基于Normal Map虛擬技術的贛南客家圍屋仿真實現探析

王志強,王猶建

(江西理工大學,江西　贛州　341000)

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基于Normal Map虛擬技術的贛南客家圍屋仿真實現探析

王志強,王猶建

(江西理工大學,江西贛州341000)

摘要：Normal Map技術是當前虛擬仿真實現的一個重要手段，它在模型基礎上通過貼圖信息來完成虛擬對象的高仿真實現。當前古建筑虛擬仿真的數字化實現更是離不開Normal Map技術的支撐。贛南客家圍屋是江西古建筑群里極具代表性建筑，其歷史悠久，文化深厚，建筑形制及材料十分豐富，Normal Map虛擬技術的研究將為贛南客家建筑的保護提供技術支持。本文從Normal Map的運算方式及技術特點，結合贛南客家圍屋的具體實際進行建筑微觀細節的仿真實現探析。

關鍵詞：贛南客家圍屋；Normal Map技術；虛擬仿真

作為漢民族分支的客家，自秦以來已有千年的歷史。客家人自身所蘊育的客家文化在華夏傳統文化中，也占有非常重要的位置，并且成為中國民俗文化的一朵奇葩。據羅香林先生《客家源流考》中考證，江西贛南的客家及客家文化均發源于晉武帝統一中國時期。贛南因而也是早期客家民系形成的搖籃之一。贛南客家文化作為客家文化的一個重要組成部分，具有贛南地域獨特的文化特征。其中，贛南的客家圍屋就是其文化魅力的一個重要表現。因此，對贛南客家圍屋的保護及其文化的繼承與傳播是社會學者及研究機構所迫切研究的課題。本文從三維計算機仿真技術的角度對贛南客家圍屋文化的現虛擬實現問題進行相關探析。

一、Normal Map技術在贛南客家圍屋微觀仿真實現中的運用

贛南客家的圍屋文化，在建筑表現上，主要體現于外在建筑形制、內部的構造及建筑內外的裝飾風格和整體色彩格調。在具體的圍屋建筑仿真實施中，建筑文化的表現除上述因素之外，還須從虛擬技術層面考慮對建筑文化的實現性。這主要涉及對圍屋建筑模型細節、材質細節、文化氛圍的仿真技術實現。長期以來，學術界對于傳統古建筑仿真的實現僅僅滿足于建筑虛擬數據與概貌而忽視細節與文化氛圍。而Normal Map技術的出現也正迎合了古建筑及其他仿真中高仿細節及微觀文化虛擬實現的有效解決。

因此，對于贛南客家圍屋文化的數字保護，Normal Map技術的仿真運用是實現圍屋建筑細節及文化特征的關鍵方法。

1.關于Normal Map技術

在仿真虛擬技術快速發展的今天，Normal Map最早是應用于游戲及影視三維制作方面。Normal Map技術最初的概念也是來源于Peercy等人的論文“Efficient Bump Mapping Hardware”，是因圍繞3D曲面凹凸的實現而設立的觀念。它與Bump Map的區別在于Normal Mapping技術是直接把Normal信息存到一張法線貼圖里面，并且貼圖里面采集的值就是Normal數值，不需要像Bump Map那樣直接的計算。嚴格意義上說，Normal Map也是Bump Mapping的一種。另外，Normal Map一般都是由三維軟件或插件中實現生成。它具體的實現方法一般為由三維動畫軟件如XSI、3DS MAX、MAYA等創建低細節模型(low model)，再由其他數字建模雕刻工具如Autodesk Mudbox、zbrush等繪制高細節模型(high model)并利用低細節模型來導出生成Normal Map。同時，三維動畫軟件如XSI、3DS MAX、MAYA等一般都支持導出模型的Normal Map,即低細節模型在軟件中可以加載Normal Map，在Pixel Shader采樣中計算出Normal的值，并運行逐像素光照來渲染低細節模型成高細節圖像。

