次世代建模技术在历史文化街区数字化保护中的应用_茅成涛.pdf

ENVIRONMENTECOLOGYENVIRONMENT&ECOLOGY一、次世代建模技术“次世代”这个词语源自日语，意思是“下一代”，所以次世代技术可称为“下一代技术”。次世代技术凭借先进的渲染和引擎技术，给体验者带来真实的沉浸式感受。次世代概念最早是针对游戏行业而提出的，是一套游戏标准，1994 年日本的索尼公司推出的 PlayStation和世嘉公司推出的世嘉土星(SEGA Saturn)进行的游戏主机战争，便被普遍称为次世代战争。近些年，人们普遍认为次世代游戏真正起始于微软与索尼先后于 2005年和 2006 年发布的 Xbox 360 和 PlayStation 3，因为这两款游戏主机的游戏效果较以往的主机游戏有了显著的提升。次世代技术因游戏而生，包括作为其最核心的技术之一的引擎技术，也是基于游戏行业而开发的。但次世代技术具有出色的视听效果，其应用领域不局限于游戏开发，在艺术、影视、汽车设计、建筑等领域也得到了广泛应用。次世代建模技术相较于以往的建模技术增加了模型和贴图的数据量，并通过游戏引擎优化最终画面效果，其核心技术主要表现为模型搭建、贴图绘制、引擎测试。(一)模型搭建次世代建模多采用几何多边形网格建模的方式，过程相较于以往的传统建模方式更加烦琐。当下使用的三维建模软件有 MAYA、3Ds MAX、Blender 等。首先根据设定图进行轮廓的搭建，模型通常以中模的形式进行表现，以体现物体的基本结构特征为主要目的。其次在中模的基础上进行高模搭建，此阶段要尽可能地表现目标物体的细节。为了使模型具有足够丰富的细节，会采用给模型增加细分的方式，这就会涉及模型布线卡线的操作要点，可以通过卡线的方式保留结构特征，然后通过软件的平滑功能给模型整体增加细分，最终形成细节足够丰富的高模。最后一个步骤是低模搭建，这一步也可以称为模型拓扑。低模的质量关系到后续引擎测试和渲染的实际表现。低模的面数和布线方式相较于中模和高模具有更严格的要求，如果低模面数过多，会导致渲染滞缓和引擎运行卡顿，因此以最少的面数表现最多的结构是低模搭建的重要标准。另外，在模型的拓扑中，要根据模型的结构进行布线，尽量避免三角面的出现，尽可能使用四边面布线方法，尤其在模型的结构转折处更要如此，因为三角面会影响后续的 UV 展开和贴图烘焙甚至是动画绑定。在具体操作方面，第一种方法是在中模的基础上进 行 改 线，第 二 种 方 法 是 利 用 MAYA、ZBrush、3D-Coat 等软件中的重拓扑功能，还有一种方法是借助ZBrush 软件中的 Decimation Master(减面大师)插件或ZRemesher 工具对高模进行快速的减面优化和重新布线。(二)贴图绘制当下的次世代建模技术使用极致精细的高模来表现丰富的细节，一个高模甚至会达到上千万、上亿的面数，如此大的面数会造成资源的耗尽，因此次世代建模技术提供了一种高低模互导法线信息的方式，以法线贴图代替高模的大量细节信息。它本质上不改变模型的形状，而是通过影响模型表面的阴影来表现凹凸效果，法线贴图在次世代建模中属于基础贴图信息。得益于近几年出现的 PBR 流程(Physically-BasedRendering)，次世代建模技术可以依靠更多的贴图来表现物体的真实效果。PBR 流程是一种基于物理规律模拟的着色和渲染技术，它能够更精确地描述光是如何与物体在表面进行交互的，主要包括基于物理的材质、基于物理的光照和基于物理的相机三个部分。【城市公共艺术研究】次世代建模技术在历史文化街区数字化保护中的应用茅成涛摘要：通过对当下历史文化街区的数字化保护手段和次世代建模技术的分析，总结出当下历史文化街区数字化保护手段存在的缺乏真实感、体验感等缺陷及其成因，重点研究如何将次世代建模技术更好地融入历史文化街区数字化保护中。