高曉林 張輝

基金項(xiàng)目：本論文為2020年度國(guó)家藝術(shù)基金（一般項(xiàng)目）傳播交流推廣項(xiàng)目“唐十八陵雕塑藝術(shù)的新媒介傳播平臺(tái)建設(shè)”研究成果，項(xiàng)目編號(hào)：2020-A-04-（084）-360

摘要：目的：隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)被廣泛應(yīng)用于智慧園區(qū)、數(shù)字工廠、歷史文化保護(hù)等領(lǐng)域。運(yùn)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，能夠快速、高效地獲取具有真實(shí)紋理的地面實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，具有建模速度快、真實(shí)紋理強(qiáng)、生產(chǎn)成本低、模型精度高等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為主流的實(shí)景三維模型生成方式，通過(guò)傾斜攝影技術(shù)對(duì)大遺址文化進(jìn)行三維重建的方式逐漸被廣泛接受。方法：文章以唐橋陵為實(shí)景三維建模研究對(duì)象，介紹傾斜攝影技術(shù)在前期各工作環(huán)節(jié)的應(yīng)用步驟和方法，探討傾斜攝影技術(shù)在實(shí)景三維平臺(tái)建設(shè)中的應(yīng)用。結(jié)果：通過(guò)數(shù)字化三維重建，優(yōu)化處理產(chǎn)出的唐橋陵實(shí)景三維模型，再將其與Unity 3D平臺(tái)結(jié)合，通過(guò)一定的信息可視化和交互設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)進(jìn)入神道、導(dǎo)游模式、面積測(cè)量、光影變化、720°全景展示等交互功能，幫助用戶快速了解唐陵的地理概況、陵園構(gòu)造和三維模型信息，為唐陵文化的宣傳提供新思路和新方法。結(jié)論：通過(guò)搭建唐橋陵實(shí)景三維平臺(tái)，對(duì)唐陵進(jìn)行了數(shù)字化保護(hù)，填補(bǔ)了唐代帝陵在實(shí)景三維領(lǐng)域的空白，為其他文化遺產(chǎn)建模研究及數(shù)字化保護(hù)工作提供了實(shí)例和一定的參考。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；實(shí)景三維；交互設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2024）02-00-03

0 引言

隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，傾斜攝影這種現(xiàn)代化的三維建模方式成為實(shí)景三維建模的重要手段之一。傾斜攝影是一種通過(guò)傾斜角度相機(jī)拍攝來(lái)獲取地表物體的立體影像信息的技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于可以快速、高精度地獲取大面積地表物體的幾何信息，同時(shí)能夠記錄地表物體的紋理、色彩等特征，提供更真實(shí)、更具細(xì)節(jié)的模型。通過(guò)傾斜攝影技術(shù)，可以創(chuàng)建高度逼真的三維模型，將文物、古跡、建筑等實(shí)物呈現(xiàn)在數(shù)字環(huán)境中，為用戶提供一個(gè)便捷的觀測(cè)、學(xué)習(xí)和保護(hù)的平臺(tái)［1］。本研究使用大疆Mavic 3無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)，結(jié)合Context Capture實(shí)景三維建模軟件生成三維模型，再通過(guò)Maya、Model Fun等軟件優(yōu)化三維模型，最終將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中實(shí)現(xiàn)一定的交互設(shè)計(jì)。

1 傾斜攝影建模方案設(shè)計(jì)

1.1 航測(cè)范圍確定

攝區(qū)位于中國(guó)陜西省渭南市蒲城縣城西北15千米處的唐橋陵，是唐睿宗李旦的陵寢。唐橋陵陵園略呈長(zhǎng)方形，東西長(zhǎng)約2871米，南北長(zhǎng)約2836米，總面積約為852萬(wàn)平方米。陵寢西側(cè)有5座山峰，分別高達(dá)780米、769.2米、736.7米、690.5米、637.1米。而北側(cè)則是一個(gè)以高程806米的主峰為中心，環(huán)列多座山峰的山區(qū)，其山形雄偉壯觀，氣勢(shì)磅礴。確定航測(cè)范圍后對(duì)攝區(qū)進(jìn)行傾斜攝影和正射影像采集，采集面積約8平方千米。

