紅樓夢大觀園虛擬場景建模與展示

李恒凱，戴丹寧，魏聰

(1.贛南客家文化數字化研究院，江西 贛州 341000； 2.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

1 引 言

《紅樓夢》是中國文化歷史長河中一個時代的重要代表，文中大觀園山水合一的園林構造與錯落有致、構造精巧的亭臺樓閣，包含著時代的社會風貌和人文氣息，各具特色的建筑尤其成為一個時代社會經濟發展水平和人民審美的展現[1]。伴隨三維技術的快速發展，利用數字化方法對歷史文化精粹和大觀園這類古典建筑結晶進行記錄和保存成為研究熱點，國內外已有諸多探索[2～4]。如李春曉基于Unity3D平臺，采用3ds Max建模工具，開發了虛擬農耕場景智能展示平臺[2]；劉箴利用3ds Max軟件與VRML語言構建了河姆渡遺址博物館虛擬展示系統[3]；Zhang等利用虛擬現實技術設計并實現了北宋皇家園林的虛擬景觀[4]。傳統的基于幾何的建模與繪制方法，主是通過手工建立精細的三維模型，如3ds Max的建模技術，雖然在精細度上已經達到了非常好的效果，但其建模往往針對特定模型，不能進行大批量重復、高效利用，并且需要較長的建模周期，由于是固定的靜態展示模型，后期的維護和調整修改也存在一定的局限性[5，6]。為解決大批量快速建模問題，基于CityEngine的CGA語言創建三維模型規則，實現批量模型構建，成為當前研究熱點[7～10]，并已在文化保護和傳承方面得到初步應用，顯示出一定應用前景[11～13]。

興建于20世紀的大觀園主題公園，使大觀園從空中樓閣真正成為人間勝景[14]。但從忠實名著的角度，仍有遺憾，上海大觀園雖經挖填，但它的水系還是不太符合原著意蘊，場景、建筑布局多與書中所述呈現較大偏離；北京大觀園周長雖然也有三里半，與書中大觀園面積相當，但山形水系遠不如書中豐富，建筑分布也顯逼仄。本文在原著基礎上，融合CityEnging、3ds Max、CAD建模優勢，構建面向大觀園場景的快速、精細、可定制的建模方法。并采用GIS和Unity 3D技術進行系統開發，實現三維場景的虛擬展示，通過第一視角來展現人們心目中的大觀園。該研究對于《紅樓夢》的數字化保護與文化推廣以及大觀園古典建筑的展示與傳承，具有重要實用價值及意義。

2 大觀園三維場景建模

通過將多種建模方式融合，取其優勢互補，其中主要是City Engine的CGA建模技術以及3ds Max、CAD的三維建模技術，針對大觀園進行三維模型建立與展示，實現批量建模與精細建模的融合，在保證觀賞價值的前提下，縮短建模時間，提高建模效率，并達到模型可定制的目的。對書中特色建筑、山水地形、花草樹木、庭院、廊橋及楹聯匾額等精巧布設，進行更符合作品和人們心中“大觀園”的虛擬展現。

2.1 數據采集與處理

在一般的三維場景構建中，需要通過各種實地測量或者影像數據的方式來獲取地圖數據和數字高程模型，并對其進行矢量化操作，獲得shapefile文件作為導入CityEngine中建立三維模型的地形基礎。但因為本文所研究對象是文學名著的虛構場景，所以無法通過測量、影像等常規方式獲取數據，也無法直接獲取DEM地形數據進行地形的建立。通過對其原著文本內容的研究，結合其對大觀園園林建筑和精巧布局的描繪以及關于紅樓夢建筑文化和園林文化的研究資料[1，15～17]，最終確定參考布局底圖，如圖1所示，并以shapefile文件保存，作為整個大觀園的建立和后期虛擬展示模型位置依據。

圖1 參考布局底圖

另外，為了使模型更為逼真和具有觀賞價值，通過對其書中故事所處年代的古建筑外觀分析和總結搜集網絡的紋理素材，并且使用Photoshop進行圖片處理，盡量保證貼圖的紋理有清晰、貼合實際的透視光照等效果。

