朱嘉 劉瀚之

摘要：建筑三維數(shù)字模型已廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、BIM設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域，其主流呈現(xiàn)形式仍為二維屏幕式呈現(xiàn)，使得空間感大打折扣。隨著三維成像技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)字模型的空間呈現(xiàn)成為可能，本文梳理新型三維成像技術(shù)，并對(duì)其用于建筑三維數(shù)字模型的展示能力進(jìn)行討論和淺析。

關(guān)鍵詞：三維展示;數(shù)字模型;空間展示

基金項(xiàng)目：廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2019KY0256

1 概述

作為空間設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體，數(shù)字化三維模型已廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、建筑工程、結(jié)構(gòu)工程、水利工程、電影、醫(yī)療、教育等眾多行業(yè)。受制于呈現(xiàn)方法的單一性，三維數(shù)字模型長期處于二維屏幕擬三維化的展示狀態(tài)，未能體現(xiàn)其三維空間性的優(yōu)勢。

由于三維成像技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)字模型的空間呈現(xiàn)成為可能，以下就近年來發(fā)展的三維成像新方法技術(shù)進(jìn)行討論。

2 三維模型成像新技術(shù)方法

2.1 AR技術(shù)

AR技術(shù)英文為Augmented Reality，中文為“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”，是一種將二維屏幕的虛擬成像與現(xiàn)實(shí)三維空間融合呈現(xiàn)數(shù)字化三維形體的技術(shù)。相對(duì)于VR（Visual Reality）技術(shù)的沉浸式體驗(yàn)，AR技術(shù)更多的是通過虛、實(shí)圖像在觀察著視覺上的疊加提供虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的交互感。從近年年末阿里巴巴旗下支付寶的“掃福字”活動(dòng)到“口袋妖怪PokeMMO”游戲的風(fēng)靡一時(shí)，均體現(xiàn)了消費(fèi)者對(duì)AR技術(shù)所提供交互感的認(rèn)可，該特點(diǎn)也很好地契合虛擬三維模型在現(xiàn)實(shí)空間的呈現(xiàn)技術(shù)需求。

使用AR技術(shù)，觀察著可以在觀測屏上同時(shí)查看現(xiàn)實(shí)場景和虛擬物體。通過空間陀螺儀及程序計(jì)算，虛擬物體在空間性和物理性質(zhì)（如重力、碰撞、反彈等）上呈現(xiàn)出與現(xiàn)實(shí)場景實(shí)時(shí)的交互作用，從而說服觀察者感官系統(tǒng)，認(rèn)為該虛擬物體已然存在于實(shí)景之中。用AR技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)字建筑的呈現(xiàn)在技術(shù)上甚至比“口袋妖怪PokeMMO”游戲更易于實(shí)現(xiàn)——因?yàn)榻ㄖ旧硎庆o止的實(shí)體，其外觀形態(tài)與空間位置在現(xiàn)實(shí)場景中都是靜止的，故建筑物的AR展示只需在虛擬空間中錨定其與現(xiàn)實(shí)捕捉空間的相對(duì)位置關(guān)系并保持靜止即可，由此實(shí)現(xiàn)觀察者的移步換景與虛擬空間的三維建筑契合對(duì)應(yīng)。

從微軟的Hololens，到備受矚目的Magic Leap One，再到逐漸融入AR的iPhone，AR硬件設(shè)備形式與應(yīng)用場景也呈現(xiàn)出多樣化的趨勢，使得三維建筑展示的廣泛應(yīng)用成為可能?；贏R技術(shù)的建筑展示仿真性強(qiáng)，設(shè)備較為輕攜，模型本身精度足夠的情況下可對(duì)觀察者進(jìn)行細(xì)節(jié)呈現(xiàn);然而配合模型的尺寸，可能需要較為大型場地進(jìn)行展示配合，展示過程離不開顯示屏，在計(jì)算能力較弱的硬件配合下會(huì)出現(xiàn)模型抖動(dòng)，鏡頭畸變等情況，并有可能造成觀察者生理上的眩暈感。

2.2 全景成像技術(shù)

全景成像技術(shù)（或三維實(shí)景，Panorama），是一種有將實(shí)景或虛擬渲染場景在單點(diǎn)進(jìn)行全視野渲染輸出的成像技術(shù)，由無縫拼貼技術(shù)模擬真實(shí)場景下人的視野范圍，且隨著觀察者的運(yùn)動(dòng)，“單點(diǎn)”視野也隨之運(yùn)動(dòng)。

融合了圖像序列、聲音等傳統(tǒng)的流媒體，全景成像技術(shù)類似一個(gè)球形電影院，在720°的視野范圍內(nèi)提供弧形的觀影內(nèi)容。與電影院不同的是，觀眾是通過自身的生理活動(dòng)來控制熒幕的內(nèi)容，且觀眾的行動(dòng)將契合于全景圖像，同樣營造出觀影者的交互感與沉浸感。

