靳文忠建筑表现中的关键技术及研究版.docx

1、靳文忠建筑表现中的关键技术及研究版摘要建筑表现要以一定的中介系统或表现媒介来向人们展示建筑及其设计的内容、特征及涵义，传达设计意向，更是与建筑设计过程交互作用不可分割的的一个手段。从建筑表现媒介工具的技术发展轨迹来看，建筑表现的方法可以分为一维的语言文字、二维的图纸系统、三维实体模型、四维的动画，以及多通道的虚拟现实技术。虚拟现实作为表现工具是它在建筑领域的主要用途。当前，限制虚拟现实技术在建筑表现领域大规模普及应用的一个重要原因是虚拟场景建模效率的低下。不同建模环境之间的数据交换有利于建模环境之间优势互补、数据共享以及提高建模效率。绿化是建筑表现的一个重要内容。尽管雪景是世界上很多地区最常见

2、的自然场景之一，但关于雪景实时表现的研究工作还有待于进一步扩展。本文第一章从建筑表现的基本概念和理论出发，循着建筑表现媒介工具的历史发展轨迹，论述了建筑表现媒介工具的最终发展虚拟现实技术在建筑表现中的应用。第二章介绍了计算机三维建筑模型的文件格式和数据组织方法，重点介绍了OpenFlight文件格式和3D Studio MAX的插件开发方法，并实现了二者之间的数据交换。第三章从快速建模理论出发，提出如何在大规模虚拟城市场景中构建地形的方法，并在MultiGen Creator建模环境中以插件方式实现。第四章则秉承第三章的理念与方法，实现在大规模虚拟城市场景中进行绿化的快速建模，其中涉及曲线的交

3、互产生、修改与存储。第五章介绍了雪景中建筑的实时表现技术。本章首先分析了雪景模拟的应用背景，考察了计算机图形学中雪景模拟的相关工作，进而给出雪景模拟的数据结构和加速绘制算法，并实现了一个简单的建筑场景漫游引擎及基于该引擎之上的雪景中的建筑表现效果。最后对本文所做工作进行了总结，并讨论了今后可能继续的研究方向。关键词：建筑表现，快速建模，雪景，虚拟现实AbstractArchitectural illustration needs to show the content, features and inherent meanings of the architecture and its des

4、igns by certain tools and illustrational medium, and conveys the intent of architectural design to people and furthermore, is an important method cannot be separated from the interactive process of architectural designs. In point of the track of the technical development of medium and tools of archi

5、tectural illustration, the methods of architectural illustration can be divided into five categories, which includes the one-dimensional word, two-dimensional drawings, three-dimensional solid model, four-dimensional animation and the multi-dimensional virtual reality technology. In the field of arc

6、hitecture, the virtual reality technology is most mainly use as illustrational tools. At present, the inefficient modeling of the virtual scene is one of the most important factors that hamper the application of virtual reality technology in the field of architecture on large scale. The data exchang

7、e among various modeling environments makes for the mutual-complement of relative advantages and data sharing among various modeling environment. Virescence is one of important content of architectural illustration. Even though snow is a most common occurrence in many places of the world, the resear

8、ch on the snow simulation in real-time is an area has still to be explored.Starting from the basic concepts and theory and following the track of history development of architectural illustration, in the first chapter of this thesis we introduces the application of virtual reality, which is the ulti

9、mate development of architectural illustrational tools, in the field of architectural illustration.In the second chapter, we presents the file formats and the organization of virtual scene data, of which the emphases is the OpenFlight file format and the development method of 3DS MAX plug-ins, and i

10、mplements the data exchange between the two modeling environments.Based on the theory of rapid modeling, in the third chapter we presentsthe method used to modeling landform in the process of construction of large scale virtual city and practices the method in MultiGen Creator by ways of developing

11、plug-ins for the software.Taking the concept and theory introduced in the third chapter, in the fourth chapter we implement the rapid planting method in the process of construction of virtual city. The interactive creation, modifying and storing of Cardinal curve are also involved.In the fifth chapt

