计算机虚拟现实技术在古建筑数字化复原中的应用

齐会娟，李德雄，刘丽娜

（石家庄铁路职业技术学院，河北 石家庄 050000）



计算机虚拟现实技术在古建筑数字化复原中的应用

齐会娟，李德雄，刘丽娜

（石家庄铁路职业技术学院，河北 石家庄 050000）

摘 要：计算机虚拟现实技术的快速发展为我国古建筑复原工作提供了技术支撑，文章以计算机虚拟现实技术的概述作为论述突破口，分析计算机虚拟现实技术在古建筑数字化复原中的具体应用过程，以此提高古建筑文化遗产保护工作。

关键词：计算机；虚拟现实技术；古建筑；复原

随着计算机虚拟技术的不断发展，将虚拟现实技术应用到古建筑复原工作中具有很重要的现实意义，通过计算机三维技术可以将古建筑复原方案设计得更加合理，可以将通过计算机系统将遭到破坏的古建筑以数字的形象展现出来，目前我国将计算机虚拟现实技术应用到古建筑复原中的案例非常多，例如陕西威远科技有限公司利用三维互动仿真平台设计的陕西乾陵就是很好的案例。

1　计算机虚拟现实技术

计算机虚拟现实技术（Virtual Reality），该技术最早由美国在1989年提出，虚拟现实技术的概念是：借助计算机形成逼真的实体，用户在该环境中可以实现自然技能的互动，当然该技术的实现必须要借助一些三维设备和传感设备实现。将虚拟现实技术应用到虚拟环境创建中主要分为3个方面：一是现实生活中存在的，并且人类可以看见的事物。例如古建筑的修复等；二是现实生活中存在的，但是人类肉眼是看不见的，例如航空仿真、化学分子结构等；三是客观不存在的，例如网络游戏场景等属于该范畴。

虚拟现实技术的基本特征：一是交互性。交互是虚拟现实技术的基本特征，用户通过传感设备与虚拟环境中的对象进行相互作用，用户通过有意识的操作，实现对虚拟环境的操作。例如在虚拟建筑中，用户可以通过控制虚拟建筑实现对建筑的控制。二是构想性。总体来看虚拟现实技术是融合味觉、嗅觉、触觉以及力觉反馈系统的单元构成，通过虚拟现实技术的环境创建，可以让人们在虚拟环境中获得新的知识，从而提高人的理性认知，进行形成新的构思，以此实现现实技术的提升；三是存在性。存在性主要是针对用户而言，用户通过计算机虚拟环境的交互，让用户进入到虚拟的环境中，从而提高了用户的体验感，让用户感受到虚拟环境的真实存在。

2　计算机虚拟现实技术在古建筑数字化复原中的应用分析

将计算机虚拟现实技术应用到古建筑数字复原中主要涉及3个环节：

2.1 制定具体的复原设计方案

将虚拟现实技术应用到古建筑复原中需要在进行应用前对项目的复原工作进行策划，以此保证设计方案的科学性与合理性：首先要确定选择什么方式的虚拟现实表现手法，根据项目确定选择图片浏览还是三维体验。其次要考虑虚拟古建筑系统最终的展示平台是在哪里，是在虚拟实验室，还是数字博物馆。制作时间的安排要合理，根据项目的实际情况来计划好制作的时间。根据具体的复原设计要求，选择相应的虚拟作品的大小、分辨率以及作品清晰度等参数。

2.2 中期制作过程

该环节主要是利用虚拟现实技术制作古建筑系统的过程，这个过程主要包括：一是实地考察古建筑。通过对古建筑的实地考察，测量各项具体的数据，以此得到古建筑的基本情况。测量的重点是古建筑平面的各项数据，立面的各项数据，甚至剖面的各项数据，如果条件允许也要将周围的环境数据测量下来；二是拍照。在测量数据的同时也要对古建筑进行拍照。拍摄的照片首先要注意照片画面的完整性，其次要保证拍摄照片的材质，避免选取对象曝光过度；三是对相关资料进行分类整理。将实地考察的各种数据进行汇总与分析；四是三维模型的建立。为了保证最终的虚拟古建筑系统运行速度流畅，需要对模型进行优化设计，要求制作模型的时候就要考虑尽量用最少的而和贴图制作出最好的场景。在模型的面制作方面，在保证达到渲染效果的前提下，尽量用最少的面来表现模型；五是场景的贴图、灯光和烘焙处理。由于古建筑的年代比较久，因此直接拍摄的照片不能直接被用来做贴图，因此需要进行贴图的修复等，对照片色彩、纹理、亮度、对比度等的修复，目的是使贴图更真实、完整，以便更好地服务于模型贴图；六是虚拟漫游，交互合成。在虚拟漫游，交互合成的时候，特别要注意程序或交互模块的逻辑性，具体的设计流程如图1所示。

