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徽派建筑快速建模方法 摘要 随着”数字城市”理念的深入和旅游景点、城市小区的虚拟展示的需求增加， 传统古建筑体的仿真模拟成为计算机辅助设计与虚拟现实领域的一大研究热 点。针对当前中国古代大规模建筑场景自动建模的需求，本文对徽派建筑场景 的快速自动建模展开了研究。 本文在研究国内外建筑群自动建模典型方法的基础上，提出使用模块分解 和图的广度遍历算法的徽派建筑快速建模方法。首先，将徽派建筑体中的各个 组成部分参数化为图拓扑中的模块节点，使得各个模块的具体形状与外观受具 体参数控制。然后，根据徽派建筑的实际特征总结出徽派建筑的造型纹理库和 组合规则库，并将之应用于图拓扑中的各种模块节点间的约束关联，使得整个 快速建模有章可循。在此基础上，本文利用图的广度遍历思想对建筑模型拓扑 序列进行遍历，结合约束规则和拓扑检测规则，对生成建筑体进行检测，使得 生成建筑体符合实际。此外，本文在理论上探讨和研究了基于贝叶斯网络学习 和推理算法的图的拓扑自动生成方法，使得拓扑序列可以自动生成，快速建模 更加自动化。 关键字：徽派建筑建模图广度遍历贝叶斯网络 r a p i dm o d e l i n go fh u i p a ia r c h i t e c t u r e s a b s t r a c t w i t ht h e c o n c e p t o ft h ed i g i t a lc i t yd e v e l o p m e n t ，a n dt h ei n c r e a s i n g r e q u i r e m e n to fv i r t u a lr e a l i t ya p p l i c a t i o ni nt o u r i s ts p o t sa n dc o m m u n i t yt o w n s ，t h e t r a d i t i o n a la n c i e n tb u i l d i n gm o d e l i n gb e c o m e sam a jo rr e s e a r c hf o c b si nt h ea r e ao f c o m p u t e r - a i d e dd e s i g na n dv i r t u a lr e a l i t y i nv i e wo ft h ed e m a n df o rc u r r e n t l a r g e s c a l ea n c i e n tc h i n e s eb u i l d i n gs c e n ea u t o m a t i cm o d e l i n g ，t h i sd i s s e r t a t i o n r e s e a r c h e dt h ea u t o m a t i c a lm o d e l i n go fh u i p a ia r c h i t e c t u r e s o nt h eb a s i so ft h et y p i c a la u t o m a t i c a lc i t ym o d e l i n gm e t h o d s ，an e ww a yo f h u i p a i a r c h i t e c t u r e sr a p i dm o d e l i n gu s i n gm o d u l ed i s s e c t i n ga n db f sg r a p h t r a v e r s e a l g o r i t h m w a si n t r o d u c e di n t h i sd i s s e r t a t i o n f i r s to fa l l ，h u i p a i a r c h i t e c t u r e s m o d u l e sw e r ep a r a m e t e r i z e di n t on o d e so ft o p o l o g i c a lg r a p h ，m a k i n g m o d e l ss h a p e sa n dm o d u l e s a p p e a r a n c ec a nb ec o n t r o l l e db yt h o s es p e c i f i c p a r a m e t e r s t h e n ，t h ec o m b i n a t i o nr u l e so fh u i p a ia r c h i t e c t u r ew e r es u m m a r i z e d a c c o r d i n gt o r e a l h u i p a i h o u s e sc h a r a c t e r i s t i c t