苗族吊腳樓建筑構(gòu)造虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)

何 萌

（大連民族大學(xué)，大連 116000）

吊腳樓，也叫“吊樓”，為苗族（重慶、貴州等）、壯族、布依族、侗族、水族、土家族等族傳統(tǒng)民居，在渝東南及桂北、湘西、鄂西、黔東南地區(qū)的吊腳樓特別多[1]。本文以貴州省銅仁市松桃縣的大灣苗寨為研究對象，其建筑屬黔東南州民族建筑的苗族半邊吊腳樓形式。受現(xiàn)代建筑文化及所處環(huán)境等因素的影響，苗族吊腳樓建筑在不斷減少，建筑構(gòu)造得營造技藝在不斷失傳。為此，需迫切對吊腳樓的營造技藝與建筑文化等進(jìn)行記錄與保護(hù)。本文利用3D 建模技術(shù)逆向設(shè)計建筑單體，實現(xiàn)吊腳樓的全三維建筑結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建，根據(jù)虛擬仿真實驗的設(shè)計思路，設(shè)計研發(fā)了基于Unity 3D 的人機(jī)交互漫游場景，能夠?qū)⒚缱宓跄_樓的文化歷史、建筑構(gòu)造等進(jìn)行記錄。

1 技術(shù)路線與系統(tǒng)模塊設(shè)計

1.1 技術(shù)路線

前往貴州省大灣苗寨進(jìn)行實地調(diào)研，利用三維激光掃描儀對苗寨吊腳樓的空間信息進(jìn)行外業(yè)掃描，掃描完畢對其數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理。深入施工現(xiàn)場進(jìn)行建筑構(gòu)造資料搜集，尋找匠人采訪大灣苗寨的歷史背景、人文風(fēng)情及營造技藝等相關(guān)問題。查閱書籍與論文獲取苗寨的相關(guān)資料，利用處理好的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向設(shè)計，利用3d 建模軟件進(jìn)行單體建模，根據(jù)點云數(shù)據(jù)與所建得的模型進(jìn)行圖紙的繪制，將單體模型與所繪制的圖紙鏈接至游戲引擎unity 3D 中，進(jìn)行漫游空間場景的創(chuàng)建。開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)對苗族吊腳樓的建筑構(gòu)造認(rèn)識解析、細(xì)部節(jié)點構(gòu)造圖文解析、建筑文化講解推廣等功能。系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

1.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

苗族吊腳樓建筑構(gòu)造虛擬仿真系統(tǒng)按照軟件工程的思想，從系統(tǒng)需求分析入手，設(shè)計系統(tǒng)各個功能模塊。針對苗族吊腳樓單體設(shè)置有整體認(rèn)知、分布構(gòu)造、工程做法三個結(jié)構(gòu)模塊。其下設(shè)有文化歷史、構(gòu)造解析、圖紙索引、實例圖片等功能模塊。文化歷史著重于講述苗族吊腳樓的建筑文化、現(xiàn)狀及所面臨的問題。構(gòu)造解析著重于講述構(gòu)造的名稱、營造技藝及作用。圖紙索引與實例圖片是將苗族吊腳樓的重點構(gòu)造部分進(jìn)行單體的可視化，方便全面的了解相關(guān)內(nèi)容。

2 3D 建模

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

利用三維激光掃描儀前往實地對苗寨建筑及周圍環(huán)境進(jìn)行掃描，獲取的數(shù)據(jù)即苗寨建筑群相對精細(xì)完整的點云數(shù)據(jù)。在儀器掃描前，需對儀器設(shè)備進(jìn)行檢查并避免物體遮擋建筑影響掃描結(jié)果。

采集完成后，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪、優(yōu)化等處理。該過程可用Scene軟件進(jìn)行。處理完成的單站三維點云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 大灣苗寨單站三維點云數(shù)據(jù)

2.2 模型制作

本文采用Autodesk 公司開發(fā)的3ds Max 軟件利用點云數(shù)據(jù)作為建筑尺寸、位置和形狀的依據(jù)。模型初建立完成后，為了使模型更加逼真形象，需要對其進(jìn)行渲染、貼圖等處理。貼圖可避免對模型進(jìn)行材質(zhì)的添加，以達(dá)到對模型的優(yōu)化作用。同時，需采取刪除不可見面、對貼圖進(jìn)行壓縮等措施簡化模型（模型導(dǎo)出以.fbx 格式保存）。吊腳樓單體模型如圖4所示。

