周劍平

[本文系浙江省文化廳科研項(xiàng)目：南宋建筑群落與生態(tài)的數(shù)字化虛擬重建研究項(xiàng)目研究成果]

摘要：2016年稱為 VR 技術(shù)元年，未來世界虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會越來越深入我們的生活。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為古建筑的數(shù)字保護(hù)已經(jīng)有很長的時(shí)間，如何利用新技術(shù)保護(hù)我們的古建筑，以及在古建筑保護(hù)中數(shù)字技術(shù)如何從數(shù)據(jù)采集到數(shù)字建模，最終一個具有實(shí)時(shí)交互功能的系統(tǒng)。本文從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度闡述了這一過程和可行性論述。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；數(shù)字建模；古建筑數(shù)據(jù)庫

一、前期數(shù)據(jù)采集是古建筑群生態(tài)數(shù)字系統(tǒng)的基礎(chǔ)

古建筑信息是空間位置信息與屬性信息的有機(jī)結(jié)合，一個完善的古建筑數(shù)據(jù)庫必須以這兩種信息源為基礎(chǔ)，建立空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。前者由遙感影像圖、建筑平面圖以及歷史資料中的相關(guān)圖形等空間數(shù)據(jù)組成；后者的信息來源就相對廣泛了，通過現(xiàn)場采集、與史文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采集等，需要對建筑樣式、建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件、建筑裝飾紋理、建筑周邊自然環(huán)境以及建筑在自然環(huán)境中的雄偉風(fēng)采，建筑文化遺產(chǎn)的虛擬重建必須尊重文化遺產(chǎn)的真實(shí)性，容不得絲毫的任意發(fā)揮。否則就失去了重建文化遺產(chǎn)的意義，因此全面的資料搜集工作是制作的基礎(chǔ)。

從獲取素材的屬性上來分主要由位圖數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)組成，位圖數(shù)據(jù)主要包括遙感影像圖等。矢量數(shù)據(jù)則以單個地學(xué)實(shí)體為獨(dú)立單元，利用點(diǎn)、線、面等幾何要素精確表達(dá)建筑物的邊界和內(nèi)部體元；要素間的拓?fù)潢P(guān)系由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)顯式存儲，可實(shí)現(xiàn)建筑物內(nèi)部要素間拓?fù)潢P(guān)系的快速檢索和查詢。矢量數(shù)據(jù)主要包括由激光掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維模型、相關(guān)單位的CAD圖紙等。

二、數(shù)字模型庫是古建筑群生態(tài)數(shù)字系統(tǒng)的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)動態(tài)逼真地模擬環(huán)境，考慮到硬件的限制和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的要求，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的建模與以造型為主的動畫建模方法有著顯著的不同，建模大都采用模型分割、紋理映射等技術(shù)。3DSMAX建模軟件的使用非常廣泛，具有可操作性強(qiáng)、功能強(qiáng)大、模型精細(xì)逼真、質(zhì)感強(qiáng)等特點(diǎn)，目前虛擬場景的構(gòu)造主要有以下途徑：基于模型的方法和IBR（基于圖像的繪制）方法兩種。這兩種方法都可以在3DS MAX中加以實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，下面具體展開說明。

（一）利用3D MAX的多邊形建模方法建立模型庫

多邊形建模技術(shù)是最早采用的一種建模技術(shù)，它的思想很簡單，就是用小平面來模擬曲面，從而制作出各種形狀的三維物體，小平面可以是三角形、矩形或其他多邊形但實(shí)際中多是三角形或矩形。使用多邊形建?？梢酝ㄟ^直接創(chuàng)建基本的幾何體，再根據(jù)要求采用修改器調(diào)整物體形狀或通過使用放樣、曲面片造型、組合物體來制作虛擬現(xiàn)實(shí)作品。多邊形建模的主要優(yōu)點(diǎn)是簡單、方便和快速但它難于生成光滑的曲面，故而多邊形建模技術(shù)適合于構(gòu)造具有規(guī)則形狀的物體，如大部分的人造物體，同時(shí)可根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的要求，僅僅通過調(diào)整所建立模型的參數(shù)就可以獲得不同分辨率的模型，以適應(yīng)虛擬場景實(shí)時(shí)顯示的需要。