h e s er u l e sw e r e u s e df o r s u b s e q u e n tm o d u l ec o m b i n a t i o nd e t e c t i n g ，m a k i n gm o d e l i n gm o r er e a s o n a b l e f u r t h e r m o r e ，h u i p a i a r c h i t e c t u r em o d e l sw e r ec o n s t r u c t e da u t o m a t i c a l l y b y t r a v e r s i n gt h e s en o d e su s i n gb f sa l g o r i t h m d u r i n gt h et r a v e r s i n gp r o c e s s ，t h e p r e c r e a t e dc o m b i n a t i o nr u l e sw e r eu s e dt od e t e c tc o m b i n a t i o ne r r o r s ，s ot h a tt h e m o d e l i n go fh u i p a ia r c h i t e c t u r e sw e r ea p p l i e dt ot h ea c t u a lh u i p a ia r c h i t e c t u r e s f i n a l l y ，an e wm e t h o do fa u t o m a t i c a lt o p o l o g yg e n e r a t i o nw a sd i s c u s s e da n d 7 s t u d i e db a s e do nb a y e s i a nn e t w o r kt h e o r e t i c a l l y ，a n dt h i sm e t h o dc a nt r a n s l a t e a r c h i t e c t u r em o d u l e si n t o g r a p ht o p o l o g ya u t o m a t i c a l l y ，w h i c h i sh e l p f u lt o c o n s t r u c th u i p a ia r c h i t e c t u r e sm o r eq u i c k l ya n da u t o m a t i c a l l y ! k e yw o r d s ：h u i p a ia r c h i t e c t u r e ；m o d e l i n g ；g r a p h ；b f st r a v e r s e ；b a y e s i a n n e t w o r k ； 插图清单 图2 1 宏村的古建筑4 图2 2各种屋顶( 从左至右：普通、半金字塔、圆形屋顶) 7 图2 3天井7 图2 4各种墙在徽派建筑中的分布8 图2 5各式门窗墙8 图2 6各式店面墙9 图2 7邻接墙及其附带的马头墙9 图2 8围墙9 图2 9各种门窗9 图2 1 0各种雕刻模块1 0 图2 1 1房屋的连接模式1 0 图2 1 2各种区块的平面描述1 1 图2 13街区的类型1 1 图3 1本算法的流程图1 3 图3 2v r m l 辅助类的层次结构1 7 图3 3各种模块的虚拟化显示2 0 图3 4连接墙造型和纹理的筛选流程图2 2 图3 5建筑模块与图拓扑序列的对应2 3 图3 6五个节点的建筑体及其拓扑关系2 3 图3 71 2 个节点的拓扑与对应的建筑模型2 4 图3 8二十四个节点的建筑小区及其拓扑关系( 生成树方式) 2 4 图3 9的拓扑结构广度遍历中产生不同效果的各个序列2 5 图3 1 03 9 个节点遍历产生的两个区块以及一个2 5 图3 1 1生成区块间的组合2 5 图4 1算法总体过程 2 7 图4 2强连通图生成过程：2 8 图4 3四种需要剪断拓扑间联系的情况2 9 图4 4关于草地湿的贝叶斯网络31 图4 5贝叶斯修补拓扑的过程3 5 图4 6贝叶斯推理未知节点的概率计算3 5 图4 7贝叶斯推理后优先选择相似拓扑的例子3 6 表格清单 表3 1各个模块的参数化列表1 9 表3 2已知模块节点和未知模块节点约束及组合2 2 表3 3徽派建筑拓扑结构的检测规则2 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 搏乏碍瓤沙p 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目巴王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金目曼王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签辄了铷 导师签名： 签字日期矿年中川7 日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 乍 钟只| 气e t f 电话： 邮编： 致谢 值此论文完成之际，衷心的感谢我的导师薛峰副教授! 