值得注意的是，Normal Map存儲的法線是基于切線空間的，因此要進行光照計算并需要把Normal,Light Direction,View direction統一到同一坐標空間中。也就是說，Normal Map法線是一個三維向量，是由X、Y、Z等3個分量組成，并以這三個分量來對紅綠藍3個顏色值的存儲，Normal Map上的數值也是由這三個分量構成(如圖1)。Normal Map值的范域是可以通過ATI程序或Adobe photoshop軟件來進行修正。

圖1　Normal Map分量構成示意圖

2.贛南客家圍屋建筑仿真的復雜性

贛南客家圍屋的仿真復雜性主要體現在兩個方面：一方面是贛南圍屋建筑細部結構的顯性復雜性；另一方面是贛南客家圍屋建筑內涵的隱形地域文化復雜性體現。

贛南客家圍屋的這種建筑顯性復雜性主要表現在圍屋建筑本身結構、建筑材料和內外裝飾的復雜性。一方面贛南圍屋占地面積大，一般不少于500平方米，最大者可多達10 000平方米左右，并且圍屋四周環套方屋，一般是兩三層，也有四層的，為懸挑外廊結構，大些的圍屋內部建有祖廳，更大的則是多層的套圍，按八卦形布局，稱之為“四扇三間、九井十八廳”(如圖2)。另外，圍屋墻體的厚度一般在0.5米以上，最厚者可達1.5米，立面不少于2層且高度在5米以上，層數多者可達6層。另一方面贛南圍屋建筑的材料運用也是相當獨特——泥土、石塊、沙子、木料、竹子、石灰、青磚、青瓦、土紙漿就是全部材料，但圍屋內墻壁卻是用可食用的蕨粉粉刷一定厚度，在久困缺糧之際可剝落食用。圍屋內外裝飾符號更是嚴格的按宗族傳統、四季時節來布置：從建筑內部結構功能的布置到屋內家具及器皿的安放，圍屋門額牌匾的占卜到節慶日吉祥符圖的形制。

圖2　南康鳳崗董氏九井十八廳民居

贛南客家圍屋其內在的文化精神則主要體現在結合地域環境氛圍和傳統民俗民風當中，如對客家圍屋婚慶時節的仿真實現與客家懇親大會時節的仿真實現，其雖然在圍屋建筑本身上沒變化，但建筑附屬的文化裝飾、人物活動甚至氣候環境都具有隱性的文化不同內涵。圍屋仿真的這種隱形性是具有特定性、暫時性和復雜性，而贛南客家圍屋文化仿真的成功實現是需思考和加入文化的隱形因素。

3.圍繞贛南客家圍屋微觀細節的Normal Map技術實現

在現實虛擬仿真中，仿真對象的微觀細節程度是決定仿真真實性、可靠性的關鍵之一。從LOD節點技術與mip-Mapping技術的融合到Normal Map技術的實現都是在最大程度上完善對象仿真的真實性、有效性、數據性和交互性。然而，針對仿真對象和意義的不同，其仿真微觀細節實現的角度也是盡不相同。對于工程類項目的仿真，其客觀數據及交互性要求較高，而視覺微觀細節則可降到最低；而對于社會的文化性場所仿真，則更注重其有效保護和虛擬實現的視覺合理、真實，即微觀細節的精細度的仿真度要求較高。在贛南客家的圍屋建筑群中，據史料記載最早的圍屋是建于明代萬歷39年楊村的烏石圍，清代早期所建的圍屋約占總數的30%左右。因此，贛南客家圍屋的仿真虛擬應從文化的角度出發，以Normal Map技術為平臺，在建立高精度建筑仿真細節的基礎之上，再去完善地域建筑和客家文化的內涵體現。贛南客家圍屋虛擬仿真的高精度細節制作基礎則更是對Normal Map技術的合理、有效實現。贛南客家圍屋仿真虛擬的建筑微觀細節主要凸顯在墻體、瓦片屋頂、屋檐細節三個方面。