（二）基于圖像的繪制方法建立模型庫

傳統(tǒng)圖形繪制技術(shù)均是面向景物幾何而設(shè)計(jì)的，因而繪制過程涉及到復(fù)雜的建模、消隱和光亮度計(jì)算。盡管通過可見性預(yù)計(jì)算技術(shù)及場景幾何簡化技術(shù)可大大減少需處理景物的面片數(shù)目，但對高度復(fù)雜的場景，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件仍無法實(shí)時(shí)繪制簡化后的場景幾何。因而我們面臨的一個重要問題是如何在具有普通計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)真實(shí)感圖形的實(shí)時(shí)繪制。

三、引擎嵌入是古建筑群生態(tài)數(shù)字系統(tǒng)的交互核心

虛擬現(xiàn)實(shí)是以觀者為第一視角，具有強(qiáng)烈的用戶體驗(yàn)和交互功能。其核心就是引擎的嵌入。所有的畫面實(shí)現(xiàn)都是依托引擎的實(shí)時(shí)渲染，模型庫中的素材都需要導(dǎo)入到引擎，再進(jìn)行交互等功能的制作。以下為引擎導(dǎo)入中的核心設(shè)置。

（一）貼圖烘焙

貼圖烘焙是將光影效果渲染作為對象的紋理。烘焙操作是整個VR制作過程里比較關(guān)鍵的一步，也是決定最終的虛擬現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)質(zhì)量的關(guān)鍵在VR軟件中進(jìn)行攝像機(jī)瀏覽的時(shí)候，軟件并不進(jìn)行真實(shí)的光線追蹤渲染，僅僅渲染某一個角度不受任何燈光影響的物體表面紋理效果影響貼圖烘焙質(zhì)量的因素包括烘焙貼圖的尺寸以及烘焙貼圖的方式。目前軟件主要提供CompleteMap和LightingMap方式，一次GI采用irradi-ance map（發(fā)光貼圖），二次GI采用Light cache（燈光緩存）。在irradiance map的采用模式中，采用Multi-frame incremental的模式，該模式的特點(diǎn)是對于動畫的關(guān)鍵幀進(jìn)行采用的添加，以動畫的第一幀為基準(zhǔn)，逐漸添加新的采樣，該模式可以保證在視角足夠的情況下得到較好視角的貼圖烘焙效果。

（二）攝像機(jī)交互式設(shè)計(jì)

VR軟件最基本的攝像機(jī)交互設(shè)計(jì)包括：攝像機(jī)交互、攝像機(jī)碰撞交互。攝像機(jī)的交互指的是通過鼠標(biāo)或鍵盤完成攝像機(jī)視點(diǎn)位置的變化以及攝像機(jī)方向的變化。碰撞交互指的是為防止軟件的模擬角色超越對象。在VR制作的虛擬現(xiàn)實(shí)中，用戶可以使用預(yù)設(shè)相機(jī)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置好的動畫路徑，進(jìn)行游覽和采用自由相機(jī)模式在場景中進(jìn)行游覽兩種模式實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)交互。

（三）交互設(shè)計(jì)

交互事件，指的是設(shè)置鼠標(biāo)或鍵盤的響應(yīng)事件。默認(rèn)情況下，系統(tǒng)已經(jīng)有了鍵盤W（前進(jìn)）、S（后退）、A（左轉(zhuǎn)）、D（右轉(zhuǎn)）的交互功能，除此之外也可以通過單擊二維界面里的按鈕達(dá)到交互功能。VRP的交互設(shè)計(jì)主要設(shè)置針對用戶界面的點(diǎn)擊設(shè)計(jì)響應(yīng)事件。

（四）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。

古建筑群數(shù)字化復(fù)原系統(tǒng)有效的填補(bǔ)了傳統(tǒng)文化遺產(chǎn)保護(hù)中對于動態(tài)的文化遺產(chǎn)保護(hù)的不足。古建筑群及環(huán)境系統(tǒng)有效的將古建筑及周邊的環(huán)境一起保存下來通過交互的方式展現(xiàn)。將文化遺產(chǎn)存儲為數(shù)字方式，還可以永久的保護(hù)文化遺產(chǎn)，方便以后學(xué)者研究。

【參考文獻(xiàn)】

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