三維仿真動畫與既有建筑保護(hù)——典型歷史風(fēng)貌建筑綜合改造示范工程

王彥華 姜 立 趙艷輝 張 雷

(中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

1 引言

天津作為國家級歷史文化名城，顯著標(biāo)志之一是擁有形式多樣的歷史風(fēng)貌建筑。開展好歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是建立豐富、完善的基礎(chǔ)檔案，并以此指導(dǎo)歷史風(fēng)貌建筑的維修和使用。[1]傳統(tǒng)的檔案如:歷史照片、歷史圖紙和現(xiàn)狀測繪圖等還不能滿足保護(hù)工作的需要，這是因?yàn)檫@些資料不夠直觀、全面，不能完整、細(xì)致的反映歷史風(fēng)貌建筑內(nèi)外部全景及每一個建筑細(xì)部。因此，只有將計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)與歷史風(fēng)貌建筑測繪圖紙、照片等資料相結(jié)合，制作的三維演示成果，才能滿足歷史風(fēng)貌建筑檔案的需要。這種電子檔案不僅可以滿足保護(hù)工作的需要，還可成為歷史風(fēng)貌建筑宣傳的重要渠道，讓公眾足不出戶進(jìn)行瀏覽參觀，實(shí)現(xiàn)與天津市歷史風(fēng)貌建筑的“零距離”全景接觸。

1.1 三維動畫技術(shù)概述

CG是Computer Graphic(計(jì)算機(jī)圖形圖像)首字母的縮寫。在CG行業(yè)的各類動畫中，最有魅力且運(yùn)用最廣的當(dāng)屬計(jì)算機(jī)3D動畫，即三維動畫。

三維動畫是一種用計(jì)算機(jī)模擬空間造型和運(yùn)動的動畫形式，是純粹的計(jì)算機(jī)技術(shù)的產(chǎn)物。三維動畫的本質(zhì)是通過計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和處理，建立三維物體造型，并使該物體在三維空間運(yùn)動。用三維動畫來表現(xiàn)內(nèi)容主題，具有概念清晰、直觀性強(qiáng)、視覺效果真實(shí)等特點(diǎn)[2]。

1.2 三維動畫技術(shù)的優(yōu)勢

歷史風(fēng)貌建筑三維仿真動畫是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)，結(jié)合歷史風(fēng)貌建筑詳細(xì)測繪成果、歷史照片、歷史圖紙等資料，建立詳實(shí)三維物體模型，對歷史風(fēng)貌建筑的內(nèi)外部場景和周圍環(huán)境予以仿真再現(xiàn)，并使建筑模型在三維空間不同角度予以展示。相對于傳統(tǒng)的實(shí)景拍攝影片和照片而言，三維動畫有如下優(yōu)勢:

(1)實(shí)拍不能完成的鏡頭可通過三維動畫來模擬完成;

(2)能夠?qū)λ憩F(xiàn)的歷史風(fēng)貌建筑中已損壞的內(nèi)外場景，通過已掌握的歷史圖紙、歷史照片等歷史資料進(jìn)行仿真復(fù)原，展示歷史原貌;

(3)實(shí)拍成本過高的鏡頭如航拍鏡頭等，可通過三維動畫實(shí)現(xiàn)，以降低成本;

(4)相對于錄像片、照片的單薄表現(xiàn)力而言，三維動畫具備電影般的畫面品質(zhì)和震撼效果，可具備珍藏的價(jià)值。

2 在實(shí)際工程中的應(yīng)用過程

天津市歷史風(fēng)貌建筑原法國工部局大樓建于1934年，原為法租界董事會下屬工部局中的警察部，后改組為工部局，實(shí)為法租界的警察局。該建筑為四層混合結(jié)構(gòu)樓房，清水墻面，里面較為簡潔，強(qiáng)調(diào)三段式古典構(gòu)圖(如圖1所示)。

