虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在古建復(fù)原中的運(yùn)用方法研究

王昱東

【摘 要】文章主要以古建虛擬復(fù)原的設(shè)計(jì)要求為前提，介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在古建復(fù)原過程中的開發(fā)流程，分析了虛擬古建建模過程中的特點(diǎn)和技術(shù)要求，總結(jié)了開發(fā)流程中幾個(gè)重要環(huán)節(jié)的制作方法，為古建的數(shù)字化復(fù)原提供了相應(yīng)的理論和技術(shù)支撐。

【關(guān)鍵詞】流程；技術(shù)要求；復(fù)原方法

【中圖分類號(hào)】TP391 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）02-0203-04

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)日新月異，部分政府機(jī)構(gòu)為了新的城市規(guī)劃需要，拆除了眾多優(yōu)秀的傳統(tǒng)古建筑。古建筑是歷史物質(zhì)遺產(chǎn)的重要部分，蘊(yùn)含著深厚的文化內(nèi)涵和高超的建造工藝。然而這些先人留下的財(cái)富在當(dāng)代被快速損毀，一方面我們迫切需要呼吁政府和社會(huì)對(duì)古建進(jìn)行搶救性保護(hù)，另一方面需要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)這些傳統(tǒng)古建進(jìn)行三維數(shù)字化復(fù)原，將古建帶有的大量信息進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)化保存。本文在此背景下，通過對(duì)前期實(shí)踐的歸納和整理，總結(jié)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在古建數(shù)字化復(fù)原領(lǐng)域的具體流程、指標(biāo)和主要方法，為古建的數(shù)字化復(fù)原提供了技術(shù)支撐。

1 古建虛擬復(fù)原的設(shè)計(jì)要求

使用虛擬現(xiàn)實(shí)的相關(guān)技術(shù)對(duì)古建進(jìn)行數(shù)字化復(fù)原，應(yīng)當(dāng)根據(jù)古建自身的特點(diǎn)進(jìn)行特征分析、流程設(shè)計(jì)、制作及交互的開發(fā)。完成后的虛擬古建，總體上要能夠達(dá)到以下設(shè)計(jì)要求。

1.1 真實(shí)反映古建及古建環(huán)境

為了真實(shí)地反映出中國傳統(tǒng)古建的現(xiàn)狀，一切建模的基礎(chǔ)都要基于真實(shí)的尺寸數(shù)據(jù)，并在交互展示平臺(tái)上能夠?qū)崿F(xiàn)具有真實(shí)視覺感受的效果，能夠?qū)崿F(xiàn)流暢的交互體驗(yàn)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)軟件制作出的虛擬古建，要準(zhǔn)確真實(shí)地還原出古代傳統(tǒng)建筑的原貌，包括建筑的平面布局、建筑結(jié)構(gòu)、材料、紋理、環(huán)境等特征，同時(shí)并可以模擬各類不同的天氣及光影變化。

1.2 實(shí)現(xiàn)流暢的實(shí)時(shí)交互

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心問題是實(shí)現(xiàn)人機(jī)的實(shí)時(shí)交互，沒有交互的展示就不能稱之為虛擬現(xiàn)實(shí)。所以，用戶通過虛擬現(xiàn)實(shí)軟件制作出的虛擬古建不僅能夠使用鍵盤機(jī)鼠標(biāo)來實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互，有時(shí)也可以通過某些特制的硬件設(shè)備，如3D顯示屏、眼鏡、頭盔等實(shí)現(xiàn)更好的交互效果。在交互的過程中，為了保證交互的流暢性，必須進(jìn)行模型貼圖的優(yōu)化處理，以獲得更好的交互速度，為用戶提供更好的交互體驗(yàn)。用戶在進(jìn)行人機(jī)交互的過程中，可以選擇第一人稱視角、第三人稱視角、漫游等形式對(duì)虛擬古建進(jìn)行觀察與研究，通過交互方式的切換，可以全面地觀測到建筑的整體、局部構(gòu)件及環(huán)境，所以在制作時(shí)要保證實(shí)現(xiàn)交互的流暢性。

