基于虛擬現(xiàn)實(shí)UDK技術(shù)的古建筑復(fù)原應(yīng)用

胡 偉

（黃山職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)與財(cái)貿(mào)系，安徽黃山245000）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)旨在通過計(jì)算機(jī)建模和渲染等技術(shù)，創(chuàng)建出一種能夠與真實(shí)世界有相同體驗(yàn)的計(jì)算機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)[1]。用戶通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)能夠產(chǎn)生臨場感和多感覺通道的現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)[2]。到目前為止，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)、軍事模擬、情景仿真和文化遺產(chǎn)保護(hù)中發(fā)揮了重要作用[3-5]。一般來說，古建筑的場景、結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)都有較大的研究意義和研究價(jià)值，目前的古建筑復(fù)原技術(shù)通常都需要以較大的計(jì)算資源消耗為代價(jià)，且復(fù)原的效果也存在細(xì)節(jié)不佳等問題[6]。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)計(jì)算效率的不斷提升，新興的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠在古建筑的復(fù)原中起到關(guān)鍵作用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一方面能夠助力古建筑復(fù)原和文化遺產(chǎn)重建，另一方面又為古建筑和文化遺產(chǎn)提供了新興的保護(hù)方式，為已經(jīng)消失或即將消失的文化遺產(chǎn)中的古建筑復(fù)原提供了可能[7]?；诖耍疚牟捎锰摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)古建筑復(fù)原進(jìn)行研究。

在眾多虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，Unity3D和Unreal Development Kit（UDK）技術(shù)是常用的虛幻引擎開發(fā)工具包，二者都是完全免費(fèi)的開放平臺(tái)，但是二者有各自的使用特點(diǎn)和應(yīng)用場景特點(diǎn)[8]。Unity3D是Unity公司開發(fā)的一個(gè)方便用于構(gòu)建三維視頻游戲、可視化建筑實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等互動(dòng)內(nèi)容的綜合開發(fā)平臺(tái)，偏向于三維游戲構(gòu)建，其支持的渲染方式有限，僅僅只能進(jìn)行一些游戲引擎方面的支持，對(duì)計(jì)算資源要求較低[9]。UDK是Epic數(shù)碼在Unreal Engine 3引擎基礎(chǔ)上開發(fā)出的一款虛幻現(xiàn)實(shí)模型構(gòu)建軟件包，該開發(fā)平臺(tái)屬于魔幻虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)框架，可以支持眾多渲染方式，包括HDR高精度多種類光照，高級(jí)動(dòng)態(tài)陰影特效和動(dòng)態(tài)渲染方式[10]。UDK技術(shù)能夠同時(shí)將百萬級(jí)別的多邊形通過模型渲染的方式表現(xiàn)出來，在古建筑建模上擁有巨大的優(yōu)勢(shì)，且相應(yīng)的計(jì)算資源消耗卻比較小，能夠滿足古建筑復(fù)原虛擬場景的真實(shí)感受要求。另外，Unity3D在開發(fā)小場景模型時(shí)有較大優(yōu)勢(shì)，由于該軟件包操作簡便，所以在使用過程中很快就能上手，在導(dǎo)入模型紋理、邏輯編程和嵌入網(wǎng)頁中都擁有較大的優(yōu)勢(shì)[11]。UDK則用于大型場景的建模中，渲染效果、燈光效果、顏色效果、陰影效果和幀率、場景復(fù)雜度上都比Unity3D支持得更優(yōu)，與Unity3D相比，UDK可以支持各種各樣的第三方插件的嵌入，提供各種不同的目標(biāo)重建方案。在大范圍的虛擬現(xiàn)實(shí)場景構(gòu)建中，可以采用FaceFX增強(qiáng)紋理渲染的真實(shí)度，或采用粒子系統(tǒng)SpeedTree對(duì)場景中的植被進(jìn)行渲染[12]。

基于此，本文選擇采用UDK虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究古建筑復(fù)原。通過UDK虛擬現(xiàn)實(shí)引擎提供的強(qiáng)大虛幻現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)和渲染能力，并以蘇州園林某古建筑作為復(fù)原對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行虛擬場景的復(fù)原、整合和渲染，并提供多種多樣的增強(qiáng)效果。

1 UDK虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在古建筑復(fù)原中的需求分析

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程

蘇州某園林的建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，該復(fù)原研究對(duì)象在真實(shí)設(shè)計(jì)中匠心獨(dú)運(yùn)，門窗雕刻精致，做工考究，且在園林內(nèi)的自然景觀占比較大，樹木繁多，山靈水秀。該園林在藝術(shù)研究上有較大的價(jià)值。構(gòu)建蘇州某園林的虛擬現(xiàn)實(shí)古建筑復(fù)原的總體設(shè)計(jì)，主要分為兩個(gè)階段，分別是三維軟件的制作階段和游戲引擎的制作階段。圖1給出了具體流程。

