紅樓夢(mèng)大觀園虛擬場(chǎng)景建模與展示

李恒凱，戴丹寧，魏聰

(1.贛南客家文化數(shù)字化研究院，江西 贛州 341000； 2.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

1 引 言

《紅樓夢(mèng)》是中國(guó)文化歷史長(zhǎng)河中一個(gè)時(shí)代的重要代表，文中大觀園山水合一的園林構(gòu)造與錯(cuò)落有致、構(gòu)造精巧的亭臺(tái)樓閣，包含著時(shí)代的社會(huì)風(fēng)貌和人文氣息，各具特色的建筑尤其成為一個(gè)時(shí)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人民審美的展現(xiàn)[1]。伴隨三維技術(shù)的快速發(fā)展，利用數(shù)字化方法對(duì)歷史文化精粹和大觀園這類(lèi)古典建筑結(jié)晶進(jìn)行記錄和保存成為研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外已有諸多探索[2～4]。如李春曉基于Unity3D平臺(tái)，采用3ds Max建模工具，開(kāi)發(fā)了虛擬農(nóng)耕場(chǎng)景智能展示平臺(tái)[2]；劉箴利用3ds Max軟件與VRML語(yǔ)言構(gòu)建了河姆渡遺址博物館虛擬展示系統(tǒng)[3]；Zhang等利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了北宋皇家園林的虛擬景觀[4]。傳統(tǒng)的基于幾何的建模與繪制方法，主是通過(guò)手工建立精細(xì)的三維模型，如3ds Max的建模技術(shù)，雖然在精細(xì)度上已經(jīng)達(dá)到了非常好的效果，但其建模往往針對(duì)特定模型，不能進(jìn)行大批量重復(fù)、高效利用，并且需要較長(zhǎng)的建模周期，由于是固定的靜態(tài)展示模型，后期的維護(hù)和調(diào)整修改也存在一定的局限性[5，6]。為解決大批量快速建模問(wèn)題，基于CityEngine的CGA語(yǔ)言創(chuàng)建三維模型規(guī)則，實(shí)現(xiàn)批量模型構(gòu)建，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[7～10]，并已在文化保護(hù)和傳承方面得到初步應(yīng)用，顯示出一定應(yīng)用前景[11～13]。

興建于20世紀(jì)的大觀園主題公園，使大觀園從空中樓閣真正成為人間勝景[14]。但從忠實(shí)名著的角度，仍有遺憾，上海大觀園雖經(jīng)挖填，但它的水系還是不太符合原著意蘊(yùn)，場(chǎng)景、建筑布局多與書(shū)中所述呈現(xiàn)較大偏離；北京大觀園周長(zhǎng)雖然也有三里半，與書(shū)中大觀園面積相當(dāng)，但山形水系遠(yuǎn)不如書(shū)中豐富，建筑分布也顯逼仄。本文在原著基礎(chǔ)上，融合CityEnging、3ds Max、CAD建模優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建面向大觀園場(chǎng)景的快速、精細(xì)、可定制的建模方法。并采用GIS和Unity 3D技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的虛擬展示，通過(guò)第一視角來(lái)展現(xiàn)人們心目中的大觀園。該研究對(duì)于《紅樓夢(mèng)》的數(shù)字化保護(hù)與文化推廣以及大觀園古典建筑的展示與傳承，具有重要實(shí)用價(jià)值及意義。

2 大觀園三維場(chǎng)景建模

通過(guò)將多種建模方式融合，取其優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，其中主要是City Engine的CGA建模技術(shù)以及3ds Max、CAD的三維建模技術(shù)，針對(duì)大觀園進(jìn)行三維模型建立與展示，實(shí)現(xiàn)批量建模與精細(xì)建模的融合，在保證觀賞價(jià)值的前提下，縮短建模時(shí)間，提高建模效率，并達(dá)到模型可定制的目的。對(duì)書(shū)中特色建筑、山水地形、花草樹(shù)木、庭院、廊橋及楹聯(lián)匾額等精巧布設(shè)，進(jìn)行更符合作品和人們心中“大觀園”的虛擬展現(xiàn)。