12、er we introduce our research on the real-time rendering of accumulation snow. In this chapter, the application background of snow simulation is firstly analyzed and the related work is reviewed, the data structure and accelerating rendering arithmetic are presented and a simple walkthrough engine wi

13、th snow simulation effect is designed and implemented.At last, we summarize the work of this thesis and discuss the possible further work on the subject of key technologies of architectural illustration.Keyword：architectural illustration，rapid modeling，snow，virtual reality目录摘要 IAbstract II第一章 引言 11.

14、1建筑表现的定义 11.2建筑表现的内容 11.3建筑表现的目的和意义 31.4建筑表现的媒介工具 41.4.1一维语言文字 41.4.2二维图纸系统 51.4.3三维实体模型 51.4.4四维动画 61.5多通道的VR技术 71.6本文的工作和论文组织 10第二章 虚拟场景的建模环境及数据交换 122.1概述 122.2 MultiGen虚拟现实建模环境 122.3 OpenFlight数据库层次结构 132.3.1 概念 132.3.2 特征 152.4 3D Studio MAX简介 162.5 3DS MAX SDK概述 172.5.1插件的定义 172.5.2软件开发工具包（SDK）

15、描述 172.5.3插件类型 172.6 MultiGen与3DS MAX的数据交换 182.6.1为什么要交换 182.6.2相关的工作 192.6.3本文的做法 202.6.4从MultiGen到3DS MAX 212.6.5从3DS MAX到MultiGen 232.7实验结果 242.8小结 27第三章 地形的快速构建 283.1背景 283.2虚拟地形特点分析 283.3原理与实现 293.3.1 非平整面的处理 303.3.2 纹理设置 303.3.3 LOD生成 313.3.4 模型优化 313.4实验结果 323.5小结 33第四章 建筑绿化的表现 344.1建筑绿化的背景 3

16、44.2建筑绿化的实现方法 354.2.1曲线路径的生成 354.2.2树木方位的计算 374.2.3树木的选择 384.3实验结果 384.4小结 40第五章 雪景的处理 415.1背景 415.2相关工作 425.3本文的目标 445.4要解决的问题 445.5技术路线 455.6数据结构 455.6.1降雪模型 455.6.2积雪模型 455.6.3雪花累积 455.7算法测试平台的实现 465.8实验结果 465.9小结 46第六章 结论 496.1论文工作总结 496.2进一步的工作 49参考文献 51致谢 55攻读硕士期间所发表的论文 56第一章 引言1.1建筑表现的定义所谓建筑表

17、现，简而言之，就是指以平面或立体形式形象地表现建筑设计意图和效果的造型手段1。但更全面的定义应该更接近于罗杰斯克鲁登在建筑美学中所指的“表达”，它不仅有叙述描写和阐释的功能，更是作为对建筑的特征和内涵的“暗示”；不仅反映对象（建筑）的内容，也指向其感受和意义；不仅是对多维度媒介的综合应用，更是与设计过程交互作用密不可分的手段，甚至它本身就可以融入了设计之中设计方案的发展与表现不应该是两个割裂的部分2。由以上定义可知，建筑表现是要以一定的中介系统或表现媒介来向人们展示建筑的内容、特征及涵义，传达设计意向，更是与建筑设计过程交互作用不可分割的的一个手段。以下从这个定义出发，介绍建筑表现的相关概念和

18、相关技术。1.2建筑表现的内容首先，建筑表现要向建筑单位、审查单位、用户等有关方面展示建筑设计的空间（或视觉）效果，这也是建筑表现最基本的、传统的表现内容。（a） 夏日阳光中的南大北大楼（b）冬日白雪中的南大北大楼图1-1 同一建筑物在一年中的视觉效果变化资料来源：其次，从时间上来讲，建筑表现要表现建筑在不同时间段的视觉效果。例如在一年中，春天的沙尘暴、夏日的磅薄大雨、深秋的雾色朦胧、隆冬的白雪皑皑，都将使同一建筑物表现出不同的视觉效果（参见图1-1）；在一天之中，黎明、中午、黄昏、夜晚等不同的时间段里，由于日光条件的变化，建筑物也将有不同的色彩特征（参见图1-2）。（a）一幢写字楼白天的视觉

