虛擬情境下的長(zhǎng)春古建筑模型構(gòu)建方法研究

黃梓軒 李 闖

（吉林建筑大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院 長(zhǎng)春 130118）

前言

長(zhǎng)春古建筑復(fù)原在虛擬領(lǐng)域介入是近年來(lái)虛擬建模未來(lái)發(fā)展方向趨勢(shì)HTCVR是目前國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品相對(duì)較好的產(chǎn)品，在介紹基于VRP實(shí)現(xiàn)古建筑三維模型虛擬現(xiàn)實(shí)步驟的同時(shí)，結(jié)合東北老工業(yè)基地振興計(jì)劃，重點(diǎn)探討了關(guān)于東北古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，和模型建立過(guò)程的數(shù)據(jù)處理，針對(duì)長(zhǎng)春古建筑的特點(diǎn)和smart3D點(diǎn)云模型實(shí)現(xiàn)的需求對(duì)這兩個(gè)過(guò)程提出了相關(guān)技術(shù)意見(jiàn)與古建筑復(fù)原的新方法。

1 數(shù)據(jù)采集及整理

依托于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)建筑物的各種角度采集影像數(shù)據(jù)，通過(guò)多學(xué)科交叉與多技術(shù)融合（傾斜攝影技術(shù)、GIS航空數(shù)據(jù)地理信息大數(shù)據(jù)分析、激光掃描技術(shù)、BIM技術(shù)等）其中主要包括建筑物的長(zhǎng)、寬、高以及各組成部分的尺寸數(shù)據(jù)，極小可能通過(guò)CAD圖紙得到尺寸數(shù)據(jù)，因?yàn)閷?duì)于時(shí)間跨度較久遠(yuǎn)的古建筑很少有留存的圖紙資料，對(duì)于無(wú)法精確測(cè)量的尺寸，可通過(guò)無(wú)人機(jī)拍照得到各個(gè)建筑物的照片，一些采集不到影像的角度需要人工運(yùn)用運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)進(jìn)行手工拍攝采集。也可選一已知高度的物體如樹(shù)、路燈或垃圾箱等物體或人作參照物根據(jù)比例計(jì)算。其他的尺寸數(shù)據(jù)也可通過(guò)測(cè)量或拍照估計(jì)。

項(xiàng)目組的各個(gè)成員需要位于該區(qū)域的不同位置分工，每個(gè)人負(fù)責(zé)自己要建模的區(qū)域內(nèi)相關(guān)物體的數(shù)據(jù)采集。使用無(wú)人機(jī)拍攝照片時(shí)要注意無(wú)人機(jī)設(shè)置熱點(diǎn)環(huán)繞半徑大小，對(duì)周邊建筑不產(chǎn)生影響，多收集周邊物體的尺寸數(shù)據(jù)以便建模時(shí)有數(shù)值作為參考。數(shù)據(jù)采集時(shí)通常會(huì)面臨不同的地理地貌可根據(jù)當(dāng)?shù)爻鞘幸?guī)劃對(duì)總平面圖數(shù)據(jù)有所把控。

2 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方法

首先將采集的影像數(shù)據(jù)集合制成單獨(dú)文件夾導(dǎo)入Context Captur Center Master中形成表面模型并開(kāi)啟Context Captur Center Engine運(yùn)算程序并注意將數(shù)據(jù)生產(chǎn)模式改成點(diǎn)云網(wǎng)格形式，此時(shí)提交新建工程進(jìn)行三角測(cè)量?？紤]古建筑所在地理位置后將生成文件使用Acute3D Viewer打開(kāi)生成閱覽。

由于Context Captur Center Master這個(gè)軟件不是由Auto公司出版所以二者并不能轉(zhuǎn)化，所以需要小組人員不同分工對(duì)已生成的點(diǎn)云模型再次手工導(dǎo)入SU測(cè)量后畫(huà)出CAD圖紙，此時(shí)已經(jīng)初步完成了古建筑的三維化和為以后的虛擬現(xiàn)實(shí)或者現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)的技術(shù)延伸打下基礎(chǔ)。將建立的三維模型完善整合成體后進(jìn)行模型的紋理材質(zhì)的處理紋理的采集和處理，進(jìn)行城市機(jī)理采集與再利用分析尤為重要。機(jī)理數(shù)據(jù)采集完成后，賦予材質(zhì)，可以根據(jù)當(dāng)時(shí)對(duì)建筑物的影像資料制作建筑貼圖增強(qiáng)真實(shí)感。要根據(jù)用途的不同對(duì)采集完的數(shù)據(jù)做不同的處理。對(duì)古建筑的建模已經(jīng)初步完成。