現(xiàn)階段，全景成像技術(shù)被應(yīng)用于數(shù)字化博物館、數(shù)字化景區(qū)游覽等場景，可見在空間表現(xiàn)上有運(yùn)用價(jià)值，符合建筑空間展示的應(yīng)用場景。由于全景技術(shù)的“3D實(shí)景”分支，采用實(shí)景拍攝的方法進(jìn)行全視野展示，暫不在數(shù)字建筑三維模型討論中;全景技術(shù)的“虛擬現(xiàn)實(shí)”分支，可采用通用三維模型進(jìn)行多視圖渲染并全景拼貼的方式進(jìn)行視點(diǎn)渲染，則其運(yùn)動(dòng)——場景的交互性缺乏連續(xù)性，進(jìn)而影響三維呈現(xiàn)的真實(shí)性。

2.3 四棱錐全息展示技術(shù)

四棱錐全息技術(shù)是一種擬空間成像技術(shù)，通過多面體透明薄膜對(duì)發(fā)光屏物體進(jìn)行多視角反射，并通過空間關(guān)系構(gòu)筑模擬實(shí)體成像的技術(shù)。該技術(shù)由于儀器簡單，實(shí)體展示多面模型，并通過透明反射薄膜而造就的物體懸浮展示效果而受到歡迎，該技術(shù)在2010年上海世博會(huì)印度館、初音演唱會(huì)、春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)表演及《國家寶藏》中都有所應(yīng)用。

四棱錐全息技術(shù)脫胎于二維屏幕的呈現(xiàn)，但因其巧妙運(yùn)用了四個(gè)不同方向的呈現(xiàn)屏，得以同時(shí)展示物體的四面視圖，并且由于透明薄膜的反射特性，四面視圖每次只有一個(gè)被觀察者查看。配合以空間性一致的邏輯，不管模型靜止或運(yùn)動(dòng)，四視圖始終展示著具體角度的觀察畫面，通過多個(gè)畫面為觀察早營造了實(shí)體效果。由于四棱錐全息影像展示的是一個(gè)物體的四視圖，所以當(dāng)該技術(shù)運(yùn)用于物體內(nèi)部展示時(shí)，其空間一致性與立體實(shí)物感將被打破，即應(yīng)用四棱錐全息技術(shù)對(duì)數(shù)字三維建筑模型進(jìn)行展示時(shí)，僅在展示建筑外部造型時(shí)有最優(yōu)效果，而無法在對(duì)建筑內(nèi)部陳設(shè)展示。

2.4 真三維立體全息

不同于四棱錐全息的擬三維空間化模型呈現(xiàn)，真三維立體全息技術(shù)展現(xiàn)的是實(shí)實(shí)在在的三維圖像，在足夠的分辨率下，甚至可以供具有真實(shí)深度的擬連續(xù)圖像[1]。真三維立體全系中的體三維顯示以體素為基本單位，通過對(duì)物體內(nèi)部瞬時(shí)刺激產(chǎn)生有體積及深度信息的基本單元——體素，并利用視覺暫留原理進(jìn)行立體顯示。另一種顯示方式則是運(yùn)用集成成像技術(shù)，將實(shí)際物體的不同視點(diǎn)信息記錄在CCD傳感器平面上，再利用光路可逆性質(zhì)，使用與透鏡參數(shù)相同的顯示設(shè)備對(duì)三維圖像進(jìn)行觀察。

真三維立體全息技術(shù)對(duì)硬件及耗能要求高，且一般實(shí)現(xiàn)的深度范圍有局限性，更使用于顯示小型場景，在建筑展示的真實(shí)性上有優(yōu)勢，但在技術(shù)成本及最終效果層面上暫不具有應(yīng)用優(yōu)勢。

3 結(jié)論

三維建筑數(shù)字模型的空間展示將具象而高效地呈現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)本身的空間效果，而從展示技術(shù)角度，四棱錐全息、全景成像、AR、真三維立體全息四種技術(shù)從易到難地實(shí)現(xiàn)了建筑的三維展示，其中AR技術(shù)因其互動(dòng)性強(qiáng)，展示全面，影像連續(xù)性強(qiáng)而最值得進(jìn)行后續(xù)的細(xì)分研究與應(yīng)用開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1]吳軍，王冰洋，彭智勇.一種新的正交掃描多視投影計(jì)算全息圖生成方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2019，39（07）：49-63.

[2]田婧.建筑簇群全景圖像空間布局人工智能規(guī)劃方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（24）：96-99.

[3]王冰洋. 多視投影計(jì)算全息圖生成方法研究[D].桂林電子科技大學(xué)，2019.