在这三年的学习和 研究工作中，薛老师给予了我精心的指导和亲切的关怀，使我的研究工作有了 明确的目标，使我对研究工作有了正确的态度，并且论文中的很多思想都是在 薛老师引导和启发下产生的。薛老师开阔的学术思维、严谨的治学精神和踏实 诚恳的工作作风，为我树立了榜样，时刻激励着我，并深深地影响了我! 在此 对薛老师表示衷心的感谢! 同时感谢图形图像研究室的胡敏老师、陆华峰、李文杰、孙媛媛、万杰、 刘徽同学以及所有的师弟师妹们，感谢他们给予我的热情支持和帮助! 还要感谢计算机与信息学院的徐静老师、曹航老师、王新生老师以及其他 老师在日常事务中提供的帮助。 最后，由衷地感谢我的家人这些年对我的培养和支持! 感谢和祝福所有支 持或帮助过我的老师、同学、亲人和朋友们! 作者：张键 2 0 0 9 年3 月2 2 日 第一章绪论 1 1 快速城市建模的应用领域及研究意义 随着计算机软硬件技术的发展，如内存的增大、处理器速度的大幅度提高、 各种图形加速工具的面世等，使得大规模城市场景的建模和绘制成为可能。其 潜在的应用领域不但包括城市规划、虚拟环境的模拟研究或是教育领域，而且 在娱乐市场如电影、游戏界也将大有作为【1 1 。 城市规划是一门传统的学科，其意义在于它对城市发展的指导和控制。它 通过对城市未来发展目标确定，制定实现这些目标的途径、步骤和行动纲领， 并通过对社会实践的引导和控制来干预城市的发展。城市规划作用的发挥主要 通过对城市空间尤其是土地使用的分配和安排来实现的。传统城市规划的尴尬 之处在于尽管对城市的规划可以非常仔细，但是由于事先看不到规划后的结果， 所以在城市建造过程中和建成以后往往发现规划中的不足。在这一点上，传统 的做法是制作城市模型，即用各种不同的材料如纸或木材来制作一个小型的城 市模型以达到实际观察规划计划的结果。虽然解决了一部分问题，但是小型的 城市模型的缺陷也显而易见，城市模型过于粗略，所以不能反映某些实际的问 题。随着虚拟现实技术的不断发展，人们渐渐开始以计算机建模的方法来辅助 城市规划。通过计算机构建整个城市的三维模型，人们可以从各个角度观察规 划计划，并且还可以模拟气候、水流、交通等对城市生活的影响。因此大规模 城市建模技术的发展已经对城市规划产生了深远的影响。 随着世界现代化建设的日新月异以及全球化脚步的日益加快，保护世界传 统文化遗产特别是传统建筑、自然风景保护区已经越来越成为世界各国关注的 话题。在我国，由于经济高速发展而带来的城市化已经成为必然趋势，而城市 建设中由于种种原因不可避免的会出现破坏传统建筑的现象。作为一种弥补的 措施，如果事先能够对当地的传统建筑数字化，即在计算机中建立起三维模型， 则可以对当地传统建筑起到一定程度的保护。大规模城市场景建模技术的发展 为传统建筑数字化、传统建筑风格的保护以及传统建筑的自动生成提供了必要 的技术支持。 1 2 城市建模的现有方法 传统采用计算机辅助设计软件( 如3 d m a x 、m a y a ) 进行手工设计、编辑 模型的方法建模效率低下，一般只适合建筑规模较小的场景建模，对于规模比 较大的场景，采用手工建模的方法几乎是不可能完成的。因此，需要研究一种 自动建模的方法提高建筑群的建模速度。 基于图像的建模( i m a g eb a s e dm o d e l i n g ，i b m ) 【2 ，3 1 技术是当前三维地理信 息系统( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 中常用的建筑群建模方法。 h e n r i c s s o n 等在19 9 6 年提出基于i b m 的城市建模方法【4j ，相对于手工建模方 法，基于i b m 技术的建模效率比较高，适合大规模建筑群的建模。但是，该方 法存在以下不足：1 ) 需要大量的电子地图、航拍图作为输入，这在一定程度 上限制了这种方法的应用；2 ) 只能用来重现已有的模型，而不能生成虚拟的 城市模型。 基于规则的建模是建筑群自动建模的有效方法 5 1 3 】，已经被成功地应用到 现代城市建模。其目标是使用最少的参数约束，尽可能地实现城市三维建模的 高自动化和高逼真度。而s t i n y 等人提出的s h a p e rg r a m m a r 技术被证明是一种 可行的建筑体几何建模的有效方法【14 1 。其基本思想：按照一定的规则( 如分割、 连接、裁减、延伸等) ，递归地对初始形状进行修改，一直到得到预期的效果。 h i l l e r 于1 9 9 7 年使用s p a c es y n t a x 方法对城市建筑的空间结构进行了系统化的 理论分析 15 1 ，主要用于从城市的空间角度分析人的行为和活动，从而把一个城 市划分为不同的功能区域并生产街道。 