2.2 模型構建流程與方式

2.2.1 建模流程

在地形構建之后，將場景建模分為建筑構造和細節構造兩個部分，其中建筑構造包括主要的合圍式院落和其他的水榭、亭橋、溪館等；細節構造包括門、窗、屋頂、道路等補充方面，如圖2所示。

圖2三維建模流程圖

2.2.2 建模方式

(1)地形構建與發布

將獲取的平面地圖作為參照，繪制等高線矢量圖，依據著作文本添加合適的高程屬性，并在生成地形三維模型的過程中對高程數據的安排和分布不斷調整，生成DEM模型，構建出虛構的大觀園地形。并通過ArcCatalog鏈接服務器，將地形數據上傳到后期將要與虛擬展示一同發布的平臺中。

(2)單獨院落構架構建建模

選擇從整體到局部對大觀園的建筑進行剖析，雖然在書本的描寫中，各個建筑之間各有特色，而且樣式多變，但就總體框架來說，所有的建筑主體均可以憑借大致相同的構架方式，也就是分面和分塊建模。其所有建筑均由地基、廊道、門前柱子、主體墻體、房頂等部分構成，如圖3所示。因為規則建模的方式是切分越多就越精細和復雜，一般情況下編碼規則也會越復雜，以一塊shapefile文件為基礎，以同一方式切分拉伸，構造出主體構架的短代碼，在之后建模中針對典型的模型，可直接調用。而后再單獨依照各個院落的參考圖進行其他比例調整，添加門窗代碼替代實體塊的細節等工作，從而實現模型定制。

圖3 院落構架構建建模示例

(3)室內模型構架構建

為了保證室內構架的整體性，將整塊的shapefile作為放置規則的基礎，結合各大觀園資料，將房間分為兩類，第一類整體劃分為五個部分，作為省親別墅的主要構造，第二類分割成為三個部分，作為其他院落的主屋，并且用最簡單的split函數，將房間地面參照物品擺設分塊，且分別以規則建模和3D模型外部替代兩種方式來制作，如圖4所示。

圖4室內模型構架構建示例

(4)模型細節和外部模型部件添加

①細節添加實現多樣式可切換。為了能夠更好地達到重復利用，快速調整可視化效果，將整個院落的其他部件及場景內零碎小模型分為另一塊建模內容，進行分批分組構建。如多種類型的門窗、雕花、屋頂等，還包括花卉樹木等較為有個性化需求的3D外部模型，從而提高各個建筑物添加門窗屋頂等部件時的效率以及可根據需要選擇切換不同樣式的屋頂門窗，如表1所示，構建的不同屋頂樣式如圖5所示。

細節構造樣式表 表1

圖5歇山頂、四坡頂、雙坡頂、十字脊式屋頂

②外部輔助模型充實場景。盡可能完整還原虛擬場景也是本研究的重要目的之一，在整個的大觀園園林建筑中，植物、室內擺件、床榻、牌坊、橋梁、雕花等極其具有特色，能夠展現出園林藝術和文化，但又非常難以以CityEngine代碼方式構造模型，選擇使用3ds Max、CAD作為精細建模的工具，對于CityEngine的不足進行補充和構造模型更加細節化，使建筑更加古典和美觀。

(5)場景風格統一調整

為了達到整個三維場景風格樣式的統一，后期調整是必不可少的一部分，尤其是在貼圖、色彩等方面，通過利用Photoshop來處理貼圖素材，綜合各建筑的特色和必要的色調調整等方面，在前期預留的可切換代碼中，對一部分如墻面進行統一的貼圖補充工作。如屋頂、墻面等以貼圖代替細節紋理的主要部分。

