古建筑物虛擬現(xiàn)實漫游的實現(xiàn)

楊曉玉 盧曉攀 王彥君

摘要：近幾年來，虛擬現(xiàn)實設(shè)備與技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，與之形成鮮明對比的是古建筑落后的保護(hù)方式。本文以合肥財經(jīng)職業(yè)學(xué)院“六尺巷”為研究對象，將通過三維激光掃描技術(shù)對其進(jìn)行點云獲取、數(shù)據(jù)處理、三維模型重建和模型紋理映射，完成六尺巷逼真模型的創(chuàng)建。在此基礎(chǔ)上，選用基于HTC VIVE的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)和Unity 3d跨平臺開發(fā)引擎，并完成了“六尺巷”虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建。本文將沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到六尺巷展示中，豐富了當(dāng)前古建筑物保護(hù)手段，具有較強的現(xiàn)實意義。

Abstract： In recent years， virtual reality devices and technologies have developed rapidly， in stark contrast to the backward protection of ancient buildings. This paper takes "Six-foot Lane" of Hefei College of Finance and Economics as the research object， and will carry out point cloud acquisition， data processing， 3D model reconstruction and model texture mapping through 3D laser scanning technology to complete the creation of the "Six-foot Lane" realistic model. On this basis， the HTC VIVE-based virtual reality system development and Unity 3d cross-platform development engine were selected， and the design and construction of the “Six-foot Lane” virtual reality roaming system was completed. This paper applies immersive virtual reality technology to the display of "Six-foot Lane"， which enriches the current ancient building protection means and has strong practical significance.

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;古跡;漫游

Key words： virtual reality;monuments;roaming

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）34-0174-02

0? 引言

在歲月的長河中，中國古人將文化和建筑、雕塑和壁畫有機結(jié)合在一起，記載著當(dāng)時的人文歷史信息，這是研究歷史的重要材料，更是一筆寶貴的精神財富。而傳統(tǒng)的古跡保護(hù)和修復(fù)已經(jīng)難以滿足時代發(fā)展的需求，如何采用新技術(shù)更高效、高經(jīng)濟性地保護(hù)古跡成為國內(nèi)外專家學(xué)者研究的重點。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality）簡稱“VR”，是利用現(xiàn)代計算機技術(shù)和多媒體傳感器模擬一個與客觀現(xiàn)實世界酷似的三維虛擬世界，不僅能超越客觀時空，還能呈現(xiàn)沉浸駕馭的逼真人機環(huán)境。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和文物古跡保護(hù)相結(jié)合，能夠突破傳統(tǒng)文物的保護(hù)方式，擺脫了時間、空間的限制，實現(xiàn)隨時隨地“沉浸式漫游”，達(dá)到資源共享的目的。

1? 基于點云數(shù)據(jù)的文物古跡三維模型重建

“六尺巷”是安徽桐城優(yōu)秀的地方文化，其典故包含了“謙和禮讓”這一中華傳統(tǒng)文化精神，2015年秋合肥財經(jīng)職業(yè)學(xué)院遵循原貌將“六尺巷”復(fù)制到校園，以宣傳和傳承其文化內(nèi)涵。該巷全長70米，寬2米，巷子的寬度和高度則嚴(yán)格按照原版1：1比例，青磚灰瓦，巷內(nèi)單面鑲嵌陰刻青石版畫，刻畫了“孝廉讓嚴(yán)勤賢儉逸善”等文化故事。

1.1 三維激光掃描點云數(shù)據(jù)的獲取與模型創(chuàng)建

為了獲取六尺巷三維激光掃描點云數(shù)據(jù)，本實驗采用Trimble TX5三維激光掃描儀對六尺巷進(jìn)行掃描。六尺巷是一條狹長的巷子，由于寬度較窄且長度較長，使得三維激光掃描無法一次性掃描全部墓室，需要進(jìn)行多次架站，對六尺巷進(jìn)行多角度掃描，后期再進(jìn)行拼接處理。經(jīng)勘查，本次實驗設(shè)立了12個站點。

在掃描過程中，由于儀器自身、周圍環(huán)境以及多站點云數(shù)據(jù)等因素的影響，在對六尺巷進(jìn)行三維模型重建前，需先對點云進(jìn)行優(yōu)化處理，主要包括點云拼接和點云去噪等。本文采用Faro scence和Geomagic進(jìn)行點云拼接和去噪。

1.1.1 三維模型封裝

三維模型封裝，即模型網(wǎng)格建立。本文采用基于曲面的方法進(jìn)行點云數(shù)據(jù)封裝，在Geomagic中選擇“封裝”選項，為了更好的顯示六尺巷上壁畫的紋理，定義點間間距為0.1m，輸入最大三角形個數(shù)為3500000點確定進(jìn)行封裝。

1.1.2 模型漏洞貼補

由于被測模型破損、幾何拓?fù)潢P(guān)系或遮擋效應(yīng)、掃描點云分布不均勻等因素，導(dǎo)致模型的部分表面數(shù)據(jù)無法獲取或采集的點云數(shù)據(jù)缺損，構(gòu)建的模型出現(xiàn)許多漏洞，因而為了得到完整的模型，需對漏洞進(jìn)行填充，補全缺失的數(shù)據(jù)，而Geomagic的網(wǎng)格醫(yī)生命令可以很好的解決這個問題。

由于站點位置是固定的，點云模型會出現(xiàn)一定的空缺，對于網(wǎng)格醫(yī)生無法處理的漏洞可采用Geomagic軟件下的“填充孔”命令來完成空缺的探測與修補。填充孔的方法有很多，本次實驗主要用完整填充孔和搭橋填充孔的方法。對于曲面變化不大的孔使用完整孔填充方法。對于曲面變化大的孔，則先通過搭橋法將孔分割成多個曲面變化小的孔，再采用完整孔填充法填充。