从2 0 0 0 前后，出现了一些基于形状语法( s h a p eg r a m m a r ) 的城市自动建 模的研究成果。p a r i s h 等人在s i g g r a p h 2 0 0 1 上首先提出一种基于扩展l 系 统( e x t e n d e dl s y s t e m ) 的城市街道自动生成方法【l6 i ，该方法能够根据城市的 平面布局、城市功能划分等输入参数，自动生成复杂的城市街道，这种方法也 被后续的研究者广泛用于城市街道的自动生成和城市社区的划分l l 7 1 8 】。 在2 0 0 1 年的虚拟现实国际会议( v r 2 0 0 1 ) 上，b i r c h 给出一个系统来生成 民居的三维模型，这种方法的核心是参数化的思想，能够构建出丰富多彩的不 同风格的房屋模型，但是过于依赖用户的交互，自动性不够。后来他又提出一 种基于过程的建模技术，可以快速完成一些历史建筑物模型的自动构建【l 引。 w o n k a 等人在文献f 1 6 基础上提出一种“即时建筑( i n s t a n ta r c h i t e c t u r e ) ”建模 方法。该方法也是基于形状语法( s h a p eg r a m m a r ) ，而且在此基础上给出了建筑 体更为丰富的属性语法( a t t r i b u t eg r a m m a r ) 和建筑生成过程中的控制语法 ( c o n t r o lg r a m m a r ) ，有效地改善了文献 7 中建筑物局部细节不够精细的缺点。 m u l l e r 在s i g g r a p h 2 0 0 6 和s i g g r a p h 2 0 0 7 上提出基于s p l i tg r a m m a r 和 c o m p u t e rg r a p h i c sa r c h i t e c t u r e 的城市建模方法【2 o 2 1 1 ，成功地实现了毁于公元 8 7 年火山的意大利古都庞培的自动建模，和一些现代建筑的建模生成，取 得了很好的效果。在s i g g r a p h 2 0 0 8 上m a r k u sl i p p 等提出了基于视觉编辑和语 法修改相结合的建模方法，完成了比较精细的建筑体的建模，这种新思路给古 建筑建模也带来了新的思想【2 2 。与此同时，国内的刘勇、徐从富、潘云鹤等人 将房屋分解成若干个组成部分，然后使用一个递归的形状语法( s h a p eg r a m m a r ) 实现江南民居的快速建模，得到了很好的效果 2 3 1 。随后，刘勇等人提出一种基 于语义的建模方法( s e m a n t i cm o d e l i n g ) ，使得用户在建模时的操作更简单 2 2 4 , 2 5 】，开创了中国古建筑群体快速建模的新方式。 本文在上述研究成果的基础上，用图的广度遍历方法实现了徽派建筑的快 速建模，具有建模速度快、自动化程度高特点的建筑体( 群) 快速建模方法， 并将其成功地应用到徽派建筑的快速建模中。由于采用多种关系推导生成后一 个建筑模块，使得所构建的模型可选择性强，各个建筑模型风格迥异。最后， 本文在此基础上在理论上探讨了拓扑结构的自动生成，结合贝叶斯网络方法， 提出了关于徽建筑图拓扑的自动生成方法，为以后城市自动建模提供了新的思 路和方法。 1 3 本文研究目标 本文的研究目标是根据徽派建筑结构特征和布局特色，将整个建筑体拆分 成各个参数化模块，并将其形式化描述为图拓扑中的节点，然后运用图的广度 遍历算法快速遍历拓扑，在特定的约束规则和检测规则下将整个模型得到绘制。 最后，为了自动地得到图的拓扑，本文在总结了各种图的拓扑下，将贝叶斯网 络推理算法应用到动态的生成图的拓扑节点上，从而使得整个建模更加自动和 智能化。 1 4 本文的篇章结构 本文的主要结构组织如下： ( 1 ) 第一章论述城市快速的研究意义和国内外研究现状，提出本文的基本 算法思想。 ( 2 ) 第二章徽派建筑的结构分析。该部分主要针对徽州建筑的商业民居和居 住民居进行了结构性的分析。此外在这部分，还定义了本文的一些术语 ( 如屋顶、邻接墙、门窗墙、房屋式样等) 来规范名词在文章中的确切涵 义，增加文章的可读性。 ( 3 ) 第三章基于图的广度遍历的徽派建筑快速建模方法。本章通过第二章 对徽派建筑的结构分析总结出各个模块类及其参数化表示，设计了各个 模块间的组合规则和相互约束规则，根据实际考察总结出一系列模块搭 配方式，并将其形式化为可用于图的遍历的拓扑序列，各种拓扑在不同 的参数和约束下产生不同的模型，从而生成的城市场景中建筑模型错落 有致、有相似的风格而又不完全雷同。 ( 4 ) 第四章用于快速建模的拓扑序列自动生成方法。本章结合人工智能的 贝叶斯网络推理算法，在总结出的多种拓扑序列中，根据细微处的联系 探索如何自动生成新的拓扑序列，使得整个快速建模方法更加自动化。 ( 5 ) 第五章总结和展望。