基于照片掃描與UE4引擎環境構建的南京市漆橋古村落虛擬展示規劃系統

摘" 要：傳統古村落是我國珍貴的建筑文化遺產，其獨特的建筑風貌和文化內涵散發著無窮無盡的魅力和價值。然而，由于城市化和現代化的高速發展，很多傳統古村落正面臨著文化遺產保護和城鄉發展的雙重挑戰。該文以南京漆橋古村落為研究對象，建構一種結合照片建模－C4D模型細化－UE4動態環境架構的數字化保護方法，完成基于UE4藍圖來運行程序的可交互性設計作品，并以漫游的方式讓傳統古村落煥發生機，這種改造和原物并存的展現方式創新傳統古村落的保護發展與文化傳承，從而有效地賦能鄉村振興發展。

關鍵詞：古村落；UE4引擎；照片建模；C4D；數字化保護

中圖分類號：TP391.9" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）10-0001-04

Abstract： Traditional ancient villages are precious architectural cultural heritage in China， and their unique architectural features and cultural connotations exude endless charm and value. However， due to the rapid development of urbanization and modernization， many traditional ancient villages are facing the dual challenges of cultural heritage protection and urban and rural development. Taking the ancient village of Qiqiao in Nanjing as the research object， this paper constructs a digital protection method which combines photo modeling-C4D model refinement-UE4 dynamic environment framework， completes the interactive design work based on UE4 blueprint to run the program， and makes the traditional ancient village coruscate with vitality by roaming， which innovates the protection， development and cultural inheritance of traditional ancient village， thus effectively empowering rural revitalization and development.

Keywords： ancient village; UE4 engine; photo modeling; C4D; digital protection

近年來，我國城鎮化的迅猛發展對古村落的保護帶來了史無前例的重大沖擊，人們也越發意識到古村落遺產正在逐漸衰退。2023年2月13日，新華社受權發布《中共中央 國務院關于做好2023年全面推進鄉村振興重點工作的意見》，國家熱切關注鄉村的建設與發展。讓古村落活起來是鄉村振興的重要課題，在不損毀古村落建筑本身的前提下，如何創新古建筑文化遺產的保護策略是當前難題。

新媒體技術的發展為古村落的數字化保護與傳播提供了新穎的方式。本文以UE4多種特效的實現為基礎，通過對漆橋村歷史文化進行系統分析，研究古建筑文化遺產三維重建和數字化改造，詳細闡述了照片建模的模型獲取和處理方法及流程，著重分析了C4D三維模型重建和細節刻畫的目的和方法，為古村落整體環境的構建奠定了基礎；并且，提出了UE4的云霧效果、鏡頭效果和燈光調試的方法，介紹了UE4的UI藍圖建立方法和流程，最后對系統的功能及性能進行測試，并且加以自己獨特的原創設計，創新了古村落的展現形式，彌補了古村落原址商業化不足的缺陷。

1" 漆橋古村落歷史文化內涵挖掘

漆橋村位于南京高淳區，四面環水，景色宜人。漆橋村不僅擁有豐富的人文景觀，還保存了大量的明清古建筑，享有“金陵第一古村落”的美譽[1]。將漆橋古村落設為研究對象，探討古村落空間規劃調整與創新發展的可行性。

1.1" 漆橋古村落豐富的歷史淵源

漆橋村歷史悠久，西漢時期就已經建村，位于江蘇、浙江和安徽地區三界交界處，是連接溝通三地的驛站和交通的要道。西漢末年，王莽之亂爆發，宰相平當父子因避亂從長安遷至此處。為了便利當地的交通，在河上建起一座木橋，木橋渾身刷滿朱漆，“漆橋”之名由此而來。再至后來，唐宋元明清，朝代更迭，漆橋仍然是當地居民、來往商旅、軍隊借路的驛路要沖。漆橋村四通八達得益于其地勢平坦、驛路通暢，即使在后來的民國時期，公路被戰亂破壞，漆橋村還是成為了當時差旅借道的必經之路[2]。