2.3 虚拟古建筑复原后期制作

该阶段主要是对虚拟现实系统进行测试，以此验证该系统的兼容性，通用性以及稳定性等。具体的测试方法是：在不同的操作系统平台下进行测试，在不同的硬件配置机器上进行测试，由不同的使用者来进行操作测试。

2.4 某古建筑虚拟现实技术的实例应用

某古建筑利用虚拟现实技术复原采取3DS Max软件配合中视典公司的Vrp7进行制作.在场景制作完成后，进行虚拟现实的制作，虚拟现实流程如图2所示。

图1　设计流程

图2　虚拟现实流程

2.4.1 贴图烘焙

贴图烘焙是整个设计的关键，因此在具体的制作过程中要格外注意。因为整个古建筑具有多个数据模型，结合本工程具有300多个模型，因此需要对模型的烘焙进行特殊的格式处理：首先由于不同的数据模型对相关图片的格式等要求不同，因此在进行贴图烘焙处理时需要采取相同的格式要求。例如选Completed Map格式时，要选择Completed Map格式，这样才能达到数字修复要求；其次在进行贴图烘焙时也需要对模型进行分类，以此达到真实复原的效果。

2.4.2 图片优化

在VR软件中，贴图是加载到显存中进行运行的，因此运行的流畅程度和电脑的显存有较大的关系，为保证VR运行的流畅，需要在VR软件中对物体的贴图文件进行优化。VR软件对贴图进行优化是通过压缩图片的方式减小显存的占用。为了节约显存的使用，通常需要对贴图进行纹理压缩。目前使用较多的纹理压缩为微软开发的DXTC（Direct X Texture Compression）。该软件对纹理进行最高6：1的压缩，效果良好。

3　摄像机交互式设计

在利用虚拟现实技术进行场景设置时需要借助摄像机的摄像功能，具体摄像机的摄像位置一般位于人物的后上方，以此实现对人物的整体摄像。当然对于摄像机的位置设定也不是一成不变的，而是需要根据具体的摄像要求进行位置设置。结合实践，一般在摄像机的交互设计中主要有：环视摄影机、鸟瞰摄影机以及自由摄影机。当然无论采取哪种摄像机设计方案，都需要通过Virtools自带的程序模块编程控制摄影机的具体功能，并利用程序模块的编程使键盘的TAB键来切换、激活不同的摄影机状态，以便当用户操作虚拟四合院的时候可以任意切换、激活不同效果的摄影机。

3.1 交互设计

在完成上述操作之后，需要进行交互设计，第一步就是将人物角色载入到虚拟的环境中，当然人物的设定需要根据场景的大小进行调整，以此实现古建筑场景的和谐。同时还要在虚拟现实系统中设定角色的动作操作指令功能，实现人物角色的虚拟化；第二步通过系统程序模块编程实现信息控制指令，便于对信息控制对象的操作。

4　编译输出

VRP可以编译输出为EXE格式的可执行文件，该文件不需要安装任何其他软件支持就可以在任何的PC电脑上运行，运行效果如图3所示。

图3　运行效果示意

总之，将虚拟现实技术应用到古建筑复原中对提高古建筑遗产的保护，提高复原设计方案的科学性具有重要的现实意义，通过虚拟现实技术可以对古建筑的整体环境复原方案起到很好的保护效果，因此在以后的古建筑复原设计中，使用虚拟现实技术是我国古建筑保护的重要举措。

［参考文献］

［1］何成战.计算机虚拟现实技术在古建筑数字化复原中的应用［J］.广西民族大学学报：自然科学版，2013（6）：20-21.

［2］张奎，李丙春.流媒体技术在精品课程网站中的应用［J］.新疆师范大学学报：自然科学版，2014（3）：70-74.

［3］李越琼，范劲松.基于虚拟现实技术的佛山“数字祖庙”构建［J］.华南师范大学学报：自然科学版，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

基金项目：项目名称：虚拟现实技术在传承及复原传统古建筑中的应用研究；项目编号：Z2015199。项目名称：虚拟现实技术在传承及复原传统古建筑中的研究；项目编号：15210149。项目名称：互联网+BIM工程信息共享平台的研究与设计；项目编号：15214519。

作者简介：齐会娟（1980-），女，河北元氏，硕士，讲师；研究方向：虚拟现实，数据挖掘。