基于VR系統(tǒng)下的古建筑模型優(yōu)化方法研究

張志騰

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行可視化仿真設(shè)計(jì)，構(gòu)建虛擬環(huán)境場(chǎng)景是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)的基礎(chǔ)。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的建筑模型又是主要的組成部分，只有將各種建筑模型進(jìn)行有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)與處理，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的整體視覺呈現(xiàn)才能更加完美。本文重點(diǎn)針對(duì)虛擬場(chǎng)景環(huán)境中的中國(guó)古建筑三維模型進(jìn)行模型優(yōu)化方法與策略的研究。

關(guān)鍵詞：模型層級(jí)結(jié)構(gòu)；LOD優(yōu)化；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；數(shù)量?jī)?yōu)化；紋理優(yōu)化

0 引言

“虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱VR），是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，通過對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互，從而完成對(duì)真實(shí)的客觀世界進(jìn)行仿真再現(xiàn)的技術(shù)。”[1]目前，隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，古建筑的保護(hù)、修復(fù)、結(jié)構(gòu)研究、歷史及文化信息庫(kù)建設(shè)等多方面成為VR技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)，這種技術(shù)所采用的交互體驗(yàn)與物象極致仿真的感知方式，是文化傳承的有效傳播途徑。VR技術(shù)不僅可以對(duì)現(xiàn)存的古建筑遺產(chǎn)進(jìn)行仿真再現(xiàn)，還可以重現(xiàn)已經(jīng)不存在的建筑遺址面貌，而且用戶體驗(yàn)到的是一種浸入式的、多重感官刺激的交互式經(jīng)驗(yàn)。整個(gè)VR系統(tǒng)順暢運(yùn)行的基礎(chǔ)是建立在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的古建筑模型能否合理優(yōu)化上的。本文研究如何運(yùn)用3DS MAX建模平臺(tái)中的各種技術(shù)，完成古建筑模型優(yōu)化方法的研究工作。

1 模型優(yōu)化對(duì)于VR系統(tǒng)的重要性

由于VR系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境包括單機(jī)運(yùn)行與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行兩種，在VR場(chǎng)景模型的演示與操作過程中，流暢度是衡量該系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。建筑模型的數(shù)據(jù)量大小對(duì)VR-DEMO的演示速度影響較大，整個(gè)VR系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互性能和效率就會(huì)降低，這是由于硬件設(shè)備的圖形數(shù)據(jù)處理能力不能滿足三維模型的大存儲(chǔ)容量需求。在設(shè)計(jì)古建筑VR交互系統(tǒng)過程中，建立以古建筑結(jié)構(gòu)層級(jí)為基礎(chǔ)的場(chǎng)景模型優(yōu)化是十分必要的。在模型設(shè)計(jì)階段只有采用合理的模型優(yōu)化方法，才能解決VR系統(tǒng)在不同的運(yùn)行環(huán)境下出現(xiàn)的卡頓現(xiàn)象。如果前期對(duì)VR場(chǎng)景中的各類模型沒有進(jìn)行分類優(yōu)化處理，后期制作環(huán)節(jié)就會(huì)因?yàn)槟Ｐ蛿?shù)據(jù)量問題導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，需要在3DS MAX平臺(tái)中反復(fù)修改模型的各項(xiàng)參數(shù)值，極大地降低了工作效率。

2 古建筑模型層級(jí)結(jié)構(gòu)庫(kù)的設(shè)計(jì)

中國(guó)古建筑具有獨(dú)特而完整的建筑體系，無論是寺廟、宮殿，還是住宅，外觀體形都是由臺(tái)基、屋身和屋頂組成的單體建筑標(biāo)準(zhǔn)化建筑樣式。“均以木構(gòu)柱梁為承重骨架，利用斗拱構(gòu)建在上部梁架和立柱之間傳遞荷載，以木材為圍護(hù)物的木構(gòu)架建筑體系。”[2]由于虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的古建筑建模方法和室外建筑效果圖、古建筑動(dòng)畫的建模方法存在較大的差異性，這種差異性主要體現(xiàn)在如何在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行基于實(shí)景的模型有效優(yōu)化。

筆者依據(jù)古建筑實(shí)際建造過程中運(yùn)用到的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，將各種構(gòu)件具體劃分到柱礎(chǔ)層、裝飾層、斗拱層、梁架層、屋頂層五個(gè)層級(jí)中，如表1所示的模型層級(jí)結(jié)構(gòu)庫(kù)。即在模型優(yōu)化前期就做好建筑模型層級(jí)規(guī)劃工作，按照不同層級(jí)主要建筑構(gòu)件的不同特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的建模方式。通過模型層級(jí)結(jié)構(gòu)庫(kù)的設(shè)計(jì)，不僅可以避免在模型優(yōu)化過程中，由于場(chǎng)景復(fù)雜程度不一致、建筑模型量不一致等問題所產(chǎn)生的思路不清晰、建模次序混亂的問題，還可以及時(shí)糾正建筑模型優(yōu)化方案使用不當(dāng)?shù)惹闆r，從而優(yōu)化解決方案，提高模型優(yōu)化效率。