关键词：历史文化街区；数字化保护；次世代建模技术742022 12PBR 流程主要分为 Metallic/Roughness(金属值/粗糙度)和 Specular/Glossiness(镜面反射/光泽度)两种工作流，目前大部分三维软件都支持这两种工作流的信息传输。这两种工作流烘焙出来的贴图有些许的不同。Metallic/Roughness 工作流能够产生 base color、rough-ness、metallic 三种贴图。Specular/Glossiness 工作流能够产生 diffuse、specular、glossiness 三种贴图。两种工作流同时包含相同的贴图信息，分别是 normal、height、ambient occlusion 三种贴图。(三)引擎测试将资产导入引擎运行，是次世代建模技术的最后一环。引擎提供编写内容所需的工具，依靠程序代码进行控制，并且它还容纳模型、材质、灯光、动画、特效、物理系统、运动系统、碰撞检测等一系列内容的集合与最终运行。当下主流的次世代引擎有 UE(Unreal Engine)和 Unity3D，二者皆能较好地支撑模型资产和贴图材质的应用效果，通过实时的光照渲染，使模型细节和材质真实性完美呈现。二、历史文化街区的数字化保护手段随着科学技术的发展与社会各界文物保护意识的不断增强，历史文化街区数字化保护已成为文物保护工作的重要内容。受当前数字化保护技术发展趋势的影响，构建现代化、科技化的文物保护体系成为行业内的重要研究课题。本文分别选取数字博物馆、720全景街区、虚拟现实街区、三维漫游动画四种当下常见的历史文化街区数字化保护手段进行阐述。(一)数字博物馆博物馆作为文化传播的重要载体，代表的是一个地区发展的年轮轨迹。数字博物馆是传统博物馆与现代化科技结合的产物，是一个通过数字形式来收集、保存、利用自然遗产和文化遗产的信息服务系统，其涉及多媒体技术、人工智能技术、增强现实技术、虚拟现实技术等新兴技术。其通过全面的信息库，能够突破时间和空间的限制，根据现实情况恢复、重塑文化，为文物构建起更为完善的安保空间。相较于传统博物馆，数字博物馆的信息检索更为方便、快捷，具有智能指向性，并且在文物展示方面，其表现更具趣味性，能够吸引更多的公众。(二)720全景街区720全景技术凭借全方位、无视觉盲点的特点被广泛应用于房产、展馆等领域，尤其随着虚拟现实技术的发展，人们佩戴 VR 眼镜可以获得更具沉浸感的体验，比如虚拟旅游、虚拟展馆参观等体验。720全景技术应用于街区可以充分发挥其忠于现实、呈现真实内容细节等的优势，不仅可以突破时间和空间的限制，为参观者提供全景展示服务，还可以协助文物保护部门针对文物实体进行保护和监督，基于街区现状及时制定科学的治理方案。720全景街区使用 720全景拍摄技术，主要的拍摄方式有相机+全景云台和专业全景相机两种。相机+全景云台是较为普遍的拍摄方式，拍摄工具可以选用单反相机或微单相机甚至是手机，全景云台包括自动云台和手动云台。相机+全景云台的拍摄方式要求拍摄人员具备较高的技术水平，拍摄的流程也较为复杂，但是成像画质优秀。专业全景相机拍摄的方式可以实现一键拍摄全景，解决相机拍摄只能取景单角度的难题，并且不需要拍摄人员具备较高的技术水平，缺点是专业的全景相机价格高昂，并且最终成像画质不及单反相机的效果好。(三)虚拟现实街区近些年，虚拟现实技术凭借沉浸性、交互性、想象性的特点，被广泛应用于各行各业，虚拟现实街区更是成为文物保护与现代科技结合领域所关注的重要研究内容。虚拟现实街区是通过创建交互式三维动态场景来模拟真实世界，通常借助 VR 眼镜对历史文化街区进行动态展示，参观者可以全方位无死角地观察街区。虚拟现实街区的优势还体现在其可以自主地对街区进行美化和修复。同时，还可以加入模拟真实世界的交互内容，使虚拟现实街区能够给人带来真实沉浸感，兼顾艺术美感的表现。(四)三维漫游动画三维漫游动画与虚拟现实街区类似，都需要进行前期的调研、测绘、模型搭建等工作，二者的不同点在于三维漫游动画是设置好漫游路径进行观看，不能像虚拟现实街区一样可以自由游览且给人带来交互性的操作体验。