摘要：历史建筑是城市政治、经济、文化发展的物质载体，但是在漫长的发展过程中，由于自然环境的变化、社会的城市化进程以及人为等多种因素的影响，其生存环境受到严重的破坏。为了对其进行数字化保护以及快速、真实地呈现建筑可视化的虚拟现实效果，采用3ds Max与Lumion相结合的方法实现建筑的三维虚拟仿真模型设计与虚拟现实效果表现。文章以梧州市授三公祠历史建筑作为实例，利用3Ds Max软件构建宗祠建筑主体与建筑构件模型，导入Lumion软件中对其进行场景配置、材质调整与优化、摄像机视角校正、特效选择与处理、场景渲染设置与输出，完成宗祠建筑的可视化效果表现。

关键词：虚拟现实；历史建筑；授三公祠；仿真设计；可视化；表现

一、引言

授三公祠是一座有着百年历史的祠堂古建筑，建筑形式为三进三开间、左右两耳房，屋顶为博古、花鸟灰塑、镬耳垂脊，抬梁穿斗式木构架结构、吉祥花鸟动物图案及木雕饰于其上，檐壁绘有“渔樵耕读”“孔融让梨”“渭水访贤”等山水花鸟人物故事壁画，具有较高的历史、艺术、人文价值。宗祠建筑是以家族为单位，由家族成员、手工匠人等共同建造完成，其建筑承载的祭祀礼仪、营造方式、装饰色彩等物质与精神文化，在家族与族群中具有强烈的认同感和归属感。因此授三公祠不仅仅是一座历史建筑，更是联系宗亲家族血缘关系的纽带与载体，2009年被列入广西自治区级文物保护单位。

随着时间的发展，宗祠建筑面临着自然因素带来的物质性与结构性衰退以及非科学性修复带来的破坏等威胁，其生存状况、文化生态环境、建筑保护面临着巨大的困难与严峻的挑战。

虚拟现实是基于计算机图形学、计算机网络、人工智能等技术，以现实世界为蓝本（真实世界为原型），模拟创建与还原的三维可视化场景模型，增加使用者视觉、听觉、动觉等多感觉参与体验的计算机仿真系统。虚拟现实技术的发展改变着对传统建筑遗产的静态保护方式，计算机系统为传统建筑遗产的保护、研究提供了新的技术手段与展示平台，对于传统建筑遗产的数字化保护与文化展示起到了重要的作用。

3ds Max是一款具有强大建模功能的软件，但是3ds Max对于快速创建高精度植物模型或者实现跟随地形布置大批量植物效果时，与其他软件相比存在不足。同时随着场景及模型数量、面数的增大，3ds Max可能出现系统的不稳定性以及渲染输出时间的不确定性；在调整场景模型或参数时3ds Max无法获得即时性的渲染参考效果。

针对上述3ds Max所存在的问题，Lumion可以提供更加精细与多样化的植物模型（同时支持由speedtree软件制作的植物扩展模型）以及实现根据地形状态快速批量地布置不同类型的植物模型。在材质系统方面可以提供并调整由于时间因素产生的污渍、霉菌等具有风化效果的钢铁、石材、砖块等真实质感的材质预制效果。

此外Lumion提供基于照片、电影、全景三种模式下的快速输出高品质可视化的预览效果，便于对建筑场景及细节进行即时性的调整。Lumion系统内置的颜色校正、模拟色彩实验室系统为构建真实、生动的建筑日景、黄昏、夜景表现提供了更大的可能性与便捷性。

因此本文从数据与信息采集、二维图纸创建、三维建筑模型创建、建筑场景配置与渲染输出等方面（图1），研究3ds Max与Lumion相结合的方法在宗祠建筑虚拟仿真设计中的应用，并通过对比测试验证方法的有效性。

二、宗祠建筑虚拟仿真设计过程

宗祠建筑虚拟仿真设计的逻辑起点是对授三公祠建筑位置与环境、建筑空间布局、建筑结构、建筑装饰、造型与艺术风格等真实性、完整性信息进行采集、整理与分析。

（一）数据采集

利用激光测距仪、三维扫描仪等设备获取宗祠建筑主体、建筑结构的数据信息；利用地理信息技术获得宗祠建筑周边环境信息；利用数码相机采集宗祠建筑二维与三维纹理、色彩、图案信息，通过Adobe Photoshop软件对建筑纹理、图案进行拼合处理，对色彩进行分析与校正。

（二）二维图纸创建

对上述采集信息与数据进行优化、分析，利用Autocad软件对宗祠建筑平面布局、梁架结构立面、墙体立面图纸进行绘制。为避免图纸导入3ds Max出现错误，将CAD图纸以写块方式进行保存与输出。

