齊會(huì)娟，李德雄，劉麗娜

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050000）

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計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在古建筑數(shù)字化復(fù)原中的應(yīng)用

齊會(huì)娟，李德雄，劉麗娜

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050000）

摘 要：計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展為我國(guó)古建筑復(fù)原工作提供了技術(shù)支撐，文章以計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概述作為論述突破口，分析計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在古建筑數(shù)字化復(fù)原中的具體應(yīng)用過(guò)程，以此提高古建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)工作。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；古建筑；復(fù)原

隨著計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到古建筑復(fù)原工作中具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義，通過(guò)計(jì)算機(jī)三維技術(shù)可以將古建筑復(fù)原方案設(shè)計(jì)得更加合理，可以將通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將遭到破壞的古建筑以數(shù)字的形象展現(xiàn)出來(lái)，目前我國(guó)將計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到古建筑復(fù)原中的案例非常多，例如陜西威遠(yuǎn)科技有限公司利用三維互動(dòng)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)的陜西乾陵就是很好的案例。

1　計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality），該技術(shù)最早由美國(guó)在1989年提出，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念是：借助計(jì)算機(jī)形成逼真的實(shí)體，用戶在該環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)自然技能的互動(dòng)，當(dāng)然該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須要借助一些三維設(shè)備和傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到虛擬環(huán)境創(chuàng)建中主要分為3個(gè)方面：一是現(xiàn)實(shí)生活中存在的，并且人類可以看見(jiàn)的事物。例如古建筑的修復(fù)等；二是現(xiàn)實(shí)生活中存在的，但是人類肉眼是看不見(jiàn)的，例如航空仿真、化學(xué)分子結(jié)構(gòu)等；三是客觀不存在的，例如網(wǎng)絡(luò)游戲場(chǎng)景等屬于該范疇。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征：一是交互性。交互是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征，用戶通過(guò)傳感設(shè)備與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行相互作用，用戶通過(guò)有意識(shí)的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬環(huán)境的操作。例如在虛擬建筑中，用戶可以通過(guò)控制虛擬建筑實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的控制。二是構(gòu)想性?？傮w來(lái)看虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是融合味覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)以及力覺(jué)反饋系統(tǒng)的單元構(gòu)成，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境創(chuàng)建，可以讓人們?cè)谔摂M環(huán)境中獲得新的知識(shí)，從而提高人的理性認(rèn)知，進(jìn)行形成新的構(gòu)思，以此實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的提升；三是存在性。存在性主要是針對(duì)用戶而言，用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境的交互，讓用戶進(jìn)入到虛擬的環(huán)境中，從而提高了用戶的體驗(yàn)感，讓用戶感受到虛擬環(huán)境的真實(shí)存在。

2　計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在古建筑數(shù)字化復(fù)原中的應(yīng)用分析

將計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到古建筑數(shù)字復(fù)原中主要涉及3個(gè)環(huán)節(jié)：

2.1 制定具體的復(fù)原設(shè)計(jì)方案

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到古建筑復(fù)原中需要在進(jìn)行應(yīng)用前對(duì)項(xiàng)目的復(fù)原工作進(jìn)行策劃，以此保證設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性與合理性：首先要確定選擇什么方式的虛擬現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)手法，根據(jù)項(xiàng)目確定選擇圖片瀏覽還是三維體驗(yàn)。其次要考慮虛擬古建筑系統(tǒng)最終的展示平臺(tái)是在哪里，是在虛擬實(shí)驗(yàn)室，還是數(shù)字博物館。制作時(shí)間的安排要合理，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況來(lái)計(jì)劃好制作的時(shí)間。根據(jù)具體的復(fù)原設(shè)計(jì)要求，選擇相應(yīng)的虛擬作品的大小、分辨率以及作品清晰度等參數(shù)。