贛南客家圍屋墻體、瓦片屋頂及屋檐微觀細節的Normal Map技術實現，一方面是由于贛南客家圍屋建筑自身細節的復雜結構特色；另一方面是它常年坐落在多雨的地理環境，并因人為與自然的因素構筑了其斑駁的多層次細節。因此，圍屋墻體的細節表現主要突出在兩個方面：一個是整體灰磚多交叉的堆砌形式、二是墻體較嚴重的受風雨侵蝕的風化現象(如圖3)。

圖3　贛南客家圍屋風貌

圖4　圍屋墻體低精度模型實現

贛南客家圍屋微觀細節的實現，主要依賴Normal Map技術，其將高度紋理圖與法向量紋理圖結合來產生更多的細節，如圍屋墻體磚塊疊加、砂土層凹凸、表面剝落等。在此之前，Normal Map技術的實現需在3ds max或maya軟件中借助Editablepolyon等建模方式來完成墻體、瓦片屋頂的低細節模型的實現，如圖示模型的整個面數polys為128、點數verts130、fps值為159.793(如圖4)。

Normal Map本身是從一張顏色紋理圖得到高度值且通過擾動周圍像素的顏色值相加獲得。其象素與它周圍象素的高度差，在切空間構筑S與T的向量并由差值疊加獲得Normal的法線向量。具體計算方法如下：

S(i,j) = (1,0,H(i+1,j) - H(i-1,j) )

T(i,j) = (0,1,H(i,j+1) - H(i,j-1) )

Normal(i,j) = S(i,j) T(i,j)

注：H(i+1,j)-H(i-1,j)為沿S方向的高度差，也就是S方向的坡度，H(i,j+1)-H(i,j-1)為沿T方向的高度差，也就是T方向的坡度。

其中，在高度貼圖計算中Tangent space和world space，view space表達的是同一個概念，都是代表三個向量坐標系。因此，圍繞對應高度紋理貼圖的計算方式，對圍屋墻體低細節模在Zbrush軟件中進行動態高細節模型制作，并完成的效果，這個模型獲得的整體面數polys為137480、點數verts68880、fps值255.655(如圖5)。

圖5　圍屋墻體高精度模型實現

通過ZBrush軟件、3ds max等軟件利用低細節模型和高細節模型的對應紋理貼圖計算方式可到得圍屋墻體較為精確的Normal Map紋理圖(如圖6)。

Normal Map紋理圖的紋理生成通常在XYZ向量上帶有不正確的數值，在紋理中顯示為偏亮色或純色的區域(如圖7中標注的a、b、c區域)。因此，我們需要通過第三方插件來對Normal Map紋理圖進行修正，修正結果如圖8。

圖7　圍屋墻體Normal Map紋理修正示意圖

圖8　圍屋墻體Normal Map紋理修正圖

圖9　圍屋墻體最終細節實現圖

圖10　圍屋墻體Normal Map技術實現流程圖

在虛擬軟件中配合Normal Map紋理圖完成墻體的高細節模型匹配低細節模型的仿真虛擬，圍屋墻體模型具有高精度的細節，但在軟件中所顯示的整個面數polys為128、點數verts130、fps值為159.793與低細節模型的整體點面數等同。圍屋墻體最終高精度效果及制作流程如圖9、10。

對于Normal Map紋理圖分辨率大小需注意的是，對于通常較大的場景仿真，Normal Map紋理圖的分辨率大小對軟件及計算機硬件系統性能的影響是比較明顯的。一般而言，4096×4096 pixel分辨率的貼圖尺寸是當前PC硬件機器和仿真軟件所承受的一個最高強度。過于大的貼圖尺寸也將導致在線虛擬系統無法流暢交互運轉。根據虛擬軟件的計算方法，Normal Map紋理圖尺寸大小設置與仿真虛擬視點高度和、對象距離密切相關。假設Normal Map紋理圖片紋理的分辨率為X(單位： pixel)，視點的高度或距離為Y( 單位：m)；模型的面積為Z( 單位：km2)，則它們的函數關系為：X2Y2=52 428 800×Z(其中，52 428 800為恒定常數)。例如從20m的距離觀看，按2×102m4=0.02 km2的虛擬場景貼圖面積計算， Normal Map紋理最佳紋理分辨率則計算出應達到512×512 pixel。因此，對于贛南客家圍屋的紋理貼圖制作，需要充分思考整體場景的大小、觀看角度和距離，并計算出與之相匹配的紋理尺寸，以免過大或過小而造成不必要的誤工。

