CGA參數(shù)化快速建模的研究與實現(xiàn)
——以雨母山古寺廟建筑群為例

龔 雨，劉 媛，王 亮，雷 泳

(1. 湖南省第一測繪院，湖南 衡陽 421001； 2. 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； 3. 中國測繪科學(xué)研究院，北京 100039)

CGA參數(shù)化快速建模的研究與實現(xiàn)
——以雨母山古寺廟建筑群為例

龔 雨1,2，劉 媛2，王 亮3，雷 泳2

(1. 湖南省第一測繪院，湖南 衡陽 421001； 2. 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； 3. 中國測繪科學(xué)研究院，北京 100039)

參數(shù)化建模是通過屬性參數(shù)進行實時、動態(tài)、快速三維建模的新方法。本文基于CityEngine的CGA參數(shù)化建模技術(shù)，結(jié)合地理設(shè)計的框架，并與Sketch Up、3ds Max建模軟件實現(xiàn)了模型共享，完成了衡陽市雨母山古寺廟建筑群的三維精細(xì)模型的集中展示，對古建筑文化基因進行了較為友好的三維詮釋。通過拓展已有參數(shù)化規(guī)則，創(chuàng)建了符合中國古建筑群三維建模的規(guī)則模板，集中展示了各式各樣特色造型與樣式，拓寬了三維建模技術(shù)的應(yīng)用范圍，為古寺廟建筑群三維基因圖譜的構(gòu)建和虛擬旅游規(guī)劃設(shè)計提供了詳細(xì)系統(tǒng)方案與新的理念。

CityEngine ；CGA參數(shù)化建模；古寺廟建筑群；地理設(shè)計；LOD

古建筑是古代勞動人民的偉大創(chuàng)作和智慧結(jié)晶，是研究古代歷史、文化和科學(xué)發(fā)展的珍貴資料，因此對古建筑三維建模技術(shù)的研究具有重要意義[1]。采用傳統(tǒng)三維建模方式構(gòu)建古建筑三維精細(xì)模型，需要花費大量精力設(shè)計建筑外表面、調(diào)整貼圖，模型數(shù)據(jù)量龐大，建模周期長，更新效率低，且不能三維網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)。雖然后期前沿開展三維激光點云的快速構(gòu)建，但是相對于復(fù)雜的古建筑而言，許多技術(shù)難關(guān)還有待攻破，成本上費用不菲[2-3]。而基于CityEngine平臺的CGA參數(shù)化建模新技術(shù)，可實現(xiàn)建筑物的快速高效建模，可通過屬性參數(shù)動態(tài)地渲染、調(diào)整模型的形態(tài)特征，在復(fù)用性、建模效率、模型實時顯示和渲染方面，具有無可爭議的領(lǐng)先地位[4-8]。對于CityEngine的CGA參數(shù)化設(shè)計，目前的研究均為簡單建筑或道路的建模方面，未涉及有效的三維古建筑景觀基因[9]的表達與管理，以及組織框架構(gòu)建復(fù)雜的古建筑精模。本文將進行系統(tǒng)性的模塊化組建古建筑群，著重對雨母山的古寺廟建筑群進行試驗研究，對復(fù)雜的古建筑物模型表達給出簡化性的設(shè)計思路，為衡陽市雨母山古寺廟建筑群三維交互精細(xì)模型的集中展示，并結(jié)合景觀文化基因拓展構(gòu)建古代商業(yè)風(fēng)情街，有效管理數(shù)據(jù)容量和分層顯示。

1 雨母山古寺廟建筑群特征分析

雨母山位于湖南省衡陽市雨母山鄉(xiāng)境內(nèi)，系南岳山脈之首，除了具有優(yōu)越的地理位置和怡人的自然景觀外，還孕育了千百年來鐘靈毓秀的人文奇功，承載了悠久的中華文明[10]。雨母山的人文景觀體現(xiàn)在3大古寺廟建筑群上,見表1。圖1和圖2是基于CGA參數(shù)化快速建模后應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)共享WebGL的旅游GIS服務(wù)。

表1 三大建筑群體系基本架構(gòu)

圖1 帝嚳寺與雁雨寺

圖2 赤松觀

2 雨母山古寺廟群參數(shù)化交互建模的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 研究區(qū)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

對佛教與道教古寺廟建筑群的前期調(diào)研與資料收集主要有以下的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作：

(1) 雨母山基礎(chǔ)三維場景數(shù)據(jù)，包括平臺自帶的天空盒、地表影像和DEM數(shù)據(jù)。DEM地形與影像可以借助測繪與遙感數(shù)據(jù)獲取。

(2) 基礎(chǔ)二維矢量數(shù)據(jù)，通過前期采集的二維矢量數(shù)據(jù)，構(gòu)建基礎(chǔ)的空間布局，包括點、線、面等樹、道路、房屋或河流的位置與形狀，最終通過規(guī)則參數(shù)化實現(xiàn)二三維一體化交互建模。

