計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在古建筑數(shù)字化復(fù)原中的應(yīng)用

齊會娟，李德雄，劉麗娜

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050000）

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計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在古建筑數(shù)字化復(fù)原中的應(yīng)用

齊會娟，李德雄，劉麗娜

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050000）

摘 要：計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展為我國古建筑復(fù)原工作提供了技術(shù)支撐，文章以計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概述作為論述突破口，分析計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在古建筑數(shù)字化復(fù)原中的具體應(yīng)用過程，以此提高古建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)工作。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；古建筑；復(fù)原

隨著計算機(jī)虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到古建筑復(fù)原工作中具有很重要的現(xiàn)實意義，通過計算機(jī)三維技術(shù)可以將古建筑復(fù)原方案設(shè)計得更加合理，可以將通過計算機(jī)系統(tǒng)將遭到破壞的古建筑以數(shù)字的形象展現(xiàn)出來，目前我國將計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到古建筑復(fù)原中的案例非常多，例如陜西威遠(yuǎn)科技有限公司利用三維互動仿真平臺設(shè)計的陜西乾陵就是很好的案例。

1　計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)

計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality），該技術(shù)最早由美國在1989年提出，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念是：借助計算機(jī)形成逼真的實體，用戶在該環(huán)境中可以實現(xiàn)自然技能的互動，當(dāng)然該技術(shù)的實現(xiàn)必須要借助一些三維設(shè)備和傳感設(shè)備實現(xiàn)。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到虛擬環(huán)境創(chuàng)建中主要分為3個方面：一是現(xiàn)實生活中存在的，并且人類可以看見的事物。例如古建筑的修復(fù)等；二是現(xiàn)實生活中存在的，但是人類肉眼是看不見的，例如航空仿真、化學(xué)分子結(jié)構(gòu)等；三是客觀不存在的，例如網(wǎng)絡(luò)游戲場景等屬于該范疇。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征：一是交互性。交互是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征，用戶通過傳感設(shè)備與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行相互作用，用戶通過有意識的操作，實現(xiàn)對虛擬環(huán)境的操作。例如在虛擬建筑中，用戶可以通過控制虛擬建筑實現(xiàn)對建筑的控制。二是構(gòu)想性。總體來看虛擬現(xiàn)實技術(shù)是融合味覺、嗅覺、觸覺以及力覺反饋系統(tǒng)的單元構(gòu)成，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的環(huán)境創(chuàng)建，可以讓人們在虛擬環(huán)境中獲得新的知識，從而提高人的理性認(rèn)知，進(jìn)行形成新的構(gòu)思，以此實現(xiàn)現(xiàn)實技術(shù)的提升；三是存在性。存在性主要是針對用戶而言，用戶通過計算機(jī)虛擬環(huán)境的交互，讓用戶進(jìn)入到虛擬的環(huán)境中，從而提高了用戶的體驗感，讓用戶感受到虛擬環(huán)境的真實存在。

2　計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在古建筑數(shù)字化復(fù)原中的應(yīng)用分析

將計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到古建筑數(shù)字復(fù)原中主要涉及3個環(huán)節(jié)：

2.1 制定具體的復(fù)原設(shè)計方案

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到古建筑復(fù)原中需要在進(jìn)行應(yīng)用前對項目的復(fù)原工作進(jìn)行策劃，以此保證設(shè)計方案的科學(xué)性與合理性：首先要確定選擇什么方式的虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)手法，根據(jù)項目確定選擇圖片瀏覽還是三維體驗。其次要考慮虛擬古建筑系統(tǒng)最終的展示平臺是在哪里，是在虛擬實驗室，還是數(shù)字博物館。制作時間的安排要合理，根據(jù)項目的實際情況來計劃好制作的時間。根據(jù)具體的復(fù)原設(shè)計要求，選擇相應(yīng)的虛擬作品的大小、分辨率以及作品清晰度等參數(shù)。