1.3 實(shí)現(xiàn)有效的瀏覽和研究價(jià)值

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建出來的虛擬古建，目的是供用戶進(jìn)行瀏覽研究及應(yīng)用。用戶可以根據(jù)各自的需求對(duì)虛擬古建進(jìn)行分析，從而獲得有用的信息。在完成后的虛擬古建中，用戶可以隨時(shí)隨地對(duì)古建進(jìn)行觀測。除了滿足瀏覽功能外，虛擬古建必須能夠輔助古建行業(yè)的研究者制定和完善古建修繕方案，研究人員可以根據(jù)各自的專業(yè)領(lǐng)域、各自的研究方向等共同對(duì)古建的修繕提出針對(duì)性建議。另外，虛擬古建還必須能夠有效規(guī)避古建修繕工程中的風(fēng)險(xiǎn)。研究者可以在虛擬現(xiàn)實(shí)中觀測到不同的修繕結(jié)果，提高了修繕方案的準(zhǔn)確性。

1.4 能夠提供完整的數(shù)據(jù)資料

通過虛擬真實(shí)性復(fù)原的方式，構(gòu)建在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)上特定的虛擬古建將包含完整的古建可視化數(shù)據(jù)資料。包括古建的平面布局、架構(gòu)體系，構(gòu)件的規(guī)制、材料和工藝，古建的裝飾內(nèi)容、工藝及環(huán)境等資料。當(dāng)然還能提供相關(guān)的文字及影像資料。這些虛擬古建上的數(shù)據(jù)資料不會(huì)因?yàn)橥獠凯h(huán)境的變化而消失，是行之有效的長期保存資料的方式。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)復(fù)原古建的基本流程

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)古建的復(fù)原，是一個(gè)工序復(fù)雜嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性較強(qiáng)的開發(fā)過程，這個(gè)過程包含眾多的制作環(huán)節(jié)，當(dāng)然在制作的過程中也會(huì)因?yàn)殚_發(fā)工具的不同導(dǎo)致開發(fā)流程有所不同，本文中虛擬現(xiàn)實(shí)古建的開發(fā)流程是基于“無錫惠山古鎮(zhèn)李公祠真實(shí)性復(fù)原的實(shí)現(xiàn)”項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)而成的。具體主要分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)（如圖1所示）。

圖1 虛擬古建開發(fā)流程圖

2.1 虛擬古建整體框架設(shè)計(jì)

為了能夠反映出傳統(tǒng)古建最真實(shí)的狀態(tài)，整體的框架設(shè)計(jì)是最后所呈現(xiàn)效果的保障，它是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)流程的基礎(chǔ)。只有一個(gè)合理的框架設(shè)計(jì)，才能保證人與虛擬古建交互的過程中所觸發(fā)的一系列事件能夠順利進(jìn)行。在考慮整體框架設(shè)計(jì)時(shí)主要有以下問題需要注意。