19、效果（a）一幢写字楼夜晚的视觉效果图1-2 同一建筑物在一天中的视觉效果变化资料来源：水晶石图库光盘最后，由于建筑设计，尤其现代建筑设计，其内涵并不局限于空间范畴，还包括三维空间之外的声场音响效果、光照条件、能源利用、材料质感等范畴，以及与周边环境的协调等问题，因此建筑表现也应该包括这些方面的内容。1.3建筑表现的目的和意义休费里斯（Hugh Feriss）在1929年出版的Britanica百科全书中写道，渲染表现有六个目的：传达对适当结构的认识；帮助建筑师透析出其思想中的观念；对存在的建筑之伟大进行诠释；对城市规划的批评与指导作用；帮助发展新型建筑；以及加强建筑对人类价值的心理影响2。建筑

20、表现的意义在于，通过建筑表现，可以把建筑师的的设计意图明确清晰地表现出来，与用户或施工者进行沟通。建筑表现图也是建筑艺术的一部分。通过建立三维实体模型，可以帮助建筑师分析自己产品的最终效果。使用计算机三维动画作为表现的媒介，建筑表现可以使得人们在建筑被构造出来之前，按照预先定义好的路径，步移景异地观察建筑物。应用虚拟现实的建筑表现则不仅使得人们可以在三维视觉空间中体验虚拟建筑的外观造型，更可以在不同的时间范围内，甚至时空范畴之外去预先体验建筑的整体效果。1.4建筑表现的媒介工具从建筑表现的媒介工具的技术发展轨迹来看，建筑表现的方法可以分为一维的语言文字、二维的图纸系统、三维实体模型、四维（时间

21、和空间）的动画，以及多通道的虚拟现实技术（有关虚拟现实在建筑表现中的应用将在1.5节论述）。1.4.1一维语言文字我们最熟悉的用文字媒介工具对建筑空间再现的例子，来源于初中语文第二册的课文雄伟的人们大会堂。该课文纯粹用语言文字向人们“表现”了人民大会堂的宏大规模和雄伟气势。在天安门右前方，巍然耸立着一座雄伟壮丽的大厦，这就是人民大会堂。全国各族人民的代表在这里共商国策。庄严的人民大会堂，是首都最宏伟的建筑之一，建筑面积达171 800平方米，体积有1 596 900立方米。一条黄绿相间的琉璃屋檐，把巍峨的大会堂的轮廓从蔚蓝的天空中勾画出来。那壮丽的柱廊，淡雅的色调，以及四周层次繁多的建筑立面，

22、组成了一幅庄严绚丽的画图。我们在建筑师的陪同下，从天安门广场往西走，参观人民大会堂。老远就看见镶嵌在正门顶上的国徽的闪闪金光。踏上一层楼高的花岗石大台阶，迎面是12根浅灰色的大理石门柱。门柱有25米高，柱身要4个人才能合抱过来。柱距采用我国柱廊的传统样式，明间宽，紧邻的两个次间较窄，再往两旁，各4个次间又较窄。这样高大而有力的柱廊，是建筑师们吸收了中外古今门柱造型的优点创造出来的。迈进金黄色大铜门，穿过宽阔的风门厅和衣帽厅，就到了大会堂建筑的枢纽部分中央大厅。建筑师站在这里，指着四周向我们介绍了整个建筑的布局：朝西直入万人大礼堂；往北通宴会厅；向南穿过长长的廊道，是全国人民代表大会常务委员会的

