基于虚拟技术的古建筑群生态数字复原

周剑平

[本文系浙江省文化厅科研项目：南宋建筑群落与生态的数字化虚拟重建研究项目研究成果]

摘要：2016年称为 VR 技术元年，未来世界虚拟现实技术会越来越深入我们的生活。虚拟现实技术作为古建筑的数字保护已经有很长的时间，如何利用新技术保护我们的古建筑，以及在古建筑保护中数字技术如何从数据采集到数字建模，最终一个具有实时交互功能的系统。本文从技术实现的角度阐述了这一过程和可行性论述。

关键词：虚拟现实；数字建模；古建筑数据库

一、前期数据采集是古建筑群生态数字系统的基础

古建筑信息是空间位置信息与属性信息的有机结合，一个完善的古建筑数据库必须以这两种信息源为基础，建立空间数据库和属性数据库。前者由遥感影像图、建筑平面图以及历史资料中的相关图形等空间数据组成；后者的信息来源就相对广泛了，通过现场采集、与史文献统计数据采集等，需要对建筑样式、建筑结构构件、建筑装饰纹理、建筑周边自然环境以及建筑在自然环境中的雄伟风采，建筑文化遗产的虚拟重建必须尊重文化遗产的真实性，容不得丝毫的任意发挥。否则就失去了重建文化遗产的意义，因此全面的资料搜集工作是制作的基础。

从获取素材的属性上来分主要由位图数据和矢量数据组成，位图数据主要包括遥感影像图等。矢量数据则以单个地学实体为独立单元，利用点、线、面等几何要素精确表达建筑物的边界和内部体元；要素间的拓扑关系由数据结构显式存储，可实现建筑物内部要素间拓扑关系的快速检索和查询。矢量数据主要包括由激光扫描得到的点云数据、三维模型、相关单位的CAD图纸等。

二、数字模型库是古建筑群生态数字系统的内容实现

虚拟现实系统要求实时动态逼真地模拟环境，考虑到硬件的限制和虚拟现实系统的实时性的要求，虚拟现实系统的建模与以造型为主的动画建模方法有着显著的不同，建模大都采用模型分割、紋理映射等技术。3DSMAX建模软件的使用非常广泛，具有可操作性强、功能强大、模型精细逼真、质感强等特点，目前虚拟场景的构造主要有以下途径：基于模型的方法和IBR（基于图像的绘制）方法两种。这两种方法都可以在3DS MAX中加以实现和验证，下面具体展开说明。

（一）利用3D MAX的多边形建模方法建立模型库

多边形建模技术是最早采用的一种建模技术，它的思想很简单，就是用小平面来模拟曲面，从而制作出各种形状的三维物体，小平面可以是三角形、矩形或其他多边形但实际中多是三角形或矩形。使用多边形建模可以通过直接创建基本的几何体，再根据要求采用修改器调整物体形状或通过使用放样、曲面片造型、组合物体来制作虚拟现实作品。多边形建模的主要优点是简单、方便和快速但它难于生成光滑的曲面，故而多边形建模技术适合于构造具有规则形状的物体，如大部分的人造物体，同时可根据虚拟现实系统的要求，仅仅通过调整所建立模型的参数就可以获得不同分辨率的模型，以适应虚拟场景实时显示的需要。

（二）基于图像的绘制方法建立模型库

传统图形绘制技术均是面向景物几何而设计的，因而绘制过程涉及到复杂的建模、消隐和光亮度计算。尽管通过可见性预计算技术及场景几何简化技术可大大减少需处理景物的面片数目，但对高度复杂的场景，现有的计算机硬件仍无法实时绘制简化后的场景几何。因而我们面临的一个重要问题是如何在具有普通计算能力的计算机上实现真实感图形的实时绘制。

三、引擎嵌入是古建筑群生态数字系统的交互核心

虚拟现实是以观者为第一视角，具有强烈的用户体验和交互功能。其核心就是引擎的嵌入。所有的画面实现都是依托引擎的实时渲染，模型库中的素材都需要导入到引擎，再进行交互等功能的制作。以下为引擎导入中的核心设置。

（一）贴图烘焙

贴图烘焙是将光影效果渲染作为对象的纹理。烘焙操作是整个VR制作过程里比较关键的一步，也是决定最终的虚拟现实表现质量的关键在VR软件中进行摄像机浏览的时候，软件并不进行真实的光线追踪渲染，仅仅渲染某一个角度不受任何灯光影响的物体表面纹理效果影响贴图烘焙质量的因素包括烘焙贴图的尺寸以及烘焙贴图的方式。目前软件主要提供CompleteMap和LightingMap方式，一次GI采用irradi-ance map（发光贴图），二次GI采用Light cache（灯光缓存）。在irradiance map的采用模式中，采用Multi-frame incremental的模式，该模式的特点是对于动画的关键帧进行采用的添加，以动画的第一帧为基准，逐渐添加新的采样，该模式可以保证在视角足够的情况下得到较好视角的贴图烘焙效果。

（二）摄像机交互式设计

VR软件最基本的摄像机交互设计包括：摄像机交互、摄像机碰撞交互。摄像机的交互指的是通过鼠标或键盘完成摄像机视点位置的变化以及摄像机方向的变化。碰撞交互指的是为防止软件的模拟角色超越对象。在VR制作的虚拟现实中，用户可以使用预设相机根据系统设置好的动画路径，进行游览和采用自由相机模式在场景中进行游览两种模式实现摄像机交互。

（三）交互设计

交互事件，指的是设置鼠标或键盘的响应事件。默认情况下，系统已经有了键盘W（前进）、S（后退）、A（左转）、D（右转）的交互功能，除此之外也可以通过单击二维界面里的按钮达到交互功能。VRP的交互设计主要设置针对用户界面的点击设计响应事件。

（四）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。

古建筑群数字化复原系统有效的填补了传统文化遗产保护中对于动态的文化遗产保护的不足。古建筑群及环境系统有效的将古建筑及周边的环境一起保存下来通过交互的方式展现。将文化遗产存储为数字方式，还可以永久的保护文化遗产，方便以后学者研究。

【参考文献】

[1]中国建筑史编写组.中国建筑史[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[2]李允稣.华夏意匠一中国古典建筑设计原理分析[M].天津：天津大学出版社，2005.

[3]北京数位全景科技发展有限公司.中国古典建筑表现技法[M].北京：中国电力出版社，2007.