圖1 原法國工部局大樓

天津市歷史風(fēng)貌建筑原鹽業(yè)銀行大樓建于1928年，當(dāng)時為鹽業(yè)銀行的總部大樓，由中國著名設(shè)計(jì)師沈理源設(shè)計(jì)。鹽業(yè)銀行大樓為鋼筋混凝土磚混結(jié)構(gòu)建筑，外立面以紅磚墻為主調(diào)，平面近似矩形，入口兩側(cè)采用愛奧尼克巨柱支撐的空廊，檐部閣樓用方柱，上下呼應(yīng)，氣勢雄偉壯觀，充分顯示了羅馬古典復(fù)興的建筑風(fēng)格。廳內(nèi)頂棚用黃金等材料構(gòu)成“藍(lán)天飛鳳滿天星”圖案。地面、廊柱均以豪華大理石鑲嵌。裝飾富麗堂皇。整座建筑以博大壯觀、豪華、精美反映出金融建筑的特征(如圖2所示)。

圖2 原鹽業(yè)銀行

接下來我們就以上述兩個典型歷史風(fēng)貌建筑為實(shí)例，詳述其仿真三維動畫的制作過程。

2.1 制作前期準(zhǔn)備工作

制作前的準(zhǔn)備工作非常重要。首先是去現(xiàn)場實(shí)拍一些高分辨率的相片，拍攝相片時要注意兼顧建筑的各個角度，盡量做到周全，近景遠(yuǎn)景豐滿。另外對于主要建筑的細(xì)節(jié)紋理的拍攝尤為重要(在后期處理模型的材質(zhì)和紋理時必不可少)。在原鹽業(yè)銀行的拍攝中，由于其獨(dú)特的建筑風(fēng)格，所以無論其建筑的內(nèi)外，都有大量的紋理細(xì)節(jié)需要拍攝收集(如圖3所示)。

圖3 原鹽業(yè)銀行大樓紋理細(xì)節(jié)

接下來就是收集整理主要建筑及周邊建筑的詳細(xì)尺寸測繪圖，包括一些歷史資料和歷史相片。經(jīng)過整理后，將有參考價(jià)值的圖片及數(shù)字進(jìn)行分類和存檔以備用。

2.2 撰寫分鏡腳本文稿

確定要表現(xiàn)的室外及室內(nèi)的重要元素場景細(xì)節(jié)，規(guī)劃相機(jī)運(yùn)動的路徑，保證視覺運(yùn)動流暢并覆蓋所有重要元素，不可使畫面銜接突?；蜻z漏細(xì)節(jié);以此為原則，按順序撰寫表現(xiàn)不同場景內(nèi)容的分鏡腳本，標(biāo)注清楚每個鏡頭的大致運(yùn)動路徑、持續(xù)時間、及展示對象。

2.3 搭建三維場景模型

參考測繪圖紙?zhí)峁┑木唧w尺寸信息，以真實(shí)尺寸在三維環(huán)境中搭建模型(包括主體建筑、周邊次主體建筑、道路、綠地等功能區(qū)域);制作行人、來往車輛等豐富場景的細(xì)節(jié)模型。

具體制作過程為:首先利用前期的資料，將建筑設(shè)計(jì)CAD圖文件打開，截取其中有效的邊界線段，輸出文件;然后打開三維設(shè)計(jì)軟件(如3ds Max)，導(dǎo)入其中，根據(jù)邊界參考，填入具體尺寸數(shù)字，利用多種建模技術(shù)，如拉伸，放樣，布爾運(yùn)算等搭建虛擬模型;在制作一些復(fù)雜模型的時候，需要用到多邊形建模技術(shù)，Nurbs曲面建模技術(shù)等高級操作技術(shù);在制作行人，來往車輛等含動畫特征的三維模型的時候，還需要用到路徑動畫技術(shù)、骨骼動畫技術(shù)、蒙皮技術(shù)等。

以原法國工部局大樓為例，搭建好的三維模型如圖4、圖5所示。主體模型要將不同類別的物體分別命名(如窗、磚墻、樓板、屋頂?shù)?;分別賦予單一顏色材質(zhì)用于區(qū)別顯示。主體模型的多邊形面數(shù)要以10萬—20萬區(qū)間內(nèi)為最佳，面數(shù)太大會影響之后的場景細(xì)化及動畫的渲染。對于周邊建筑及道路地形等次要模型對面數(shù)的要求則更為嚴(yán)苛，要控制在一萬以下。