3 古建筑模型優(yōu)化方法探究

3.1 古建筑模型LOD優(yōu)化

按照VR系統(tǒng)權(quán)衡速度與效果的嚴(yán)格要求，確保近距離、多角度地觀察古建筑和不同規(guī)模場(chǎng)景流暢運(yùn)行率的雙重要求，在3DS MAX平臺(tái)中按照三級(jí)LOD（多層次細(xì)節(jié)）面數(shù)簡(jiǎn)化原則，在不同層次和視覺條件下，確保不同級(jí)別模型的順暢切換與自然過渡。LOD的特點(diǎn)是：視點(diǎn)距離建筑物越近，近距離觀摩采用精細(xì)模型表現(xiàn)，而視點(diǎn)離建筑物越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)距離觀摩采用極簡(jiǎn)模型表現(xiàn)，中距離觀摩則采用精簡(jiǎn)模型表現(xiàn)。這樣就能夠兼顧系統(tǒng)速度與視覺表現(xiàn)效果（如圖1所展示的古建筑屋頂模型的多級(jí)分層優(yōu)化示意圖）。

其中A1圖和A2圖分別呈現(xiàn)的是一級(jí)LOD模型的實(shí)體模型和對(duì)應(yīng)的線框模型，古建筑的板瓦、椽、板、掛瓦條、正脊等結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體模型表述，面數(shù)較高。B1圖和B2圖為二級(jí)LOD模型的實(shí)體模型和對(duì)應(yīng)的線框模型，該級(jí)別模型的面數(shù)往往控制為一級(jí)模型的1/15左右，除了古建筑物的瓦面構(gòu)件仍然保持模型的實(shí)體造型，而正脊、飛檐、鴟吻等構(gòu)件則多采用面片貼圖的方式表述。C1圖和C2圖分別為三級(jí)LOD模型的實(shí)體模型和對(duì)應(yīng)的線框模型，該級(jí)別模型在場(chǎng)景中屬于距離視點(diǎn)較遠(yuǎn)的模型，主要用于表現(xiàn)建筑的基本輪廓，模型多采用三角形、長(zhǎng)方形等基礎(chǔ)幾何體生成。例如，瓦面層采用以直代曲的建模方法，飛檐、鴟吻等構(gòu)件全部刪除，模型面數(shù)控制在二級(jí)模型的1/10左右。表2是根據(jù)圖1中的屋頂模型在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，通過建立多級(jí)層次細(xì)節(jié)模型，研究得出的三級(jí)LOD模型精度對(duì)比樣本。

3.2 古建筑模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于古建筑構(gòu)件具有層級(jí)復(fù)雜、形式多樣、類型豐富的特點(diǎn)，在運(yùn)用3DS MAX平臺(tái)建模過程中，各種構(gòu)件契合部位都存在大量的不可見面片、各種構(gòu)件分段面數(shù)較大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式不合理等問題。這些問題不解決，會(huì)造成文件容量增大，導(dǎo)致VR系統(tǒng)運(yùn)行速度緩慢甚至無法運(yùn)行，從而嚴(yán)重地影響VR系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和下載速度。

古建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的具體方法：第一，單體構(gòu)件簡(jiǎn)模化，控制模型分段數(shù)，用最少的面片數(shù)進(jìn)行模型幾何結(jié)構(gòu)的精簡(jiǎn)。如圖2所示，古建筑屋頂層級(jí)中的正脊構(gòu)件模型采用Loft（放樣）工具進(jìn)行優(yōu)化，通過直線路徑拾取二維線框截面，得到具有三維屬性的復(fù)雜幾何體造型，在此基礎(chǔ)上適度減少放樣物體的Shape（形狀步幅）和Path Steps（路徑步幅）參數(shù)值，從而精簡(jiǎn)模型總面數(shù)。第二，確保模型的三角面為等邊三角形，等邊三角形面有利于渲染及烘焙，同時(shí)鋸齒和紋理模糊現(xiàn)象較少。第三，刪除古建筑底部看不見的面、各種模型之間的重疊面、各種模型之間相交的面以及因遮擋關(guān)系不可見的面。例如，柱子作為木構(gòu)架建筑承重體系中的主要部分，在進(jìn)行該類構(gòu)件的模型優(yōu)化過程中，不僅要減少冗余分段數(shù)，而且要將柱子與其他構(gòu)件相互接觸的底面和頂面刪除。第四，制作復(fù)雜鏤空及窗框模型時(shí)，采用導(dǎo)入AI格式線框圖編輯制作的方法。第五，減少曲面，將模型截面上的分段數(shù)值設(shè)置為最低，以達(dá)到優(yōu)化模型的效果。