（1）虛擬古建將以何種方式進(jìn)行項(xiàng)目展示，以及最終的制作成果有哪些。

（2）用戶在瀏覽和使用該虛擬古建時(shí)，實(shí)現(xiàn)何種交互方式和交互體驗(yàn)。

（3）最終該應(yīng)用的使用價(jià)值如何體現(xiàn)。

2.2 創(chuàng)建虛擬古建的相關(guān)流程

2.2.1 數(shù)據(jù)資料的采集與整理

資料的采集環(huán)節(jié)對(duì)于古建的真實(shí)性復(fù)原具有決定性的意義，無論是原始資料的收集、外觀造型的尺寸采集還是影像資料的采集，都要以真實(shí)性作為采集的基本原則，要保證后期建模過程資料的真實(shí)可靠性，防止出現(xiàn)因資料的采集問題而使整個(gè)展示平臺(tái)失去其使用價(jià)值的情況。數(shù)據(jù)資料的采集主要包含：？譹？訛傳統(tǒng)古建的資料收集，包含歷史文獻(xiàn)資料、重建修繕資料及網(wǎng)絡(luò)上資料的收集與整理。力求找到最原始的一手資料。？譺？訛收集與整理古建的相關(guān)測繪數(shù)據(jù)與圖紙，為保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，部分能夠?qū)嵉販y量的數(shù)據(jù)盡可能去進(jìn)行實(shí)地的數(shù)據(jù)采集。？譻？訛為了保證虛擬古建外觀造型上的真實(shí)性，應(yīng)盡可能去現(xiàn)場進(jìn)行古建結(jié)構(gòu)、紋理貼圖的影像數(shù)據(jù)采集。涉及紋理貼圖部分應(yīng)當(dāng)用計(jì)算機(jī)二維軟件進(jìn)行后期處理。

2.2.2 虛擬古建模型的創(chuàng)建

三維數(shù)字化古建模型是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的主要展示內(nèi)容，所有的工作都是圍繞它加以展開，模型的制作是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)最重要的制作環(huán)節(jié)。通常使用三維制作軟件3DsMax進(jìn)行所有模型的創(chuàng)建，由于使用該軟件所創(chuàng)建的模型都是實(shí)體模型，而且為了保證古建還原的真實(shí)性，將盡可能真實(shí)地創(chuàng)建古建所有的建筑構(gòu)件部分，所以這也將是耗時(shí)最多的環(huán)節(jié)。

2.3 虛擬古建模型的貼圖賦予

為了保證虛擬古建復(fù)原的真實(shí)性，除建模環(huán)節(jié)需要對(duì)原始的建筑構(gòu)件進(jìn)行模型創(chuàng)建外，包裹在模型表面的紋理貼圖的真實(shí)感也直接影響到虛擬古建的真實(shí)性。所以，要把相機(jī)采集的原始真實(shí)的建筑構(gòu)件照片進(jìn)行后期處理，如將帶有透視的影像處理成平面的貼圖素材，處理采集到的素材的偏色問題等。在行業(yè)內(nèi)有著“三分模型，七分材質(zhì)”的說法，可見貼圖部分也是要格外注重的制作環(huán)節(jié)，它將直接影響古建復(fù)原的真實(shí)性及用戶在與平臺(tái)交互時(shí)的感受。

2.4 虛擬古建模型與貼圖的優(yōu)化與整合

對(duì)三維數(shù)字化古建模型進(jìn)行優(yōu)化的目的是進(jìn)一步提高其在導(dǎo)入虛擬平臺(tái)后的運(yùn)行速度，保證用戶在使用該平臺(tái)的過程中有流暢和良好的用戶體驗(yàn)。為了保證運(yùn)行速度，必須對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，必要時(shí)可以降低模型的精度。為此需要做如下工作：？譹？訛檢查建模過程中部分構(gòu)件的建模方式、模型的布線方式等是否一致。？譺？訛檢查模型是否存在子對(duì)象的交叉、重疊等錯(cuò)誤現(xiàn)象。？譻？訛對(duì)部分構(gòu)件的不可見面進(jìn)行刪除，盡可能地精簡模型面數(shù)。？譼？訛對(duì)模型的貼圖進(jìn)行優(yōu)化，在保證貼圖能夠充分反映模型表面細(xì)節(jié)的情況下，盡可能地減小貼圖的文件大小。

2.5 虛擬古建交互功能的實(shí)現(xiàn)

將賦予好紋理貼圖的古建模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)交互制作軟件，在該軟件中進(jìn)行交互功能的開發(fā)，使原先靜態(tài)的古建模型實(shí)現(xiàn)各種交互功能，并加載設(shè)計(jì)相關(guān)的環(huán)境要素。如果是非計(jì)算編程類開發(fā)者，可以選用圖形化的虛擬現(xiàn)實(shí)交互制作團(tuán)建，比如Unity 3 D，它能大量減少編程方面的工作。

