基于BIM技術(shù)的少數(shù)民族建筑數(shù)字化保護(hù)

于宗琳　胡文源　張瑩蕾　李亞蘋

摘要：針對(duì)少數(shù)民族傳統(tǒng)文化遺產(chǎn)的流失問題，采用3ds Max、Revit與Fuzor的結(jié)合來設(shè)計(jì)和制作其傳統(tǒng)建筑虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字平臺(tái)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以珞巴族傳統(tǒng)建筑為載體，在其中嵌入珞巴族非物質(zhì)文化，運(yùn)用Fuzor軟件對(duì)珞巴族建筑文化進(jìn)行高仿真模擬。本次項(xiàng)目通過Fuzor技術(shù)在珞巴族建筑與文化的數(shù)字信息化保護(hù)平臺(tái)系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用研究，使人們身臨其境地體會(huì)到珞巴族的傳統(tǒng)民族文化，璀耀族建，悠漫風(fēng)情。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化保護(hù);BIM建模;虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)：TU201.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）05-0059-03

0 引言

隨著城市化和城鄉(xiāng)一體化的進(jìn)程，少數(shù)民族文化和建筑已經(jīng)逐漸消失殆盡，因此對(duì)我國少數(shù)民族建筑的保護(hù)已經(jīng)迫在眉睫。而珞巴族作為我國現(xiàn)存少數(shù)民族人口最少的民族，其文化和具有其民族特色的建筑對(duì)我國文化多樣性有著重要的參考價(jià)值和文化價(jià)值，因此對(duì)珞巴族建筑和文化遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)至關(guān)重要。在國外有關(guān)于文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)項(xiàng)目的有：美國的“IBM數(shù)字圖書館計(jì)劃”，法國國家圖書館“加利卡”項(xiàng)目，以及日本“貴重圖書圖像數(shù)據(jù)庫”等，他們都是將之前存留的書籍、音樂、圖像、手稿等全部經(jīng)過編輯實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，并提供數(shù)據(jù)的索引和查詢等功能。在國內(nèi)，北京首都圖書館“北京記憶”，北京故宮博物院的“數(shù)字故宮”，敦煌研究院利用虛擬漫游和VR技術(shù)出品的“數(shù)字敦煌”。它們也是利用掃描、識(shí)別、壓縮和轉(zhuǎn)化等技術(shù)對(duì)多種來源的技術(shù)進(jìn)行數(shù)字加工，實(shí)現(xiàn)將靜態(tài)圖像、文本等信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信息進(jìn)行保存。

本項(xiàng)目通過3ds Max和Revit建模技術(shù)對(duì)珞巴族建筑進(jìn)行數(shù)字化建模，并將含有參數(shù)信息和幾何信息的數(shù)字化模型導(dǎo)入Fuzor，利用Fuzor的動(dòng)態(tài)物理渲染效果、無障礙設(shè)計(jì)、照明調(diào)整和碰撞管理等技術(shù)對(duì)模型和場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，然后利用基于Fuzor的VR的交互功能，通過VR設(shè)備對(duì)珞巴族傳統(tǒng)建筑及信息進(jìn)行虛擬場(chǎng)景展示，具體流程如圖1所示。

1 從建模角度對(duì)珞巴族地形地貌及建筑特點(diǎn)進(jìn)行分析

珞巴族地理環(huán)境較為復(fù)雜，且建筑制作較為困難?，F(xiàn)通過對(duì)珞巴族地理環(huán)境和建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，利用3ds Max軟件的地形插件制作珞巴族地形及效果模型，Revit軟件建立珞巴族建筑參數(shù)化模型，達(dá)到場(chǎng)景的高真實(shí)度還原。

1.1 對(duì)珞巴族地形特點(diǎn)的分析

珞巴族聚居的珞渝地區(qū)，位于喜馬拉雅山南麓、北緯27度至30度之間的低緯度地區(qū)，山高林密，雪峰連綿，層巒疊嶂，河流眾多，雅魯藏布江、丹巴河等穿越其間。珞渝北部高山區(qū)珞巴族聚集地屬喜馬拉雅山東側(cè)的亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，并分布有熱帶雨林。此地區(qū)平均海拔1200米，地勢(shì)由北向南急劇下降，從北部高達(dá)7756米的南迦巴瓦峰，下降到南部?jī)H數(shù)百米。珞巴族聚集地分布在山峰之間，大多四面環(huán)山。因此，可利用其中山脊線和溝谷線作為地形特征，建立線狀網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其地形進(jìn)行編輯。