23、办公大楼。整个建筑就是由这三部分组成的。万人大礼堂，里面宽76米，深60米，中部高33米，体积达86000立方米，像一座大厦。但是由于设计师们处理得巧妙，走进大礼堂的人放眼一望，从屋顶到地面，上下浑然一体，并不感到怎样空旷。屋顶是穹窿形的，天花板上纵横密排着近500个灯孔。灯光齐明的时候，就像满天星斗。顶部的中心挂着红宝石般的五星灯，灯的周围是70条瑰丽的光芒线和40瓣镏金的向日葵花瓣，象征着全国各族人民万众一心，紧密团结在中国共产党的周围。在它的外围，有三环层次分明的水波形暗灯槽，同周围装贴的淡青色塑料板相映，形成“水天一色”的奇观。大礼堂椭圆形，有两层挑台像两弯新月，围拱着主席台，使大礼堂

24、成为层次分明错落有致的整体。两层挑台连地面共3层座席，有9600多个席位。礼堂的主席台象个小会场，能容纳300多人。礼堂底层席位的桌柜都装有能同时翻译12种语言的译意风，每4个席位还有一个即席发言的扩音器。第一层挑台的第一排同样装有扩音器，其余席位都有能听到一种语言的扩音小喇叭。屋顶和挑台下的灯光，能够把礼堂的各个角落照得通明3。用语言文字来表现建筑，显著的优点是可以直接地向读者传达建筑设计师的设计意图，揭示建筑设计的内在涵义和功能特征，如例文中“全国各族人民的代表在这里共商国策”，“象征着全国各族人民万众一心，紧密团结在中国共产党的周围”等等。但由于语言文字自身的模糊性，用语言文字作为媒介工

25、具来表现建筑也是不精确的，显然不能作为建筑施工者的指导标准。另外由于语言的抽象性，读者需要动用自己的想象力，才能在脑海中形成建筑的“效果图”。1.4.2二维图纸系统图1-3某建筑图纸资料来源：二维图纸系统是以纸为载体的建筑表现工具。用于表现建筑的是平面图、立面图、剖面图、透视图等这些专业表达语言（参见图1-3）。二维图纸系统类似于一个照相机，把完整的建筑形象以抽象的方式从某一个假想的视点位置截取出来，成为一套相互参照自成一体的建筑表现系统。与一维的语言文字系统相比，二维图纸系统则更加抽象使用只有专业人员才能读懂的符号。但二维图纸具备精确性，可以用于建筑施工图，而且可以作为具备法律效力的建筑文档

26、。1.4.3三维实体模型三维实体模型是指为展示、试验或者观测等用途，根据建筑的形状和结构，使用木材、塑料等材料按照一定比例制成的立体建筑模型（参见图1-4）。这使得建筑师可以将设计产品作为一个整体加以检验，从而在进一步深入之前，估计出可能的困难和开销。三维实体模型系统的优点在于允许用户在三维空间中以自然地方式直接地观察建筑对象，但最大的缺点在于尺寸、规模和材料细节等各方面的诸多限制。（a）日本平等院凤凰堂模型（1/75），高240毫米，长700毫米。（b）木制日本银行模型，高120毫米，长1400毫米图1-4 三维实体建筑模型资料来源：1.4.4四维动画传统的建筑表现媒介工具均未超出为静态三维

27、空间的范畴。但建筑本身所固有地诸多本质性的东西，并不局限于三维的空间之中。例如，中国的苏州园林从某种意义上讲还具有时间中的本质特性，因为其空间中的特性不是在一个固定的视点可以领略殆尽的，而需要随观赏路径的延伸而层层展开。因此传统的表现媒介工具在表现建筑的时间特性方面，似乎显得无能为力，这倒使得计算机动画在建筑表现领域有了大显身手之处。与前述的语言文字、图纸、模型等表现媒介相比，动画突破了三维空间的限制，使得观察者可以动态地在虚拟建筑场景中以预先定义好的路径进行漫游，这样观察者可以更全面地理解和评判建筑设计。但由于其自身的局限性，动画应用在建筑表现领域也并非完美无缺。动画需要预先定义漫游路径，这