2.6 虛擬古建的發(fā)布

創(chuàng)建完交互后的虛擬古建通常在交互軟件中進(jìn)行發(fā)布，Unity 3D可以在Windows、Mac、Android等多系統(tǒng)中進(jìn)行發(fā)布運(yùn)行，目前用Unity 3D開發(fā)的虛擬交互一般都是在wingows上進(jìn)行發(fā)布，采用兩種發(fā)布形式：exe可執(zhí)行文件發(fā)布和網(wǎng)頁發(fā)布。由于用Unity 3D開發(fā)的交互文件通常運(yùn)行數(shù)據(jù)量龐大的場景文件，因此更加適合執(zhí)行exe格式的文件，并在獨(dú)立的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)上運(yùn)行。同時(shí)Unity 3D也能夠以網(wǎng)頁的形式進(jìn)行發(fā)布，但是在后期瀏覽的時(shí)候要安裝unity web player插件。

3 虛擬古建建模的特點(diǎn)及主要技術(shù)要求

3.1 虛擬古建模型建模的特點(diǎn)

傳統(tǒng)古建筑的建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致古建建模時(shí)較其他物體建模有其自身的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）模型必須具備一定的可復(fù)制性和可修改性。由于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的榫卯式連接方式，在創(chuàng)建一個(gè)建筑構(gòu)件模型時(shí)往往需要花費(fèi)很長的時(shí)間，一棟單體古建模型往往需要幾千上萬個(gè)構(gòu)件模型組合，因此有些重要的建筑構(gòu)件要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模，在標(biāo)準(zhǔn)化的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)制和修改。

（2）模型必須有較強(qiáng)的真實(shí)性。古建及環(huán)境模型在創(chuàng)建時(shí)必須有一定的歷史資料、現(xiàn)場拍攝和測繪資料，保證三維模型能夠真實(shí)地反映出古建的歷史原貌。

（3）虛擬構(gòu)件的材質(zhì)紋理在賦予模型時(shí)必須考慮合適的貼圖映射方式，并及時(shí)進(jìn)行參數(shù)上的細(xì)節(jié)修改。

（4）在交互操作時(shí)，場景界面和模型應(yīng)提供相應(yīng)提示，使得交互能按意圖進(jìn)行。

3.2 虛擬古建建模的主要技術(shù)要求

對(duì)古建進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維建模是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最基礎(chǔ)的，同樣也是最關(guān)鍵的技術(shù)之一，三維模型的質(zhì)量直接影響到虛擬古建的應(yīng)用價(jià)值和研究價(jià)值。建立一個(gè)優(yōu)質(zhì)的古建模型能夠確保后面其他環(huán)節(jié)工作的意義。目前，計(jì)算機(jī)三維軟件大多可以應(yīng)用在虛擬模型的創(chuàng)建上，比如Autodesk 3Ds MAX、Maya、UG等。無論使用何種建模軟件，在對(duì)虛擬古建建模時(shí)均要滿足以下技術(shù)要求。

（1）精確性。對(duì)古建構(gòu)件進(jìn)行三維建模后衡量模型精確性。

（2）廣泛性。模型能否全方位地展示古建的整體與細(xì)節(jié)。

（3）真實(shí)性。模型是否能夠真實(shí)地反映出古建整體與局部的現(xiàn)狀。

（4）易操作性。模型的建模過程是十分復(fù)雜和漫長的，模型的制作者應(yīng)盡可能地的將構(gòu)件全面精細(xì)地表現(xiàn)出來，并形成一套可復(fù)制的建模流程。

（5）顯示速度。應(yīng)用程序在演示交互功能時(shí)往往需要耗費(fèi)大量時(shí)間，要盡可能縮短交互時(shí)的響應(yīng)時(shí)間，否則會(huì)影響到人的使用和研究人情。

（6）實(shí)時(shí)顯示。在三維的虛擬環(huán)境中，模型的現(xiàn)實(shí)必須在特定的幀率上，這就要求更快的顯示模式和更少的模型面數(shù)。