3 多維展示平臺構建

3.1 虛擬展示技術

隨著三維建模、三維激光掃描等數字化手段的發展，催生了一個文化遺址數字化的研究熱潮[13]。國內也已經成功進行了幾個文化遺址虛擬展示項目，如“敦煌藝術數字保護與虛擬旅游”、“虛擬三維紫禁城”等。但這些需要特定設備的大型展示項目，在一定的地點和條件下才能讓觀賞者切實地去欣賞和游覽。而且這些項目多著重于大型現存文化古跡的展現，其中并未有一個針對中國古典園林，例如紅樓夢中大觀園這樣蘊含豐富文化的園林建筑的建模與虛擬平臺構建方式。在本文的整個場景構建與展示中，除了建模的任務之外，更重要的就是為這些模型搭建一個真正能實現其展示價值的平臺。

3.2 多維展示平臺設計

大觀園虛擬展示平臺選擇使用ArcGIS Online及Unity 3D平臺，結合CityEngine、3ds Max等3D建模軟件，利用ArcGIS API for JavaScript、HTML進行系統開發，最終形成一個基于B/S架構的大觀園虛擬展示平臺。

首先，利用收集到的數據結合CityEngine、3Ds Max、CAD進行高精度三維場景建模，結合原著文本描述及文獻資料，構建大觀園的DEM、DOM及shapefile數據，并將構建完成的三維場景打包成SPK格式包，以要素服務和場景服務形式一起發布到ArcGIS Online平臺，然后使用IIS本地服務器作為系統服務器，利用Html、css和ArcGIS API for JavaScript進行系統設計和功能實現。

在利用三維建模軟件構造場景模型的基礎上，通過對多方面資料的收集和分析，對展示平臺設計了圖6所示功能，其中包括：三維場景的展示，如：大觀園之四季風景，經典場景虛擬再現、定制場景、系統全景場景展示等；三維場景的操作，如：模型定位查詢、模型信息查看、瀏覽路線定制、放大、縮小、定位、場景顯示與隱藏、鍵盤控制模型微動以及添加落花、模擬一天日照效果的場景美化等；包括結合文學名著的導讀功能，在人機交互方面，如：以第一視角漫游大觀園、角色代入體驗大觀園生活、趣味答題、語音講解、影音播放、用戶自定義界面等；在分析方面，如：人物活動時空分析、模型剖析、大觀園變遷、路線分析等；還有圖片欄展示、大觀園店鋪的功能拓展。

圖6大觀園智能展示平臺功能結構圖

3.3 平臺搭建流程

虛擬展示平臺搭建流程包括：①場景的引入。使用Esri提供的在線引用，將3D地圖導入系統中，再通過ID調用ArcGIS Online中的場景，初步實現場景的引入。為之后的功能實現打下基石；②場景的操作。通過使用ArcGIS API for JavaScript，實現對場景中模型的操作，在dojo的require中引入相應模塊或微件，完成各種需求功能。通過引入Search、LayerList、on等，可以對場景進行地點查詢、模型的微動和模型顯示與隱藏；③系統分析。利用css及JavaScript和第三方API實現系統的分析功能，通過編寫JavaScript、css文件完成模型剖析、大觀園變遷等功能，再結合第三方API，導入路線，實現人物時空分析、路線分析功能；④人機交互。在系統中，通過設置一些人機互動功能，便于提高用戶使用舒適度、系統趣味性以及文化性，幫助用戶對大觀園有更多的了解，如以第一視角瀏覽大觀園，通過用戶親身經歷可以更快了解大觀園；⑤功能拓展。通過一些功能拓展讓用戶更快了解場景，也能完善系統的一些不足。

4 模型構建與平臺搭建的實現

4.1 模型構建實現

對于在整個場景中作為主角的建筑物，首先是主體建模，基于CityEngine的CGA規則，采用把地塊拉伸至地基高度，通過comp分離函數對建筑物墻面進行分離處理，再利用split分割函數對各個面進行分塊。而后對于不同墻面分別對其進行不同操作。對于分離出來的Top面，利用split函數對其進行二次拉伸，形成建筑物面，再使用comp分離函數對建筑物進行分面處理。結合多次split分割函數的使用，完成墻面窗花，門這些部件實體塊的構建。CGA規則代碼的優勢在于易于修改調整。利用這一特點，實現墻面高度、屋頂坡度、樣式切換等基于參數的靈活修改。以下為地基拉伸規則：

