大部分建筑形制复原尚处于推测阶段，加上南京鼓楼存在种种复杂的结构构件，以及多呈抛物线的屋脊和复杂多变的鸱尾，都大大地增加了三维模型的建造难度。另外，如今常用的三维建模软件，如BIM、3Dmax、Maya，也都存在着一个问题：当大型场景中的模型存在过多面数时，会极大地提高对硬件设备的要求。就算利用贴图代替精细模型，也会由于需要达到的细节效果而不得不提高贴图的分辨率，导致同样的问题出现，因此，此次复原流程设计将通过Cinema 4D 进行虚拟建模，并总结建模规律和方法，以规避上述问题。

（四）交互发布

达到虚拟现实的理想效果是后期工作的主要目标。国内时下流行的虚拟现实系统操作流程主要分为三个步骤：首先，将三维软件中的虚拟模型经过场景贴图、灯光、烘焙处理；然后，导入第三方虚拟漫游软件，如VR-Platform、Quest 3D、Unity 3D等，进行二次场景、灯光设置，以及创建视角和摄像机；最后，通过专用硬件输出设备，实现人机交互。由于整个操作流程重复繁杂，所需专用设备昂贵，技术专业要求较高等，导致虚拟现实场景交互不能在更多场所被普及。然而，如果在鼓楼复原建筑情景交互发布时，选用CG 三维动画制作效果图，那么同样能够达到画面精美、艺术效果真实的目的，并且在视觉上提高流畅度与直观性。

二、南京鼓楼的建筑情景

（一）南京鼓楼历史概况

洪武十五年，朱元璋在修建城池时规定“左列鼓架，右建钟楼”。鼓楼发出的信号控制各城门的开合，因此，为了符合报时和警示礼仪的功能，将其置于城市中心的黄泥岗上，且为上楼下台的建筑形式。

图1 南京鼓楼数字复原流程

清康熙年间，钟楼被毁，鼓楼城楼不存。后树碑于此，暮鼓晨钟不复存在。重建后的规模远不及明。虽然沿用了明砖砌筑城台，但是城楼由原先的室内含廊下空间转变为在城台正中设立单层重檐歇山顶的殿堂式建筑，同时，周围的廊下空间变为露天，开间尺寸与内部空间不对应。

民国时期，成立鼓楼公园，隔绝了城市主干道，降低了行人穿行的频率。城楼内部空间被分隔为两层，留下的上空区域使戒碑贯穿至二层，此为破坏行径之始。由于此举影响了建筑内部的自然采光，所以为了弥补，又在南面屋顶开设天窗。此行径又对鼓楼造成了更大的立面毁坏。

新中国成立后，鼓楼经过了三次大修，包括防水处理、坍塌墙补、防腐工程等。然而多次增添额外材料，导致地平面整体被抬高，城楼内柱础被掩埋了大半，大量文物资料丧失。

现在，城台中央三拱券被封闭，作为展览空间。城楼内一二层均设吊顶，作为商业空间。

（二）南京鼓楼推测情况

明南京鼓楼拟选址于城市中心的黄泥岗上，横跨道路，西北—东南朝向，以山体做地基，海拔40 m，可俯瞰全城。受元大都的影响，不仅沿袭暮鼓晨钟的传统礼制，而且作为防守要塞，受军队管辖。

明南京鼓楼城台为官式砖构建筑。墙体拟用400 mm×200 mm×100 mm 规格的砖砌筑。空间由三十四个半圆券和两个双心券组成。城台内部两边对称，楼梯通向顶部。顶部应采用木栏杆及尺七尺四方砖细墁。