3.3 虛擬古建紋理貼圖的主要技術(shù)要求

為了真實(shí)地復(fù)原中國傳統(tǒng)古建，展示古建自身建筑材料的特點(diǎn)及表面的裝飾工藝，需要對(duì)數(shù)字化模型進(jìn)行紋理貼圖的處理，從而需要大量的貼圖紋理資料，因此對(duì)這些紋理貼圖資料從采集、處理到優(yōu)化都提出了較高的技術(shù)要求。

（1）精確性。貼圖采集時(shí)的位圖像素質(zhì)量要滿足近距離觀測模型的需要。

（2）真實(shí)性。在貼圖采集時(shí)，貼圖能否全面地展示出建筑表面的紋理材質(zhì)特征及與現(xiàn)存狀態(tài)一致的表面殘損情況。

（3）可重復(fù)性。處理后的貼圖能夠盡可能地重復(fù)利用，減少貼圖采集難度，在保證模型真實(shí)性的同時(shí)減少貼圖采集和處理的工作量。

（4）光影感。在三維軟件中進(jìn)行紋理貼圖賦予前，要對(duì)各貼圖進(jìn)行質(zhì)感及光影處理。

（5）統(tǒng)一的比例。在給模型進(jìn)行紋理貼圖時(shí)，古建模型構(gòu)件上的貼圖比例要協(xié)調(diào)一致。

4 虛擬古建的構(gòu)建方法

4.1 虛擬古建模型的創(chuàng)建

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)建的三維模型，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它直觀地呈現(xiàn)出物體的形式、外觀造型、色彩等重要信息。它為用戶構(gòu)建出了一個(gè)能進(jìn)行實(shí)時(shí)交互的三維虛擬環(huán)境。在虛擬環(huán)境中的對(duì)象不僅要求在造型上與真實(shí)物體一致，而且要求在材質(zhì)、光影等方面都能盡可能真實(shí)地反映出物體的真實(shí)狀態(tài)。一般通過3個(gè)步驟來完成三維模型的創(chuàng)建：首先進(jìn)行幾何形態(tài)建模，主要建立三維場景的幾何模型；其次進(jìn)行材質(zhì)建模，通過對(duì)幾何模型進(jìn)行材質(zhì)賦予和燈光設(shè)置進(jìn)行處理；最后進(jìn)行模型的動(dòng)態(tài)設(shè)置，對(duì)三維模型進(jìn)行關(guān)鍵幀動(dòng)畫設(shè)置。

三維模型是圍繞笛卡爾的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，能夠非常精確地對(duì)模型進(jìn)行控制與定位，所有的建模工作都是圍繞這一坐標(biāo)進(jìn)行的。目前的人工建模方法主要有3種：Polygon建模、NURBS建模、圖像建模。無論采用何種建模方式，在保證模型質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡可能減少模型的面數(shù)來優(yōu)化模型，這樣可以提高顯示速度，讓使用更為順暢。

4.2 虛擬古建模型的優(yōu)化

為了真實(shí)地復(fù)原傳統(tǒng)古建，在建模過程中，往往都會(huì)按照古建的結(jié)構(gòu)，建筑上分、建筑中分、建筑下分獨(dú)立建模，因此會(huì)涉及數(shù)量龐大的建筑構(gòu)件模型。由于數(shù)據(jù)量過大，會(huì)大大降低計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，降低人們的交互體驗(yàn)，因此對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化是必不可少的環(huán)節(jié)?？刹捎脤?shí)例復(fù)制進(jìn)行優(yōu)化以減少系統(tǒng)的內(nèi)存消耗；采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以對(duì)模型面數(shù)進(jìn)行控制；采用LOD技術(shù)優(yōu)化能提高運(yùn)算速度，增強(qiáng)用戶的交互體驗(yàn)。

