古建筑測(cè)繪虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*
——以上營(yíng)村靈真觀為例

文/太原學(xué)院 劉 娟 黃海波

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷創(chuàng)新和互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到迅速發(fā)展，同時(shí)被廣泛運(yùn)用于教育、工業(yè)、旅游、城市規(guī)劃、軍事仿真、展覽展示等領(lǐng)域。

古建筑作為記錄人類(lèi)歷史發(fā)展軌跡的遺跡，具有極高的文化研究?jī)r(jià)值。我國(guó)古建筑多采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)，但此類(lèi)建筑物不利于保存，多數(shù)古建筑損壞嚴(yán)重。采用三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)和手段建立完整的建筑模型，可模擬多種修復(fù)方案，使古建筑修復(fù)更加精確；也可通過(guò)虛擬仿真場(chǎng)景進(jìn)行古建筑結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，對(duì)古建筑測(cè)繪具有重要意義。

本文以上營(yíng)村靈真觀為例，對(duì)古建筑測(cè)繪虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)踐，通過(guò)外業(yè)實(shí)地測(cè)量、圖紙繪制、利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)古建筑三維模型及動(dòng)畫(huà)的虛擬仿真，依托虛擬仿真平臺(tái)，采用SaaS模式，架設(shè)高端云服務(wù)器，為古建筑測(cè)繪搭建專(zhuān)屬信息化教學(xué)平臺(tái)。通過(guò)計(jì)算機(jī)、手機(jī)、App等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，實(shí)踐古建筑虛擬仿真的應(yīng)用。

1 工程概況

山西省晉中市榆次區(qū)上營(yíng)村靈真觀始建于明嘉靖年間，至萬(wàn)歷年間建成。嘉靖時(shí)為抵抗蒙古入侵，晉王撥款在此建上營(yíng)堡，在堡壘中營(yíng)建了此觀。清代和民國(guó)期間都曾維修。前院在2009年整修完成，后院則損毀嚴(yán)重，但后院才是最有價(jià)值的，大殿玉皇殿和耳房均為明代原物。玉皇殿為明代原構(gòu)，2015年修復(fù)，現(xiàn)存為三進(jìn)院落布局，是一座古樸寧?kù)o的古道觀（見(jiàn)圖1）。

1上營(yíng)村靈真觀現(xiàn)狀

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程與設(shè)計(jì)

古建筑是人類(lèi)珍貴的文化遺產(chǎn)，山西有很多具有地方特色的古建筑，這些古建筑具有很高的歷史價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值與科學(xué)價(jià)值。運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)山西本土古建筑進(jìn)行三維重建與數(shù)字化探索和研究意義重大。

古建筑測(cè)繪虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)外業(yè)數(shù)字化方法測(cè)量，運(yùn)用3D MAX軟件進(jìn)行立體空間建模，與實(shí)景融合實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境下的多維度具象空間仿真，利用虛擬仿真技術(shù)，以施工信息轉(zhuǎn)換為仿真設(shè)計(jì)，創(chuàng)建虛實(shí)結(jié)合的古建筑虛擬仿真信息表達(dá)，模擬工程測(cè)量全過(guò)程，如圖2所示。

2 古建筑測(cè)繪虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程

2.1 外業(yè)實(shí)測(cè)

外業(yè)實(shí)測(cè)采用全站儀數(shù)字化測(cè)量，輔助手持式紅外測(cè)距儀及卷尺進(jìn)行距離測(cè)量，測(cè)距精度為±1mm。

利用全站儀統(tǒng)一的坐標(biāo)定點(diǎn)測(cè)繪總平面圖，利用測(cè)量控制點(diǎn)數(shù)據(jù)直接成圖，準(zhǔn)確表達(dá)各單體建筑之間的相對(duì)位置和間距。數(shù)字化測(cè)圖極大地提高了測(cè)繪工作效率。

測(cè)量單體建筑平面及屋頂?shù)母?、仰視圖時(shí)，先用卷尺確定軸線尺寸，再依次確定臺(tái)明、臺(tái)階、室內(nèi)外地面鋪裝、山墻、門(mén)窗等位置。也可使用激光測(cè)距儀，方便、準(zhǔn)確，并可測(cè)量一些因條件限制而人無(wú)法站立和到達(dá)的點(diǎn)的距離。