除了功能性的歷史以外，漆橋村的文化史也很豐富。漆橋村不僅是當地商業經濟的樞紐，還是孔子第五十四代后裔的棲息地，并且還逐漸發展成為當地主要姓氏。漆橋孔氏家族尊親疏榮，獨善其身，被曲阜衍生公府認定為江南孔氏聚集地[3]?？资戏毖芮?，歷經朝代數百載，至今已經八十四世，取得功名的有118人，并且先后建設孔氏宗祠、保平井等，修繕漆橋成為當地孔氏宗族的責任。

1.2" 漆橋古村落發展的優劣分析

漆橋古村落蘊含獨特的環境優勢和歷史底蘊，是高淳古村落中的“掌上明珠”。①豐富的文化遺產：南京市漆橋古村落保存了大量的歷史建筑和文化遺產，這些遺產對于保護和傳承南京市的歷史文化有著重要的意義。②自然環境優美：南京市漆橋古村落位于風景秀麗的山水之間，自然環境優美，這為發展旅游業提供了得天獨厚的條件。③旅游資源豐富：南京市漆橋古村落擁有豐富的旅游資源，包括歷史建筑、文化景觀、傳統手工藝等，這些資源為發展旅游業提供了無限的可能。④政府重視：南京市政府高度重視南京市漆橋古村落的發展，通過出臺一系列扶持政策和投資項目，為其發展提供了強有力的保障。

雖然漆橋古村落有著極大的優勢，但是其明顯的短板也造成當地旅游業發展出現了停滯的現象。①經濟落后：南京市漆橋古村落經濟相對落后，缺乏現代化的基礎設施和商業設施，這給其經濟發展帶來一定的阻礙。②旅游配套設施不完善：南京市漆橋古村落在旅游配套設施方面還存在不足，如交通、住宿、餐飲等方面的配套設施不完善，這會影響游客的旅游體驗[4]。③管理體制不完善：南京市漆橋古村落的管理體制還存在不足，如缺乏有效的保護機制、管理機制等，這對其文化遺產的保護和管理帶來了一定的難度。④人才流失：南京市漆橋古村落的青年人普遍流向大城市以謀求更好的生活，導致古村落人口老齡化嚴重，這對文化傳承與發展帶來了巨大影響。

綜上，南京市漆橋古村落作為一處歷史悠久的文化遺產和旅游勝地，具有巨大的發展潛力?；ヂ摼W技術的發展為漆橋古村落的數字化保護提供了新路徑。

2" 漆橋古村落模型的數字化改造

新媒體技術的發展創新了古村落的保護和傳播方式，通過照片建模、C4D模型細化和UE4動態環境架構對古村落數字化保護與傳播提供了行之有效的途徑。

2.1" 照片建模在建筑數字化中的應用

照片建模軟件有Image Modeler、123D Catch、Reality Capture等，其中，Reality Capture是Epic公司最新發布的一款基于云計算的照片建模軟件。照片建模技術推動了漆橋老街的原景再現，實現了從實體到虛擬、從現實世界到數字世界的重要飛躍。

2.1.1" 照片建模的照片獲取

360°環繞是收集數據的最佳方式。然而，由于本文研究的古村落條件有限，故選擇了半環繞式收集數據。每個點收集的照片至少2張（1張正面和1張側面），通常一張在20～30°拍攝。對于在此基礎上獲得的一組照片，根據圖像之間的點進行匹配組合，借助計算機視覺處理，計算出圖像中物體的三維坐標，然后通過網格處理和紋理映射得到三維建模結果。

2.1.2" 虛擬空間的模型建立

將漆橋老街的主體部分原始照片上傳至Reality Capture服務。通過返回的三維模型可以看到，由于照片問題，模型混亂，無法建立相對完整的模型。將無法識別的照片篩選出來進行處理，調整照片曝光，統一照片對比度、亮度等。調整后的照片應盡量保證色調和對比度相對平衡，確保每張照片的色差非常小。調整完成后，即可等待服務器完成建模生成點云。