3.3 古建筑模型數(shù)量?jī)?yōu)化

應(yīng)該按照古建筑模型層級(jí)規(guī)劃方案，根據(jù)VR系統(tǒng)中設(shè)計(jì)好的不同觀察視角，對(duì)古建筑模型個(gè)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減少場(chǎng)景模型量也是十分重要的。VR場(chǎng)景中的模型數(shù)量過多，不僅會(huì)增加烘培物體的數(shù)量，還會(huì)影響建筑物模型的渲染時(shí)間，嚴(yán)重降低系統(tǒng)運(yùn)行速度，應(yīng)當(dāng)去除場(chǎng)景中所有模型的冗余面，將VR場(chǎng)景中的模型數(shù)量盡量控制在1500～4000個(gè)之間，達(dá)到優(yōu)化內(nèi)存資源的目的。

減少古建筑模型數(shù)量的方法：第一，合理分布模型的密度。運(yùn)行速度的不穩(wěn)定往往是因?yàn)閳?chǎng)景中模型密度分布的不均勻?qū)е碌摹５诙瑢⑺邢嗤馁|(zhì)的模型合并在一起，通過3DS MAX平臺(tái)中的Attach（附加）和Collapse（塌陷）工具，從而減少物體個(gè)數(shù)。充分利用Attach（附加）命令可以將不同的建筑構(gòu)件合并為一個(gè)可編輯多邊形，并且保留合并后的多邊形中任意建筑構(gòu)件的可編輯性。古建筑模型往往由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要在修改器命令面板中通過添加各種修改命令才能完成，Collapse（塌陷）命令能夠?qū)⑾嗤馁|(zhì)的建筑構(gòu)件模型合并成一個(gè)模型，解決建筑單體模型量多、系統(tǒng)運(yùn)行緩慢的問題。另外，還應(yīng)該注意處理距離視角較遠(yuǎn)、模型面數(shù)多的配景建筑物模型時(shí)，一般不建議合并模型，因?yàn)檫@樣反而會(huì)影響VR場(chǎng)景的運(yùn)行速度。

3.4 古建筑模型紋理優(yōu)化

VR場(chǎng)景中，曲面面數(shù)較高的古建筑構(gòu)件模型往往采用紋理優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化處理，從而得到高度仿真效果。例如，屋頂層級(jí)中的走獸、脊首、吻獸、寶剎、鴟吻、飛檐等復(fù)雜構(gòu)件通常都采用該方法進(jìn)行優(yōu)化。

紋理優(yōu)化方法主要包括靜幀貼圖優(yōu)化和烘焙貼圖優(yōu)化兩種。靜幀貼圖優(yōu)化方式的紋理渲染時(shí)間較少，極大地降低了復(fù)雜模型的面數(shù)。圖3為古模型層級(jí)結(jié)構(gòu)庫(kù)中屋頂層級(jí)列表下的吻獸模型構(gòu)建的制作方法，該貼圖的制作依賴于Photoshop位圖處理軟件和CorelDRAW矢量圖處理軟件的綜合應(yīng)用。通過在Photoshop軟件中合理化設(shè)計(jì)貼圖的分辨率、輸出格式、色彩模式、濾鏡組配、透明度要素完成構(gòu)件貼圖的制作，運(yùn)用CorelDraw軟件完成古建筑構(gòu)件的輪廓線稿制作，在3DS MAX平臺(tái)中完成模型的仿真表現(xiàn)。

烘焙貼圖優(yōu)化方式利用3DS MAX平臺(tái)中的Vray渲染器插件工具，通過計(jì)算場(chǎng)景中的光照信息，渲染生成建筑立面貼圖。烘焙貼圖優(yōu)化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于保證了貼圖信息的完整性，系統(tǒng)分別生成材質(zhì)貼圖和光影貼圖兩張貼圖。由于渲染后的紋理帶有光照信息，從而增強(qiáng)了場(chǎng)景的真實(shí)感。如圖4所示的戶牖構(gòu)建，通過烘焙貼圖優(yōu)化后的效果，渲染得出的材質(zhì)貼圖紋理清晰，烘焙出來的光效真實(shí)，明暗區(qū)分明確，根據(jù)戶牖模型的復(fù)雜度烘焙不同尺寸的貼圖，如l024*1024、512*512、256*256等尺寸。在實(shí)際的運(yùn)算過程中，圖像紋理分辨率的變化主要根據(jù)視距的大小而變。這種優(yōu)化方式極大地縮短了瀏覽系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算燈光的時(shí)間，增強(qiáng)了場(chǎng)景的視覺仿真度。

4 結(jié)語(yǔ)

基于VR系統(tǒng)的模型優(yōu)化方法的課題研究是當(dāng)下虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)的重要方向。本文以虛擬環(huán)境中古建筑為研究對(duì)象，探討了如何借助于3DS Max實(shí)現(xiàn)全方位的模型優(yōu)化體系，并得到了比較滿意的模型仿真效果，為真實(shí)還原古代建筑原貌及其所蘊(yùn)涵的藝術(shù)、文化信息提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

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