1.2 三維模型紋理映射

紋理映射是使三維模型逼真呈現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為使古跡表面的圖案、色澤更加真實、美觀，還需要利用圖像處理軟件（如Photoshop）對古跡的紋理圖像進(jìn)行勻光勻色、糾正和匹配等處理。

1.2.1 圖片調(diào)光處理

一些圖片由于受光不均勻或者光線太弱，會出現(xiàn)圖片色彩不均勻和圖片太暗等問題，因而需要對圖片進(jìn)行調(diào)光處理。

1.2.2 圖片正射處理

貼圖是以一個面為一個基本單位進(jìn)行的，這要求圖片與各個面是一一對應(yīng)的，但是通過拍攝采集到的圖片并不全都只含一個面，有時會包含其他相鄰的面，這就需要對圖片進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉簟４送?，由于拍攝時，很難做到完全正對物體表面，大部分是側(cè)向拍攝，因而需要對圖片進(jìn)行透視處理，從而得到物體表面的正射圖片。

1.2.3 UVW貼圖

首先在視圖中選中需要添加UVW貼圖的物體，然后單擊“修改”按鈕，打開修改命令面板，在下拉修改器列表中選擇“UVW貼圖”命令。

此外，貼好的圖片方向與實際方向并不一致，在修改堆棧中單擊貼圖前面的“+”號，展開其下拉列表，選擇Gizmo選項，即可使用工具欄中的“選擇并移動”工具、“選擇并旋轉(zhuǎn)”工具以及“選擇并均勻縮放”工具對UVW貼圖坐標(biāo)的邊界盒進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)和縮放。在進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)和縮放邊界盒時，物體上的貼圖也會隨之改變，最終將貼圖調(diào)整到與實際相符的位置。

1.2.4 模型渲染

完成以上步驟后即可渲染獲得最終的模型。

2? 沉浸式虛擬六尺巷漫游系統(tǒng)的建立

本文采用Unity 3D平臺建立“六尺巷”三維實景漫游系統(tǒng)，具體流程如下：

2.1 六尺巷三維模型導(dǎo)入。由于3ds Max和Unity3d兩個軟件之間的差異，制作好的模型并不能直接導(dǎo)入到Unity3d中，還必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換等一系列前期處理。

2.2 加載開發(fā)插件?；贖TC VIVE的虛擬現(xiàn)實開發(fā)需要在設(shè)計環(huán)境Unity3d中加載SteamVR Plugin， SteamVR Plugin中提供了虛擬現(xiàn)實開發(fā)案例、腳本等，大大縮減了系統(tǒng)開發(fā)時間，降低了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)難度。

2.3 虛擬現(xiàn)實圖形實時渲染顯示。圖形渲染是虛擬現(xiàn)實的核心之一，SteamVR提供的腳本SteamVR_Render.cs可以用來進(jìn)行虛擬現(xiàn)實圖形渲染。在程序中采用一個RenderLoop進(jìn)程進(jìn)行不間斷的圖形渲染，渲染的流程如圖2所示：①設(shè)置跟蹤空間;②獲取并更新位置信息;③渲染左、右眼。然后重復(fù)以上步驟，就可以感受到虛擬環(huán)境的變化。

2.4 碰撞檢測。碰撞檢測是虛擬漫游系統(tǒng)中一個重要的環(huán)節(jié)，主要用于用戶漫游過程中判斷物體模型之間是否接觸、模型與場景之間是否碰撞，從而防止物體模型之間的穿刺。Unity3d內(nèi)置的物理引擎實現(xiàn)了空間碰撞檢測方法，本文用的是Unity3d系統(tǒng)自帶的Mesh Collider碰撞器，保證相機可以更真實地在地面運行。

3? 人機交互功能的實現(xiàn)

本文的六尺巷虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)是基于HTC VIVE系統(tǒng)開發(fā)的，其采用Lighthouse光學(xué)跟蹤技術(shù)，通過兩個激光傳感器來獲取用戶的頭盔及手柄的位置信息和方向信息，其激光定位方案的精度可以達(dá)到毫米級，完全滿足沉浸式虛擬現(xiàn)實的定位要求，具有響應(yīng)速度快、定位精度高等優(yōu)點。

雖然HTC VIVE設(shè)備中加入了Lighthouse傳感器來進(jìn)行室內(nèi)定位，但是由于構(gòu)建虛擬三維場景的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于室內(nèi)用戶漫游的范圍，就會造成體驗者在室內(nèi)進(jìn)行沉浸式漫游時受室內(nèi)尺寸的制約。為了解決虛擬三維場景與實際室內(nèi)尺寸之間不協(xié)調(diào)的問題，本文開發(fā)的系統(tǒng)中引入了“瞬移”的方法來實現(xiàn)虛擬場景的整體漫游，即體驗者按住手柄的方向鍵，會在系統(tǒng)中出現(xiàn)一條激光，當(dāng)體驗者松開手柄按鈕時，系統(tǒng)中虛擬人物會傳送到移到激光與地面相交處，從而通過人機交互的方法實現(xiàn)虛擬場景的整體漫游。

4? 結(jié)語

通過對六尺巷虛擬漫游系統(tǒng)的測試，該系統(tǒng)可以流暢的展現(xiàn)六尺巷中的三維模型，并且很大程度地還原了六尺巷的真實面貌，能夠達(dá)到讓用戶身臨古跡的漫游效果，從而說明本文開發(fā)的虛擬漫游系統(tǒng)可以有效解決當(dāng)前文物古跡保護(hù)中存在的問題，為古跡保護(hù)提出了一種切實可行的手段。

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