本文的第五章对本文工作进行了总结，主要说明 了我们工作在几个方面取得的进展以及对这领域做出的贡献，此外还 对目前此方法存在的问题以及未来的工作方向提出了展望。 3 第二章徽派建筑简介及其结构分析 2 1 引言 徽派建筑多以清代建筑为主，如安徽宏村的古村落、江西蝥源的建筑群等， 都承载着古徽州的历史与文化”“。本章主要以皖南的徽派古建筑为研究对象， 分析具体的徽派建筑的各种结构特征，包括房屋的功能模块的划分，如房屋由 哪儿部分组成；包括各功能模块的分类，如墙有哪几种：包括房屋的式样的划 分；各种细节上的部件，如马头墙等：包括房屋和房屋的搭配方式等1 2 ”。这些 特色鲜明的建筑在现代建筑工程中，也常用来作为一种古香古色的建筑风格应 用在现在化的建筑中”。本章通过对徽派建筑各个组成部分剖析，从而为建立 各个模块间的约束关系打下基础，使得基于图的遍历的思想能够在快速建模中 得到实现。 2 2 徽派古建筑简介 作为极具个性特征的文化现象，徽州古建筑是在特定的自然和文化环境中 形成的。“胸中小五岳，足底夫九州”的徽州人，他们服贾四方，或成巨富荣 归故里，将域外更高层次的文化引入境内，穷极上木，广侈华丽以明得志，构 筑起一幢幢精巧别致的民居建筑 。故此，早在晚明时期，“入歙、休之境而 遥望高墙白屋”就成为徽州村落的独特景观，如图21 所示。与“五岳朝天” 并称的“四水归堂”是徽派建筑的主要特征之一。徽州老房子多是以天井采光、 通风及与外界沟通。外墙很少开窗，因此老房亍总给人一种幽晴凄迷的感觉。 图2l 宏村的古建筑 22l 徽派建筑的形成 徽派建筑的彤成过程，受到了徽州独特的历史地理环境和人文观念的影 响。这里原来是古越人的聚居地，其居住形式为适应山区生括的“千栏式”建 筑。中原士族的大规模迁入，不仅改变了徽州的人口数量和结构，也带来了先 进的中原文化。中原文明与古越文化的交流融合，直接体现在建筑形式上。早 期徽派建筑中典型的“楼上厅”形式，楼上厅室特别轩敞，是人们日常活动休 憩之处。这是因为山区潮湿，为了防止瘴疠之气，而保留了越人“干栏式”建 筑的格局。同时，由于大量移民的涌人，人稠地狭，构建楼房也成为最佳选择， 但多依山就势，局促一方，为解决通风光照问题，中原的“四合院”形式又演 变成为适应险恶的山区环境，既封闭又通畅的徽州“天井”。而山区木结构的 房屋又易于遭受火灾，为了避免火势的蔓延，便又产生了马头墙。早期的徽派 建筑形式，正是外来移民与原住民文化交融的产物。 明朝中叶以后，徽商崛起，雄据中国商界。致富后的徽州商人，将大量资 本返回家乡，其中重要的一项就是对建筑的投入。他们修祠堂，建宅第，造园 林，竖牌坊，架桥梁，盖路亭，给徽州乡村面貌带来了巨大变化。由于“贾而 好儒 的特点，具有很高文化素质的徽商们在建筑中注入了自己对住宅布局、 结构、内部装饰、厅堂布置的看法，促使徽派建筑逐渐形成风格独特的建筑体 系，使徽派建筑不仅具有实用性，还蕴含有丰富的文化内涵 30 1 。 2 2 2 徽派建筑的特色 徽派建筑的特色主要体现在村落民居、祠堂庙宇、牌坊和园林等建筑实体 中。其风格最为鲜明的是大量遗存的传统民居村落，从选址、设计、造型、结 构、布局到装饰美化都集中反映了徽州的山地特征、风水意愿和地域美饰倾向。 徽州村落的选址大多严格遵循中国传统风水规则进行，山水环抱，山明水 秀，追求理想的人居环境和山水意境，被誉为“中国画里的乡村”。受传统风 水“水为财源”观念的影响，寄命于商的徽州人尤其重视村落的“水口 ，建 构了一些独具特色的水口园林。徽式宅第结体多为多进院落式集合形式( 小型者 多为三合院式) ，体现了徽州人“聚族而居的特点【3 1 1 。民居外观整体性和美 感很强，高墙封闭，马头翘角，墙线错落有致，黑瓦白墙，色泽典雅大方。装 饰方面，清砖门罩、石雕漏窗、木雕楹柱与建筑物融为一体，使房屋精美如诗， 堪为徽式宅第的一大特色。徽州的祠堂和牌坊也是徽派建筑中的重要建筑形式。 作为传统的建筑流派，徽派建筑一直保持着其融古雅、简洁、富丽于一体的独 特艺术风格。 2 2 3 徽派建筑工艺特征 徽派古建筑以砖、木、石为原料，以木构架为主。梁架多用料硕大，且注 重装饰。其横梁中部略微拱起，故民间俗称为“冬瓜梁 ，两端雕出扁圆形( 明 代) 或圆形( 清代) 花纹，中段常雕有多种图案，通体显得恢宏、华丽、壮美。立 柱用料也颇粗大，上部稍细。明代立柱通常为梭形。梁托、爪柱、叉手、霸拳、 雀替( 明代为丁头拱) 、斜撑等大多雕刻花纹、线脚。梁架构件的巧妙组合和装 修使工艺技术与艺术手法相交融，达到了珠联壁合的妙境。梁架一般不施彩漆 而髹以桐油，显得格外古朴典雅。墙角、天井、栏杆、照壁、漏窗等用青石、 红砂石或花岗岩裁割成石条、石板筑就，且往往利用石料本身的自然纹理组合 成图纹【3 2 】。 徽派建筑还广泛采用砖、木、石雕，表现出高超的装饰艺术水平。砖雕大 多镶嵌在门罩、窗楣、照壁上，在大块的青砖上雕刻着生动逼真的人物、虫鱼、 花鸟及八宝、博古和几何图案，极富装饰效果。木雕在古民居雕刻装饰中占主 要地位，表现在月梁头上的线刻纹样，平盘斗上的莲花墩，屏门隔扇、窗扇和 窗下挂板、楼层拱杆栏板及天井四周的望柱头等。