（1）利用實(shí)例復(fù)制技術(shù)對(duì)古建模型進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)例復(fù)制（Instance）是三維建模過程中對(duì)模型進(jìn)行復(fù)制的一種方式，選用實(shí)例優(yōu)化的主要目的是在已經(jīng)創(chuàng)建好的構(gòu)建模型基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)制后，能夠節(jié)省大量的系統(tǒng)資源消耗，雖然被復(fù)制出的模型跟原模型有著不同的地理坐標(biāo)，但他們共同分享著一個(gè)模型數(shù)據(jù)。由于在傳統(tǒng)古建中會(huì)出現(xiàn)大量相同建筑構(gòu)件，而這些構(gòu)件大都采用多邊形建模的方式創(chuàng)建，模型表面的面數(shù)極多，因此使用實(shí)例復(fù)制的方式一方面能夠大大減少內(nèi)存消耗，加快屏幕的實(shí)時(shí)顯示速度，并且提升虛擬現(xiàn)實(shí)整體環(huán)境的交互速度，另一方面也極大地減少了對(duì)相同構(gòu)件重復(fù)建模的工作量。

（2）利用模型自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。傳統(tǒng)古建的建筑構(gòu)件數(shù)量龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建模過中，由于要反映建筑真實(shí)性的要求，每個(gè)構(gòu)件都會(huì)被完整地創(chuàng)建出來，但在后期建筑構(gòu)件相互連接的過程中，許多構(gòu)件與構(gòu)件的結(jié)合處會(huì)出現(xiàn)很多隱藏的四邊面，這些是無法被看到的。這些數(shù)量龐大的隱藏面會(huì)占用大量的系統(tǒng)資源，因此可以將這些看不見或注意不到的面進(jìn)行刪除，簡化模型的結(jié)構(gòu)。此外，在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行建模前，要估算好控制模型精度所需要的分段數(shù)（Segments），盡可能用較少的分段數(shù)創(chuàng)建高質(zhì)量的模型。

（3）在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中對(duì)模型的LOD優(yōu)化。LOD是“Levels of Detail”的簡稱，意為多細(xì)節(jié)層次。LOD優(yōu)化根據(jù)模型在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中所處的位置和重要性來決定渲染資源的配置，通過降低遠(yuǎn)處或非重要物體的面數(shù)，提升渲染和現(xiàn)實(shí)的速度。

三維建模后的傳統(tǒng)古建模型，往往都是由大量的三維建筑構(gòu)件所組成，這些構(gòu)件在實(shí)例和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后仍然會(huì)有龐大的邊面數(shù)，仍會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度，進(jìn)而影響虛擬現(xiàn)實(shí)的交互速度，因此需要采用LOD技術(shù)對(duì)模型的顯示進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。

4.3 虛擬古建模型材質(zhì)紋理的優(yōu)化

虛擬古建模型創(chuàng)建結(jié)束后，需要給各類構(gòu)件模型進(jìn)行不同類型的材質(zhì)賦予。將照相機(jī)采集后的高清圖片使用計(jì)算機(jī)平面處理軟件Photshop進(jìn)行無縫處理，然后通過三維軟件的材質(zhì)編輯器進(jìn)行各種紋理貼圖的參數(shù)化修改。不同的材質(zhì)類型應(yīng)用不同的材質(zhì)球類型進(jìn)行編輯，而后賦予相應(yīng)的建筑構(gòu)件模型。

在構(gòu)件模型賦予材質(zhì)的過程中，可以通過貼圖坐標(biāo)（UVW Mapping）修改器對(duì)模型表面的紋理貼圖進(jìn)行映射方式的修正，優(yōu)化貼圖與模型的坐標(biāo)匹配。還可以通過使用透明貼圖及貼圖烘焙的方法來優(yōu)化模型的紋理貼圖。