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

在一般的三維場(chǎng)景構(gòu)建中，需要通過(guò)各種實(shí)地測(cè)量或者影像數(shù)據(jù)的方式來(lái)獲取地圖數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型，并對(duì)其進(jìn)行矢量化操作，獲得shapefile文件作為導(dǎo)入CityEngine中建立三維模型的地形基礎(chǔ)。但因?yàn)楸疚乃芯繉?duì)象是文學(xué)名著的虛構(gòu)場(chǎng)景，所以無(wú)法通過(guò)測(cè)量、影像等常規(guī)方式獲取數(shù)據(jù)，也無(wú)法直接獲取DEM地形數(shù)據(jù)進(jìn)行地形的建立。通過(guò)對(duì)其原著文本內(nèi)容的研究，結(jié)合其對(duì)大觀園園林建筑和精巧布局的描繪以及關(guān)于紅樓夢(mèng)建筑文化和園林文化的研究資料[1，15～17]，最終確定參考布局底圖，如圖1所示，并以shapefile文件保存，作為整個(gè)大觀園的建立和后期虛擬展示模型位置依據(jù)。

圖1 參考布局底圖

另外，為了使模型更為逼真和具有觀賞價(jià)值，通過(guò)對(duì)其書(shū)中故事所處年代的古建筑外觀分析和總結(jié)搜集網(wǎng)絡(luò)的紋理素材，并且使用Photoshop進(jìn)行圖片處理，盡量保證貼圖的紋理有清晰、貼合實(shí)際的透視光照等效果。

2.2 模型構(gòu)建流程與方式

2.2.1 建模流程

在地形構(gòu)建之后，將場(chǎng)景建模分為建筑構(gòu)造和細(xì)節(jié)構(gòu)造兩個(gè)部分，其中建筑構(gòu)造包括主要的合圍式院落和其他的水榭、亭橋、溪館等；細(xì)節(jié)構(gòu)造包括門(mén)、窗、屋頂、道路等補(bǔ)充方面，如圖2所示。

圖2三維建模流程圖

2.2.2 建模方式

(1)地形構(gòu)建與發(fā)布

將獲取的平面地圖作為參照，繪制等高線(xiàn)矢量圖，依據(jù)著作文本添加合適的高程屬性，并在生成地形三維模型的過(guò)程中對(duì)高程數(shù)據(jù)的安排和分布不斷調(diào)整，生成DEM模型，構(gòu)建出虛構(gòu)的大觀園地形。并通過(guò)ArcCatalog鏈接服務(wù)器，將地形數(shù)據(jù)上傳到后期將要與虛擬展示一同發(fā)布的平臺(tái)中。

(2)單獨(dú)院落構(gòu)架構(gòu)建建模

選擇從整體到局部對(duì)大觀園的建筑進(jìn)行剖析，雖然在書(shū)本的描寫(xiě)中，各個(gè)建筑之間各有特色，而且樣式多變，但就總體框架來(lái)說(shuō)，所有的建筑主體均可以憑借大致相同的構(gòu)架方式，也就是分面和分塊建模。其所有建筑均由地基、廊道、門(mén)前柱子、主體墻體、房頂?shù)炔糠謽?gòu)成，如圖3所示。因?yàn)橐?guī)則建模的方式是切分越多就越精細(xì)和復(fù)雜，一般情況下編碼規(guī)則也會(huì)越復(fù)雜，以一塊shapefile文件為基礎(chǔ)，以同一方式切分拉伸，構(gòu)造出主體構(gòu)架的短代碼，在之后建模中針對(duì)典型的模型，可直接調(diào)用。而后再單獨(dú)依照各個(gè)院落的參考圖進(jìn)行其他比例調(diào)整，添加門(mén)窗代碼替代實(shí)體塊的細(xì)節(jié)等工作，從而實(shí)現(xiàn)模型定制。

圖3 院落構(gòu)架構(gòu)建建模示例

(3)室內(nèi)模型構(gòu)架構(gòu)建

為了保證室內(nèi)構(gòu)架的整體性，將整塊的shapefile作為放置規(guī)則的基礎(chǔ)，結(jié)合各大觀園資料，將房間分為兩類(lèi)，第一類(lèi)整體劃分為五個(gè)部分，作為省親別墅的主要構(gòu)造，第二類(lèi)分割成為三個(gè)部分，作為其他院落的主屋，并且用最簡(jiǎn)單的split函數(shù)，將房間地面參照物品擺設(shè)分塊，且分別以規(guī)則建模和3D模型外部替代兩種方式來(lái)制作，如圖4所示。