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

首先對(duì)傾斜攝影建模對(duì)象進(jìn)行建模實(shí)驗(yàn)，在前期工作中對(duì)唐建陵、唐崇陵、唐乾陵等多座唐代帝陵進(jìn)行傾斜攝影三維建模的嘗試，筆者發(fā)現(xiàn)在100米或120米的高度進(jìn)行傾斜攝影三維建模的效果并不理想，難以獲得較為清晰的神道石刻建模成果，建模的精細(xì)度有待提高。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)合對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的研究學(xué)習(xí)，最終得出結(jié)論：在對(duì)唐陵陵園進(jìn)行傾斜攝影三維建模時(shí)，除陵園整體的三維建模外，還要對(duì)陵園神道進(jìn)行精細(xì)化建模，通過(guò)多層航線拍攝，可以獲得較為清晰的神道石刻建模效果。對(duì)于非神道區(qū)域，建模的精度要求可以適當(dāng)降低，在不影響觀感的前提下盡量壓縮模型的體積，以減少后續(xù)的模型處理工作量。

1.3 航測(cè)路線設(shè)計(jì)

在開(kāi)始唐橋陵航測(cè)之前，必須先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和儀器檢查，以確保航測(cè)路線的正確性和可靠性。為獲得高質(zhì)量的影像，必須精心設(shè)計(jì)航測(cè)方案，確定拍攝日期，并且采用南北方向飛行，共設(shè)計(jì)了89條航線，其中航向重疊度不低于80%，旁向重疊度不低于70%，地面分辨率達(dá)到3cm，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和條件調(diào)整具體的飛行計(jì)劃和飛行高度，以確保順利完成航測(cè)［2］。

2 實(shí)景三維模型生成與優(yōu)化

需要借助專(zhuān)業(yè)的三維建模軟件生成傾斜攝影三維模型，當(dāng)前市面上的選擇有很多，如Context Capture、Pix4D、Reality Capture等軟件，對(duì)比分析實(shí)際的建模效果之后，筆者最終選擇以Context Capture軟件生成實(shí)景模型，通過(guò)該軟件可以得到質(zhì)量較高的三維模型。

傾斜攝影模型普遍存在體積過(guò)大和加載慢的問(wèn)題，這主要是因?yàn)閮A斜攝影模型通常包含大量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理信息，數(shù)據(jù)量較大，同時(shí)需要進(jìn)行復(fù)雜的渲染和處理操作，導(dǎo)致加載速度變慢［3］，優(yōu)化產(chǎn)出的實(shí)景三維模型成為重中之重。經(jīng)過(guò)大量的嘗試和不斷試驗(yàn)，筆者最終確定使用Autodesk旗下的Maya軟件進(jìn)行模型的面數(shù)優(yōu)化。

2.1 基于Context Capture生成唐橋陵三維模型

Context Capture是一款高性能的三維建模軟件，它簡(jiǎn)單易用，數(shù)據(jù)兼容性強(qiáng)，人機(jī)交互界面友好。該軟件可以滿足各種復(fù)雜的建模需求且運(yùn)行速度較快。該軟件在運(yùn)算性能和硬件配置兼容性方面表現(xiàn)優(yōu)秀，是目前全球最先進(jìn)的三維建模軟件之一［4］。

Context Capture作為一種先進(jìn)的三維自動(dòng)建模系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶需求，提供多樣化的圖像數(shù)據(jù)和多種附加信息［5］，如GPS坐標(biāo)、INS坐標(biāo)、控制點(diǎn)坐標(biāo)等。通過(guò)調(diào)整輸入的參數(shù)，可以創(chuàng)造出具有逼真紋理的高清三角網(wǎng)格模型，它可以清晰地展示出建筑物的外觀、結(jié)構(gòu)和細(xì)微差別。通過(guò)獲取更高的影像分辨率和精度，可以創(chuàng)建更加精細(xì)的三維模型，從而提高模型的細(xì)節(jié)精準(zhǔn)度。

2.2 三維模型的優(yōu)化處理

得到三維模型后，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理，以達(dá)到項(xiàng)目使用要求。模型處理主要涉及兩個(gè)部分：第一個(gè)部分是模型修飾，在生成傾斜攝影實(shí)景三維模型時(shí)，通常會(huì)遇到模型缺陷問(wèn)題，為得到更高精度和更好細(xì)節(jié)的三維模型，需要進(jìn)行模型修飾；第二個(gè)部分是模型減面，減面是為了縮小模型體積，促使實(shí)景三維模型流暢加載。

