CityEngine CGA支持下的傳統(tǒng)民居復(fù)雜屋頂建模及優(yōu)化
——以衡陽市中田村為例

劉　媛，鄧運(yùn)員，劉立生，鄭文武

(1. 衡陽師范學(xué)院“古村古鎮(zhèn)文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳承”湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 衡陽 421002；

2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院衡陽紅壤試驗(yàn)站，湖南 衡陽 421001)

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CityEngine CGA支持下的傳統(tǒng)民居復(fù)雜屋頂建模及優(yōu)化
——以衡陽市中田村為例

劉媛1，鄧運(yùn)員1，劉立生2，鄭文武1

(1. 衡陽師范學(xué)院“古村古鎮(zhèn)文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳承”湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 衡陽 421002；

2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院衡陽紅壤試驗(yàn)站，湖南 衡陽 421001)

3D Complex Roof Modeling and Optimizing of Tradional Residential Houses Based on CityEngine CGA——Taking Zhongtian Village of Hengyang City as an Example

LIU Yuan,DENG Yunyuan,LIU lisheng，ZHENG Wenwu

摘要：傳統(tǒng)村落的民居建筑地方特色鮮明，在地方傳統(tǒng)文化快速消逝的背景下，數(shù)字化成為民居建筑保護(hù)的有效手段，快速、批量、精確的三維建模是當(dāng)前民居建筑數(shù)字化的關(guān)鍵問題。針對傳統(tǒng)民居建筑的不規(guī)則性，本文利用ArcGIS CityEngine軟件建模工具，對中國傳統(tǒng)村落衡陽市中田村的傳統(tǒng)民居建筑群開展了三維建模及其優(yōu)化研究，深入闡析了傳統(tǒng)民居批量、快速建模方案，優(yōu)化了傳統(tǒng)民居建模難度較大的復(fù)雜屋頂?shù)慕Ｒ?guī)則，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)建模的算法，為后續(xù)開展其他傳統(tǒng)民居建模提供了一套有力、可行的建模體系及其實(shí)現(xiàn)路徑。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)民居；三維建模；CityEngine；交互式建模

古村古鎮(zhèn)等傳統(tǒng)聚落是人類珍貴的文化遺產(chǎn)，對其進(jìn)行全方位保護(hù)已形成共識，除了實(shí)物保護(hù)之外，數(shù)字化保護(hù)也是有效手段，并且是必然趨勢，因?yàn)閷?shí)物保護(hù)受限于其生命周期不可能長久保存。在數(shù)字化過中，對于傳統(tǒng)建筑等物質(zhì)文化遺產(chǎn)，三維建模技術(shù)是主要手段。隨著GIS在數(shù)字城市、智慧地球等領(lǐng)域的不斷深入應(yīng)用[1]，在建模方式、數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)發(fā)布方面有了新的進(jìn)展。在建模方式方面，從單體建模[2]發(fā)展到傾斜攝影、激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)云建模[3]，實(shí)現(xiàn)了從2.5維建模到真三維空間建模，但由于模型復(fù)雜度高，數(shù)據(jù)量大，難以形成規(guī)模化應(yīng)用；在數(shù)據(jù)管理方面，不再局限于某個整體三維單元表達(dá)與組織，通過各種模型部件的組合，三維場景表達(dá)更為直觀，數(shù)據(jù)重用性更好，主流軟件有CityEngine、SuperMap、OSG，其優(yōu)勢在于通過擬定的建模解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)二維矢量數(shù)據(jù)的三維建模，不必重新構(gòu)建數(shù)據(jù)組織關(guān)系，而是直接利用屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)與管理；在數(shù)據(jù)發(fā)布方面，三維模型數(shù)據(jù)已從單機(jī)版局域共享發(fā)展到面向網(wǎng)絡(luò)的全域共享。另外，針對建筑物的特殊部件，也有學(xué)者開展過具體研究，尤其在屋頂建模方面，研究較為深入，包括使用數(shù)碼影像構(gòu)建屋頂模型[4]、航空影像數(shù)據(jù)半自動構(gòu)建屋頂[5]或使用LiDAR機(jī)載方法建模屋頂[6]。這些方法雖然相對較為逼真、效率較高、成本較低，但是數(shù)據(jù)重用性不高，調(diào)整參數(shù)較難。