（1）使用（UVW Mapping）修改器糾正模型貼圖坐標(biāo)。每一個(gè)構(gòu)件模型都要單獨(dú)進(jìn)行材質(zhì)賦予，在給對(duì)象賦予材質(zhì)的過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)二維貼圖的坐標(biāo)位置UVW與模型的坐標(biāo)位置XYZ不匹配現(xiàn)象，導(dǎo)致模型表面無法匹配正確的現(xiàn)實(shí)貼圖的材質(zhì)紋理，因此需要給模型添加UVW Mapping修改器，來糾正貼圖的映射顯示方式及尺寸。UVW Mapping修改器能通過對(duì)模型自身UVW坐標(biāo)調(diào)整來改變貼圖位置及尺寸，修改器包含有平面、柱形、球形、收縮包裹、長方體、面、XYZ、UVW 7種映射顯示方式，它能夠?qū)Σ煌庥^造型的構(gòu)建進(jìn)行正確的貼圖坐標(biāo)調(diào)整，甚至還能調(diào)整群組模型的紋理貼圖效果。

（2）透明貼圖技術(shù)的應(yīng)用。傳統(tǒng)古代建筑格外注重各類構(gòu)件的裝飾性，在這些具有裝飾性的構(gòu)件中有一類是采用透雕手法進(jìn)行雕刻，構(gòu)件呈現(xiàn)出立體鏤空狀態(tài)，并且由于在建筑中安裝的位置不同，所雕刻的內(nèi)容也各有差異，比如各類鏤空窗花、隔斷屏風(fēng)等。如果在虛擬模型中將這類構(gòu)件全部進(jìn)行多邊形實(shí)體創(chuàng)建，建模工作量將無法估算，耗時(shí)耗力，并且最終古建模型的面數(shù)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出交互軟件的承載能力，導(dǎo)致模型導(dǎo)入后，在進(jìn)行交互設(shè)計(jì)的過程中發(fā)生錯(cuò)誤。因此，一般采用透雕工藝的裝飾構(gòu)件，可以通過透明貼圖技術(shù)來替代實(shí)體模型的創(chuàng)建。

（3）貼圖烘焙技術(shù)的應(yīng)用。貼圖的烘焙主要是指將三維軟件創(chuàng)建出的虛擬光源信息、紋理貼圖信息等生成一張平面貼圖，將這張貼圖賦予模型，使具有這張烘焙貼圖的模型無需進(jìn)行渲染就包含光源、明暗、陰影等信息。這是三維模型創(chuàng)建時(shí)的重要環(huán)節(jié)，目前常用的烘焙方式主要有Complete Map與Lighting Map 2種。Complete Map烘焙方式，烘焙的貼圖保存了良好的光源信息，效果較好，但由于其要求烘焙的尺寸較大，因此用在一些小的構(gòu)件模型上。Lighting Map烘焙方式，可以保留清晰的紋理信息，與前者相比，光影感較弱，適合用在面積較大的模型上，比如臺(tái)基、山墻等。

4.4 虛擬古建交互功能的實(shí)現(xiàn)

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行古建的真實(shí)性復(fù)原，就是希望借助虛擬現(xiàn)實(shí)軟件將普通的靜態(tài)古建影像和動(dòng)態(tài)古建巡游動(dòng)畫加以升級(jí)，實(shí)現(xiàn)古建與人的交互功能，通過用戶的操作，全方位地去了解古建的整體到局部、材料到裝飾等方面的實(shí)際問題。充分應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性，讓人能夠產(chǎn)生一定的沉浸感。通過Unity 3D軟件平臺(tái)基本能夠?qū)崿F(xiàn)以下交互功能。

4.4.1 交互式漫游功能的實(shí)現(xiàn)

通過三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人與物的自由交互，這是最基本的交互功能，同時(shí)也是最實(shí)用的交互功能。虛擬展示平臺(tái)的用戶可以通過鍵盤、鼠標(biāo)、界面或觸摸屏等硬件自由地控制整個(gè)虛擬古建，并能夠?qū)崿F(xiàn)多視角的自由瀏覽。