3 三維模型集成

由于模型是分層建立的，需要各個(gè)部分配合整合在一起才能形成一個(gè)完整的建筑模型，在數(shù)據(jù)模型建立過(guò)程中難免會(huì)遇到數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確不全面的問(wèn)題，在三維模型集成的過(guò)程中會(huì)有誤差，為了減少此類失誤的發(fā)生對(duì)一些方面的數(shù)據(jù)做了針對(duì)性的采集并統(tǒng)一對(duì)CAD文件進(jìn)行整理，主要是清除不必要的標(biāo)注、多余的內(nèi)部結(jié)構(gòu)線條等無(wú)用的標(biāo)記，也利于模型上下層的銜接和模型的整合。最后將整合的所有數(shù)據(jù)分組處理做進(jìn)一步在紋理合材質(zhì)上的優(yōu)化。

4 三維模型優(yōu)化方法

古建筑的模型在整合過(guò)后還缺少材質(zhì)紋理背景等優(yōu)化處理，主要用到Photoshop軟件對(duì)紋理處理，照片影像資料可以跟隨材質(zhì)做出凹凸的效果增加細(xì)節(jié)上的處理，并且可以創(chuàng)建垂直方向反射，折射，燈光，鏤空等多種效果，比基本材質(zhì)更精細(xì)更真實(shí)。紋理數(shù)據(jù)影響了三維場(chǎng)景中的所有地物，決定了場(chǎng)景的整體效果與紋理細(xì)節(jié)，并最終決定了場(chǎng)景的逼真程度。本項(xiàng)目中由于采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集用照片來(lái)處理獲取，所以基本上保留了建筑物本來(lái)的面貌，所以地物的紋理全部采用數(shù)碼相機(jī)實(shí)地拍攝。

通過(guò)城市肌理的普查和三維復(fù)原在制作后期的虛擬現(xiàn)實(shí)VR動(dòng)畫(huà)時(shí)紋理數(shù)據(jù)的采集使用VR渲染器進(jìn)行渲染可以和建筑物及其他物體的幾何要素?cái)?shù)據(jù)同時(shí)拍照，采集（類似谷歌地圖的全景照片）對(duì)平面圖中的每一地物需要貼圖的部分進(jìn)行紋理數(shù)據(jù)采集建筑物及其他物體幾何要素?cái)?shù)據(jù)的處理這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要用于建模時(shí)做參考，主要包括Acute3D Viewer的模型視圖，收集或測(cè)量得到的單個(gè)物體的詳細(xì)信息中包含的尺寸數(shù)據(jù)，另外就是拍照得到的參考照片。這些數(shù)據(jù)的處理主要是將其根據(jù)要建模的物體不同分別放到不同的文件夾中。在紋理的提取過(guò)程中，由于受建筑物高度的影響，數(shù)碼相機(jī)拍攝的相片往往比例失調(diào)，所以必須對(duì)每張用于紋理貼圖的照片用平面圖形處理軟件進(jìn)行處理，首先裁剪出需要貼圖的部分，如有變形則使之正立并成矩形，并且去除陰影部分，要注意貼圖的質(zhì)感和清晰度，還需要對(duì)照片的顏色和光影進(jìn)行處理，要保證色調(diào)、光影統(tǒng)一。對(duì)象比較復(fù)雜時(shí)，可以對(duì)單獨(dú)單位進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量繪制并備份相關(guān)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

中國(guó)作為一文明古國(guó)，文物的數(shù)量眾多，而文物的保護(hù)和修復(fù)是國(guó)家很重視的一個(gè)問(wèn)題，利用建筑信息模型技術(shù)為城市規(guī)劃布局發(fā)展提供底層數(shù)據(jù)模型有效推動(dòng)?xùn)|北地區(qū)智慧城市建設(shè)，因此對(duì)文物的虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展是非常有前景的項(xiàng)目，在對(duì)古建復(fù)原的過(guò)程中同樣也包含了對(duì)古建的信息查詢，空間信息虛擬瀏覽，空間量算等功能。由于時(shí)間倉(cāng)促，論文中也有不足之處。由CAD為基礎(chǔ)構(gòu)建的三維模型的精細(xì)程度有待進(jìn)一步提高；虛擬場(chǎng)景的呈現(xiàn)未來(lái)有望運(yùn)用VR、AR技術(shù)在最終進(jìn)入市場(chǎng)做進(jìn)一步研究。