由于當(dāng)前常規(guī)的建模方法如3ds Max不能動態(tài)調(diào)整單一或整體三維模型實(shí)體要素，因此無法實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)要素的關(guān)聯(lián)，也難以實(shí)施復(fù)雜三維空間分析。為了能夠更好、批量、快速且較為精細(xì)地構(gòu)建三維模型，本文以傳統(tǒng)聚落民居建筑為研究對象，面向模型的可重用、可調(diào)整、可交互、可批量等目標(biāo)，使用ArcGIS CityEngine建模工具，開展傳統(tǒng)民居的整體、批量、快速建模研究，通過對原有建模算法的優(yōu)化，形成面向古村古鎮(zhèn)中傳統(tǒng)民居的建模體系與框架，為其他地區(qū)的傳統(tǒng)民居建模提供借鑒。

一、研究區(qū)概況與技術(shù)流程

1. 研究區(qū)概況

傳統(tǒng)村落的建筑主要包括民居和公共建筑兩部分。衡陽市廟前鎮(zhèn)中田村作為2012年公布的第一批“中國傳統(tǒng)村落”，其古建筑遺存主要以傳統(tǒng)民居為主，始建于明末清初，目前仍保留了從康熙48年(1709年)到民國的舊宅100多幢，天井200多個，巷道108條，整體建筑面積超過18 000 m2，既有江南民居的建筑特色，又有獨(dú)特的本土建筑風(fēng)格，具有極高的研究價值、歷史價值和建筑藝術(shù)價值，因此，本文選擇它作為研究案例。

2. 基于CityEngine的傳統(tǒng)民居建模流程

雖然傳統(tǒng)民居建?？梢圆糠纸梃b大型城市建筑群的建模方案，但是部分細(xì)節(jié)無法同等對待，需要考慮使用新的方法去構(gòu)建不規(guī)則性特殊構(gòu)件。

城市和鄉(xiāng)村是兩種不同的地域單元，其建筑布局和建筑風(fēng)格也迥然不同，而傳統(tǒng)村落與現(xiàn)代鄉(xiāng)村也大不相同，其建筑往往飛檐翹角，以外形不規(guī)整為審美取向。以中田村傳統(tǒng)民居為例，其建筑風(fēng)格與城市居住建筑主要差異表現(xiàn)在外形和裝飾方面(見表1)。而CityEngine用于城市規(guī)則建筑物建?；蛞訥eoDesign理念來設(shè)計(jì)、規(guī)劃城鄉(xiāng)空白區(qū)域，但鑒于傳統(tǒng)村落這種珍貴文化遺產(chǎn)的脆弱性及其不可再生性、變遷性及價值多重性，對其現(xiàn)有建筑開展多種建模方法的探討也是一個空白領(lǐng)域和值得嘗試的方向。

基于上述分析，中田村傳統(tǒng)民居的建模流程參考如圖1所示。

表1　傳統(tǒng)村落民居建筑與城市居住建筑樣式差異

圖1　CityEngine支持下的中田村建模流程

3. 基于CityEngine CGA的傳統(tǒng)民居復(fù)雜屋頂建模與優(yōu)化

除借助CityEngine自身支持的坡頂構(gòu)建外，需要對中田村具有通風(fēng)、環(huán)流功能的含天井的硬山頂和混合歇山頂兩類屋頂作為特色建筑的屋頂進(jìn)行設(shè)計(jì)與建模。