2.2.1 優(yōu)化缺陷——模型修飾

模型修飾是對(duì)生成的三維模型進(jìn)行調(diào)整、修改和優(yōu)化，使其更符合實(shí)際需求和應(yīng)用場(chǎng)景。常見(jiàn)的修模軟件有DP-Modeler、Model Fun、3DS Max，筆者在本項(xiàng)目中選擇武漢大勢(shì)智慧科技有限公司研發(fā)的模方（Model Fun）作為實(shí)景三維模型編輯修復(fù)工具，該軟件可以幫助用戶快速、準(zhǔn)確地修復(fù)實(shí)景三維，提供了多種便捷的模型修復(fù)模式，具有立面修補(bǔ)、刪除底部碎片等多種功能，可以滿足用戶的多種需求［6］。

2.2.2 優(yōu)化數(shù)據(jù)——模型減面

減面是一種優(yōu)化、提升三維模型性能和效率的技術(shù)手段，在進(jìn)行減少面數(shù)處理的同時(shí)，需要保證模型的細(xì)節(jié)和準(zhǔn)確性不受影響［7］。因此，要采用一些特殊的算法來(lái)優(yōu)化減少面數(shù)處理的效果，以盡可能保證模型的細(xì)節(jié)和精度。筆者經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)相較于Unity 3D自帶的減面插件，相同面數(shù)下，Maya軟件生成的模型更佳，故選擇該軟件進(jìn)行模型的減面優(yōu)化。

在唐橋陵傾斜攝影建模案例中，模型體積巨大且面數(shù)很多，初始面數(shù)有1.2億面，過(guò)大的模型體量導(dǎo)致加載過(guò)慢，本項(xiàng)目將模型分成10份依次導(dǎo)入Maya中進(jìn)行減面，使面數(shù)降到了700萬(wàn)面，在保證原始貼圖的同時(shí)極大地提高了模型的加載效率，從而使唐橋陵實(shí)景三維平臺(tái)的搭建和發(fā)布更加順利。

3 實(shí)景三維平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)踐

Unity 3D是一種跨平臺(tái)的游戲引擎，被廣泛應(yīng)用于游戲、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域，它提供了強(qiáng)大的3D圖形渲染和物理模擬功能，可以為用戶呈現(xiàn)高度逼真的場(chǎng)景和效果。在唐橋陵實(shí)景三維平臺(tái)中，交互功能設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的一環(huán)，該平臺(tái)的交互功能設(shè)計(jì)包括多種交互方式，如導(dǎo)游模式、光影變化、語(yǔ)音播放、測(cè)量功能等，以提供多樣化的用戶體驗(yàn)。同時(shí)充分考慮用戶的操作習(xí)慣和使用場(chǎng)景，提供符合用戶需求的交互方式［8］。唐橋陵實(shí)景三維平臺(tái)將唐橋陵傾斜攝影模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D引擎中，通過(guò)一定的交互設(shè)計(jì)，為用戶提供更加真實(shí)的感覺(jué)和交互體驗(yàn)。該平臺(tái)還可以幫助用戶更加深入地了解唐代歷史和文化，增強(qiáng)用戶的參與感和學(xué)習(xí)效果。

3.1 簡(jiǎn)潔清楚的界面設(shè)計(jì)

在唐橋陵實(shí)景三維平臺(tái)設(shè)計(jì)中，首先需要明確唐橋陵實(shí)景三維平臺(tái)要向用戶展示哪些內(nèi)容，要使用戶能夠通過(guò)清晰的頁(yè)面布局快速找到所需信息［9］。筆者使用層次分明的頁(yè)面結(jié)構(gòu)，使用大標(biāo)題、子標(biāo)題、段落、圖表等來(lái)組織信息，同時(shí)清晰地展示唐橋陵的位置信息及是否被盜等信息。此頁(yè)面盡量確保各個(gè)元素的設(shè)計(jì)風(fēng)格一致，包括字體、顏色、圖標(biāo)等，以提高、優(yōu)化用戶的使用效率和體驗(yàn)，使用戶更容易理解頁(yè)面中的信息。簡(jiǎn)潔明了的語(yǔ)言文字可以幫助用戶更好地理解頁(yè)面中的信息。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，筆者選擇更簡(jiǎn)單易懂的語(yǔ)言來(lái)完成信息展示，方便大多數(shù)用戶使用和觀看。