圖1 蘇州某園林古建筑復(fù)原流程圖

從圖中可以看出，在三維軟件的制作階段，采用AutoCAD輔助設(shè)計(jì)軟件精確繪制出古建筑模型的參考圖，并導(dǎo)入至3dsMAX進(jìn)行烘焙、格式模型裝換等操作；在游戲引擎的制作階段，將格式模型導(dǎo)入至UDK中形成場景模型，并通過UDK的材質(zhì)節(jié)點(diǎn)編輯器制作成UDK材質(zhì)，從而生成UDK對(duì)象，再對(duì)UDK對(duì)象進(jìn)行渲染和增強(qiáng)操作，最終形成虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境場景。

1.2 古建筑復(fù)原素材制作與處理

蘇州某園林古建筑模型復(fù)原三維重構(gòu)的基礎(chǔ)與依據(jù)是一維平面圖，在構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)場景之前，建立一個(gè)比例正確、大小合適的場景平面圖是古建筑復(fù)原的基礎(chǔ)。一般情況下，一維平面圖的素材制作與處理過程如下：（1）根據(jù)蘇州某園林的分布圖來確定園林的大概輪廓，道路、花圃、植被和建筑物的位置分布和大小比例，并借助于Google地球衛(wèi)星影像截圖，繪制比例精確的園林平面分布圖。（2）園林內(nèi)的古建筑物，是本文復(fù)原的重要部分，一般采用Auto CAD中的直線工具進(jìn)行勾勒，勾勒完成后的古建筑物，采用相同的方式導(dǎo)入至Google地球衛(wèi)星影像截圖，并加上一些細(xì)節(jié)上的渲染，描繪出細(xì)致的紋理。利用AutoCAD描繪出的虛擬園林建筑物底圖最后應(yīng)導(dǎo)入至3dsMAX中，作為三維虛擬園林建模的底圖。

2 UDK虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在古建筑復(fù)原中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 三維仿真場景構(gòu)建

在三維建模過程中，所有建筑部位與連接處都需要進(jìn)行精細(xì)的打磨和美化。建筑細(xì)節(jié)的打磨和美化程度取決于建筑模型的優(yōu)劣程度。對(duì)于園林類的景觀來說，建筑群雖然只占有較小的一部分，但是建筑群是人文景觀的重要組成部分之一。蘇州園林內(nèi)的建筑通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部和外部飾品都極為講究，對(duì)其進(jìn)行三維模型的建模有較大的研究意義。為了達(dá)到更精確的仿真效果，古建筑模型的三維模型構(gòu)建通常需要復(fù)雜的模型構(gòu)建和渲染，需要大量的計(jì)算資源的消耗。所以，對(duì)于內(nèi)、外部裝飾極為考究的古建筑來說，建模采用更小的面、更小的計(jì)算資源消耗、達(dá)到良好的建筑仿真是研究的重點(diǎn)。

在本文的UDK虛擬現(xiàn)實(shí)建模中，主要采用多邊形建模和石墨命令建模。在古建筑模型的屋頂上主要采用面片建模加法線貼圖相結(jié)合的方法完成，并且利用FFD優(yōu)化命令對(duì)貼片縫隙進(jìn)行處理，使其完成無縫對(duì)接。對(duì)窗花和浮雕等較為復(fù)雜的紋理建模，本文采用的是不透明貼圖加漫反射貼圖相結(jié)合的方式完成。需要注意的一點(diǎn)是，當(dāng)三維模型構(gòu)建完成以后，由于UDK支持TGA貼圖格式，導(dǎo)入U(xiǎn)DK之前需要設(shè)置場景中的材質(zhì)。所有的不透明貼圖都需要經(jīng)過PS進(jìn)行透明處理后轉(zhuǎn)化為TGA格式再重新導(dǎo)入U(xiǎn)DK，并在UDK的屬性中重新為模型賦值。圖2給出了園林中的某個(gè)建筑的實(shí)地拍攝一維平面圖和三維場景重建圖的對(duì)比結(jié)果。

2.2 SpeedTree植被建模

植被是園林景觀的重要組成部分，蘇州園林以自然植被覆蓋率高著稱。在古建筑復(fù)原過程中，植被起襯托作用，如果能夠真實(shí)還原出植被的姿態(tài)，就能夠更好的表現(xiàn)出古典園林的獨(dú)特韻味。一般來說，植被的生長形態(tài)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且受到自然環(huán)境的影響較大，在古建筑復(fù)原過程中的植被模型構(gòu)建是較難的元素之一。實(shí)際上，由于UDK只能應(yīng)用于大場景下的古建筑建模，植被建模難度較大，本文采用IDV公司的SpeedTree工具平臺(tái)進(jìn)行植被的建模[13]。該軟件帶有強(qiáng)大的樹木庫，并且可以與UDK系統(tǒng)兼容，因此，本文采用SpeedTree作為UDK輔助插件對(duì)植被進(jìn)行建模。