圖4室內(nèi)模型構(gòu)架構(gòu)建示例

(4)模型細(xì)節(jié)和外部模型部件添加

①細(xì)節(jié)添加實(shí)現(xiàn)多樣式可切換。為了能夠更好地達(dá)到重復(fù)利用，快速調(diào)整可視化效果，將整個(gè)院落的其他部件及場(chǎng)景內(nèi)零碎小模型分為另一塊建模內(nèi)容，進(jìn)行分批分組構(gòu)建。如多種類(lèi)型的門(mén)窗、雕花、屋頂?shù)龋€包括花卉樹(shù)木等較為有個(gè)性化需求的3D外部模型，從而提高各個(gè)建筑物添加門(mén)窗屋頂?shù)炔考r(shí)的效率以及可根據(jù)需要選擇切換不同樣式的屋頂門(mén)窗，如表1所示，構(gòu)建的不同屋頂樣式如圖5所示。

細(xì)節(jié)構(gòu)造樣式表 表1

圖5歇山頂、四坡頂、雙坡頂、十字脊式屋頂

②外部輔助模型充實(shí)場(chǎng)景。盡可能完整還原虛擬場(chǎng)景也是本研究的重要目的之一，在整個(gè)的大觀園園林建筑中，植物、室內(nèi)擺件、床榻、牌坊、橋梁、雕花等極其具有特色，能夠展現(xiàn)出園林藝術(shù)和文化，但又非常難以以CityEngine代碼方式構(gòu)造模型，選擇使用3ds Max、CAD作為精細(xì)建模的工具，對(duì)于CityEngine的不足進(jìn)行補(bǔ)充和構(gòu)造模型更加細(xì)節(jié)化，使建筑更加古典和美觀。

(5)場(chǎng)景風(fēng)格統(tǒng)一調(diào)整

為了達(dá)到整個(gè)三維場(chǎng)景風(fēng)格樣式的統(tǒng)一，后期調(diào)整是必不可少的一部分，尤其是在貼圖、色彩等方面，通過(guò)利用Photoshop來(lái)處理貼圖素材，綜合各建筑的特色和必要的色調(diào)調(diào)整等方面，在前期預(yù)留的可切換代碼中，對(duì)一部分如墻面進(jìn)行統(tǒng)一的貼圖補(bǔ)充工作。如屋頂、墻面等以貼圖代替細(xì)節(jié)紋理的主要部分。

3 多維展示平臺(tái)構(gòu)建

3.1 虛擬展示技術(shù)

隨著三維建模、三維激光掃描等數(shù)字化手段的發(fā)展，催生了一個(gè)文化遺址數(shù)字化的研究熱潮[13]。國(guó)內(nèi)也已經(jīng)成功進(jìn)行了幾個(gè)文化遺址虛擬展示項(xiàng)目，如“敦煌藝術(shù)數(shù)字保護(hù)與虛擬旅游”、“虛擬三維紫禁城”等。但這些需要特定設(shè)備的大型展示項(xiàng)目，在一定的地點(diǎn)和條件下才能讓觀賞者切實(shí)地去欣賞和游覽。而且這些項(xiàng)目多著重于大型現(xiàn)存文化古跡的展現(xiàn)，其中并未有一個(gè)針對(duì)中國(guó)古典園林，例如紅樓夢(mèng)中大觀園這樣蘊(yùn)含豐富文化的園林建筑的建模與虛擬平臺(tái)構(gòu)建方式。在本文的整個(gè)場(chǎng)景構(gòu)建與展示中，除了建模的任務(wù)之外，更重要的就是為這些模型搭建一個(gè)真正能實(shí)現(xiàn)其展示價(jià)值的平臺(tái)。

3.2 多維展示平臺(tái)設(shè)計(jì)

大觀園虛擬展示平臺(tái)選擇使用ArcGIS Online及Unity 3D平臺(tái)，結(jié)合CityEngine、3ds Max等3D建模軟件，利用ArcGIS API for JavaScript、HTML進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，最終形成一個(gè)基于B/S架構(gòu)的大觀園虛擬展示平臺(tái)。

首先，利用收集到的數(shù)據(jù)結(jié)合CityEngine、3Ds Max、CAD進(jìn)行高精度三維場(chǎng)景建模，結(jié)合原著文本描述及文獻(xiàn)資料，構(gòu)建大觀園的DEM、DOM及shapefile數(shù)據(jù)，并將構(gòu)建完成的三維場(chǎng)景打包成SPK格式包，以要素服務(wù)和場(chǎng)景服務(wù)形式一起發(fā)布到ArcGIS Online平臺(tái)，然后使用IIS本地服務(wù)器作為系統(tǒng)服務(wù)器，利用Html、css和ArcGIS API for JavaScript進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)。