圖4 原法國工部局大樓線框模型

圖5 原法國工部局大樓實(shí)體模型

應(yīng)用軟件以3ds Max為主，3ds Max是目前最主要的也是首選的建筑動畫制作軟件，隸屬于世界領(lǐng)先的設(shè)計(jì)軟件和數(shù)字內(nèi)容的Autodesk公司旗下。

2.4 繪制紋理貼圖，賦予材質(zhì)

在模型搭建好后，我們需要對于不同屬性的三維物體賦予相應(yīng)的材質(zhì)及紋理，用以在最終的渲染中真實(shí)還原物體的視覺效果。

在材質(zhì)調(diào)整過程中，需要繪制大量的貼圖紋理。以原鹽業(yè)銀行大樓為例，由于其復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)及眾多的細(xì)節(jié)表現(xiàn)，如果是單純的使用模型來體現(xiàn)，則相應(yīng)的其最終的模型面數(shù)將達(dá)到一個很可怕的數(shù)字，這將使得接下來要進(jìn)行的動畫制作無法繼續(xù)。所以，為了保證最終的渲染質(zhì)量和時間，除了模型的三維表現(xiàn)外，還需要在單純的模型表面覆蓋真實(shí)紋理的圖片。

另外，為了保證渲染效果的真實(shí)性，還需要這些圖片具備很多要求:如貼圖的無縫，貼圖的顏色傾向及大小的控制等;在貼圖的制作過程中，因?yàn)楹芏鄷r候我們沒有現(xiàn)成的圖片可以利用，就需要在平面軟件如Photoshop等中精心的繪制，以符合最終要求。這個過程不僅工作量大，而且需要制作者較高的藝術(shù)控制力，是一個非常重要的制作過程，可以決定著最終畫面的成敗。

以原鹽業(yè)銀行大樓為例，用我們前期拍攝收集的圖片資料，對應(yīng)于樓體不同部位的三維物體，制作其相應(yīng)的紋理貼圖。以圖3所示，左邊的“藍(lán)天飛鳳滿天星”圖案用于室內(nèi)大廳的天花板，中間的圖片為羅馬柱式柱頭的圖案，右邊的羊頭的裝飾圖案用于一層窗的上方。

賦好材質(zhì)的原鹽業(yè)銀行大樓如圖6。

應(yīng)用軟件:Adobe公司的Photoshop，Corel公司的Painter等相關(guān)平面軟件。

圖6 原鹽業(yè)銀行大樓賦材質(zhì)

2.5 設(shè)置相機(jī)路徑

將分別制作好的主體建筑模型、周邊次要建筑模型、地形、道路、綠地等諸多模型元素按照各自的位置合并到一個統(tǒng)一的場景中。

場景合并完成后，參考前面的分鏡腳本來設(shè)置相機(jī)運(yùn)動路徑。在3ds Max中設(shè)置攝像機(jī)，和真實(shí)的攝像機(jī)相類似，調(diào)整好相機(jī)焦距，視角等參數(shù)，根據(jù)腳本設(shè)計(jì)運(yùn)動路線，記錄相機(jī)動畫;設(shè)置相機(jī)的時候，充分利用多種表達(dá)方式，如搖鏡頭，推拉鏡頭，升降鏡頭等，豐富影片運(yùn)動畫面。

2.6 分別制作具體分鏡，細(xì)化場景

根據(jù)每個相機(jī)運(yùn)動的起始及終點(diǎn)位置(包括其移動過的空間范圍)，可以將場景分成若干個分鏡畫面。對于每個分鏡場景，我們可以將其單獨(dú)命名存儲，然后分別制作。

圖7 原鹽業(yè)銀行細(xì)化場景

首先，根據(jù)相機(jī)的移動，將看不到的建筑模型或局部刪除，用來減小場景的數(shù)據(jù)量。如圖7所示，白色高亮顯示的樓體為原鹽業(yè)銀行大樓，此時相機(jī)的運(yùn)動路徑為從下到上，對主體建筑進(jìn)行簡單的環(huán)繞展示。那么我們就可以將畫面中看不到的部分場景物體進(jìn)行刪除，如鹽業(yè)銀行西邊的一些周邊建筑及地形。