明南京鼓楼城楼建筑平面拟为七间四进，面阔方向拟为明间31尺，次间19.5尺，廊宽10尺；进深方向拟为开间22.5尺，廊宽10尺。建筑剖面拟为单层重檐歇山顶，举高在1/3 左右。上层屋面应由九檩八架椽组成，柱高15～17.5 尺间，斗口值拟为3.78 寸。上檐疑用七踩单翘重昂斗栱，下檐疑用五踩单翘单昂斗栱。正面明间使用4 攒平身科，次间2 攒，山面开间2 攒。大木作拟用800 mm×630 mm 九架梁，780 mm×580 mm七架梁，720 mm×540 mm五架梁，660 mm×490 mm三架梁，直径480 mm 的檩条，直径420 mm 的挑檐檩，650 mm×420 mm 额枋，200 mm×380 mm 平板枋。常见的小木作如格扇、槛窗、天花、梁枋、屋顶等，均非常精美。其中，具有代表性的样式有三交六椀菱花式格扇、槛窗，井口式天花，墨线大点金旋子彩画式梁枋，三样黑琉璃瓦绿剪边式屋顶。

三、基于Cinema 4D三维软件的建模方法

Cinema 4D 由德国Maxon Computer 开发，以极高的运算速度和强大的渲染插件著称，其内置的Body paint 3D 模块可直接在三维模型上进行贴图绘画，有多种笔触并支持压感和图层功能。通过建造明鼓楼复原模型，总结古建中应用Cinema 4D的三维建模方法。

（一）多边形建模

对于古建中结构复杂的模型构件，需首先考虑多边形建模，良好的布线原则可大大提高建模效率。首先，采用有利于电脑运算的均匀四边形布线方式，避免产生三角面或五边形面，即极点的产生。这样可以减少N-GON 多边形的产生，使得循环切线可控，便于操作且能有效解决模型因细化操作而导致的在动画中出现的破面、褶皱、黑面现象。其次，因为多边形法线决定其表面朝向，所以必须确保法线始终朝外。在大场景制作中，可利用“背面忽略”，避免渲染时多余光线的追踪计算。接着，在转角或曲线处运用“钻石分面”结构，在保持边的形状的情况下，把一个边分裂成两个不同走向，并确保形成的表面大小平均。最后，“收缩包裹变形器”可作为古建结构穿插组合的核心工具。将建立好的构件网格或几何体投射到需要穿插的面上，从而使过渡面柔和，且不会产生多余的面片和改变多边形线条。

（二）样条建模

样条建模即用样条画出模型轮廓，再通过挤压样条，建立三维模型。虽然此方法简单快捷，但在古建类变形模型中，常会由于添加细节特性的原因而出现问题。

1）挤压导致的拓扑结构在默认情况下会形成NGON 面，从而使在细分曲面特性下，模型由于没有样条支撑而立刻塌陷。

2）即使把表面类型改为四边形或标准网格，也会因与挤压边的数量不等而造成细分曲面特性下三维模型的崩坏。

3）为确保模型的正常使用，必须使样条边与挤压边的数量相等。然而此种优化方法会形成数量极多的网格，且边线凹凸不平，这大大地增加了模型被撕扯和裂开的可能性。

针对以上情况，可以通过沿样条线建立低分辨率的四边形，改变点的权重，再解决细分曲面的问题，同时，注意保证曲率相同。在细分曲面下，若对模型转折区域及结构穿插区域添加控制型切线，可以形成过渡自然的硬化边。

（三）拓扑建模

拓扑建模中，“拓扑”的意思是形状表面的对象。其操作流程为在顶视图和左视图中，用多边形制作各种表面与形状，再通过挤压形成三维模型，最后，通过细分曲面来快速地增加细节效果。该种方法不仅适合扁平物体，而且适合曲线表面，因此，对古建模型中复杂的细节处理更为有效。在建模时，需考虑曲面、角及布线。首先，保持每个凸角为四边多边形，凹角处利用“钻石分面”以三个四边形支撑。为解决凹角处极点问题，向内切线借边，通过在转折处添加控制线，完成循环结构。其次，优化布线，为几何体添加轮廓线（过渡边），并通过切线在周围建立四边形，消除轮廓线上的极点，融解多余线条以确保达到网格均匀且分辨率较低的拓扑结构。最后，对表面细节进行拓扑细节调整。先将其余确定曲率、循环边、过渡边的保护区域用切线隔离，同时，确保细节需建立的曲率处在单独的四边形中。再对细节处循环布线，并保持细节处曲率有足够的四边形支撑。