(1) 天井式硬山頂建模與優(yōu)化

① 模型構(gòu)建

由于中田村古民居防御性小窗居多，為保證屋內(nèi)采光通風(fēng)，大部分房屋都采用天井式硬山頂。天井外形表現(xiàn)為青瓦鋪面，四周高、中間低，且中心部分開洞，一側(cè)相對較高。硬山外形是強(qiáng)調(diào)兩側(cè)墻面相對存在“人字型”外觀。借助于調(diào)研的影像(如圖2(a)所示)與照片(如圖2(b)所示)，可見屋頂如同倒立漏斗式，不是單一屋頂樣式構(gòu)成，需要組合幾類屋頂模型來構(gòu)建：一個是倒立被切除底部的金字塔頂或四面頂；另一個是雙坡頂。CGA規(guī)則構(gòu)建屋頂外觀整體模型流程如圖3所示。

圖2

圖3　構(gòu)建屋頂外觀整體模型流程

此CGA規(guī)則建模過程僅僅完成天井式硬山頂?shù)耐庥^，下一步是給屋頂表面添加瓦片和對應(yīng)的紋理。由于屋頂是由每塊規(guī)整瓦片構(gòu)建，因此可以切分屋頂表面為大小一致且位置隨機(jī)微調(diào)的面片，然后替換瓦片模型與紋理。

參考圖4顯示其效果，實(shí)現(xiàn)算法如下：

a. 重復(fù)切割x與y方向，將屋頂表面切分成近似等距離的單體。

b. 將該單體調(diào)整縮放范圍和旋轉(zhuǎn)角度，設(shè)置中心對齊，但是存在隨機(jī)位置變化。值得注意的是在此過程中如果是倒立金字塔頂生成的表面，需要旋轉(zhuǎn)瓦片放置在正確的位置。

c. 添加替換規(guī)整單體的第三方精細(xì)模型(*.obj等)。

d. 設(shè)置對應(yīng)映射的紋理。

圖4　天井式硬山頂三維顯示

如果想微調(diào)瓦片大小，可以通過CityEngine交互操作快速調(diào)整瓦片尺寸寬度和長度(如圖5所示)。

圖5　同一視口下瓦片寬度和長度調(diào)整對比圖

② 模型優(yōu)化

通過上述生成屋頂?shù)倪^程，無論從外形還是顯示效果上，都能較為真實(shí)地還原現(xiàn)狀。但是該流程總體多重金字塔仍需要逐個調(diào)整規(guī)則分類，為提高程序的利用率，管理數(shù)據(jù)更加便捷，將外觀建模流程進(jìn)一步改進(jìn)。將金字塔頂1、2使用自定義規(guī)則函數(shù)條件分解為其他組件切割模型，類似模型旋轉(zhuǎn)替換。這樣數(shù)據(jù)內(nèi)容利用度增大，也簡化前期金字塔頂多類沖突問題，可以使用一套規(guī)則完成上述同一金字塔頂外觀變換和后續(xù)操作。主要構(gòu)建更改流程如圖6所示。

圖6　改進(jìn)優(yōu)化構(gòu)建屋頂模型外觀流程

對于每一類屋頂，需要區(qū)分細(xì)節(jié)差別、一一對應(yīng)、調(diào)整比例和相關(guān)信息。通過調(diào)查可以得出：除兩天井一雙坡頂?shù)挠采巾斨?，還存在其他變異的含天井的硬山頂，包括一天井一雙坡頂、一天井兩雙坡頂、兩天井一雙坡頂、兩天井兩雙坡頂。不同類型可以通過GIS二維數(shù)據(jù)(*.shp)屬性識別。雙坡頂處加入“人字形”墻面的頂部細(xì)節(jié)裝飾和孔洞，解決對特定的防火墻需要獨(dú)立建模的缺陷，優(yōu)化其墻面按照矩形規(guī)則調(diào)整隨機(jī)變換的紋理樣式?？梢詫⒅刑锎宓母黝愇蓓斖ㄟ^條件函數(shù)管理每一個類對象(見表2、圖7)。

表2　不同屋頂構(gòu)建規(guī)則類

圖7　其他特殊硬山頂類型

(2) 混合歇山頂

在中田村古建筑群除了上述類型屋頂外，還存在歇山頂式屋頂。在古民居的核心區(qū)內(nèi)有一棟比較獨(dú)特的油茶紀(jì)念館，該館的頂部為歇山頂與雙坡頂混合屋頂(如圖8所示)。

