中國古代建筑多維模型庫的搭建與展示界面設(shè)計研究

張子迎，周平，曹瑩，薛露然，張泓胤

(北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京100191）

1 引言

中國古代建筑是一種在中國發(fā)展了數(shù)千年的建筑風(fēng)格，具有悠久的歷史和光輝的成就。自商周時期以來，中國建筑的整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基本沒有改變，總體都以木構(gòu)架結(jié)構(gòu)為主要的結(jié)構(gòu)方式，布局對稱，具有一種簡明的組織規(guī)律，規(guī)劃嚴(yán)整，造型優(yōu)美，裝飾豐富多彩，特別注意跟周圍自然環(huán)境的協(xié)調(diào)[1]。同時，中國建筑的構(gòu)成都非常重視追求中和、平易、含蓄而深沉的美學(xué)特質(zhì)，這同時也體現(xiàn)了中國人的民族審美習(xí)慣，這與歐洲建筑體系突出建筑個體的放射外向性格、體形體量的強(qiáng)烈對比等審美習(xí)慣有明顯的差別[2]。

近年來，古建的調(diào)查與保護(hù)開始采用一些先進(jìn)技術(shù)，例如以3S技術(shù)為核心的綜合應(yīng)用[3]。3S主要包括全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS），其產(chǎn)品的多樣化能夠滿足古建多目標(biāo)多尺度地行業(yè)需求。三維建模技術(shù)在古建保護(hù)中的應(yīng)用也非常廣泛，三種常用的建模方法（三維極光掃描技術(shù)[4]、幾何建模技術(shù)[5]、攝影測量技術(shù)[6]）都在古建三維建模中使用。古建的三維模型數(shù)據(jù)對古建的研究與展示非常有價值。通過三維模型數(shù)據(jù)，可直接獲得古建不同視角平面圖；在古建三維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可開發(fā)古建筑數(shù)字化管理系統(tǒng)，不僅為古建筑的研究與使用提供幫助，還極大的方便了古建筑的保護(hù)工作[7]；利用三維模型，可虛擬拆解建筑結(jié)構(gòu)[8]，并模擬出古建筑建造的過程動畫，以便更清晰的展示古建的結(jié)構(gòu)，讓古代的建造過程得以真實(shí)再現(xiàn)，從而增加古建數(shù)字化展示的交互性與趣味性。

目前古建三維模型已經(jīng)積累了大量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與再利用，使其能夠更好的支撐不同時期，不同類型的古建三維模型的搭建，并進(jìn)行展示利用，是大量三維模型獲得之后需要密切關(guān)注的問題。文章工作主要針對已有的大量模型數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行梳理、分類，最終形成方便調(diào)用、方便查詢的多維模型庫。

2 研究思路與方法

目前積累的古建及相關(guān)構(gòu)件模型數(shù)量約1029件（套），數(shù)據(jù)量將近50G。這些數(shù)字化模型包括不同時期，不同布局的典型建單體筑，還包括不同類型、不同材質(zhì)的建筑構(gòu)件。數(shù)據(jù)來源以幾何建模方法為主，少數(shù)是三維激光掃描或攝影測量的數(shù)據(jù)。圖1展示了部分SkechUp和3DsMax格式的模型。

基于上述大量建筑模型數(shù)據(jù)，首先在模型數(shù)據(jù)信息分析的基礎(chǔ)上，設(shè)置多維度分類標(biāo)簽。例如可從模型數(shù)據(jù)質(zhì)量的角度，對這些古建三維模型數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行評估，同時提升模型質(zhì)量，并根據(jù)模型質(zhì)量設(shè)置模型質(zhì)量級別標(biāo)簽；還可從建筑模型知識信息的角度，根據(jù)時代、功能、地域等劃分建筑模型，根據(jù)類型、等級、歸屬等劃分構(gòu)件模型。其次，根據(jù)標(biāo)簽建立古建多維模型庫的三維模型展示系統(tǒng)，根據(jù)展示的多樣性，提供三維模型展示、高清圖片展示及詳細(xì)信息展示。具體工作思路如圖2所示。

3 古建模型多維標(biāo)簽設(shè)置

中國古代建筑多姿多彩，有多種分類方法，例如按時代分類，按房屋造型分類，按使用功能分類等等，但是要做到一分而蓋全的分類幾乎是不可能的。所以，標(biāo)簽設(shè)置中改用了多種分類方法結(jié)合的方法。下面對部分標(biāo)簽進(jìn)行詳述。

3.1 朝代標(biāo)簽

中國建筑已經(jīng)發(fā)展了很長一段時間，但由于文化的連續(xù)性和工匠對傳統(tǒng)風(fēng)格的執(zhí)著，它具有很大的一致性。由于設(shè)計的連續(xù)性，要區(qū)分大多數(shù)中國古代建筑的建造年代并不容易。但是每個朝代還是有一些文化影響下的特征，例如漢代建筑的典型建筑形式是闕，建筑上筑以高臺，屋脊平直而短，屋頂瓦當(dāng)均為全圓瓦當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)；宋代建筑梁柱上有碩大的斗拱，更出現(xiàn)了不規(guī)整的梁柱鋪排形式，建筑物的屋脊、屋角有起翹之勢，柱子造型更是變化多端。根據(jù)這些古建筑的朝代特征，把這些古建筑都?xì)w屬到不同的朝代下。