授三公祠沿建筑轴线依次设置前堂、中堂、后堂，左右为侧室。两堂之间各设置天井，天井两侧分别设置侧廊连接各堂。（图2）

前堂是宗祠建筑的始端，以门墙为界划分前堂的前跨、中跨、后跨。前跨进深较深，为五步架，在前跨檐柱与门墙之间设置有穿插枋并在穿插枋上设置花板式梁架，起到抬升、支撑前跨檩的作用。前堂中后跨空间为朝向天井的开敞空间。中跨梁架是通过梁上瓜柱将梁架依次抬升形成整个前堂空间。后跨梁架同前跨结构类似，即通过花板式梁架抬升檩条形成梁架空间。（图3）

中堂，又称拜堂或者享堂，承担着家族聚会、家族事宜讨论地等作用。在前金柱及檐柱之间为中堂前跨、前金柱到后金柱处为中跨，后金柱到门墙处为后跨。中堂前跨的架构跟前堂的后跨架构类似，同样是通过制作精细的穿插枋与花板式梁架来抬升与支撑檩条，起到抬梁与支撑的作用。中后跨为抬梁穿斗式结构，在梁上放置瓜柱，通过梁穿过瓜柱来支撑檩条同时也起到抬升梁的作用。（图4）

后堂，也称寝堂或祖堂，位于整座宗祠建筑最后，设置供桌供后人祭拜、瞻仰。后堂梁架结构跟中堂结构相似，区别在于采用回纹博古梁架将檩条抬升起来。后堂整体装饰性较少，整体朴素的风格与后堂宁静的气氛相匹配，给后堂营造了先祖灵魂居所的深幽、神秘的阴性空间氛围。（图5）

（三）三维模型创建与材质贴图

1.三维模型创建

宗祠建筑结构较为复杂，涉及墙体、柱础、梁架、檩、椽、屋脊、瓦片等建筑主体与建筑构件，因此三维模型的创建首先要在3Ds Max图层资源管理器中根据前堂、中堂、后堂、侧室空间以及建筑结构分别设定图层的层级与名称。

在3ds Max中导入CAD图纸，根据CAD图纸与数据信息利用多边形建模、网格建模、曲面建模等方法进行宗祠建筑模型的创建。建模过程中注意在修改器中详细命名建筑主体与建筑构件的名称，便于模型的准确查找与修改。在保证宗祠建筑模型完整性、比例性的基础上，通过减少模型分段数和迭代次数、采用优化修改器或者Polygon Cruncher减面插件，尽量减少模型的面数。此外，通过翻转法线命令调整所有模型的正面朝外，以此保证后续贴图的正确赋予与显示。（图6）

鉴于宗祠建筑场景模型较大，为了保证3ds Max模型导入Lumion后放置、选择与显示的便利性、整体性与正确性，在3ds Max中对XYZ坐标轴进行归零，按照前堂、中堂、后堂、侧室分批导出格式为.fbx的独立模型，这里不用导出动画、灯光、摄像机选项。

2.材质贴图

利用佳能数码相机选取光照均匀的时间段、正面无遮挡角度拍摄建筑纹理、图案、文字图片，对拍摄的图片进行命名与编号。对采集的纹理贴图通过Adobe Photoshop图形处理软件对其色相、明度、角度等进行处理与校正。

Lumion材质系统默认是通过材质来区分物体与模型，为了区别不同区域、部位的物体，必须前期在3ds Max中对不同物体的材质分别赋予材质，进行材质区分，否则导入Lumion中会被识别为一种材质的物体。

此外，Lumion材质系统只能够识别3ds Max中的标准材质，因此在3ds Max材质编辑器中需要采用标准材质对模型物体进行赋予；并通过对模型物体进行UVW贴图调整，最终实现建筑模型材质的正确赋予。最后在3ds Max中通过资源收集器命令，规范所有材质贴图的路径，将场景中的材质贴图放置于上述导出的.fbx模型文件夹中。

（四）场景配置与渲染

1.导入模型

在Lumion物体系统下的导入选项中，分别导入前堂、中堂、后堂、侧室建筑模型。在放置模式下，选择前堂、中堂、后堂、侧室建筑模型，单击关联菜单下的变化选项，选择对齐命令后Lumion系统将自动对前堂、中堂、后堂、侧室建筑模型按照3ds Max场景模型进行自动组合。同时将整体模型放入Lumion左上角的图层中并对图层进行重命名，便于后期场景模型的选择与调整。