2.2 中期制作過(guò)程

該環(huán)節(jié)主要是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作古建筑系統(tǒng)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程主要包括：一是實(shí)地考察古建筑。通過(guò)對(duì)古建筑的實(shí)地考察，測(cè)量各項(xiàng)具體的數(shù)據(jù)，以此得到古建筑的基本情況。測(cè)量的重點(diǎn)是古建筑平面的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，立面的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，甚至剖面的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如果條件允許也要將周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)量下來(lái)；二是拍照。在測(cè)量數(shù)據(jù)的同時(shí)也要對(duì)古建筑進(jìn)行拍照。拍攝的照片首先要注意照片畫(huà)面的完整性，其次要保證拍攝照片的材質(zhì)，避免選取對(duì)象曝光過(guò)度；三是對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行分類整理。將實(shí)地考察的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總與分析；四是三維模型的建立。為了保證最終的虛擬古建筑系統(tǒng)運(yùn)行速度流暢，需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，要求制作模型的時(shí)候就要考慮盡量用最少的而和貼圖制作出最好的場(chǎng)景。在模型的面制作方面，在保證達(dá)到渲染效果的前提下，盡量用最少的面來(lái)表現(xiàn)模型；五是場(chǎng)景的貼圖、燈光和烘焙處理。由于古建筑的年代比較久，因此直接拍攝的照片不能直接被用來(lái)做貼圖，因此需要進(jìn)行貼圖的修復(fù)等，對(duì)照片色彩、紋理、亮度、對(duì)比度等的修復(fù)，目的是使貼圖更真實(shí)、完整，以便更好地服務(wù)于模型貼圖；六是虛擬漫游，交互合成。在虛擬漫游，交互合成的時(shí)候，特別要注意程序或交互模塊的邏輯性，具體的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2.3 虛擬古建筑復(fù)原后期制作

該階段主要是對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，以此驗(yàn)證該系統(tǒng)的兼容性，通用性以及穩(wěn)定性等。具體的測(cè)試方法是：在不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)下進(jìn)行測(cè)試，在不同的硬件配置機(jī)器上進(jìn)行測(cè)試，由不同的使用者來(lái)進(jìn)行操作測(cè)試。

2.4 某古建筑虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)例應(yīng)用

某古建筑利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)復(fù)原采取3DS Max軟件配合中視典公司的Vrp7進(jìn)行制作.在場(chǎng)景制作完成后，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的制作，虛擬現(xiàn)實(shí)流程如圖2所示。

圖1　設(shè)計(jì)流程

圖2　虛擬現(xiàn)實(shí)流程

2.4.1 貼圖烘焙

貼圖烘焙是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此在具體的制作過(guò)程中要格外注意。因?yàn)檎麄€(gè)古建筑具有多個(gè)數(shù)據(jù)模型，結(jié)合本工程具有300多個(gè)模型，因此需要對(duì)模型的烘焙進(jìn)行特殊的格式處理：首先由于不同的數(shù)據(jù)模型對(duì)相關(guān)圖片的格式等要求不同，因此在進(jìn)行貼圖烘焙處理時(shí)需要采取相同的格式要求。例如選Completed Map格式時(shí)，要選擇Completed Map格式，這樣才能達(dá)到數(shù)字修復(fù)要求；其次在進(jìn)行貼圖烘焙時(shí)也需要對(duì)模型進(jìn)行分類，以此達(dá)到真實(shí)復(fù)原的效果。

2.4.2 圖片優(yōu)化

在VR軟件中，貼圖是加載到顯存中進(jìn)行運(yùn)行的，因此運(yùn)行的流暢程度和電腦的顯存有較大的關(guān)系，為保證VR運(yùn)行的流暢，需要在VR軟件中對(duì)物體的貼圖文件進(jìn)行優(yōu)化。VR軟件對(duì)貼圖進(jìn)行優(yōu)化是通過(guò)壓縮圖片的方式減小顯存的占用。為了節(jié)約顯存的使用，通常需要對(duì)貼圖進(jìn)行紋理壓縮。目前使用較多的紋理壓縮為微軟開(kāi)發(fā)的DXTC（Direct X Texture Compression）。該軟件對(duì)紋理進(jìn)行最高6：1的壓縮，效果良好。

3　攝像機(jī)交互式設(shè)計(jì)