木雕均不饰油漆，而是通过 高品质的木材色泽和自然纹理，使雕刻的细部更显生动。石雕主要表现在祠堂、 寺庙、牌坊、塔、桥及民居的庭院、门额、栏杆、水池、花台、漏窗、照壁、 柱础、抱鼓石、石狮等上面，主要采用浮雕、透雕、圆雕等手法，质朴高雅， 浑厚潇洒。 2 2 4 徽州宅居基本格局的形成 传统徽州宅居最基本的格局是三间式，一般为三开间、内天井，民间俗称 为“一颗印”。平面布局对称，中间厅堂，两侧厢房，楼梯在厅堂前后或在左 右两侧引。入口处形成一内天井，作采光通风用。在此基础上建筑纵横发展、 组合，可形成四合式、大厅式和穿堂式等格局。四合式大多为人口多的家庭居 住，也可说是两组三间式相向组合而成，可分为大四合与小四合。大四合式前 厅与后厅相向，中间是大天井。前厅是三间式，但地坪较高，为正厅堂；后厅 亦为三间式，但进深可略浅，地坪面较前厅低。前后二厅以厢房相连，活动隔 扇，楼梯间有设于厢房的，也有设在前厅背后的。内部木板分隔，外墙均为砖 墙出山马头墙。天井则根据地形可大可小，也有的在前厅背后再设厢房、小天 井。这种大四合式住宅前后均有楼层。小四合式前厅三间与大四合式同，后厅 则为平房，也更小，进深浅，一般中间明堂不能构成后厅，而作为通道，两个 房间供居住，天井也较小，楼梯均在前厅背后。 徽州人有聚族而居的习俗。有的大户人家宅屋成片相连，一百多个天井， 但也只是上面几种基本格局的拼接组合而已。徽州是复杂的一一它亦动亦静、 亦俗亦雅。行商坐贾囊中银两的碰击声，交织着乡儒学究的吟哦；精工细作的 木雕窗棂，映衬出自然的山水如画。徽州留给后人的有形与无形的文化遗产， 实为一巨大宝藏。它有太多的智慧、启示、经验、鉴戒，值得我们去发掘、提 炼、思考、总结【34 | 。 2 3 功能模块的划分和分类 我们之所以把建筑体的各个部分称作功能模块，是因为各个部分在徽派建 筑体中所起到的具体的作用不同。虽然各功能模块的样式非常丰富，但是它们 的功能决定了各功能模块之间的组合必须遵循定的约束。我们按照上一节的 定义把房屋看作是由台阶、墙和屋顶组成的物体，下面我们来逐一分析其功能 和分类。 6 2 31 屋顶( r o o f ) 皖南气候潮湿多雨，所以屋顶的作用便是避雨，就是在下雨时使雨水不会 进入房屋。所以我们可以看到将难民居中屋项的式样有不少，但一律都是斜坡 式。因为中国古代并没有拄明像水泥一样的粘台剂能够达到较高的密封程度， 所以屋顶的功能就是为了让雨水能够顺利的从屋顶流下而不至于淤积在屋项渗 入房屋。下面我们来看几种屋顶： 普通屋顶通常由两个长方体的屋顶面以1 2 0 度一1 5 0 度左右的角度结合，除 了两个屋顶面以外，为了美观起见，两个屋顶面的结合处通常放置着一条有瓦 片排列构成的中轴线。当然，该中轴线也不光是为了美观，这一排瓦片也为了 备用，当屋顶上有瓦片由于种种原因裂开或破碎时，泥瓦匠就可以使用房屋上 的备用瓦，而不必重新运送一些瓦片过来。本文中在绝大部分的建筑模型中都 会使用普通屋顶，当然我们会在其大小、高度、纹理上有所变化。 圆锥形屋顶的不同之处在于它使用三角形屋顶面，所以使得屋顶看上去像 圆锥。圆锥形屋顶的使用丰要看墙的式样，一般圆柱形墙体才会采用此种屋顶。 它一般出现在街的尽头，或者面临十字街头的商业民居。它般由1 2 l8 个三 角形屋顶面构成，并且有1 2 18 条放射状中轴线。 半金字塔形屋顶与圆锥形屋顶相比由较少的三角形屋顶面组成，一般出现 在十字路口的商业民居中。 图22各种屋顶( 从左至右：普通、中金字塔、圆形屋顶) 另外，甫于屋顶的搭配一般在一个区块中会形成个天井，主要作用是用 于院落中的采光。如图23 所示，当然这也是徽派建筑中一个特色景观。 图23 天井 2 3 2 墙( w a l l ) 图24 各种墙在徽据建筑中的分布 房屋的最主要组成部分是屋顶和墙。一般在皖南居住民居中，房屋的墙主 要由门窗墙和邻接墙构成，一些大户人家的院子还包括围墙。在商业民居中， 墙主要由门窗墙、店面墙和邻接墙构成。 图25 各式门宙墙 门窗墙，顾名思义，就是一堵墙上有门有窗，如图2 4 。它在居住民居中的 作用举足轻重，因为它决定着房屋的最终式样。门窗墙由墙体、门、窗构成。 不同式样的门窗以及不同的放置位置使得各个房屋的样子千变万化，以下是几 种常见的门窗墙，我们这里说的类型是指墙上门窗数目和门窗的放置位置的类 型： 第种门窗墙如图25 左图的大房子所示，是两层楼房的门窗墙，下层中间 是正门，两侧有两个窗户，上层则有三个窗户，此种门窗墙多为大户人家使用。 第二种由左图小房子所示，墙体上有一个门和一个窗户。这种门窗墙极奇多见， 徽派建筑中以这种门窗墙最为多见。第三种门窗墙为中图所示，该种门窗墙只 用于房屋的第二层，一般只有窗户，也可以全部的墙体都由窗户构成。 店面墙是门窗墙的一种，主要用于商业民居，古代商业民居也从普通的居 住民居演化而来，在整体机构上商业民居和居住民居的差别不大。由于商店要 容纳更多的人进出房屋，所以店面墙就如同门宙墙的变种，它是把门窗墙中的 门扩大后的一种变种。