圖2 某建筑實(shí)地拍攝一維平面圖和三維場景重建圖對(duì)比結(jié)果

在SpeedTree工具平臺(tái)中，使用Modeler模擬樹木的動(dòng)態(tài)效果，只要在環(huán)境因素中輸入風(fēng)速、風(fēng)向等自然條件情況，就可以實(shí)時(shí)模擬出逼真的樹木搖動(dòng)效果。在新建植物模型時(shí)，首先在PS中繪制樹皮、樹葉、草枝等植被構(gòu)建的材質(zhì)，并保存為TGA格式，在建模中導(dǎo)入SpeedTree平臺(tái)，然后在該平臺(tái)上通過新建樹木，生成樹干、樹枝和樹葉，在這些節(jié)點(diǎn)之間通過相互連接，自由添加樹枝、樹葉等內(nèi)容。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)注意調(diào)整長度和半徑，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)件導(dǎo)入合適尺度的材質(zhì)。為了體現(xiàn)樹木的真實(shí)性，在每個(gè)樹枝和樹葉上應(yīng)當(dāng)添加重力使其向下彎曲，提升植被的真實(shí)度，設(shè)置完成后保存為.spm格式。

2.3 UDK虛擬建筑復(fù)原場景整合與實(shí)現(xiàn)

在由UDK虛幻引擎實(shí)現(xiàn)的古建筑復(fù)原場景整合與實(shí)現(xiàn)中，圖3給出了具體的實(shí)現(xiàn)流程。在該流程中，主要分為6個(gè)組成部分，分別是模型導(dǎo)入、貼圖處理、光影模擬、添加碰撞、創(chuàng)建漫游和添加特效元素，最終形成基于UDK的虛擬建筑復(fù)原場景[14]。

2.3.1 模型導(dǎo)入

模型導(dǎo)入首先在UDK中通過Import操作導(dǎo)入新的資源包。導(dǎo)入U(xiǎn)DK時(shí)需要特別注意的是場景的參數(shù)設(shè)置，包括比例的協(xié)調(diào)、建筑和植被之間的層次布局等細(xì)節(jié)問題。一般來說可以直接將靜態(tài)模型拖放到場景中，找到相應(yīng)的地形位置，調(diào)整模型顯示的大小，并將模型顯示在UDK軟件中。在3dsMAX中將完成貼圖后的整體模型導(dǎo)出為FBX格式，在UDK虛幻引擎中導(dǎo)入FBX格式文件，可以將材質(zhì)、貼圖和模型在引擎中進(jìn)行合理的分組，保存為素材包。對(duì)于植被的三維建模素材，使用SpeedTree模型編譯器打包成為素材包，導(dǎo)入U(xiǎn)DK虛幻引擎。

2.3.2 貼圖處理

模型導(dǎo)入完成后需要對(duì)其中的材質(zhì)進(jìn)行設(shè)置。因?yàn)閁DK支持TGA格式的貼圖，所以需要將所有非TGA格式的素材通過PS處理后保存為TGA格式。平臺(tái)只支持2n個(gè)素材貼圖。UDK的貼圖采用結(jié)點(diǎn)連線的方式，與PS中的圖層疊加有相同的效果，采用這種處理方式可以讓貼圖更多樣化，效果更為逼真。

蘇州某園林的古建筑復(fù)原重建中，最常見的復(fù)原對(duì)象為木質(zhì)雕花門窗和山水石面。對(duì)木質(zhì)雕花門窗來說，首先，需要在模型對(duì)應(yīng)的資源包中創(chuàng)建新的材質(zhì)，并將材質(zhì)的貼圖載入，然后連入漫反射通道進(jìn)行細(xì)節(jié)處理。其次，需要表現(xiàn)出貼圖材質(zhì)的紋理信息和光照補(bǔ)償信息，將紋理信息和光照補(bǔ)償信息分別設(shè)置到UV通道上，通過在UDK中設(shè)置參數(shù)Multiply材質(zhì)表達(dá)式，合成并完成貼圖。最后，通過參數(shù)Speclular設(shè)置光照的顏色、強(qiáng)度和材質(zhì)的高光面積以及表面的光澤度，通過設(shè)置散射和反射通道數(shù)表達(dá)出凹凸效果，并且需要將其中的法線貼圖與Normal通道相連接，形成復(fù)雜的木質(zhì)雕花門窗虛擬現(xiàn)實(shí)效果。在蘇州某園林的古建筑復(fù)原中，山石水面的制作也是素材貼圖的重要部分。由于古建筑通常會(huì)伴有假山和人工湖形成園林建筑群體系，所以在古建筑的三維重建中需要模擬真實(shí)的山石紋理和水面折射反射效果，通過這些效果的渲染讓場景變得更為真實(shí)，操作步驟與模擬木質(zhì)雕花的過程相同。需要注意的是Opacity透明通道搭配淺灰色可以形成半透明水材質(zhì)的效果。