在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)置時(shí)需要借助攝像機(jī)的攝像功能，具體攝像機(jī)的攝像位置一般位于人物的后上方，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)人物的整體攝像。當(dāng)然對(duì)于攝像機(jī)的位置設(shè)定也不是一成不變的，而是需要根據(jù)具體的攝像要求進(jìn)行位置設(shè)置。結(jié)合實(shí)踐，一般在攝像機(jī)的交互設(shè)計(jì)中主要有：環(huán)視攝影機(jī)、鳥(niǎo)瞰攝影機(jī)以及自由攝影機(jī)。當(dāng)然無(wú)論采取哪種攝像機(jī)設(shè)計(jì)方案，都需要通過(guò)Virtools自帶的程序模塊編程控制攝影機(jī)的具體功能，并利用程序模塊的編程使鍵盤(pán)的TAB鍵來(lái)切換、激活不同的攝影機(jī)狀態(tài)，以便當(dāng)用戶操作虛擬四合院的時(shí)候可以任意切換、激活不同效果的攝影機(jī)。

3.1 交互設(shè)計(jì)

在完成上述操作之后，需要進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，第一步就是將人物角色載入到虛擬的環(huán)境中，當(dāng)然人物的設(shè)定需要根據(jù)場(chǎng)景的大小進(jìn)行調(diào)整，以此實(shí)現(xiàn)古建筑場(chǎng)景的和諧。同時(shí)還要在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中設(shè)定角色的動(dòng)作操作指令功能，實(shí)現(xiàn)人物角色的虛擬化；第二步通過(guò)系統(tǒng)程序模塊編程實(shí)現(xiàn)信息控制指令，便于對(duì)信息控制對(duì)象的操作。

4　編譯輸出

VRP可以編譯輸出為EXE格式的可執(zhí)行文件，該文件不需要安裝任何其他軟件支持就可以在任何的PC電腦上運(yùn)行，運(yùn)行效果如圖3所示。

圖3　運(yùn)行效果示意

總之，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到古建筑復(fù)原中對(duì)提高古建筑遺產(chǎn)的保護(hù)，提高復(fù)原設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)古建筑的整體環(huán)境復(fù)原方案起到很好的保護(hù)效果，因此在以后的古建筑復(fù)原設(shè)計(jì)中，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是我國(guó)古建筑保護(hù)的重要舉措。

［參考文獻(xiàn)］

［1］何成戰(zhàn).計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在古建筑數(shù)字化復(fù)原中的應(yīng)用［J］.廣西民族大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（6）：20-21.

［2］張奎，李丙春.流媒體技術(shù)在精品課程網(wǎng)站中的應(yīng)用［J］.新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014（3）：70-74.

［3］李越瓊，范勁松.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的佛山“數(shù)字祖廟”構(gòu)建［J］.華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（5）：30-32.

The Application of Computer Virtual Reality Technology in the Digital Restoration of Ancient Buildings

Qi Huijuan，Li Dexiong，Liu Lina
（Shijiazhuang Institute of Railway Technology，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract:The rapid development of the computer virtual reality technology provides the technical support for China's ancient architecture restoration work，based on the overview of the computer virtual reality technology as a breakthrough point，analysis of the computer virtual reality technology in digital restoration of ancient concrete application process，to improve the work of protection of ancient cultural heritage.

Key words:computer；virtual reality technology；ancient buildings；recovery

基金項(xiàng)目：項(xiàng)目名稱：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳承及復(fù)原傳統(tǒng)古建筑中的應(yīng)用研究；項(xiàng)目編號(hào)：Z2015199。項(xiàng)目名稱：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳承及復(fù)原傳統(tǒng)古建筑中的研究；項(xiàng)目編號(hào)：15210149。項(xiàng)目名稱：互聯(lián)網(wǎng)+BIM工程信息共享平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)；項(xiàng)目編號(hào)：15214519。

作者簡(jiǎn)介：齊會(huì)娟（1980-），女，河北元氏，碩士，講師；研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)，數(shù)據(jù)挖掘。