有些店面墙全部由排门板构成，有些则由相邻的几扇门 构成。几种常见的店面墙如图26 所示。 一般来讲，店面墙在结构上少有变化，只是在两条街相交的地方会出现多 边形店面墙和圆柱形店面墙。由于店面墙上的门窗形式过分复杂，有时候甚至 是空的，如果采用实体表示会极大的增加实体中面片的数量，所以我们考虑用 纹理和少量几何上的变化来表示店面墙上纷繁复杂的门和窗。 门和窗 图28围墙 圜29 各种门窗 蠢置 雕刻艺术：砖雕、石雕和术雕 圈21 0 各种雕刻模块 这些被分解出来的房屋部件都是第三章进行参数化成的具体的模块，具体 的虚拟建筑体的形成就是这些模块通过相互关系组合而成的。 2 4 房屋的结舍模式 图21 1 房屋的连接模式 在上节中，我们研究了徽派建筑中的各种组成部件，但每种部件要符台一 定的规格，比如店面墙不能麻用于民用房屋。另外，皖南跨居的特色不光在于 个体房屋的结构、外墙的粉刷特征，而且房屋与房屋的结合也是别具匠心，两 条街道之间房屋层层叠叠，颇为壮观。街道比较狭窄，而房屋之间的间距也相 对较小。所以，徽派建筑之间的关系非常复杂，我们只是总结了其中的一小部 分，用在本文的算法中。 2 4 1 房屋的纵向关系一一区块 院干 房屋 房屋1 院寻 房屋2 房屋2 厢房院千 房屋? i 厢房5 厢房4 厢房3 天井及院子 厢房l厢房2 正屋 图2 1 2各种区块的平面描述 2 4 2 房屋的横向关系一一街道和街区 众所周知，皖南民居的房屋是依水沿街而建，相邻的房屋的门窗墙或是店 面墙临街。尽管它们看上去都临街，但是临街房屋的大小、高度参差不齐，外 形也各有不同，如果从空中俯瞰，可以看到相邻房屋的屋顶一般都不是等高， 而且屋项中心线都有前有后。所以，在构建模型时，我们可以使用一系列横向 房屋的连接模式，如高房屋和矮房屋的连接、大房屋和小房屋的连接、两层的 房屋和一层的房屋的连接、离街近的房屋和离街远的房屋的连接等。在两条垂 直道路的连接处，房屋的连接更显现出其有趣的一面。在连接处，可以是两个 大房子垂直连接，也可以是三个房屋相邻，其中中间的房屋全全占有街的拐角。 街区是由若干个区块以一定的方式构成，街区中不包括街道。而城市交叉 纵横的街道网络则划分出众多的街区。一个街区一般四面临街，一下就是两种 街区的示意图。 p 缸d hp a r c h p a t c h p a r c h p a r c h p a t 出 p a t 出p a t c hp a r c h p a r c h p a r c h 图2 1 3街区的类型 2 5 本章小结 本章对于徽派建筑进行了分析和总结，详细分析了徽派建筑的形成、特色、 工艺特征以及布局等徽文化因素，并且对于徽派建筑的模块划分进行了总结， 例举了屋顶、墙体和各个徽派风格的局部组成部件，为下章对于各个模块的参 数化表示以及模块间约束组合方式提供了很好的基础。 1 2 第三章基于图的广度遍历的徽派建筑快速生成方法 3 1 算法总体思想 基于传统的古建筑建模方法，我们吸收了参数化这一重要思想，并且根据 实际建筑体的特征融入了各个模块间的相互约束规则，从而可以把各个模块填 充到具体的图的拓扑中的各个节点上，使得节点之间有相互的约束关系，在进 行图的遍历的时候即可根据特定的关系自动得推导下一模块的属性，从而将具 体的正确的模型绘制出来。 本章算法的步骤如下： s t e p l ：对古徽州建筑体的建筑结构和建筑风格进行分析，总结出模块造 型库、纹理库、模块组合规则库； s t e p 2 ：对徽派建筑体从结构上进行划分，并将各个模块参数化，形成图 的拓扑结构序列； s t e p 3 ：结合初始节点信息，利用图的广度遍历方式在模块造型纹理库和 模块组合规则库中遍历产生各个模块，在产生各模块时进行拓扑产 生规则检测，并且进行相对旋转角度信息和位移量信息记录； s t e p 4 ：根据记录信息数据，调用对应旋转平移算法组合各生成模块，形 成整个建筑体模型。 图3 1本算法的流程图 3 2 算法实现的技术基础一一v r m l 语言简述 在第二章徽派建筑结构分析的基础上，本节需要确定最终场景的具体表示 以及建立在此基础上的文件存储组织。在本节中，我们介绍了所采用来表示最 终城市场景的v r m l 语言，定义了一系列v r m l 辅助类来协助v r m l 数据的 表示和传递，并且给出了一个v r m l 文件类来规范v r m l 文件的模型生成。 虚拟现实建模语言( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 是 个开放的、可扩 展的描述三维场景或世界的建模语言，同时，它也是一种描述交互性三维物体 和世界的文件格式。v r m l 的另一个设计目的是为了让其适用于互联网、局域 网和简单的服务器一客户端系统中。v r m l 可以应用在广泛的领域中，如工程 项目、科学计算可视化、多媒体演讲、娱乐和教育业，以及网页或交互式虚拟 世界中【3 5 】。 