在利用三維建模軟件構(gòu)造場(chǎng)景模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)多方面資料的收集和分析，對(duì)展示平臺(tái)設(shè)計(jì)了圖6所示功能，其中包括：三維場(chǎng)景的展示，如：大觀園之四季風(fēng)景，經(jīng)典場(chǎng)景虛擬再現(xiàn)、定制場(chǎng)景、系統(tǒng)全景場(chǎng)景展示等；三維場(chǎng)景的操作，如：模型定位查詢(xún)、模型信息查看、瀏覽路線(xiàn)定制、放大、縮小、定位、場(chǎng)景顯示與隱藏、鍵盤(pán)控制模型微動(dòng)以及添加落花、模擬一天日照效果的場(chǎng)景美化等；包括結(jié)合文學(xué)名著的導(dǎo)讀功能，在人機(jī)交互方面，如：以第一視角漫游大觀園、角色代入體驗(yàn)大觀園生活、趣味答題、語(yǔ)音講解、影音播放、用戶(hù)自定義界面等；在分析方面，如：人物活動(dòng)時(shí)空分析、模型剖析、大觀園變遷、路線(xiàn)分析等；還有圖片欄展示、大觀園店鋪的功能拓展。

圖6大觀園智能展示平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖

3.3 平臺(tái)搭建流程

虛擬展示平臺(tái)搭建流程包括：①場(chǎng)景的引入。使用Esri提供的在線(xiàn)引用，將3D地圖導(dǎo)入系統(tǒng)中，再通過(guò)ID調(diào)用ArcGIS Online中的場(chǎng)景，初步實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的引入。為之后的功能實(shí)現(xiàn)打下基石；②場(chǎng)景的操作。通過(guò)使用ArcGIS API for JavaScript，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景中模型的操作，在dojo的require中引入相應(yīng)模塊或微件，完成各種需求功能。通過(guò)引入Search、LayerList、on等，可以對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行地點(diǎn)查詢(xún)、模型的微動(dòng)和模型顯示與隱藏；③系統(tǒng)分析。利用css及JavaScript和第三方API實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分析功能，通過(guò)編寫(xiě)JavaScript、css文件完成模型剖析、大觀園變遷等功能，再結(jié)合第三方API，導(dǎo)入路線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)人物時(shí)空分析、路線(xiàn)分析功能；④人機(jī)交互。在系統(tǒng)中，通過(guò)設(shè)置一些人機(jī)互動(dòng)功能，便于提高用戶(hù)使用舒適度、系統(tǒng)趣味性以及文化性，幫助用戶(hù)對(duì)大觀園有更多的了解，如以第一視角瀏覽大觀園，通過(guò)用戶(hù)親身經(jīng)歷可以更快了解大觀園；⑤功能拓展。通過(guò)一些功能拓展讓用戶(hù)更快了解場(chǎng)景，也能完善系統(tǒng)的一些不足。

4 模型構(gòu)建與平臺(tái)搭建的實(shí)現(xiàn)

4.1 模型構(gòu)建實(shí)現(xiàn)

對(duì)于在整個(gè)場(chǎng)景中作為主角的建筑物，首先是主體建模，基于CityEngine的CGA規(guī)則，采用把地塊拉伸至地基高度，通過(guò)comp分離函數(shù)對(duì)建筑物墻面進(jìn)行分離處理，再利用split分割函數(shù)對(duì)各個(gè)面進(jìn)行分塊。而后對(duì)于不同墻面分別對(duì)其進(jìn)行不同操作。對(duì)于分離出來(lái)的Top面，利用split函數(shù)對(duì)其進(jìn)行二次拉伸，形成建筑物面，再使用comp分離函數(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行分面處理。結(jié)合多次split分割函數(shù)的使用，完成墻面窗花，門(mén)這些部件實(shí)體塊的構(gòu)建。CGA規(guī)則代碼的優(yōu)勢(shì)在于易于修改調(diào)整。利用這一特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)墻面高度、屋頂坡度、樣式切換等基于參數(shù)的靈活修改。以下為地基拉伸規(guī)則：

Lot-->bottom

bottom-->

extrude(bottom_height)bottom_top

bottom_top-->

comp(f){top：Top|front：Front_1|all：wall_1}

Front_1-->

split(x){～1：wall_1|～0.8：stair_1|～1：wall_1}

此處關(guān)于門(mén)、窗、就如屋頂?shù)男巾敗⑺拿嫘逼马?、雙坡頂、十字脊式頂有這四種主要的屋頂，這類(lèi)多種樣式需求的部件模型，采用多樣式可切換的形式來(lái)進(jìn)行建模，對(duì)于屋頂，采用CityEngine的roofGable屋頂樣式。提前為其批量構(gòu)造，在之后使用中提高建模速度。其中一種實(shí)現(xiàn)方法如下：