28、使得观察者不能随自己意愿漫游建筑，这是动画作为建筑表现媒介工具的一个重要缺点4。另外，动画制作的过程相当复杂，制作成本高，周期长，通常在专业的动画制作公司完成，这使得以动画作为建筑表现媒介工具时只能适用于时间较短的简单演示5。最后，动画不具有交互性，不易于与建筑设计过程融为一体。需求推动技术的发展。各种建筑表现媒介工具的局限性，促使人们寻求更加能够揭示建筑表现内在涵义的媒介工具。虚拟现实技术的出现，正好适应了人们对建筑表现媒介工具的要求。1.5多通道的VR技术在论及虚拟现实在建筑表现中的应用之前，让我们首先来回顾一下所要表现的对象建筑及其设计的本质特征。建筑是三维空间中的几何实体；建筑不是静止

29、的，如前述苏州园林的例子；建筑是由一定的材料构成的，或木制，或砖瓦结构，而不同的材料有不同的质感；建筑都具备一定的功能，如音乐厅是人们欣赏音乐的地方；建筑的结构或外观并非一成不变的，如室内外的装修装饰，周边环境变化。建筑设计应当包含和反映建筑这些本质特征和涵义，其过程也是一个交互修改的过程。我们再来看虚拟现实技术的定义和特点。虚拟现实是用高科技手段构造出来的一种人工环境，它具有模仿人的视觉、听觉、触觉等感知功能的能力。虚拟现实技术的最终目的是提高人的认知能力，促进人与环境的交流，更深入的开发人类的智慧6。图1-4 沉浸式虚拟现实系统项目名称：上海城市规划局VR展示系统概 要：33M的大型4面屏

30、幕CAVE系统、具超群的临场感和投入感用 途：城市规划大型屏幕立体视觉展示系统等系统构成：OS：UNIX 工具：OpenGL、IRIS Performan、Creator、3D Studio MAX资料来源：根据G.Burden提出的虚拟现实三角形（3I）概念，虚拟现实系统通常具有以下特征：（1）沉浸性（Immersion）使用户感觉到已融合到虚拟现实环境中去，能在真三维图像的虚拟空间中有目的地漫游、观看、触摸、听取和闻嗅各种虚拟对象地特征，而且似乎离开了自身所处的外部环境，沉浸在所研究的虚拟世界之中，成为系统的组成部分。（参见图1-5）（2）交互性（Interaction）用户在虚拟世界中所

31、感受到的信息，经过大脑的思考和分析，形成自己想要实施的动作或策略，通过输入界面反馈给系统，实现与系统的交互和独立地控制系统运行的功能。（3）想象（Imagination）用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过联想、推理和逻辑判断等四维过程，随着系统的运行状态变化对系统运行的未来进行想象，以获取更多的知识、认识复杂系统深层次的运动机理和规律性7。对于建筑及其设计的本质特征，我们很容易在虚拟现实技术中找到其对应之处，如下表所示。表1-1 建筑及其设计的特征与虚拟现实特征之对应建筑及其设计虚拟现实三维空间中的几何实体虚拟的三维世界动态的建筑用户在虚拟世界中随意漫游材料质感触觉和力反馈系统声场音响效果三维虚拟声音结构修改及外观变化交互性特征建筑表现与设计的紧密结合交互性和想象性特征由此看来，虚拟现实是最适于作为建筑表现的媒介工具了。事实上，将虚拟现实作为表现工具是它在建筑领域的主要用途，至少到目前为止是这样2。虚拟现实的沉浸性和交互性使得它成为任何虚拟建筑，包括虚拟城市的理想表现工具。它允许观察者从任意角度和方位观察建筑本身，从而使得用户可以对建筑设计作全面评估。在高端的沉浸式虚拟现实系统帮助下，观察者可以从视、听、触、