等待Reality Capture生成點云后，點擊“RECONSTRUCTION”找到Normal Detail進行細節重建，然后再完成模型的材質賦予，由此生成的模型基本滿足建筑的建模要求，但部分細節不完善，如城門上的主閣部分多處模型出現斷層等。

2.2" 運用C4D軟件對模型細節雕飾和改造

2.2.1" 模型初步處理與優化

在C4D中導入已經由Reality Capture生成的粗建模型，并將各個組成部分全部轉化為可編輯對象，然后保存為多個模型文件，分別是door.C4D、bridge.C4D和pavilion.C4D等。雖然在Reality Capture中已經做了減面處理，但是初始模型的結構比較復雜，每個對象所生成的多余雜面和殘余的環境小塊都非常多。因此，接下來對每個對象的面數做相應的調整，將模型結構表達的冗余部分進行優化。首先，打開door1.C4D文件，選擇“細分”選項，對對象面之間過于尖銳和凹凸不平的地方進行優化。并且在導入模型后，會出現obj材質錯誤的問題，需要對模型的材質進行修改。由于普通房屋模型起到的是作為擴充豐富整個古村落的作用，因而，對于模型的精度要求不及主體街區。

2.2.2" 模型歸類與細節調整

根據前期的構想，改造后的小鎮分為2個部分——漆橋古村落和漆橋商業街。古村落部分涉及大量居民區，由此需要對生活用品進行建模來模擬商鋪和居民生活。而商業街部分涉及大量改造，需要房屋類別多，因此，需要在已有的基礎上對房屋作出改變，再增添花草樹木、公共設施，使得UE4里環境建設更加完善。

建模過程以孔子廟為例，原型的構造比較簡陋。因而，在造型上參考傳統的寺廟，如北京市西黃寺；在材質上的選擇貼合傳統寺廟的琉璃磚瓦。值得一提的是孔子廟的彩畫部分，參考了清朝旋子彩畫。故本模型彩畫材質部分選用了此類彩畫圖片作為貼圖導入C4D，經過拉伸變形作為梁枋的材質。

3" 漆橋古村落動態環境實現與運行測試

漆橋古村落是第六批歷史文化名村，古村落空間構成較多且繁雜[5]。主要可以處理為建筑、街巷和節點，每個空間和層次都具有其獨特的結構和形態。建筑有合院式、并列式、單棟式，既可以用來滿足日常生活所需，也可以用來作為商鋪使用。街巷的空間結構為：主巷、次巷、街廊的遞減式變化。其整體空間是以街巷為骨架，建筑為基本單元構成的結構，其中集中結構主要體現了秩序感和認同感。組團式結構主要是以自然環境，如樹木、道路、地形的變化組團，以橋、標志性建筑物為連接，村際活動與交流由此發散輻射至全村。

3.1" 古村落整體環境的搭建

上文提到的模型導入到UE4中成為整個古村落場景的主體，場景也是基于原本村落的實際環境進行搭建的。這種整體環境搭建的結構，是在UE4可實現多種特效的基礎上，避免了過于復雜的模型直接參與UE4的實時渲染，減少了系統優化的壓力，彌補了C4D實時渲染的不足。在設置場景前，重新處理模型文件，主要標志性模型見表1。

模型文件需要材質來進行渲染效果的表達，故根據映射和材料系統制作材料。需要注意的是，如果導入模型后發現材質無法顯示時，點擊問題材質球，找到出現“error”的藍圖模塊，重新加載材質或者在“材質表達式紋理base”選項卡中將“法線”改為“顏色”，再次對此材質重新編譯，這樣，材質就可以恢復正常了。