Lot-->bottom

bottom-->

extrude(bottom_height)bottom_top

bottom_top-->

comp(f){top：Top|front：Front_1|all：wall_1}

Front_1-->

split(x){～1：wall_1|～0.8：stair_1|～1：wall_1}

此處關于門、窗、就如屋頂的歇山頂、四面斜坡頂、雙坡頂、十字脊式頂有這四種主要的屋頂，這類多種樣式需求的部件模型，采用多樣式可切換的形式來進行建模，對于屋頂，采用CityEngine的roofGable屋頂樣式。提前為其批量構造，在之后使用中提高建模速度。其中一種實現方法如下：

Roof_1-->

roofHip(roofAngleHip，overHang)

split(y){'0.5：comp(f){bottom：NIL| horizontal：RoofGable|all：FlatRoof_Tex} }

RoofGable-->

roofGable(roofAngleGable)

comp(f){bottom：NIL|aslant：wubian| side：RoofSide}

3ds Max作為傳統的建模方式，在如沁芳橋這一代表建筑建模過程中，為了凸顯某些細節處的特點或者CGA難以勝任的如球體、花紋細節等建模任務，會結合資料尋找圖片在3ds Max、CAD中以直接描圖繪制拉伸出實體，或者以其現有的模型選擇拼接的方式完成，使其展現方式更為完善，建模效果如圖7所示。

圖7 大觀園三維鳥瞰圖

4.2 平臺搭建實現

利用Esri提供的ArcGIS API for JavaScript庫，調用其中的"esri/layers/FeatureLayer"模塊，添加要素層。通過設置信息的表達方式，以彈窗的形式表達信息。設置彈窗的標題(title)和內容(content)。添加要素層，利用URL將arcgisonline的要素層引用到系統中，配置彈窗為設置定義彈窗。以下為彈窗實現：

var featureLayer = new FeatureLayer({

url："http：//trail.arcgisonline.cn/arcgis/rest/services/Hosted/shsiliangtu/FeatureServer/0"，

outFields：["*"]，

popupTemplate：popupTemplate

})；

scene.add(featureLayer)；

使用whenLayerView()獲取要素層的圖層視圖，圖層視圖可用后，在層視圖的更新屬性上設置一個手表。在執行查詢之前，必須等待所有功能在視圖中完成更新。訪問可用于圖層視圖的圖形，創建列表，創建列表后，監聽每個列表節點上的點擊事件，并在點擊相應節點時在該功能的位置打開彈出窗口。將產生的彈出窗口顯示多邊形的中心，內容和標題從features參數填充。最后在body中設置列表位置，使用css設置列表樣式。系統部分功能實現效果如圖8、圖9所示。

圖9 第一視角游覽界面

5 總 結

本研究綜合運用多種軟件的特點及優勢，構建了面向文學作品場景與古典園林的建模框架展示平臺。在三維場景的構建方面，針對大觀園特點，利用CityEngine快速高效的規則建模方式大批量生成基礎模型，在此基礎上實現代碼和模型的重復利用，縮短建模時間，也可以實現模型的個性化快速定制。另外，傳統建模軟件3ds Max的精細建模技術是對CityEngine粗糙建模方式很好的補充與豐富，使構建的三維場景更好地展現出書中所描寫的建筑特色和園林特色，提高了模型的觀賞價值；在虛擬展示方面，利用ArcGIS API for JavaScript、Html進行開發，最終形成一個基于B/S架構的大觀園虛擬展示平臺，較好地實現了文學作品與三維場景的結合，使文學作品嵌入到模型中，增強了文學作品的趣味性，促進了文學作品的數字化保護，對于文化的傳承和推廣，是一種有效的創新手段。