1.2 對(duì)珞巴族建筑特點(diǎn)的分析

珞巴族建筑的傳統(tǒng)住房是石木結(jié)構(gòu)的碉房，堅(jiān)固耐久具有很好的防御功能。珞巴族建筑還存在“一”字型長(zhǎng)屋，是珞巴族家庭和社會(huì)形態(tài)的典型表現(xiàn)，長(zhǎng)屋呈“一”字形排列有數(shù)間或數(shù)十間不等。典型的長(zhǎng)屋是一種竹木結(jié)構(gòu)的干欄式樓局建筑分三層：修建時(shí)先在底部豎圓木立柱，二層地板處和頂棚處設(shè)橫梁，房屋底層堆放柴火作豬狗圈。二層住人，屋中心設(shè)火塘，火塘上方吊一個(gè)木架，供烤柴和烤肉之用，頂層堆放雜物[2]。

2 基于3ds Max的效果模型的制作

3ds Max是的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件，具有強(qiáng)大的角色動(dòng)畫制作能力，可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性，“標(biāo)準(zhǔn)化”建模，針對(duì)建筑建模領(lǐng)域相較其它軟件有不可比擬的優(yōu)越性。此系統(tǒng)的地形制作中所采用的制作軟件是3ds Max，以粗模附以無縫貼圖，達(dá)到地形模擬的高真實(shí)度還原，流程如圖1所示。

2.1 地形制作

首先根據(jù)前期對(duì)珞巴族地形的調(diào)研，根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦芜M(jìn)行精細(xì)化建模。由于珞巴族地形較為復(fù)雜，可能會(huì)導(dǎo)致3ds Max因面數(shù)過多產(chǎn)生的卡頓問題，所以采用平面建模：先根據(jù)設(shè)計(jì)好的地形在Photoshop中制作紋理貼圖，再利用修改器中的Displace置換命令，制作與珞巴族當(dāng)?shù)氐匦蜗嗨频牡匦?，并利用置換命令中的高度來控制地形起伏的高度，然后利用編輯器中的編輯多邊形命令中的點(diǎn)、線、面命令對(duì)地形進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整，對(duì)當(dāng)?shù)氐匦芜M(jìn)行高度還原。查找與當(dāng)?shù)氐匦蔚孛蚕喾系牟馁|(zhì)貼圖，利用Photoshop進(jìn)行無縫貼圖的制作，再將貼圖賦予地形，再通過3ds Max中修改器中的uvw貼圖修改器，調(diào)整貼圖在地形中的精細(xì)程度，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)卣鎸?shí)地形的還原。

2.2 建筑模型制作

珞巴族民居建筑作為本次項(xiàng)目的主要模型，模型質(zhì)量要求較高，要達(dá)到模型的高還原度和真實(shí)度。以3d max為例，在建模時(shí)為了盡量減少模型的面片和數(shù)據(jù)量，在保證模型一定精細(xì)度的情況下要盡可能多的使用高質(zhì)量的材質(zhì)貼圖。這些貼圖可以用來指定模型中特定物體的表面特性，它決定這些平面在后期渲染時(shí)的物理特性，辟如物體的顏色，在物理環(huán)境下的光亮程度，物體的自發(fā)光度及不透明度等。因此，在3ds Max中建模時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)：

（1）為了避免不兼容的情況。在項(xiàng)目中，需要先使用3ds Max建立模型再導(dǎo)入到Fuzor中進(jìn)行處理，但是3ds Max做為一個(gè)功能強(qiáng)大的建模軟件，有些指令在Fuzor是無法得到識(shí)別和支持的，比如復(fù)雜的紋理合成、參數(shù)等等。為了保證前面建立的模型在后面得到較好讀取，應(yīng)該避免使用這些指令。（2）盡量使用簡(jiǎn)單方式。如建立模型時(shí)如果不對(duì)其表面進(jìn)行異形編輯，可將其段數(shù)降到最低，以精簡(jiǎn)模型的面數(shù)。（3）在保證模型質(zhì)量的情況下盡量減少精細(xì)度。在進(jìn)行場(chǎng)景建模時(shí)對(duì)于細(xì)長(zhǎng)條形的物體如柵欄、門框或者由細(xì)長(zhǎng)條形物體組成的模型如竹籃等應(yīng)盡量采用貼圖的方式來表現(xiàn)，貼圖可以很細(xì)膩地表現(xiàn)出物體的真實(shí)度，若采用精細(xì)化建模，這些細(xì)長(zhǎng)條不僅會(huì)增加當(dāng)前模型的面數(shù)，而且在后期渲染時(shí)還會(huì)出現(xiàn)閃爍和鋸齒的現(xiàn)象。（4）模型導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件時(shí)需要考慮幾點(diǎn)：精度各類信息不丟失;便于導(dǎo)入模塊的處理。在這里，數(shù)據(jù)的讀取的做法是先在3ds Max中將各模型按照設(shè)計(jì)好的布局格式排列整齊，然后導(dǎo)出為FBX文件格式，再進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

