唐代宫殿群的虚拟还原方法研究

Study on the virtual restoration method of palace group in tang dynasty

徐辰 储蕾芳(通讯作者)上海工程技术大学 中韩多媒体设计学院

摘要：传统宫殿建筑由于自然和人为因素受到不同程度的破坏，数字化还原技术能够更有效、长久的保护与开发古建筑文化。本文描述了对唐代建筑场景的虚拟还原步骤，来分析和总结宫殿建筑场景虚拟还原所要把握的要素、具体流程和总体思想。通过唐代太极殿、明德门等一系列建筑还原，探究关于传统宫殿场景虚拟还原的方法和相关技术。归纳总结经验，希望对相类似的宫殿建筑群数字化还原有一定参考。

Abstract：Traditional palace buildings are damaged to different degrees due to natural and human factors. Digital restoration technology can protect and develop ancient architectural culture more effectively and for a long time. This paper describes the steps of the virtual restoration of the tang dynasty architectural scenes to analyze and summarize the elements, specific processes and general ideas of the virtual restoration of palace architectural scenes. Through a series of buildings such as TaiJi hall and MingDe gate in the tang dynasty, this paper explores the methods and related technologies of virtual restoration of traditional palace scenes. Sum up experience, hope to similar palace building group digitization still original certain reference.

关键词：虚拟还原 三维数字技术 传统宫殿

Keyword:  Virtual reduction，three-dimensional digital technology，Traditional palace

引言

我国古代传统建筑在世界建筑中是具有独特性的，也是值得被反复研究和传承的，有很多知名的古宫殿群（咸阳城、圆明园、大明宫等等）经历过灾害、战争、年代变迁，而过度的被破坏。利用三维虚拟还原技术将优秀传统古建筑最大限度的还原呈现出来，是更有效的保存传统文化、更直观地展示中国建筑的魅力。

传统建筑场景的虚拟还原需要牵涉到很多方面的知识，包括形态、色彩、结构、材料、工艺、文化等等，这些知识需要是对其虚拟还原之前所要分析和研究的，通过对信息的再整合，在进一步实施过程中，总结建设性技术要点和思考方法。

1. 虚拟还原场景应用与分析

意大利首都罗马是古罗马和世界文化的发祥地，由于建城悠久的历史，被誉为“永恒之城”。为了让世人更方便体验古罗马帝国的辉煌。许多欧洲国家还有北美洲的专家还原出1600多年前的罗马古城，利用科学技术的快速发展，将历史建筑搬进了电脑屏幕当中，是一次历史上重大且完整性高的虚拟还原，展现了万神殿、罗马斗兽场、罗马古城市等等精美细节以及建筑结构。

建筑的还原过程中在很大程度上还原了当时的地理风貌，在考虑建筑结构和建筑材质方面也十分到位，古罗马建筑特点在于拱门结构、多穹顶结构、梁柱结构和桁架结构等等，建筑材料往往都是大型砖石，这些元素都是需要在虚拟还原中注意的。在建筑表现力方面可谓栩栩如生，贴图精细，模型完成度高，特别是在电脑技术运用方面值得学习，大量的建模数据计算，为达到更好的数字还原，需要对建筑的比例进行测绘和分析，还要模拟整个圆形大剧场可容纳观众数量，对于建筑的数据高精度分析以及应用，使其罗马古建筑还原得以成功。游客可以通过大型3D虚拟模型建筑群（如图1所示）来了解罗马文化历史，帮助人们推测当时罗马的人口数量，完美展示罗马建筑风格。

图1 虚拟模型建筑群

2. 还原宫殿的思维方式

古建筑的虚拟还原通过明确虚拟还原的目的和认识古建筑、选择还原的策略与途径、还原工具和技术结合成一个系统，来完成古建筑的虚拟还原。系统化学习虚拟还原技术，有效掌握三维数字化技术，也就是掌握“操作性”知识，这是比较基础性的。明确宫殿突显皇权的尊严，给予强烈的精神感染的指向性，目的指向性决定还原古建筑的途径。对于途径选择有两个标准：“效率”和“效果”，在效率方面，规避少走弯路很重要，往往在追求效率的过程中对古宫殿做出一丝错误性的判断，对于文化本身也是致命性的。在效果方面，虚拟还原古宫殿的另一个评价标准就是还原宫殿的准确性和细致度。在途径的选择过程，要注重还原效果在还原效率之前。而在达到一定效果后，还要追求还原效率，也就是寻找合适的策略，根据不同的还原目的，来选择相对应的策略与途径。为了达到想要的效果，则需要选择合适的工具如三维软件Maya、贴图绘制软件Substance Painter和PS等等，最后应用操作性知识对古宫殿进行认识与改造。