2.2 中期制作過程

該環(huán)節(jié)主要是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作古建筑系統(tǒng)的過程，這個過程主要包括：一是實地考察古建筑。通過對古建筑的實地考察，測量各項具體的數(shù)據(jù)，以此得到古建筑的基本情況。測量的重點是古建筑平面的各項數(shù)據(jù)，立面的各項數(shù)據(jù)，甚至剖面的各項數(shù)據(jù)，如果條件允許也要將周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)測量下來；二是拍照。在測量數(shù)據(jù)的同時也要對古建筑進(jìn)行拍照。拍攝的照片首先要注意照片畫面的完整性，其次要保證拍攝照片的材質(zhì)，避免選取對象曝光過度；三是對相關(guān)資料進(jìn)行分類整理。將實地考察的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總與分析；四是三維模型的建立。為了保證最終的虛擬古建筑系統(tǒng)運行速度流暢，需要對模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，要求制作模型的時候就要考慮盡量用最少的而和貼圖制作出最好的場景。在模型的面制作方面，在保證達(dá)到渲染效果的前提下，盡量用最少的面來表現(xiàn)模型；五是場景的貼圖、燈光和烘焙處理。由于古建筑的年代比較久，因此直接拍攝的照片不能直接被用來做貼圖，因此需要進(jìn)行貼圖的修復(fù)等，對照片色彩、紋理、亮度、對比度等的修復(fù)，目的是使貼圖更真實、完整，以便更好地服務(wù)于模型貼圖；六是虛擬漫游，交互合成。在虛擬漫游，交互合成的時候，特別要注意程序或交互模塊的邏輯性，具體的設(shè)計流程如圖1所示。

2.3 虛擬古建筑復(fù)原后期制作

該階段主要是對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進(jìn)行測試，以此驗證該系統(tǒng)的兼容性，通用性以及穩(wěn)定性等。具體的測試方法是：在不同的操作系統(tǒng)平臺下進(jìn)行測試，在不同的硬件配置機(jī)器上進(jìn)行測試，由不同的使用者來進(jìn)行操作測試。

2.4 某古建筑虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實例應(yīng)用

某古建筑利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)復(fù)原采取3DS Max軟件配合中視典公司的Vrp7進(jìn)行制作.在場景制作完成后，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實的制作，虛擬現(xiàn)實流程如圖2所示。

圖1　設(shè)計流程

圖2　虛擬現(xiàn)實流程

2.4.1 貼圖烘焙

貼圖烘焙是整個設(shè)計的關(guān)鍵，因此在具體的制作過程中要格外注意。因為整個古建筑具有多個數(shù)據(jù)模型，結(jié)合本工程具有300多個模型，因此需要對模型的烘焙進(jìn)行特殊的格式處理：首先由于不同的數(shù)據(jù)模型對相關(guān)圖片的格式等要求不同，因此在進(jìn)行貼圖烘焙處理時需要采取相同的格式要求。例如選Completed Map格式時，要選擇Completed Map格式，這樣才能達(dá)到數(shù)字修復(fù)要求；其次在進(jìn)行貼圖烘焙時也需要對模型進(jìn)行分類，以此達(dá)到真實復(fù)原的效果。

2.4.2 圖片優(yōu)化

在VR軟件中，貼圖是加載到顯存中進(jìn)行運行的，因此運行的流暢程度和電腦的顯存有較大的關(guān)系，為保證VR運行的流暢，需要在VR軟件中對物體的貼圖文件進(jìn)行優(yōu)化。VR軟件對貼圖進(jìn)行優(yōu)化是通過壓縮圖片的方式減小顯存的占用。為了節(jié)約顯存的使用，通常需要對貼圖進(jìn)行紋理壓縮。目前使用較多的紋理壓縮為微軟開發(fā)的DXTC（Direct X Texture Compression）。該軟件對紋理進(jìn)行最高6：1的壓縮，效果良好。