二、從Normal Map技術的虛擬仿真到贛南客家圍屋的保護性思考

贛南客家圍屋在數量上，從建國初期的近千座到現今不足七百余座，平均每年都有數座圍屋倒塌消亡。而造成圍屋消亡的原因則有諸多方面，自然的老化和風化是一個重要原因，但人為破壞與保護不力則是另一個重要因素。對客家圍屋建筑的保護和如何保護的論點也越發顯得迫切。當然，從達爾文優勝劣汰的生物進化觀點來看，物質形態的消亡也是社會發展的必然。但從文化保護與傳承視角來看，以數字化仿真技術，尤其是Normal Map技術的實現，對贛南客家圍屋的文化保護是當今學者和相關研究機構值得思考的問題。

在數字化仿真實現中，Normal Map技術的出現在一定程度上緩解了虛擬技術對實物文化遺產仿真的微觀細節局限性。Normal Map技術在除了建筑仿真虛擬之外的其他領域都有出色的運用，如次時代游戲領域，醫療仿真領域等等。因此，在贛南客家圍屋建筑文化保護中，一方面要發揮和利用好現有的前沿虛擬仿真技術從多角度構建一個開放式、可持續的贛南客家圍屋群數字化仿真共享平臺。另一方面充分調動政府和民間的力量，組織好技術和文化群體為贛南客家圍屋的數字化設施架構好多元化溝通橋梁。

同時，基于Normal Map虛擬技術下，對贛南客家圍屋的微觀數字化仿真研究也是為我國其他古建筑文化遺產保護實施提供了一項新的有效途徑。如今，虛擬仿真技術在世界文化遺產保護的進程中，從其運用的范疇及保護效果也凸顯出越發重要的作用和意義。然而，從當前國內各傳統古建筑數字化文化遺產的項目成果中，我們不難看出一些不足：其一是技術和硬件的瓶頸，即在當前的數字技術和硬件實施中，難以詳實有效的虛擬出完整古建筑文化遺產。其二是建筑文化與數字技術結合缺失橋梁，在數字化實施中，虛擬仿真的實現往往依托的是網絡照片和部分實地拍攝的影像資料，數字虛擬的只是建筑和地貌的外殼，因而缺乏當地古建筑文化本身內在因素表達。如何有效、合理、貼切的對傳統古建筑的文化數字化實現，除了依托數字技術本身以外，還需更多的從具體傳統古建筑對象背后的文化內涵出發，探尋能與虛擬仿真行之有效的結合方式。

三、結語

眾所周知，虛擬仿真的數字化方式并不是一個新穎的思路，但在虛擬仿真類型和應用途徑當中卻千差萬別。對傳統古建筑的虛擬仿真則是以文化保護和傳承為主要任務。而在傳統古建筑的數字化保護中，虛擬仿真作品的完美呈現形式是數字化虛擬仿真技術與仿真對象的科學、嚴謹實現，并依托對象內涵的文化魅力，借助前沿的虛擬表現方式來達到技術與文化、科學與藝術的完美結合。因此，借用前沿的Normal Map虛擬仿真技術，通過對圍屋建筑的各種微觀細節仿真，以達到贛南客家圍屋建筑內涵的文化體現，正是本文的初衷。

參考文獻：

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文章編號：2095-4654(2016)04-0012-05

收稿日期：2016-01-28

基金項目：2015年江西省教育廳科學技術研究項目(GJJ150691)

中圖分類號：TP311.1

文獻標識碼：A