(3) 精細(xì)二三維模型，用于LOD管理三維景觀的精細(xì)與簡化顯示，主要包括精細(xì)二維模型貼圖和精細(xì)三維景觀基因單體。兩者需要借助PS與相關(guān)的第3方三維構(gòu)模軟件(如SketchUp、3ds Max)構(gòu)建佛教、道教古寺廟復(fù)雜單體，如斗拱、燈籠、弧形門拱、石鼓、石雕、鏤空花窗等。

2.2 雨母山古寺廟群參數(shù)化建模設(shè)計與實現(xiàn)

古代建筑通常采用樺卯交接的方式組成成千上萬個構(gòu)件，還常有很多種獸形飾件，這都加大了古建筑三維重建的難度[1]。雨母山古寺廟群參數(shù)化交互式建模主要分為道路、山脈、水體、建筑4大類，其中前三者交互建模相對較為容易，無論從規(guī)模還是模型組件，都不及古建筑復(fù)雜。因此本文基于CityEngine對古建筑群進行規(guī)則參數(shù)化交互建模。該方法不僅使用二維圖層屬性來管理每個建筑實體單元，同時還利用CGA規(guī)則參數(shù)化設(shè)計模型統(tǒng)一外框骨架，以及配備管理精細(xì)與粗糙模型LOD管理，使得構(gòu)建更加靈活多變，可以實時調(diào)整，快速變換，批量修改。

通過對古寺廟模型結(jié)構(gòu)的研究，將古寺廟群建筑群劃分為亭子、山門及房屋3大類。亭子相對小而集中，一般可劃分為階梯、屋頂、護欄、柱子4個部分；山門則更為簡潔，主要由階梯、屋頂、柱子和門臉構(gòu)建。由于前兩者都可通過房屋簡化構(gòu)建，因此結(jié)合房屋景觀基因(見表2)可實現(xiàn)每個基因要素的通用建模規(guī)則庫文件。該參數(shù)化交互主要協(xié)同在樣式框架、紋理、裝飾上進行優(yōu)化，統(tǒng)籌管理，使得房屋能夠支持各種寺廟建筑多樣化變更。

表2 房屋主要景觀基因表

本次雨母山古寺廟群三維建模中的房屋主要從階梯、屋頂、山墻、屋身4個方面來展現(xiàn)。并且通過參數(shù)化管理，靈活地將亭子、山門、房屋友好地交互實現(xiàn)(參見圖3)。其中，圖3(b)是編寫規(guī)則代碼設(shè)定參數(shù)后，人機可交互修改的條件，并靈活地變動亭子和房屋的效果。

圖3 一組參數(shù)化變更快速構(gòu)建古建筑模型

2.2.1 階 梯

本文階梯主要根據(jù)排列結(jié)構(gòu)來分類，構(gòu)建一個通用參數(shù)化管理階梯的規(guī)則。從位置上區(qū)分兩類管理：前后階梯與兩側(cè)階梯；從樣式上分為單段(普通階梯)、三段(兩側(cè)滑坡面階梯、兩側(cè)帶護欄階梯)、五段(中間滑坡面兩側(cè)帶護欄階梯)及旋轉(zhuǎn)階梯(古代直角轉(zhuǎn)彎的宅院)；階梯的寬度、高度、層數(shù)可根據(jù)實際情況參數(shù)化靈活變更。該結(jié)構(gòu)不僅滿足古代祭祀石雕御道階梯和花雕護欄綜合表達，也可間接變更為現(xiàn)代樓梯和電梯的表達形式。階梯的參數(shù)化建模主要體現(xiàn)在結(jié)合迭代函數(shù)循環(huán)增量矩形，該矩形可以借助矩形函數(shù)和拉伸函數(shù)來生成，階梯數(shù)量與傾斜關(guān)系一一對應(yīng)，兩側(cè)斜坡可以利用臺函數(shù)實現(xiàn)，同時精細(xì)的石雕和護欄可以友好地參數(shù)化替換模型。

2.2.2 屋 頂

在雨母山古寺廟群中出現(xiàn)的屋頂主要呈現(xiàn)為簡單雙坡頂、單檐歇山頂、重檐歇山頂。參數(shù)化主要是樣式的管理與部分精細(xì)零部件的管理，其中重要建筑的屋頂大都以斗拱挑出檐口，在屋檐轉(zhuǎn)角處形成翼角起翹，屋檐處的剪邊增添屋面的色彩，屋頂兩側(cè)有山花，山花上以懸魚略加裝飾，正脊的頂部有寶頂，正脊有吻獸或望獸，垂脊有垂獸，戧脊有仙人走獸和戧獸。實現(xiàn)核心是借助平臺自帶的屋頂樣式，進行切割與拆分優(yōu)化，生成古代歇山頂樣式并確定屋檐邊沿各類雕花位置。局部精細(xì)裝飾采用LOD管理精細(xì)模型與簡單面片的切換。