2.场景配置

在Lumion物体系统下的自然选项下选择并添加合适的乔木、灌木、草本植物模型；在人和动物选项下选择并添加合适的2D/3D或静态/动态人物模型以丰富宗祠建筑场景。

3.材质调整

针对宗祠建筑场景材质，在Lumion材质系统中可使用系统预设材质或者自定义材质，根据材质的特性对着色、光泽、反射率、视差、缩放等参数进行调整。

需要强调的是，宗祠建筑在时间因素的影响下，瓦片、石材、砖块、木材等材质的表面或边缘会出现风化与磨损的情况，在Lumion材质编辑器下的显示扩展设置中，通过调整材质风化与边的参数能够表现材质的较为逼真的质感。（图7、图8）

4.场景特效

在遵循宗祠建筑真实性、完整性的基础上，充分发挥Lumion光影、色彩、阴影特效优势，通过对宗祠建筑前堂、中堂、后堂场景进行太阳、天空和云、天空光照、颜色校正、模拟色彩实验室、阴影、超光等特效选择与调整（图9—11），深化对宗祠建筑结构、建筑装饰、材料质感与肌理、场所氛围进行艺术性加工与表现。

5.场景渲染

Lumion提供图像以邮件（1280×720）、桌面（1920×1080）、印刷（3840×2160）、海报（7680×4320）四种渲染输出选项。提供视频以草稿品质（无全局光，云彩及体积云等特效）、一般品质（无全局光，云彩及体积云等特效）、产品级质量（全特效，4X/8X/16X抗锯齿）五种渲染输出选项。

三、方法测试

选取Windows10的64位操作系统为本文方法测试平台，硬件配置为：CPU为Intel Core i7—7700 @3.60GHz、显卡为NVIDIA GeForce GTX1660 SUPER、RAM为8GB、硬盘为1TB。（表1）

利用3ds Max与Lumion相结合的方法，选用海报（7680×4320）规格进行渲染输出，单张效果图渲染耗时10分钟，效果如图12—14所示。

通过对3ds Max传统方法与3ds Max+Lumion相结合的方法在场景配置与调整、可视化预览、渲染速度、效果表现方面进行比较测试（表2），结果显示3ds Max+Lumion相结合的方法在保证效果表现质量的前提下，在测试与渲染速度上明显优于3ds Max传统方法，适用于建筑仿真设计与表现。

四、结论

Lumion在创建模拟现实环境时，在配景、材质、光影、特效等方面具有较大优势，通过GPU高速渲染方式可以用更快的速度输出优质的高清静态图片与动态视频。一方面可以极大缩短制作时间，另一方面Lumion生成的VR全景影像，可全面展示360°球型范围内的景象，并最大限度地保留场景的真实性，增强场景的沉浸感，为使用者带来良好的参与感和可操控性。本文利用3ds Max与Lumion相结合的方法可为历史建筑保护、园林景观设计、城市规划设计等领域提供高效、优质、便捷的三维可视化设计方法。

 

2021年度教育部人文社会科学研究规划基金项目（21YJA760084）；2021年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2021KY0654）

 

参考文献：

[1]谷岩，曾鹏.古建筑破损构件的数字化修复应用策略分析[J].艺术与设计（理论），2022（11）：99-100.

[2]张晓，徐佳琪，职滢.古建筑群数字化保护与展示研究——以晋城青莲寺为例[J].艺术与设计（理论），2022（04）：73-75.

[3]王丹婷，蒋友燏.古建筑三维虚拟建模与虚实交互软件实现[J].计算机应用，2017，37（S2）：186-189.

[4]李恒凯，李小龙，李子阳，等.构件模型库的客家古村落三维建模方法——以白鹭古村为例[J].测绘科学，2019，44（08）：182-189.

[5]覃丽琼.基于Lumion的虚拟现实景观仿真设计与实现[J].现代电子技术，2019，42（08）：68-72.

[6]陈云波，冯亚飞，季晓波.利用3ds Max与三维激光扫描技术生成三维建筑模型的研究与实践[J].测绘通报，2016（12）：77-80.

[7]陈邦泽，杨晓波，郭霖蓉，等.基于点云、三维模型的交互式虚拟博物馆漫游系统设计[J].实验室研究与探索，2017，36（05）：84-87+173.

版权声明：【除原创作品外，本平台所使用的文章、图片、视频及音乐属于原权利人所有，因客观原因，或会存在不当使用的情况，如，部分文章或文章部分引用内容未能及时与原作者取得联系，或作者名称及原始出处标注错误等情况，非恶意侵犯原权利人相关权益，敬请相关权利人谅解并与我们联系及时处理，共同维护良好的网络创作环境，联系邮箱：603971995@qq.com】