3.2" 古村落中特效設計的實現與調試

UE4的霧效應分為大氣霧和指數高度霧，滿足基本需求。UE4云霧特效的實現和調試要開啟體積霧功能，需要場景中有指數高度霧（Exponential Height Fog），開啟相關參數中View Distance參數表示在多少的距離范圍內體積霧（Volumetric Fog）取代Exponential Height Fog。在關卡比較大的時候，距離設置稍微大一些，否則很近的距離就會出現原有的Exponential Height Fog。但如若數值過大，可能對三維紋理貼圖（Volume texture）的精度有影響，所有燈光Actor都有相關參數可用來調整。因而，局部體積霧（Particle Volumetric Fog）一般用來作為局部體積霧的制作方法，可以使用GPU Particle在一個區域實例化一片這樣的粒子作為局部體積霧，也可以只用單一粒子來制作局部的Volumetric Fog[6]。在古村落中，適當地加入指數體積霧，能增加整個場景的質感和完整度。在場景中加入指數高度霧組件，調整霧氣密度和霧高度衰減來控制整個場景的氛圍，輔以散射分布和調整反射率以達到最好的效果。

為了讓體驗者有真實自然的觀賞體驗，漆橋商業街場景的水面被設計為動態效果，水材質主要原理是利用UV動畫來模擬水的流動。首先準備一張水波紋的法線貼圖，使用Panner節點來制作UV動畫，可以分為3組分別調整不同軸向的UV移動的移動速度和紋理大小，由此讓水波紋產生一些隨機變化[7]。為了方便控制大、中、小波紋的法線強度，再分別加上法線強度控制，然后用Add節點將這些變化的法線加在一起，把顏色等這些基本的信息都連上就可以看到流動的效果。由于此次的水是透明的，所以將材質球的透明模式打開，同時開啟半透明體積，即可同時激活半透明和法線通道。最后，加上整體控制UV的參數方便后期調整，加上折射率參數，整體就制作完成了，后期效果可以在實例材質中調整。

3.3" 古村落動態環境的運行與測試

在開發UE4系統時，對于資產的材質球、效果控件、藍圖控件和UI控件等都需要重新建構，以確保燈光和材質流正常顯示渲染。測試的主要項目為：漫游測試、地圖測試、控件測試、播放測試和場景切換測試。通過使用相關功能，直接測試實時運行時各個相關特效和材質的正確顯示與生成觸發等問題，如圖1所示。并且通過幀率（fps）測試發現，規模較小的場景幀率穩定，而場景規模較大的古村落民房和渲染技術略有不同的古村落商店場景及商業化場景均出現了嚴重的幀率波動。

4" 結束語

積極響應國家號召，推動鄉村振興戰略，對南京市漆橋村歷史文化進行系統分析，探究古建筑文化遺產數字化保護策略。通過利用照片掃描技術獲取古建筑模型，再結合3D建模軟件聯動UE4引擎開發漆橋古村落的虛擬漫游平臺，創新了傳統古村落的呈現方式，煥發了古村落的新魅力，為古村落數字化保護和傳播提供了可行的策略。

參考文獻：

[1] 李嵐，董婷婷，周旻慧.耕讀傳家——南京漆橋村鄉村景觀規劃設計[J].創意設計源，2018（5）：10-15.

[2] 高淳縣地方志編纂委員會.高淳縣志[M].南京：江蘇古籍出版社，1988：57.

[3] 周潔.旅游發展背景下古村落空間的整治與更新——以高淳漆橋古村為例[D].南京：東南大學，2015.

[4] 徐菁.兼顧人居環境的古村落旅游發展的可持續性評價——以南京漆橋村為例[J].南京曉莊學院學報，2019，35（4）：89-94.

[5] 徐會.基于空間句法分析的南京傳統村落空間形態研究——以高淳何家-吳家村為例[D].南京：南京工業大學，2015.

[6] 高嘉興.基于UE4引擎環境構建高仿真度游戲特效的研究[D].天津：天津大學，2020.

[7] 李南希.基于UE4的虛擬現實交互實驗系統設計與實現[D].上海：東華大學，2022.