Roof_1-->

roofHip(roofAngleHip，overHang)

split(y){'0.5：comp(f){bottom：NIL| horizontal：RoofGable|all：FlatRoof_Tex} }

RoofGable-->

roofGable(roofAngleGable)

comp(f){bottom：NIL|aslant：wubian| side：RoofSide}

3ds Max作為傳統(tǒng)的建模方式，在如沁芳橋這一代表建筑建模過(guò)程中，為了凸顯某些細(xì)節(jié)處的特點(diǎn)或者CGA難以勝任的如球體、花紋細(xì)節(jié)等建模任務(wù)，會(huì)結(jié)合資料尋找圖片在3ds Max、CAD中以直接描圖繪制拉伸出實(shí)體，或者以其現(xiàn)有的模型選擇拼接的方式完成，使其展現(xiàn)方式更為完善，建模效果如圖7所示。

圖7 大觀園三維鳥(niǎo)瞰圖

4.2 平臺(tái)搭建實(shí)現(xiàn)

利用Esri提供的ArcGIS API for JavaScript庫(kù)，調(diào)用其中的"esri/layers/FeatureLayer"模塊，添加要素層。通過(guò)設(shè)置信息的表達(dá)方式，以彈窗的形式表達(dá)信息。設(shè)置彈窗的標(biāo)題(title)和內(nèi)容(content)。添加要素層，利用URL將arcgisonline的要素層引用到系統(tǒng)中，配置彈窗為設(shè)置定義彈窗。以下為彈窗實(shí)現(xiàn)：

var featureLayer = new FeatureLayer({

url："http：//trail.arcgisonline.cn/arcgis/rest/services/Hosted/shsiliangtu/FeatureServer/0"，

outFields：["*"]，

popupTemplate：popupTemplate

})；

scene.add(featureLayer)；

使用whenLayerView()獲取要素層的圖層視圖，圖層視圖可用后，在層視圖的更新屬性上設(shè)置一個(gè)手表。在執(zhí)行查詢(xún)之前，必須等待所有功能在視圖中完成更新。訪問(wèn)可用于圖層視圖的圖形，創(chuàng)建列表，創(chuàng)建列表后，監(jiān)聽(tīng)每個(gè)列表節(jié)點(diǎn)上的點(diǎn)擊事件，并在點(diǎn)擊相應(yīng)節(jié)點(diǎn)時(shí)在該功能的位置打開(kāi)彈出窗口。將產(chǎn)生的彈出窗口顯示多邊形的中心，內(nèi)容和標(biāo)題從features參數(shù)填充。最后在body中設(shè)置列表位置，使用css設(shè)置列表樣式。系統(tǒng)部分功能實(shí)現(xiàn)效果如圖8、圖9所示。

圖9 第一視角游覽界面

5 總 結(jié)

本研究綜合運(yùn)用多種軟件的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了面向文學(xué)作品場(chǎng)景與古典園林的建模框架展示平臺(tái)。在三維場(chǎng)景的構(gòu)建方面，針對(duì)大觀園特點(diǎn)，利用CityEngine快速高效的規(guī)則建模方式大批量生成基礎(chǔ)模型，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)代碼和模型的重復(fù)利用，縮短建模時(shí)間，也可以實(shí)現(xiàn)模型的個(gè)性化快速定制。另外，傳統(tǒng)建模軟件3ds Max的精細(xì)建模技術(shù)是對(duì)CityEngine粗糙建模方式很好的補(bǔ)充與豐富，使構(gòu)建的三維場(chǎng)景更好地展現(xiàn)出書(shū)中所描寫(xiě)的建筑特色和園林特色，提高了模型的觀賞價(jià)值；在虛擬展示方面，利用ArcGIS API for JavaScript、Html進(jìn)行開(kāi)發(fā)，最終形成一個(gè)基于B/S架構(gòu)的大觀園虛擬展示平臺(tái)，較好地實(shí)現(xiàn)了文學(xué)作品與三維場(chǎng)景的結(jié)合，使文學(xué)作品嵌入到模型中，增強(qiáng)了文學(xué)作品的趣味性，促進(jìn)了文學(xué)作品的數(shù)字化保護(hù)，對(duì)于文化的傳承和推廣，是一種有效的創(chuàng)新手段。