圖4 吊腳樓單體模型

3 三維動態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

Unity3D 是由Unity Technologies 開發(fā)的一個讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎。支持3D 模型瞬時導(dǎo)入，支持C#語言編寫腳本。該軟件可與3ds Max 相結(jié)合，從而達(dá)到虛擬仿真與可視化的實現(xiàn)。

3.1 虛擬交互設(shè)計

根據(jù)原場地進(jìn)行環(huán)境、建筑、道路等真實的還原。可利用Unity3D 自帶功能進(jìn)行場景建立，也可由外部導(dǎo)入模型：將由3ds Max 建立好的單體模型分別歸檔為.fbx 格式文件，與處理好的貼圖共同歸檔，一起導(dǎo)入到Unity3D 中，形成虛擬的場景。

在Unity3D 虛擬漫游中，添加碰撞對象是第一人稱視角在場景中漫游，使感受更加真實，避免與建筑、樹木、物體等碰撞時發(fā)生不真實的重影、穿移等現(xiàn)象。在場景中添加Mesh Collider碰撞體命令，設(shè)置物體的物理屬性，為每個對象添加碰撞器。

3.2 系統(tǒng)主要功能模塊

利用playmaker 插件無需編寫復(fù)雜腳本，直接添加按鈕命令，觸發(fā)命令，實現(xiàn)觸碰建筑模型單體，即對其名稱、功能等有所顯示。進(jìn)入系統(tǒng)初始界面后主要功能模塊如：文化歷史相關(guān)圖文介紹、建筑場景漫游功能、單體節(jié)點放大展示。

將調(diào)研與查詢所得的苗族吊腳樓的歷史和分布，苗族吊腳樓所處的自然環(huán)境及其影響，苗族吊腳樓的設(shè)計與營造技藝，苗族吊腳樓傳統(tǒng)營造技藝現(xiàn)狀及問題進(jìn)行圖文介紹。

建筑場景漫游功能

將所建造的苗寨周圍環(huán)境進(jìn)行展示，可以第一人稱視角或第三人稱視角在系統(tǒng)中進(jìn)行行走等達(dá)到漫游目的的實現(xiàn)。將利用BIM 技術(shù)所繪制的圖紙與建筑模型相結(jié)合，在漫游時點擊圖紙，對應(yīng)處模型高亮顯示。圖紙如圖5所示。

圖5 吊腳樓平面圖

建筑構(gòu)件難點或特殊結(jié)構(gòu)點處對其單體節(jié)點進(jìn)行放大展示，更加細(xì)致的顯示其構(gòu)造。區(qū)分于內(nèi)部構(gòu)造與外部構(gòu)造結(jié)合圖紙進(jìn)行展示。

4 系統(tǒng)運(yùn)行與發(fā)布

Unity3D 可生成的運(yùn)行版本有Editor、Player 和WebPlayer等，分別為在Unity3D 中編輯時的運(yùn)行版本、單機(jī)的可執(zhí)行文件和網(wǎng)頁版的3D 運(yùn)行方式[2]。本系統(tǒng)采用Web 播放的網(wǎng)頁版本。在制作完成漫游后，生成網(wǎng)頁格式的文件，選擇文件類型為Web Player，菜單File--＞Build Setting 然后選擇發(fā)布成網(wǎng)頁，可執(zhí)行文件和網(wǎng)頁版的3D 運(yùn)行方式。實踐的研究結(jié)果表明，Unity3D 可以很好的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三維展示和交互功能，是虛擬平臺設(shè)計開發(fā)的一個有力工具[3]。

5 結(jié)束語

本文利用3D 建模技術(shù)與逆向設(shè)計思維，通過游戲引擎Unity3D 對吊腳樓建筑構(gòu)造進(jìn)行本系統(tǒng)的研發(fā)，根據(jù)虛擬仿真實驗的設(shè)計思路，設(shè)計研發(fā)了基于Unity3D 的人機(jī)交互漫游場景，實現(xiàn)了苗族吊腳樓的建筑構(gòu)造認(rèn)識解析、細(xì)部節(jié)點構(gòu)造圖文解析、建筑文化講解推廣等功能，具有操作簡便，可遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的優(yōu)點，對于民族建筑的保護(hù)提供了思路。以苗族吊腳樓建筑為例，可對于其他少數(shù)民族的建筑構(gòu)造應(yīng)用相同的思路進(jìn)行保護(hù)意義上的開展。