三、次世代建模技术在历史文化街区数字化保护中的应用(一)当下历史文化街区数字化保护的缺点1.体验感缺失目前的历史文化街区数字化应用普遍存在技术应用滞后、内容单一的问题，导致用户的体验感缺失。以数字博物馆为例，目前市面上的大多数数字博物馆是以75ENVIRONMENTECOLOGYENVIRONMENT&ECOLOGYApp 或小程序的形式进行展示，其导览形式单一，文物的内容多以图片、影像配合文字和语音的形式呈现，缺乏交互体验，容易导致观赏者对其形式感到单一乏味。2.视觉效果与美感缺失以百度地图为例，百度地图全景分为街景与内景，均属于 720全景，其采用车载的方式拍摄，主要用于全景导航，实际上其视觉画面效果并不理想。主要存在以下三点问题：一是全景地图影像存在被大量障碍物遮挡的情况，由于车载拍摄的高度与车辆高度齐平，以及对拍摄角度不考究，导致路边停靠的车辆和其他障碍物对两旁的建筑物遮挡严重，难以准确观察街区全貌；二是拍摄选景及构图角度存在不足，拍摄的景物多采用路口的视角，不能突出具有历史价值的建筑物，并且构图角度缺乏艺术美感；三是全景拍摄没有考虑天气的因素，很多场景拍摄于光线不充足的阴天或雾天，导致街区整体视觉效果不清晰。3.真实感缺失当下几乎所有的数字化保护技术都会涉及建模技术，尤其以虚拟现实技术为代表，模型场景的搭建是基础，但是传统的建模技术所构建的虚拟场景不论是在材质上还是在光影上都与真实的场景有一定的差距，并且有的虚拟项目偏重于人机交互体验的开发，忽略了对模型场景优劣的关注。如果没有真实感的虚拟场景，虚拟现实效果又怎么能得到真正意义上的体现呢？(二)历史文化街区数字化保护与次世代建模技术的契合点利用数字化保护模式对历史文化街区文化进行传播。数字技术可以方便人们随时随地、沉浸式、全方位、多视角、寓教于乐地接触历史文化，使观赏者足不出户便可得到亲身参访历史文化街区的体验。次世代建模技术能带来高质量的仿真虚拟环境，这正是历史文化街区数字化保护所需要的。虚拟街区的模型质量优劣关乎数字化保护项目的成败，将次世代建模技术融入历史文化街区数字化保护是合理且有必要的。(三)次世代建模技术应用于街区保护的制作流程与技术路线1.信息采集信息采集是前期的必要准备工作之一。通过测绘和拍摄的方法，对街道及建筑的信息进行统计分析。测绘主要使用卷尺、测距仪等工具，对建筑物和道路进行测量，并进行数据的整理记录。拍摄是将建筑物的结构信息、细节内容和材质特征以图像的形式进行记录，以便接下来模型搭建和绘制贴图的顺利进行。2.模型搭建根据前期的测绘信息，在三维建模软件中实现模型的搭建。首先以中模的形式构建出街区场景的结构轮廓，其次以高模的形式丰富建筑物的细节，包括墙体上的纹样、装饰等，最后在中模的基础上对其进行合理的改线布线，形成最终渲染及引擎测试所使用的低模。3.绘制贴图贴图的绘制依托于低模的信息。首先需要将低模展开 UV，其次烘焙出低模的法线贴图，再将低模和法线贴图导入 Substance Painter 等贴图绘制软件中，基于PBR 流程绘制烘焙出上文所提及的多种类型贴图。4.全景渲染及引擎测试以 3Ds MAX 为例，给搭建好的模型赋予材质，准备好场景灯光、背景贴图及相机，通过 3Ds MAX 内的V-Ray 渲染器实现高质量的全景渲染或全景漫游，可将其用于 720全景街区或三维漫游动画的制作。如果要制作交互式的三维动态街区场景，需要将模型资产导入次世代引擎中运行，例如 UE 和 Unity3D，依靠程序代码实现模拟与真实世界的交互，并且引擎提供的实时光照可以使街区场景的材质真实性得到更完美的呈现。四、结语历史文化街区是重要的文化资源，探索出有效的历史文化街区的保护措施是当下急需解决的问题，依靠数字技术对其进行保护更是行业内重要的研究课题。次世代建模技术所带来的真实沉浸感正是历史文化街区数字化保护所追求的，次世代建模技术的应用会给文物数字化保护带来突破性的发展。参考文献：1卞妍.虚拟现实引入次世代建模技术的可行性分析J.