單體建筑的正立面、側(cè)立面、背立面、縱剖面、橫剖面，有可利用的反射時(shí)，點(diǎn)通過(guò)激光測(cè)距儀測(cè)出高度，沒(méi)有反射點(diǎn)的可利用全站儀的對(duì)邊測(cè)量功能測(cè)出兩點(diǎn)之間的高差（見(jiàn)圖3）。

3 靈真觀五爺?shù)钔鈽I(yè)數(shù)字化測(cè)繪示意3a平面3b剖面

2.2 三維建模

在全站儀測(cè)量的基礎(chǔ)上，采用攝影測(cè)量與建模軟件技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行三維建模。利用地面測(cè)量數(shù)據(jù)、航空影像數(shù)據(jù)獲得靈真觀幾何形狀及古建筑的長(zhǎng)、寬、高，再結(jié)合AutoCAD、3D MAX軟件建模（見(jiàn)圖4）。以測(cè)繪圖紙結(jié)合二維影像為主、掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)為輔形成三維模型重建的關(guān)鍵技術(shù)。

4靈真觀五爺?shù)钊S模型4a正立面4b側(cè)立面

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

2.3.1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真（virtual reality），仿真（simulation）技術(shù)，或稱(chēng)為模擬技術(shù)，其融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、多媒體技術(shù)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)及并行處理技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支，是以仿真的方式創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對(duì)象變化與相互作用的三維虛擬世界,可直接參與并探索仿真對(duì)象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。參與者與虛擬環(huán)境內(nèi)的物體具有直接交互性。VR技術(shù)解決了許多難以解決的問(wèn)題，目前在科技研究、虛擬仿真校園、虛擬教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)等方面的應(yīng)用更廣泛。

建筑是藝術(shù)與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合體，其專(zhuān)業(yè)特性決定了虛擬技術(shù)在此領(lǐng)域的重要性，目前各大高校的建筑學(xué)院均在廣泛開(kāi)展相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用。例如，浙江大學(xué)在建筑方面進(jìn)行虛擬規(guī)劃、虛擬設(shè)計(jì)的應(yīng)用；東南大學(xué)自主研發(fā)虛擬工程漫游、渲染軟件，效果非常好。

本文的設(shè)計(jì)主要是構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)三維模型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

2.3.2 虛擬仿真平臺(tái)搭建技術(shù)

平臺(tái)架構(gòu)以Spring Boot2為基礎(chǔ)，Maven多項(xiàng)目依賴(lài)，分模塊項(xiàng)目，松耦合，方便模塊升級(jí)與增減。模塊化數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)升級(jí)，當(dāng)模塊升級(jí)代碼需更新數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行對(duì)應(yīng)版本SQL腳本。權(quán)限授權(quán)模塊支持CAS單點(diǎn)登錄，支持多數(shù)據(jù)源，分布式事務(wù)。用戶(hù)數(shù)據(jù)權(quán)限優(yōu)化，不僅是角色，顆粒度細(xì)化到每個(gè)人員身上，可自定義第三方數(shù)據(jù)權(quán)限。支持SaaS多租戶(hù)模式，每個(gè)租戶(hù)數(shù)據(jù)通過(guò)corp_code字段進(jìn)行分離，數(shù)據(jù)互不干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)古建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可解決古建筑測(cè)繪實(shí)踐場(chǎng)地、時(shí)間、安全等客觀條件的限制問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)代化信息記載手段進(jìn)行多維度觀察和記錄古建筑，有利于多角度、全方位了解古建筑的材質(zhì)、工藝及整體效果，使實(shí)體信息實(shí)現(xiàn)虛擬化、共享化、智能化、多樣化、網(wǎng)絡(luò)化，也更利于對(duì)所采集信息進(jìn)行備份和保存，便于信息再創(chuàng)作。復(fù)原虛擬建筑模型也有利于文物的保護(hù)及歷史記載，在不對(duì)建筑本身造成任何破壞的前提下真實(shí)還原和記載古建筑的歷史風(fēng)俗舊貌，使人可身臨其境地感受到古建筑的年代背景和恢弘現(xiàn)狀；同時(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)也可作為古建筑研究保護(hù)的輔助交互平臺(tái)，從而推動(dòng)古建筑研究的發(fā)展。