圖8　混合歇山頂

通過影像圖資料和調(diào)研情況，可以看出上半部分是雙坡頂，下半部分是歇山頂?shù)囊粋?cè)。為了依據(jù)一個二維底面來整體模擬該混合屋頂，需要合理組織構(gòu)建方式，主要CGA算法步驟如下：

1) 新建一個四坡頂，首先垂直等分兩塊且只保留組件分割的中間層面(RoofGable)；同時復(fù)制同一個四坡頂，將該對象按3∶7水平比例切割成兩個塊模型(Model2:Model1)，如圖9所示。

圖9

2) 對四坡頂中間切割獲取的二維平面(RoofGable)水平保留一定比例(如74%，參數(shù)可交互調(diào))的底面(Model)；對該底面添加雙坡頂，構(gòu)建歇山頂?shù)纳习氩糠郑湎掳氩糠謩t是步驟1)中的Model1模型，從外觀上可以看出左側(cè)歇山頂成形，如圖10(a)所示。

但是Model1模型中僅僅是被重構(gòu)的雙坡頂所掩蓋，為保證內(nèi)部數(shù)據(jù)在渲染時不出現(xiàn)沖突，需要剔除Model1模型的上半部分。同步驟1)垂直剔除上半部分。優(yōu)化結(jié)果如圖10(b)所示。

圖10

3) 對占30%左右的Model2僅僅保留組件分割的底面，對底面設(shè)置逆法向量方向，對調(diào)整后的底面制作一個同展角和邊沿大小的雙坡頂，如圖11所示。

圖11

4) 對RoofGable模型添加規(guī)則的天窗，除頂部存在外，背部也同時開窗。內(nèi)部縱橫切割方式可以按照指定比例微調(diào)參數(shù)，如圖12所示。

圖12

5) 最終通過賦值紋理和替換第三方模型，可以構(gòu)成其混合歇山頂模型。制作后的成果可以應(yīng)用到其他模型上，只需要微調(diào)角度、邊沿長度參數(shù)即可重用，如圖13所示。

圖13

二、 總結(jié)與展望

本文通過對比以往CityEngine三維建模與傳統(tǒng)古民居三維建模的流程差異，發(fā)現(xiàn)古村鎮(zhèn)的難點(diǎn)在于復(fù)雜屋頂?shù)臉?gòu)建、后續(xù)開展復(fù)雜屋頂規(guī)則建模與優(yōu)化論述。該過程改進(jìn)原始簡單屋頂?shù)木窒扌?，不僅將屋頂可以變異成更為復(fù)雜的屋頂樣式，而且可以通過部分代碼微調(diào)參數(shù)或交互調(diào)整參數(shù)完成古村古鎮(zhèn)建筑復(fù)雜屋頂三維建模。最終規(guī)則分類與整理后可以作為一套分類建模體系應(yīng)用到其他類似古村古鎮(zhèn)屋頂建模中。整體建模周期縮短，效率得到很好的提升，同時支持網(wǎng)絡(luò)共享和服務(wù)發(fā)布。

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中圖分類號：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)03-0098-05

作者簡介：劉媛(1986—)，女，碩士，助教，主要研究方向?yàn)?D GIS可視化和GIS應(yīng)用。E-mail：qqnvshen@126.com通信作者： 鄧運(yùn)員。E-mail: dyydyy@163.com

基金項(xiàng)目：教育部人文社科規(guī)劃項(xiàng)目(11YJCZH255)；“聚落文化遺產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)”湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(JL15K05)；衡陽師范學(xué)院科學(xué)基金(14A20)

收稿日期：2015-04-02； 修回日期： 2015-04-24

引文格式： 劉媛，鄧運(yùn)員，劉立生，等. CityEngine CGA支持下的傳統(tǒng)民居復(fù)雜屋頂建模及優(yōu)化[J].測繪通報，2016(3)：98-102.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0097.