图2 思维途径结构图

3. 分析与归纳古宫殿知识

巴特关于《物的语义学》中讲到物的“意义剩余”，将知识运用到建筑上来说就分析建筑要从两个维度来看建筑的功能性，一方面是象征坐标，属于物隐喻的深度如宫殿建筑象征着皇权、天威等涵义，另方面是分类坐标，社会层面给予的等级系统，比如皇城中东宫和西宫、各个职能部门的差异性。将复杂的建筑体系系统地拆分，来进行研究和还原。以唐代长安城建筑为例，唐代是在整个古代王朝中经济、国力和文化都达到一定高度的时期，在整个世界历史上具有巨大的影响力。唐代建筑营造法式对于中国建筑的发展有很大推动作用，在文化内涵和工艺技巧方面有极大的价值。风格多样的唐代木构建筑，不仅表现考究和实用，还体现出气势辉煌。唐代建筑主要是由木构、砖石组成的，建筑特点庄重、大气、气魄宏伟，其中要抓住突出特点，斗拱大、屋顶平缓、房屋脊两端上装饰物叫鸱吻的、青黑色的瓦片、色调主要为红白黄，木结构中的柱子上下细中间粗，两边房梁向上挑起。在抓住以上特点基础上，再借助历史还原图，从而达到高度还原性。通过大量整合研究长安建筑，发现阶级制度导致特定的颜色建筑，比如皇帝宫殿使用黄色、官员府邸使用红、蓝、青色，平民房屋使用黑、白、灰色，颜色的划分代表了唐代鲜明的等级制度。据唐六典记载，太极宫、兴庆宫和大明宫三座宫殿，称“三大内”，是当时唐朝主重要的宫殿，据大唐开元礼记载太极宫是长安城第一大宫殿建筑群，太极宫东西宽1200米，北长1500米，面积在2平方公里左右，其中包含了太极殿、两仪殿、武德殿等等，太极殿是为皇帝主要处理政事之所。明确重点还原对象，整合并分析宫殿要素。

通过一系列文献和古书调研，得出唐代建筑特点。将这种得来的知识，划分为“陈述性知识”，比如唐代文献中提及的建筑数据和画中描绘的建筑景象等等，另一种知识叫“过程性知识”，过程性知识是在具体实践和大脑内部的信息再加工得出，如搭建建筑的顺序和画面表现等。研究相关知识背景，整合在虚拟还原场景中，为还原提供应用性知识。

4. 建筑结构和特有元素还原

注重还原古建筑场景中建筑结构，对于唐建筑特有的木构结构，整个的建筑模型都围绕木构重点研究及制作，在明德门建模当中，需要了解城楼整个构造，注意建筑原理，在城墙地基的情况下，将城楼的梁柱按照一比一的比例放置，控制好柱与柱之间等距问题。两柱之上由横梁连接，在横梁之上则直接是斗拱，整个斗拱为“双抄双昂七浦作”（如图4.1所示），由泥道栱、慢栱、华栱、上下昂、令栱、耍头、瓜子栱和方头等等，上下层次极为讲究，大多数栱在长度、造型上都会有所不同，斗拱结构部分是参考博物馆关于唐建筑斗拱结构图来制作，主骨架形成，建上长方形白墙、深红色门窗，这里主要应用面片的形式，以达到减面效果。在房顶制作中，需注意45水平角度，为了保证角度和方位问题，需要利用到Maya当中特殊复制功能。屋顶瓦片部分作为还原对象的次要部分，只需建弧形面片，将带有瓦片贴图贴上即可。

