基于虛擬技術(shù)的古建筑群生態(tài)數(shù)字復(fù)原

周劍平

[本文系浙江省文化廳科研項(xiàng)目：南宋建筑群落與生態(tài)的數(shù)字化虛擬重建研究項(xiàng)目研究成果]

摘要：2016年稱為 VR 技術(shù)元年，未來(lái)世界虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)越來(lái)越深入我們的生活。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為古建筑的數(shù)字保護(hù)已經(jīng)有很長(zhǎng)的時(shí)間，如何利用新技術(shù)保護(hù)我們的古建筑，以及在古建筑保護(hù)中數(shù)字技術(shù)如何從數(shù)據(jù)采集到數(shù)字建模，最終一個(gè)具有實(shí)時(shí)交互功能的系統(tǒng)。本文從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度闡述了這一過(guò)程和可行性論述。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；數(shù)字建模；古建筑數(shù)據(jù)庫(kù)

一、前期數(shù)據(jù)采集是古建筑群生態(tài)數(shù)字系統(tǒng)的基礎(chǔ)

古建筑信息是空間位置信息與屬性信息的有機(jī)結(jié)合，一個(gè)完善的古建筑數(shù)據(jù)庫(kù)必須以這兩種信息源為基礎(chǔ)，建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。前者由遙感影像圖、建筑平面圖以及歷史資料中的相關(guān)圖形等空間數(shù)據(jù)組成；后者的信息來(lái)源就相對(duì)廣泛了，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集、與史文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采集等，需要對(duì)建筑樣式、建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件、建筑裝飾紋理、建筑周邊自然環(huán)境以及建筑在自然環(huán)境中的雄偉風(fēng)采，建筑文化遺產(chǎn)的虛擬重建必須尊重文化遺產(chǎn)的真實(shí)性，容不得絲毫的任意發(fā)揮。否則就失去了重建文化遺產(chǎn)的意義，因此全面的資料搜集工作是制作的基礎(chǔ)。

從獲取素材的屬性上來(lái)分主要由位圖數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)組成，位圖數(shù)據(jù)主要包括遙感影像圖等。矢量數(shù)據(jù)則以單個(gè)地學(xué)實(shí)體為獨(dú)立單元，利用點(diǎn)、線、面等幾何要素精確表達(dá)建筑物的邊界和內(nèi)部體元；要素間的拓?fù)潢P(guān)系由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)顯式存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)建筑物內(nèi)部要素間拓?fù)潢P(guān)系的快速檢索和查詢。矢量數(shù)據(jù)主要包括由激光掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維模型、相關(guān)單位的CAD圖紙等。

二、數(shù)字模型庫(kù)是古建筑群生態(tài)數(shù)字系統(tǒng)的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)逼真地模擬環(huán)境，考慮到硬件的限制和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的要求，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的建模與以造型為主的動(dòng)畫建模方法有著顯著的不同，建模大都采用模型分割、紋理映射等技術(shù)。3DSMAX建模軟件的使用非常廣泛，具有可操作性強(qiáng)、功能強(qiáng)大、模型精細(xì)逼真、質(zhì)感強(qiáng)等特點(diǎn)，目前虛擬場(chǎng)景的構(gòu)造主要有以下途徑：基于模型的方法和IBR（基于圖像的繪制）方法兩種。這兩種方法都可以在3DS MAX中加以實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，下面具體展開說(shuō)明。

（一）利用3D MAX的多邊形建模方法建立模型庫(kù)

多邊形建模技術(shù)是最早采用的一種建模技術(shù)，它的思想很簡(jiǎn)單，就是用小平面來(lái)模擬曲面，從而制作出各種形狀的三維物體，小平面可以是三角形、矩形或其他多邊形但實(shí)際中多是三角形或矩形。使用多邊形建?？梢酝ㄟ^(guò)直接創(chuàng)建基本的幾何體，再根據(jù)要求采用修改器調(diào)整物體形狀或通過(guò)使用放樣、曲面片造型、組合物體來(lái)制作虛擬現(xiàn)實(shí)作品。多邊形建模的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便和快速但它難于生成光滑的曲面，故而多邊形建模技術(shù)適合于構(gòu)造具有規(guī)則形狀的物體，如大部分的人造物體，同時(shí)可根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的要求，僅僅通過(guò)調(diào)整所建立模型的參數(shù)就可以獲得不同分辨率的模型，以適應(yīng)虛擬場(chǎng)景實(shí)時(shí)顯示的需要。

（二）基于圖像的繪制方法建立模型庫(kù)

