苗族吊腳樓建筑構造虛擬仿真系統開發

何 萌

（大連民族大學，大連 116000）

吊腳樓，也叫“吊樓”，為苗族（重慶、貴州等）、壯族、布依族、侗族、水族、土家族等族傳統民居，在渝東南及桂北、湘西、鄂西、黔東南地區的吊腳樓特別多[1]。本文以貴州省銅仁市松桃縣的大灣苗寨為研究對象，其建筑屬黔東南州民族建筑的苗族半邊吊腳樓形式。受現代建筑文化及所處環境等因素的影響，苗族吊腳樓建筑在不斷減少，建筑構造得營造技藝在不斷失傳。為此，需迫切對吊腳樓的營造技藝與建筑文化等進行記錄與保護。本文利用3D 建模技術逆向設計建筑單體，實現吊腳樓的全三維建筑結構模型創建，根據虛擬仿真實驗的設計思路，設計研發了基于Unity 3D 的人機交互漫游場景，能夠將苗族吊腳樓的文化歷史、建筑構造等進行記錄。

1 技術路線與系統模塊設計

1.1 技術路線

前往貴州省大灣苗寨進行實地調研，利用三維激光掃描儀對苗寨吊腳樓的空間信息進行外業掃描，掃描完畢對其數據進行內業處理。深入施工現場進行建筑構造資料搜集，尋找匠人采訪大灣苗寨的歷史背景、人文風情及營造技藝等相關問題。查閱書籍與論文獲取苗寨的相關資料，利用處理好的點云數據進行逆向設計，利用3d 建模軟件進行單體建模，根據點云數據與所建得的模型進行圖紙的繪制，將單體模型與所繪制的圖紙鏈接至游戲引擎unity 3D 中，進行漫游空間場景的創建。開發系統實現對苗族吊腳樓的建筑構造認識解析、細部節點構造圖文解析、建筑文化講解推廣等功能。系統開發的技術路線圖如圖1所示。

圖1 技術路線圖

1.2 系統模塊設計

苗族吊腳樓建筑構造虛擬仿真系統按照軟件工程的思想，從系統需求分析入手，設計系統各個功能模塊。針對苗族吊腳樓單體設置有整體認知、分布構造、工程做法三個結構模塊。其下設有文化歷史、構造解析、圖紙索引、實例圖片等功能模塊。文化歷史著重于講述苗族吊腳樓的建筑文化、現狀及所面臨的問題。構造解析著重于講述構造的名稱、營造技藝及作用。圖紙索引與實例圖片是將苗族吊腳樓的重點構造部分進行單體的可視化，方便全面的了解相關內容。

2 3D 建模

圖2 系統功能結構圖

2.1 數據采集與處理

利用三維激光掃描儀前往實地對苗寨建筑及周圍環境進行掃描，獲取的數據即苗寨建筑群相對精細完整的點云數據。在儀器掃描前，需對儀器設備進行檢查并避免物體遮擋建筑影響掃描結果。

采集完成后，需對數據進行拼接、去噪、優化等處理。該過程可用Scene軟件進行。處理完成的單站三維點云數據如圖3所示。

圖3 大灣苗寨單站三維點云數據

2.2 模型制作

本文采用Autodesk 公司開發的3ds Max 軟件利用點云數據作為建筑尺寸、位置和形狀的依據。模型初建立完成后，為了使模型更加逼真形象，需要對其進行渲染、貼圖等處理。貼圖可避免對模型進行材質的添加，以達到對模型的優化作用。同時，需采取刪除不可見面、對貼圖進行壓縮等措施簡化模型（模型導出以.fbx 格式保存）。吊腳樓單體模型如圖4所示。

圖4 吊腳樓單體模型

3 三維動態虛擬仿真系統的實現

Unity3D 是由Unity Technologies 開發的一個讓玩家輕松創建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎。支持3D 模型瞬時導入，支持C#語言編寫腳本。該軟件可與3ds Max 相結合，從而達到虛擬仿真與可視化的實現。

3.1 虛擬交互設計

根據原場地進行環境、建筑、道路等真實的還原。可利用Unity3D 自帶功能進行場景建立，也可由外部導入模型：將由3ds Max 建立好的單體模型分別歸檔為.fbx 格式文件，與處理好的貼圖共同歸檔，一起導入到Unity3D 中，形成虛擬的場景。

在Unity3D 虛擬漫游中，添加碰撞對象是第一人稱視角在場景中漫游，使感受更加真實，避免與建筑、樹木、物體等碰撞時發生不真實的重影、穿移等現象。在場景中添加Mesh Collider碰撞體命令，設置物體的物理屬性，為每個對象添加碰撞器。

3.2 系統主要功能模塊

利用playmaker 插件無需編寫復雜腳本，直接添加按鈕命令，觸發命令，實現觸碰建筑模型單體，即對其名稱、功能等有所顯示。進入系統初始界面后主要功能模塊如：文化歷史相關圖文介紹、建筑場景漫游功能、單體節點放大展示。

將調研與查詢所得的苗族吊腳樓的歷史和分布，苗族吊腳樓所處的自然環境及其影響，苗族吊腳樓的設計與營造技藝，苗族吊腳樓傳統營造技藝現狀及問題進行圖文介紹。

建筑場景漫游功能

將所建造的苗寨周圍環境進行展示，可以第一人稱視角或第三人稱視角在系統中進行行走等達到漫游目的的實現。將利用BIM 技術所繪制的圖紙與建筑模型相結合，在漫游時點擊圖紙，對應處模型高亮顯示。圖紙如圖5所示。

圖5 吊腳樓平面圖

建筑構件難點或特殊結構點處對其單體節點進行放大展示，更加細致的顯示其構造。區分于內部構造與外部構造結合圖紙進行展示。

4 系統運行與發布

Unity3D 可生成的運行版本有Editor、Player 和WebPlayer等，分別為在Unity3D 中編輯時的運行版本、單機的可執行文件和網頁版的3D 運行方式[2]。本系統采用Web 播放的網頁版本。在制作完成漫游后，生成網頁格式的文件，選擇文件類型為Web Player，菜單File--＞Build Setting 然后選擇發布成網頁，可執行文件和網頁版的3D 運行方式。實踐的研究結果表明，Unity3D 可以很好的實現網絡三維展示和交互功能，是虛擬平臺設計開發的一個有力工具[3]。

5 結束語

本文利用3D 建模技術與逆向設計思維，通過游戲引擎Unity3D 對吊腳樓建筑構造進行本系統的研發，根據虛擬仿真實驗的設計思路，設計研發了基于Unity3D 的人機交互漫游場景，實現了苗族吊腳樓的建筑構造認識解析、細部節點構造圖文解析、建筑文化講解推廣等功能，具有操作簡便，可遠程學習的優點，對于民族建筑的保護提供了思路。以苗族吊腳樓建筑為例，可對于其他少數民族的建筑構造應用相同的思路進行保護意義上的開展。