3 基于Revit的珞巴族參數(shù)化模型制作

Revit軟件是一款基于建筑信息模型（BIM）平臺(tái)的建筑設(shè)計(jì)、建模及分析軟件。本研究設(shè)計(jì)采用Revit建立粗模，通過改進(jìn)貼圖紋路對(duì)模型精細(xì)化處理，從而達(dá)到建模時(shí)操作簡(jiǎn)單，還原度高的效果，打造珞巴族建筑場(chǎng)景。建立模型時(shí)，輸入采集的原始數(shù)據(jù)，包含了珞巴族建筑的幾何信息、對(duì)象間的邏輯關(guān)系等相關(guān)屬性。利用Revit以項(xiàng)目或族的形式將相關(guān)的民族建筑和建筑構(gòu)件分類整理，將建筑的相關(guān)屬性信息儲(chǔ)存到模型數(shù)據(jù)庫中。通過大量的珞巴族建筑信息采集和模型復(fù)原研究，積累相當(dāng)數(shù)量的珞巴族民族建筑構(gòu)件項(xiàng)目族庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和對(duì)珞巴族建筑的存檔整理，如圖2所示。

通過以下操作達(dá)到建模效果：

（1）模型精簡(jiǎn)化，防止軟件運(yùn)行緩慢。如：根據(jù)需要關(guān)閉視圖中某些圖元類別的可見性：例如，如果要渲染外部場(chǎng)景，則可以關(guān)閉顯示在建筑內(nèi)部的任何圖元。以減少導(dǎo)入到其他應(yīng)用程序的對(duì)象數(shù)量和數(shù)據(jù)量;指定詳細(xì)程度：根據(jù)需要指定視圖的詳細(xì)程度以減少Revit視圖中的詳圖數(shù)量。（2）運(yùn)用Photoshop對(duì)材質(zhì)貼圖編輯，利用變換，透視等效果，生成圖像貼圖文件，將材質(zhì)庫的圖片源替換為修改完成的無縫貼圖。（3）采用無縫貼圖，用高質(zhì)量貼圖代替細(xì)節(jié)模型，使Revit模型更加真實(shí)。（4）利用3ds Max代替Revit建模，解決Revit難以實(shí)現(xiàn)高仿真度模型的問題。

4 基于Fuzor的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)稱VR技術(shù)，是利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)虛擬世界，給用戶提供各個(gè)感官的模擬，讓使用者感覺身臨其境。數(shù)字信息化是國際發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，在如今的大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)字信息化的應(yīng)用變得極為重要。

Fuzor作為一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單易上手，F(xiàn)uzor的LiveLink可以實(shí)現(xiàn)與Revit軟件的雙向同步，除此以外Fuzor還支持手機(jī)移動(dòng)端、X-BOX和VR設(shè)備，可以讓制造的場(chǎng)景使用上述設(shè)備進(jìn)行瀏覽，并且Fuzor還能對(duì)建筑信息進(jìn)行充分展示，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息化平臺(tái)的搭建，如圖3所示。

Fuzor除了可以對(duì)接Revit模型以外還支持FBX文件的導(dǎo)入，可以把某些形狀不規(guī)則的民族模型使用3ds Max進(jìn)行建模。

首先在Revit建好的模型文件中打開Fuzor，把3ds Max做好的模型導(dǎo)出FBX格式，將導(dǎo)出的FBX文件導(dǎo)入Fuzor并進(jìn)行位置調(diào)整，結(jié)合Fuzor自帶的材質(zhì)包對(duì)樹木，草地進(jìn)行添加，使場(chǎng)景進(jìn)一步完善，然后根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蚺c場(chǎng)景的需求來改變天空類型，添加粒子系統(tǒng)，天氣效果與晝夜效果使場(chǎng)景更加真實(shí)。同時(shí)在Fuzor中可以瀏覽到珞巴族建筑模型的信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息化，將完成的場(chǎng)景導(dǎo)出移動(dòng)端，更方便人們?yōu)g覽，效果圖如圖4所示。

5 結(jié)語

珞巴族作為我國極少數(shù)民族，在其文化瀕臨消失的背景下，迫切需要對(duì)此文化進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)?？焖俳㈢蟀妥褰ㄖＰ筒捎脙煞N建模方式，利用兩種建模方式各自的優(yōu)勢(shì)對(duì)珞巴族建筑及地形進(jìn)行精細(xì)化還原，并結(jié)合Fuzor制作場(chǎng)景漫游，最終形成高度仿真的珞巴族全景漫游。本項(xiàng)目對(duì)珞巴族文化信息進(jìn)行了研究、整理、制作與保存，建立珞巴族文化的數(shù)據(jù)庫，并通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)珞巴族文化進(jìn)行數(shù)字化再現(xiàn)，打破傳統(tǒng)方式，增強(qiáng)用戶真實(shí)體驗(yàn)，真正實(shí)現(xiàn)珞巴族建筑的數(shù)字化保護(hù)。

參考文獻(xiàn)

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