（1）第一人稱視角漫游交互。采用第一人稱視角漫游方式，用戶將屏幕作為自身的視野范圍。通過鼠標(biāo)和鍵盤的操作，能夠清晰地觀察到虛擬場景中在物體，能夠自由地穿行于虛擬古建場景中并進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互。用戶通過鍵盤上的“W、S、A、D”四個(gè)字母案件來控制攝像機(jī)也就是視點(diǎn)的位置：“W”向前移動(dòng)、“S”向后移動(dòng)、“A”向左移動(dòng)、“D”向右移動(dòng)。并通過鼠標(biāo)左鍵來模擬視角各方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）第三人稱視角漫游交互。有時(shí)使用第一人稱視角進(jìn)行漫游交互，會(huì)受到較大的視覺局限性，從模型的整體到局部，有些未能觀測清楚。使用第三人稱視角漫游就能夠很好地解決這一問題。第三人稱視角相對(duì)比較自由，它可以通過俯視觀察到這個(gè)場景的全貌，也可以通過控制視點(diǎn)的遠(yuǎn)近來觀察古建的細(xì)節(jié)部分，如具體的構(gòu)建結(jié)構(gòu)、紋理貼圖等。用戶可以操作鼠標(biāo)的左鍵和滾輪來控制第三人稱視角的交互漫游。當(dāng)然這種交互方式的真實(shí)感和沉浸性也會(huì)受到一定的影響。

（3）路徑漫游交互。為了減少用戶的硬件操作，Unity 3D可以預(yù)先進(jìn)行行走路徑的設(shè)定。在制作過程中對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行路徑綁定，讓攝像機(jī)按照預(yù)先設(shè)定好的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，用戶就可以直接觀測，這個(gè)功能方便那些對(duì)計(jì)算機(jī)操作不熟悉的用戶使用。路徑漫游交互較為適合普通的瀏覽者使用，并且只能對(duì)古建進(jìn)行比較粗略的瀏覽欣賞。

4.4.2 交互界面的實(shí)現(xiàn)

在完成后的虛擬古建展示平臺(tái)中，需要相應(yīng)的操作界面才能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。用戶通過鼠標(biāo)去控制操作按鈕，完成人與計(jì)算機(jī)的交互行為。因此，友好的操作界面能夠讓用戶更為簡易地對(duì)虛擬展示平臺(tái)進(jìn)行操作，可以提升用戶的交互體驗(yàn)。交互界面的設(shè)計(jì)成為整個(gè)虛擬交互平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要媒介。

4.4.3 信息交互的實(shí)現(xiàn)

在使用虛擬平臺(tái)的過程中，用戶無論使用何種瀏覽方式，在瀏覽的過程中，都可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊場景中的建筑構(gòu)件，屏幕會(huì)彈出所點(diǎn)構(gòu)件的信息窗口。再次點(diǎn)擊窗口下方的返回按鈕即可返回建筑場景中。這種信息交互功能的實(shí)現(xiàn)需要花費(fèi)大量時(shí)間把大量的信息輸入電腦。

4.4.4 虛擬季節(jié)氣候的實(shí)現(xiàn)

在虛擬古建展示平臺(tái)中，用戶可以通過菜單欄設(shè)置春夏秋冬4個(gè)不同的季節(jié)，通過人為的切換完成虛擬古建在不同的季節(jié)氣候環(huán)境中的效果。有些效果需要借助軟件中的著色器才能實(shí)現(xiàn)，比如霧氣效果需要通過著色器中的通道渲染命令完成；而一些下雪的視覺效果，就需要通過軟件中的粒子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

5 總結(jié)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，我們能夠全方位地展示中國傳統(tǒng)古建筑的結(jié)構(gòu)之美、肌理之美，能夠有效地記錄和保護(hù)這一民族瑰寶。本文主要將無錫惠山古鎮(zhèn)李公祠開發(fā)過程中的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，提出了古建數(shù)字化復(fù)原的設(shè)計(jì)要求，分析了古建虛擬創(chuàng)建的流程及主要技術(shù)要求。相關(guān)從業(yè)者也能通過此文了解虛擬古建的復(fù)原過程。

參 考 文 獻(xiàn)

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