（四）方块建模

当复原建筑过于复杂时，利用方块建模中的几何体可快速搭建场景的大致模型，利用几何体的参数化将模型进行拼合并加点绑定成为整体。在空间转化上，相对前三种由2D转化为3D的建模方法，方块建模更为快捷。简易模型的建立方便对场景进行整体操控，再利用对称、径向、轴向等工具对几何体各面进行拓扑细节处理。其中，包含以下技巧方法。

1）由方形内部开始，增加循环边线，形成四边形的支撑面，通过改变边线点的位置可做出圆形切口，反复添加循环线可细化圆形切口的曲率。以此类推，在圆形内作方形切口，或者连接二者，均可在保持曲率的情况下实现。

2）在进行布尔操作时，先将每一个布尔对象放置在独立的四边形中，防止由布尔产生的线段相互干扰，再通过平面切线，移除布尔对象上的N-GON线和模型中出现的多余线段。利用布尔工具中的“隐藏边”可将新产生的线段转化为N-GON线，从而便于布尔边缘的硬化处理。

四、CG动画在复原情景中的应用

CG（Computer Graphics），以计算机为主要工具，进行视觉设计和生产的一系列相关产业，包含平面设计、网页设计、三维动画、影视特效等。Cinema 4D 凭借其软件优势可将模型或灯光的三维信息输出，并与特效软件After Effects形成完美衔接。

（一）动画脚本

建筑的三维动画是通过画面、节奏、镜头组接这些元素组合形成的虚拟现实视听艺术语言。与传统影视作品相比，建筑三维动画的交互性使其在结构上必须做出改变。以纪录片《鼓楼风云》、《西安钟楼》作为真实场景的叙事镜头参考，设计了明鼓楼复原的三维动画脚本，见表1，提前策划叙事路线，并在动画中，以镜头结合音乐鼓点的形式，提醒观众画面中心。

（二）光影设计

根据明鼓楼复原的三维动画脚本，确定不同场景中的布光色调、布光氛围、光源形式等，并制定整套布光方案。依据古建复原的客观性，现将明鼓楼复原的三维动画中的主布光色调定位为冷色调，主布光氛围定位为神秘氛围，并采用三点光源形式。再根据布光原则，确定主光源的方向。由表1可知，本脚本设计中的镜头大多在室外，光源为太阳光，仅06镜头在室内，此时还需额外设置灯光。因为主光源过硬、过强，造成鼓楼场景的明暗对比强烈，所以在主光源90°的方向设置散射辅光源，以增添建筑的层次感。为了强调城楼、城台的轮廓线，在其背面设置背光源。同时，为了不影响其余布光，此光源的强度应为最弱。最后，检查场景整体效果，对不同场景添加相应的各自补光源，提升光照效果，使氛围过渡更加自然。

表1 明鼓楼复原的三维动画脚本

08镜头设置为阴影变化，以此传达更多细节和信息，如阳光、空气、时间、空间等。以此作为结尾更能凸显鼓楼建筑的体量感，以及提醒观影者重回视觉中心。一般阴影色随环境色的变化而变化，此处为室外环境，阴影多为偏冷色。

五、结语

该项研究是一套基于虚拟现实技术，并结合Cinema 4D 三维建模软件的古建情景数字的复原流程，并以复原明初南京鼓楼为例进行了概念构想，为古建复原中的情景交互设计模块提供了一定方法。在构建三维模型的实际操作中，分为多边形建模、样条建模、拓扑建模、方块建模四种类型。针对各类型中出现的画面卡顿、图形错误、渲染过慢等问题，提出了模型优化方法，其中最为方便快捷的建模类型为多边形建模和拓扑建模的综合应用。除此之外，还提出利用CG 动画实现古建还原的情景交互，并且以明初南京鼓楼情景复原为例，设计了三维动画脚本及光影设计，以此来解决目前虚拟现实交互尚不能被多方普及的问题。该技术成果不仅有科研价值，全面地展示了古建的多维信息，为后续研究提供了参考，而且有商业价值，能够被具体应用于空间动画展示、影视动态布景、文创产品开发等过程中。