3.2 融合元素的圖標(biāo)設(shè)計(jì)

融合唐陵元素的圖標(biāo)設(shè)計(jì)要將唐陵文化的元素與圖標(biāo)設(shè)計(jì)相結(jié)合，以體現(xiàn)唐陵文化的特色和價(jià)值［10］。在本項(xiàng)目中，筆者制作文本界面背景時(shí)，選擇唐橋陵石獅和瑞獸云紋作為視覺(jué)元素，將其融合到圖標(biāo)中，還需要注意唐陵元素與其他元素之間的平衡和協(xié)調(diào)，以確保整體設(shè)計(jì)和諧美觀。

3.3 基于GIS的地圖制作

利用GIS地圖技術(shù)能夠有效整合多個(gè)不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，包括地理位置信息、地形、氣象等，從而全面、準(zhǔn)確地分析地理空間［11］。通過(guò)GIS技術(shù)，可以將各種數(shù)據(jù)信息與地理位置關(guān)聯(lián)起來(lái)，進(jìn)行整合和分析。本項(xiàng)目以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，以唐橋陵實(shí)景數(shù)據(jù)為底圖，通過(guò)電子地圖下載器中的百度地圖，下載最高層級(jí)的15級(jí)的衛(wèi)星圖，將圖片合成為實(shí)景三維背景地圖。

3.4 第一人稱(chēng)的漫游體驗(yàn)

第一人稱(chēng)的漫游體驗(yàn)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種應(yīng)用，指用戶在虛擬環(huán)境中以自身視角進(jìn)行探索和互動(dòng)的一種體驗(yàn)。相較于傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，第一人稱(chēng)漫游體驗(yàn)具有高度的沉浸感和身臨其境的感覺(jué)，這種體驗(yàn)方式使用戶能夠更加深入地融入虛擬世界中，并與其中的元素進(jìn)行深度交互。

在Unity 3D游戲引擎中，角色控制器組件（Char-acters）是一個(gè)強(qiáng)大的工具，可以利用它實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬物體的多種操作。在Import Package中添加該組件，就可以控制物體的位置、速度、加速度等參數(shù)，用戶可以通過(guò)W、S、A、D這四個(gè)按鈕來(lái)操縱物體的上下、左右、前后移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)第一人稱(chēng)的漫游體驗(yàn)。用戶可以通過(guò)點(diǎn)擊第一人稱(chēng)按鈕自由地游覽各個(gè)角落，也可以自主選擇行動(dòng)路線。在漫游的過(guò)程中，用戶可以欣賞唐陵的建筑物和景觀細(xì)節(jié)，沉浸式體驗(yàn)唐陵文化。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的研究，筆者將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用到唐代帝陵遺址的數(shù)字化保護(hù)中，并建立起一個(gè)數(shù)字化保護(hù)新平臺(tái)。通過(guò)跨學(xué)科研究，找到一種新的唐陵文化傳播方案，即采用最先進(jìn)的傾斜攝影技術(shù)，進(jìn)行唐陵陵園的實(shí)景三維建模，再通過(guò)實(shí)景三維平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，使用戶在線上即可欣賞唐陵，從而打破了野外大型文化遺址的時(shí)空?qǐng)鲇蛳拗?，?yōu)化了用戶的視覺(jué)體驗(yàn)，有助于更好地保護(hù)和傳承唐陵的歷史文化。本文以跨學(xué)科的研究為基礎(chǔ)，使用傾斜攝影技術(shù)、三維建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為唐橋陵找到了一種適應(yīng)當(dāng)今時(shí)代的傳播方案與方法。通過(guò)傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)研究，唐橋陵文化遺址得以深入開(kāi)發(fā)，可以增加人們對(duì)實(shí)景三維技術(shù)的認(rèn)知，也有利于保護(hù)和傳承唐陵文化。

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作者簡(jiǎn)介：高曉林（1997—），男，山東東營(yíng)人，碩士在讀，系本文通訊作者，研究方向：影像藝術(shù)與信息設(shè)計(jì)。

張輝（1970—），男，陜西西安人，碩士，教授，研究方

向：影像藝術(shù)與信息設(shè)計(jì)。