2.2.3 屋 身

屋身不僅擁有邊緣結(jié)構(gòu)柱子與護欄，還有門臉、山墻等。其參數(shù)化建模主要表現(xiàn)在：柱子管理和護欄的表達都具有樣式和方位的可調(diào)性，滿足5種以上的交互響應(yīng)，同時模型可精可粗；樓層中樓高與樓層數(shù)量可根據(jù)情況自動調(diào)節(jié)；門臉可調(diào)節(jié)5種以上的樣式，并對應(yīng)調(diào)節(jié)墻體紋理；山墻形態(tài)主要劃分為簡單馬頭墻、半邊馬頭墻、帶門洞馬頭墻、雙拱形山墻等，變異的馬頭墻存在多檐變化的特征，區(qū)分為一階、三階。核心建模思路是：將地塊抬升至地基高度，選取地基頂部，復(fù)制3個地基頂部，分別做柱子地面、護欄地面及樓層墻面；護欄通過偏移函數(shù)實現(xiàn)內(nèi)部縮進，提取周邊，再通過切分規(guī)律，實現(xiàn)前后開口、環(huán)繞等樣式調(diào)整；柱子均勻切割格網(wǎng)找尋柱子擺放規(guī)律，設(shè)定參數(shù)管理前后柱子、四周柱子、中間柱子等樣式調(diào)整；門臉主要切割垂直與水平的開孔數(shù)量，設(shè)置對應(yīng)的牌匾方位等參數(shù)；山墻通過迭代方式管理階層，借助參數(shù)管理高度、寬度、層數(shù)、形態(tài)，以及內(nèi)部景觀基因要素的LOD管理。

3 結(jié) 語

本文在CityEngine平臺下，對雨母山古寺廟建筑群開展了一系列CGA參數(shù)化快速建模方法研究。通過設(shè)計一種通用參數(shù)化的三維建模方法，打破了以往復(fù)雜古建筑群三維模型設(shè)計理念，同時也提升了CityEngine的適用范圍，并創(chuàng)新提出了古建模方法。通過編寫分類參數(shù)、合理調(diào)用分類函數(shù)，創(chuàng)建了一套符合中國古建筑三維建模的規(guī)則模板。這類方法的參數(shù)化不僅適用于開發(fā)的建模人員，而且對于中間層用戶而言，可以傻瓜式地通過交互參數(shù)友好地調(diào)整模型類型、樣式、紋理等。本文還提供了LOD管理，主要是可以針對某一類景觀基因要素友好替換精細(xì)模型或粗模，并能實時更新查看，并快速批量建模。應(yīng)用此類方法不僅構(gòu)建了雨母山的佛、道教文化，還拓展重復(fù)利用規(guī)則快速構(gòu)建了規(guī)劃中的古代商業(yè)風(fēng)情街(如圖4所示)。

圖4 古代商業(yè)區(qū)參數(shù)化快速建模

[1] 王茹.古建筑數(shù)字化及三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：西北大學(xué)，2010：391-494.

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Research and Implementation of CGA-based Parametric Fast Modeling——Taking Ancient Temples in the Yu-mu Mountain as an Example

GONG Yu1,2,LIU Yuan2,WANG Liang3，LEI Yong2

(1. The First Surveying and Mapping Institute of Hunan Province, Hengyang 421001,China; 2. Cooperative Innovation Center for Digitalization of Cultural Heritage in Traditional Villages and Towns, Hengyang 421002,China； 3. Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing 100039,China)

Parametric modeling is a new method of real-time, dynamic fast 3D modeling using property parameters. This paper shows 3D refined models of complex ancient temples in Yumu Mountain. It is more friendly three-dimensional interpretation of ancient culture. This is based on CityEngine parametric modeling technology, combined with the geographical framework design and SketchUp, 3ds Max modeling software model sharing. By extending the existing model rules, we create a rule template in line with China’s ancient architectural complex three dimensional modeling. It not only focuses on various characteristic modelling and style but also broads the application scope of 3D modeling technology. It provides system solutions and new ideas in detail for the construction of 3D genetic map of the complex ancient temple and virtual tourism planning and design.

CityEngine; CGA parametric modeling; ancient temples; geographical design; LOD

龔雨，劉媛，王亮，等.CGA參數(shù)化快速建模的研究與實現(xiàn)——以雨母山古寺廟建筑群為例[J].測繪通報，2017(4)：112-115.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0133.

2016-08-10

“傳統(tǒng)數(shù)字化保護技術(shù)”湖南省工程實驗室開發(fā)基金(CT14K10)；國家自然科學(xué)基金(41471118)；湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金(14K014)

龔 雨(1984—)，男，土家族，碩士，研究方向為測繪與GIS三維可視化。E-mail: qqnvshen@126.com

劉 媛

P208

A

0494-0911(2017)04-0112-04