3.2 功能標(biāo)簽

根據(jù)樂嘉藻先生的《中國建筑史》中的描述，我們把古建單體模型按功能分為平屋、塔、橋、亭子、宮殿、漢闕、城門、牌樓、樓閣這幾類。故樂嘉藻先生認(rèn)為“中國建筑，就實(shí)用上言，如特殊之結(jié)構(gòu)，不外三間五間、一正兩廂組合而成，故不能用西人之法，在用途上分類，而由形式上分類”這是樂先生的觀點(diǎn)，不過他認(rèn)為雖然形式上結(jié)構(gòu)上大體相同，但是由于用途的不同，各種不同類用途的建筑或建筑群都有著自己光輝的歷史。于是他又提出了仿歐人就用途上分類：曰城市、曰宮殿、曰明堂、曰園林、曰廟、寺、觀。

西方人的功能分類方法比較簡單，比如城堡就是一個整體，一個頗具規(guī)模的龐大的單體建筑。因此，按西方人的分類方法，就適用于一組建筑，即達(dá)到規(guī)模的建筑組群。據(jù)此在標(biāo)簽設(shè)置中有一個宮殿分類，就是按照一組建筑的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。

3.3 地域標(biāo)簽

地域標(biāo)簽主要用在傳統(tǒng)民居的分類中，民居分類主要來源于《中國傳統(tǒng)民居類型全集（上、中、下）》。民居屬于公元1840年之后的近代鄉(xiāng)土建筑，是非皇親國戚權(quán)貴高官的一類百姓的建筑。傳統(tǒng)民居有幾個重要的特點(diǎn)：大量性、地域性、多樣性與活化石。

圖3 古建多維模型庫框架結(jié)構(gòu)

圖4 古建多維模型庫展示界面

無論是古代還是近代，民居都是建造數(shù)量最多的，在整個中國傳統(tǒng)建筑體系中，占據(jù)著突出的數(shù)量優(yōu)勢。古建模型數(shù)據(jù)中就有很多土地廟、祠堂、四合院等單體模型。中國國土的地域多樣性，帶來了傳統(tǒng)民居建筑的多樣性，同樣是木構(gòu)架建筑，北方與南方的散屋會呈現(xiàn)不同的形態(tài)；同樣是木構(gòu)架體系下的庭院式布局，北京四合院、東北大院、晉陜窄院、徽州天井院又不相同。與此同時，該部分還把蘇州園林分在了民居分類中，不同于傳統(tǒng)皇家園林，蘇州園林屬于私家園林，所以屬于民居的范圍。

3.4 建筑構(gòu)件標(biāo)簽

除了單體建筑或建筑群，還有建筑構(gòu)件的分類，根據(jù)模型數(shù)據(jù)情況，主要包括建筑組成部件及室內(nèi)家具陳設(shè)兩部分。對于建筑組成部件，我們主要根據(jù)其功能、等級進(jìn)行標(biāo)簽設(shè)置。主要類別根據(jù)建筑基本構(gòu)件功能的劃分，包括走廊、照壁景墻、小品、圍墻、宅門、美人靠、佛像菩薩、雕花窗、窗花格、花窗等。除此之外，還可根據(jù)等級進(jìn)一步劃分，例如宅門可細(xì)分為廣亮大門、金柱大門、蠻子門、如意門等。室內(nèi)家具陳設(shè)模型主要為明代桌、椅，燈籠等。

4 古建多維模型庫及展示界面

根據(jù)古建模型標(biāo)簽搭建古建多維度模型庫。同時在已設(shè)置標(biāo)簽?zāi)Ｐ蛶斓幕A(chǔ)上，進(jìn)行多維展示頁面的設(shè)計。設(shè)置朝代為一級查詢目錄，功能為二級查詢目錄，實(shí)際分類情況根據(jù)模型進(jìn)行劃分。例如根據(jù)模型的朝代歸屬，目前只有漢唐、宋代、明代、清代的建筑模型?？紤]民居、構(gòu)件的層級特點(diǎn)，設(shè)置民居、部件為兩個獨(dú)立一級查詢目錄，民居下分地域查詢目錄，構(gòu)件下分功能查詢目錄。詳細(xì)模型庫構(gòu)架如圖3所示。

利用網(wǎng)頁制作軟件Dreamweaver設(shè)計展示界面，根據(jù)古建多維模型庫的基本樣例范式，設(shè)計簡潔的展示界面首頁，如圖4a所示，同時根據(jù)古代建筑多維展示的主題設(shè)計了網(wǎng)頁LOGO。依據(jù)標(biāo)簽分級顯示，考慮到層級顯示的友好性，設(shè)計三級顯示。圖4b為二級顯示界面，圖4c為三級顯示界面，可對模型的詳細(xì)信息、高清圖、三維模型等內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步以彈窗形式展示。

5 結(jié)論

三維建模技術(shù)在古建中的應(yīng)用日益廣泛，隨著數(shù)據(jù)量的豐富，如何在大量模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開展古建三維模型的可持續(xù)開發(fā)與利用成為古代建筑數(shù)字化領(lǐng)域逐漸為人關(guān)注的焦點(diǎn)。文章即基于大量古建三維模型數(shù)據(jù)，通過標(biāo)簽設(shè)置的形式，建立可展示、可利用的多維模型庫，并以多維模型庫為內(nèi)容設(shè)計展示界面。這不僅實(shí)現(xiàn)了模型的多維管理與展示，避免了古建模型的重復(fù)制作和資源浪費(fèi)，而且對基于模型庫的場景復(fù)原，建筑重建都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在今后的工作，將把多維模型庫應(yīng)用到古遺址場景再現(xiàn)的項目中。