3　攝像機(jī)交互式設(shè)計

在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行場景設(shè)置時需要借助攝像機(jī)的攝像功能，具體攝像機(jī)的攝像位置一般位于人物的后上方，以此實現(xiàn)對人物的整體攝像。當(dāng)然對于攝像機(jī)的位置設(shè)定也不是一成不變的，而是需要根據(jù)具體的攝像要求進(jìn)行位置設(shè)置。結(jié)合實踐，一般在攝像機(jī)的交互設(shè)計中主要有：環(huán)視攝影機(jī)、鳥瞰攝影機(jī)以及自由攝影機(jī)。當(dāng)然無論采取哪種攝像機(jī)設(shè)計方案，都需要通過Virtools自帶的程序模塊編程控制攝影機(jī)的具體功能，并利用程序模塊的編程使鍵盤的TAB鍵來切換、激活不同的攝影機(jī)狀態(tài)，以便當(dāng)用戶操作虛擬四合院的時候可以任意切換、激活不同效果的攝影機(jī)。

3.1 交互設(shè)計

在完成上述操作之后，需要進(jìn)行交互設(shè)計，第一步就是將人物角色載入到虛擬的環(huán)境中，當(dāng)然人物的設(shè)定需要根據(jù)場景的大小進(jìn)行調(diào)整，以此實現(xiàn)古建筑場景的和諧。同時還要在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中設(shè)定角色的動作操作指令功能，實現(xiàn)人物角色的虛擬化；第二步通過系統(tǒng)程序模塊編程實現(xiàn)信息控制指令，便于對信息控制對象的操作。

4　編譯輸出

VRP可以編譯輸出為EXE格式的可執(zhí)行文件，該文件不需要安裝任何其他軟件支持就可以在任何的PC電腦上運行，運行效果如圖3所示。

圖3　運行效果示意

總之，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到古建筑復(fù)原中對提高古建筑遺產(chǎn)的保護(hù)，提高復(fù)原設(shè)計方案的科學(xué)性具有重要的現(xiàn)實意義，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對古建筑的整體環(huán)境復(fù)原方案起到很好的保護(hù)效果，因此在以后的古建筑復(fù)原設(shè)計中，使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)是我國古建筑保護(hù)的重要舉措。

［參考文獻(xiàn)］

［1］何成戰(zhàn).計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在古建筑數(shù)字化復(fù)原中的應(yīng)用［J］.廣西民族大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013（6）：20-21.

［2］張奎，李丙春.流媒體技術(shù)在精品課程網(wǎng)站中的應(yīng)用［J］.新疆師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014（3）：70-74.

［3］李越瓊，范勁松.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的佛山“數(shù)字祖廟”構(gòu)建［J］.華南師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013（5）：30-32.

The Application of Computer Virtual Reality Technology in the Digital Restoration of Ancient Buildings

Qi Huijuan，Li Dexiong，Liu Lina
（Shijiazhuang Institute of Railway Technology，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract:The rapid development of the computer virtual reality technology provides the technical support for China's ancient architecture restoration work，based on the overview of the computer virtual reality technology as a breakthrough point，analysis of the computer virtual reality technology in digital restoration of ancient concrete application process，to improve the work of protection of ancient cultural heritage.

Key words:computer；virtual reality technology；ancient buildings；recovery

基金項目：項目名稱：虛擬現(xiàn)實技術(shù)在傳承及復(fù)原傳統(tǒng)古建筑中的應(yīng)用研究；項目編號：Z2015199。項目名稱：虛擬現(xiàn)實技術(shù)在傳承及復(fù)原傳統(tǒng)古建筑中的研究；項目編號：15210149。項目名稱：互聯(lián)網(wǎng)+BIM工程信息共享平臺的研究與設(shè)計；項目編號：15214519。

作者簡介：齊會娟（1980-），女，河北元氏，碩士，講師；研究方向：虛擬現(xiàn)實，數(shù)據(jù)挖掘。