图3 唐木构结构图

4.1 场景还原模型优化

建筑群涉及模型之多，三维动画为了呈现更好的视觉感受，模型的优化部分就很关键，优化得当则使其制作过程顺当、渲染过程减少时间，在过程中，运用到以下两种模型优化方式：

（1）分组建模优化：由于模型数量之多，需要按模型要求的精度分类，比如树木、旗帜等类型在2000个面以下，就属于低模，不需要花太多面数来复杂化。比如太极殿这种高面数模型就要控制在10000个面左右，就归纳在一起并统一做，不同的模型有着不同的面数要求，这样通过模型分组，在总体面数上，就可以大大减少数量了，从而在之后的动画渲染做铺垫，也可以多留面数给需要重点刻画的模型上。

（2）低模高贴图优化：该方法搭建模型可以用3-5张不同类型的贴图（如法线贴图、高光贴图和bump贴图等等）来不断加强模型的表现力，在Maya建完低模的基础上，导进Zbrush中增加面数，从而进行细节的刻画，导出的法线贴图贴在低模上，就会呈现出高模当中的细节部分。在画贴图部分，可以用到Substance Painter软件，软件当中有大量的画笔可以直接使用，还有很多木头、金属等等材质可以增加真实性。这样在减少模型的复杂度的同时也更好优化了模型。

通过以上方法进行优化后，宫殿场景在高度虚拟还原后呈现更好的表现力。

4.2 虚拟场景环境光搭建

唐代虚拟场景的环境设计中包含了环境灯光、整体光影效果和各种细节，确立宫殿时代背景风格，利用唐朝御道的路灯、地砖纹路、龙纹旗帜等等特有唐代元素来充分烘托场景氛围。通过各方面细节上的描绘和场景灯光上的渲染表现真实性。在整个环境色调上，主要对环境灯光和阴影方面入手。

（1）灯光设定

高度还原当时场景环境也是十分重要的部分，在环境还原部分，难点在于将灯光与场景完美融合烘托时代场景氛围。在Maya灯光设置当中，要增加Shadow Ray和Ray Depth Limit选项，将灯光形状设置成Sphere,模拟自然光。在复杂的场景当中，光源就有很多并且有反射光，要注意主光与副光的强烈对比。设置环境光是需要不断多次地调整，注意光的直射和反射能让整个的动画更加柔和。由于场景皓大，涉及多种光源，灯光类型也设置多种：定位灯光、区域灯光、移动灯光。定位灯光大多设置在宫殿之中，需要调整灯光的圆锥体半径和衰退区域；区域灯光设置在路灯、烛灯这种类型，在生成光线跟踪上启用，这样可以使灯光更加逼真；移动灯光需调整运动轨迹，绑定摄像头上，大多是为更好表现画面感而设置的。在场景当中还会加入大气环境雾效果，在体积着色器中加入环境灯光雾，在细节上调雾密度和雾扩散，应用于天空环境中。

（2）阴影设定

阴影也是画面真实表现的一部分，阴影调节场景中对象的balance和对比度，场景中必须包含投影的灯光、投射阴影的曲面和捕获阴影的曲面，灯光必须同时照射到投射阴影曲面和捕获阴影曲面，但考虑制作的渲染时间，一般在作品当中只会适当加入特定光源和曲面来表现阴影。通过以上操作，创建整个环境的真实反射，之后可以通过控制优化光线跟踪来减少渲染时间，限制反射数量和反射曲面。

相对于白天时分，实践中模拟凌晨5点时分环境的模拟更加复杂，所能看到的东西就少，这时画面的表现力就显现的尤为重要。虚拟场景的环境灯光，在传统建筑还原的营造氛围中起到烘托的作用，使其必不可少（如图4.2所示）。

图4 整体场景效果图

5. 结论

以上论述针对唐代长安城建筑场景具体的操作流程，归纳总结出建模当中贴图的制作要点、建筑还原的特有元素、模型优化方式、环境灯光搭建要素等等。在效果和效率上做平衡，处理和分析古宫殿的特点，针对表现效果，提出一些模型、贴图、环境光等技术上的解决。通过对唐代场景还原的具体实践，研究并提取虚拟还原古建筑的规律和注意事项，希望以点代面，对唐代、宋代等朝代宫殿场景的还原有一定的借鉴和参考价值，能够更好地对古宫殿建筑文化进行保护与传承。

参考文献

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