2.3.3 光影模擬

光影模擬的第一步是通過UDK場景創(chuàng)建天球模型并設(shè)計(jì)天空貼圖，要消除天球物體的陰影以免影響主光源的照射效果。天球模型構(gòu)建完成后可以開始進(jìn)行光照模擬。光照模擬需要在場景中設(shè)置主光源的位置，一般使用可移動(dòng)區(qū)域的平行光。平行光能夠產(chǎn)生合理的動(dòng)態(tài)陰影，對(duì)光影渲染和光影模擬產(chǎn)生逼真的效果（當(dāng)然，陰影還能夠產(chǎn)生出日出日落的模擬效果）。通常情況下光影模擬應(yīng)該采用主輔兩種光源，在主光源位置安置好后設(shè)置輔助光源，以消除主光源直射物體產(chǎn)生的背部陰影亮度過低的問題——這時(shí)候的輔助光源應(yīng)該為天空光，并且以散射光為主。場景中的基本光照設(shè)置完成后，需要為個(gè)別不受光的物體添加泛光光源，以獲得更為真實(shí)的渲染效果。一般受光面設(shè)置為暖色調(diào)，陰影面設(shè)置為冷色調(diào)，二者之間相得益彰，最終設(shè)置出輝光效果。圖3給出了本文為蘇州某園林設(shè)計(jì)出的光影模擬效果。

圖3 蘇州某園林的光影模擬效果

2.3.4 添加碰撞

UDK中的碰撞添加主要采用三種方式，其一是建筑物通過自身幾何體碰撞屬性完成；其二是山石通過自身幾何體碰撞屬性完成；其三是水面的碰撞可以使用UDK中提供的Blocking Volume構(gòu)建出碰撞效果。

2.3.5 創(chuàng)建漫游

UDK虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過UDK Game模式自動(dòng)為虛擬現(xiàn)實(shí)場景提供第一人稱漫游模式，該漫游模式可以創(chuàng)建Kismet攝像機(jī)的動(dòng)畫軌跡并且通過參數(shù)設(shè)置調(diào)整攝像機(jī)視角的各個(gè)參數(shù)，完成第一人稱漫游的攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)的方案制作。

2.3.6 添加特效元素

特效元素包括隨機(jī)的天氣和植被的四季變化等特效元素。由于蘇州某園林存在多霧天氣，所以可以通過在UDK引擎中設(shè)計(jì)粒子系統(tǒng)，在虛擬現(xiàn)實(shí)場景中模擬出多霧天氣和雨滴等效果，樹木的四季變化也可以通過不同顏色渲染得以實(shí)現(xiàn)，通過高度的仿真與藝術(shù)烘托相結(jié)合的方式，進(jìn)一步提升古建筑復(fù)原的真實(shí)性和藝術(shù)性。

3 總結(jié)

隨著計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各行各業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)通過對(duì)古建筑進(jìn)行建模并進(jìn)行復(fù)原，以期獲得更好的文化遺產(chǎn)保護(hù)。本文從實(shí)際出發(fā)，選擇了UDK虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為古建筑復(fù)原應(yīng)用技術(shù)，并結(jié)合SpeedTree植被建模技術(shù)，通過對(duì)蘇州某園林建筑及其場景進(jìn)行了古建筑修復(fù)應(yīng)用。首先通過一維平面設(shè)計(jì)出古建筑及其場景的設(shè)計(jì)圖，然后通過UDK虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完成古建筑的復(fù)原。復(fù)原過程中首先使用UDK構(gòu)建三維仿真建筑和場景，然后通過SpeedTree構(gòu)建植被仿真，最后通過UDK整合和實(shí)現(xiàn)三維虛擬場景與建筑的重建，整合過程中給出了6個(gè)重要部分，分別是模型導(dǎo)入、貼圖處理、光影模擬、添加碰撞、創(chuàng)建漫游和添加特效元素，形成基于UDK的虛擬建筑復(fù)原場景。從復(fù)原結(jié)果來看，UDK虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以很好完成古建筑及其場景的復(fù)原，有較強(qiáng)的應(yīng)用意義。