傳統(tǒng)圖形繪制技術(shù)均是面向景物幾何而設(shè)計(jì)的，因而繪制過(guò)程涉及到復(fù)雜的建模、消隱和光亮度計(jì)算。盡管通過(guò)可見性預(yù)計(jì)算技術(shù)及場(chǎng)景幾何簡(jiǎn)化技術(shù)可大大減少需處理景物的面片數(shù)目，但對(duì)高度復(fù)雜的場(chǎng)景，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件仍無(wú)法實(shí)時(shí)繪制簡(jiǎn)化后的場(chǎng)景幾何。因而我們面臨的一個(gè)重要問(wèn)題是如何在具有普通計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)真實(shí)感圖形的實(shí)時(shí)繪制。

三、引擎嵌入是古建筑群生態(tài)數(shù)字系統(tǒng)的交互核心

虛擬現(xiàn)實(shí)是以觀者為第一視角，具有強(qiáng)烈的用戶體驗(yàn)和交互功能。其核心就是引擎的嵌入。所有的畫面實(shí)現(xiàn)都是依托引擎的實(shí)時(shí)渲染，模型庫(kù)中的素材都需要導(dǎo)入到引擎，再進(jìn)行交互等功能的制作。以下為引擎導(dǎo)入中的核心設(shè)置。

（一）貼圖烘焙

貼圖烘焙是將光影效果渲染作為對(duì)象的紋理。烘焙操作是整個(gè)VR制作過(guò)程里比較關(guān)鍵的一步，也是決定最終的虛擬現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)質(zhì)量的關(guān)鍵在VR軟件中進(jìn)行攝像機(jī)瀏覽的時(shí)候，軟件并不進(jìn)行真實(shí)的光線追蹤渲染，僅僅渲染某一個(gè)角度不受任何燈光影響的物體表面紋理效果影響貼圖烘焙質(zhì)量的因素包括烘焙貼圖的尺寸以及烘焙貼圖的方式。目前軟件主要提供CompleteMap和LightingMap方式，一次GI采用irradi-ance map（發(fā)光貼圖），二次GI采用Light cache（燈光緩存）。在irradiance map的采用模式中，采用Multi-frame incremental的模式，該模式的特點(diǎn)是對(duì)于動(dòng)畫的關(guān)鍵幀進(jìn)行采用的添加，以動(dòng)畫的第一幀為基準(zhǔn)，逐漸添加新的采樣，該模式可以保證在視角足夠的情況下得到較好視角的貼圖烘焙效果。

（二）攝像機(jī)交互式設(shè)計(jì)

VR軟件最基本的攝像機(jī)交互設(shè)計(jì)包括：攝像機(jī)交互、攝像機(jī)碰撞交互。攝像機(jī)的交互指的是通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤完成攝像機(jī)視點(diǎn)位置的變化以及攝像機(jī)方向的變化。碰撞交互指的是為防止軟件的模擬角色超越對(duì)象。在VR制作的虛擬現(xiàn)實(shí)中，用戶可以使用預(yù)設(shè)相機(jī)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置好的動(dòng)畫路徑，進(jìn)行游覽和采用自由相機(jī)模式在場(chǎng)景中進(jìn)行游覽兩種模式實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)交互。

（三）交互設(shè)計(jì)

交互事件，指的是設(shè)置鼠標(biāo)或鍵盤的響應(yīng)事件。默認(rèn)情況下，系統(tǒng)已經(jīng)有了鍵盤W（前進(jìn)）、S（后退）、A（左轉(zhuǎn)）、D（右轉(zhuǎn)）的交互功能，除此之外也可以通過(guò)單擊二維界面里的按鈕達(dá)到交互功能。VRP的交互設(shè)計(jì)主要設(shè)置針對(duì)用戶界面的點(diǎn)擊設(shè)計(jì)響應(yīng)事件。

（四）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(yùn)行。

古建筑群數(shù)字化復(fù)原系統(tǒng)有效的填補(bǔ)了傳統(tǒng)文化遺產(chǎn)保護(hù)中對(duì)于動(dòng)態(tài)的文化遺產(chǎn)保護(hù)的不足。古建筑群及環(huán)境系統(tǒng)有效的將古建筑及周邊的環(huán)境一起保存下來(lái)通過(guò)交互的方式展現(xiàn)。將文化遺產(chǎn)存儲(chǔ)為數(shù)字方式，還可以永久的保護(hù)文化遺產(chǎn)，方便以后學(xué)者研究。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中國(guó)建筑史編寫組.中國(guó)建筑史[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[2]李允穌.華夏意匠一中國(guó)古典建筑設(shè)計(jì)原理分析[M].天津：天津大學(xué)出版社，2005.

[3]北京數(shù)位全景科技發(fā)展有限公司.中國(guó)古典建筑表現(xiàn)技法[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.