其次，我們要在場景中添加具體的模型配景植入其相應(yīng)位置。如圖7所示的畫面中添加了三維樹木，運(yùn)動的車輛等。在一些近景畫面中，還需要添加行人和噴泉等元素。

最后，設(shè)置燈光效果。不同的燈光可以營造不同的場景氛圍。由于要展示的主體建筑為歷史風(fēng)貌建筑，所以就要營造出晴朗而略帶冷調(diào)的天氣環(huán)境。燈光的調(diào)節(jié)是一個微調(diào)的過程，對于不同的分鏡場景，要設(shè)置不同的燈光。在一些近景表現(xiàn)中，需要添加數(shù)量較多的不同角度的輔助燈光，以增加渲染時的真實(shí)感。在燈光調(diào)節(jié)完成后，還需要對先前做好的材質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。通過在不同的材質(zhì)調(diào)節(jié)通道中添加相應(yīng)的紋理貼圖(如高光、凹凸、反射折射等)，并在多次的測試渲染后，可確定最終的參數(shù)值。

應(yīng)用軟件:依然是在3ds Max環(huán)境中完成。但應(yīng)用了一些特殊的插件，如 Digimation公司的SpeedTree(樹木及植物制作系統(tǒng));ITOO公司的Forest插件(大面積樹林、草叢和人群制作系統(tǒng));ArchVision公司的RPC全息三維模型插件等等;

2.7 渲染輸出最終序列幀

在上述的步驟完成后，就可以利用渲染器對每個分鏡進(jìn)行逐幀渲染。渲染的時間受場景大小、燈光參數(shù)及機(jī)器配置的不同的影響。但無論如何，渲染都是一個非常耗時的過程。

在渲染器的使用上，應(yīng)用了目前最流行的全局光渲染器Chaos Group公司的VRay(VRay rendering system)渲染器。

如圖8所示為原法國工部局大樓局部走廊的模型線框圖;如圖9所示為渲染生成的畫面效果。

圖8 原法國工部局大樓局部線框場景

圖9 原法國工部局大樓局部渲染場景

2.8 后期剪輯、添加特效，輸出成片

將渲染完成的每個分鏡的序列幀調(diào)出，在特效軟件中添加光效，霧效，景深等特殊效果，重新輸出。

在完成特效后，在剪輯軟件中按順序排列每個分鏡的序列幀。然后對其進(jìn)行加速減速，鏡頭之間的過渡銜接，蒙太奇手法的運(yùn)用等操作。在音頻通道配音樂，添加字幕等，最終輸出影片(格式為AVI、MPEG)。

最后的影片截幀如圖10、圖11所示。

圖10 原法國工部局大樓影片片段

圖11 原鹽業(yè)銀行影片片段

特效軟件:Adobe公司的After Effects軟件，Autodesk公司的Combustion軟件。剪輯軟件:Adobe公司Premiere軟件，Sony的Vegas軟件等。

3 結(jié)語

天津市歷史風(fēng)貌建筑“原法國工部局大樓”及“原鹽業(yè)銀行”的三維仿真動畫的推出和應(yīng)用，彌補(bǔ)了在風(fēng)貌建筑的保護(hù)中傳統(tǒng)方式方法的不足，為風(fēng)貌建筑建立了獨(dú)立的，準(zhǔn)確的三維模擬數(shù)據(jù)庫資料。以上動畫的制作完成，得到了天津市保護(hù)歷史風(fēng)貌建筑辦公室的領(lǐng)導(dǎo)和專家的一致首肯，并將其正式列入長期的風(fēng)貌建筑的保護(hù)規(guī)劃中。通過在“十一五”國家重大科技成就展會中的對外展示，以及在“天津歷史風(fēng)貌建筑網(wǎng)站”上的播映，使得經(jīng)歷歷史變遷的風(fēng)貌建筑重新煥發(fā)新姿，被越來越多的公眾所熟悉和了解。

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