3 2 1v r m l 实体元素 v r m l 文件的内容可以包括：文件头( # v r m lv 2 0u t f s ) 、节点( n o d e ) 、原 型( p r o t o t y p e ) 、路径( r o u t e ) 。下面来介绍一下v r m l 中的各种节点。先来看五 个几何节点：b o x 、s p h e r e 、c o n e 、c y l i n d e r 、e x t r u s i o n 。 b o x 表示长方体和正方体，如b o x s i z e222 ，表示长宽高均为2 的长方体。 s p h e r e 表示球体，如s p h e r e s i z e2 ) 表示半径为2 的球体。c o n e 表示圆锥体， 如 c o n e b o t t o m r a d i u s1 h e i g h t2 s i d et r u e b o t t o mt r u e ) 表示底面半径为1 、高为2 的圆锥体，而且圆锥体的侧面和底面都需要绘 制。 c y l i n d e r 表示圆柱体，如 c y l i n d e r r a d i u s1 h e i g h t2 s i d et r u e b o t t o mt r u e t o pt r u e ) 表示底面半径为1 、高为2 的圆柱体，并且圆柱体的上下底面和侧面都需 要绘制。 e x t r u s i o n 可以用来表示十分复杂的几何实体，e x t r u s i o n 是通过把特定的二 维形状掠扫过特定路径来形成几何实体。比如使一个正方形垂直掠扫过一条线 段，则形成一个长方体。看下面的例子： 1 4 e x t r u s i o n c r o s s s e c t i o n 【一1 1 ，一1l ，11 ，1 一l ，一1 1 】 s p i n e 【0 10 ，000 ，010 o r i e n t a t i o n 0010 ，0010 ，0010 s c a l e 11 ，11 ，ll 】 b e g i n ca pt r u e e n d c a pt r u e c c wt r u e c o n v e xt r u e s o l i dt r u e c r e a s e a n g le0 ) 其中e r o s s s e c t i o n 是待掠扫的二维多边形，有带顺序的点集组成。s p i n e 是 c r o s s s e c t i o n 经过的路径点集。b e g i n c a p 、e n d c a p 为t r u e 表示需要绘制开始 和结束的两个面。c c w 为t r u e 表示在c r o s s s e c t i o n 中的点是按照逆时针顺序 存放的。c o n v e x 为t r u e 表示c r o s s s e c t i o n 是凸多边形。s o l i d 为t r u e 表示形 成的几何实体，而不光是表面。c r e a s e a n g l e 是一个角度阈值，如果两个邻接 面的角度大于c r e a s e a n g l e ，则两个面邻接处的分界线会很清晰，而且是采用不 光滑连结。而如果角度小于c r e a s e a n g l e ，则采用光滑连结。s c a l e 参数可以在 各个路径点上缩放c r o s s s e c t i o n 。o r i e n t a t i o n 参数可以在各个路径点上旋转 c r o s s s e c t i o n 。 v r m l 的几何节点还包括：p o i n t s e t 、i n d e x e d l i n e s e t 、i n d e x e d f a c e s e t 、 e l e v a t i o n g r i d 和t e x t 。但是在系统中，这些节点并没有用到，所以在此就不再 介绍了。 上面介绍的几何节点( g e o m e t r yn o d e ) 只能表示物体的形状，但是不能体现 出物体的外观，所以，v r m l 除了几何节点以外还定义了外观节点( a p p e a r a n c e n o d e ) 。外观节点包括三个子节点：表面材料节点( m a t e r i a ln o d e ) 、纹理节点 ( t e x t u r en o d e ) 、纹理变换节点( t e x t u r e t r a n s f o r mn o d e ) 。在使用外观节点时，至 少包含三个子节点中的一个。其中，纹理节点( t e x t u r en o d e ) 可以包含以下三个 子节点中的一个：图像纹理节点( i m a g e t e x t u r en o d e ) 、电影纹理节点 ( m o v i e t e x t u r en o d e ) 、像素纹理节点( p i x e l t e x t u r en o d e ) 。图像纹理节点 ( i m a g e t e x t u r en o d e ) 的