第一汽车制造厂历史街区三维虚拟平台研究

孙巍 徐学东

摘  要： 目前虚拟现实技术被广泛运用在文化遗产数字化工程上，但其在大场景文化遗产三维虚拟平台开发上存在数据采集量大、精细建模成本高昂等问题。GIS技术提供了更高效的三维建模方案，针对Unity3D等虚拟引擎无法有效管理地理信息的技术局限，以第一汽车制造厂历史文化街区为对象，提出多源数据标准化与坐标转换方法，解决Unity3D平台下地理信息与三维模型数据配准融合难题，并给出街区虚拟平台开发的具体方案。该成果对大场景历史文化街区三维虚拟平台开发具有重要价值。

关键词： 虚拟现实; 地理信息系统; 历史文化街区; 三维模型; 坐标变换; Unity3D

中图分类号： TN99?34                           文献标识码： A                         文章编号： 1004?373X（2019）09?0149?06

Research on 3D virtual platform of FAW Historic Conservation District

SUN Wei1， 2， XU Xuedong3

（1. School of Architecture and Design， Changchun Institute of Technology， Changchun 130012， China;

2. Northeast Regional Decorative Culture Research Center， Changchun 130012， China;

3. School of Mechanical and Electrical Engineering， Changchun Institute of Technology， Changchun 130012， China）

Abstract： At present， the virtual reality technology is widely used in the digital project of cultural heritage. The 3D virtual platform development of large?scale scene cultural heritage has large data collection quantity and high cost of fine modeling. GIS technology provides a more efficient 3D modeling solution， but the virtual engines such as Unity3D can′t manage the geographic information effectively. In view of the above technical limitations， the multi?source data standardization and coordinate transformation method is proposed by taking the FAW Historic Conservation District as the object， which can solve the problem of registering and fusion between geographic information and three?dimensional model data. The specific scheme of the Historic Conservation District virtual development platform is given. The research results have important value for the development of 3D virtual platforms of large?scale scene historic conservation districts.

Keywords： virtual reality; geographic information system; historic conservation district; 3D modeling; coordinate transformation; Unity3D

0  引  言

历史文化街区和工业遗产兼有历史学、美学、建筑学等文明特征，均被视为人类城市文化遗产的载体。2015年，国家文物局、住建部批准了首批三十个中国历史文化街区，长春第一汽车制造厂街区是其中唯一以工业遗产为特色的历史街区。随后，一汽街区又入选“首批中国20世纪建筑遗产项目”。

长春第一汽车制造厂是新中国汽车工业的摇篮，是我国第一辆汽车、第一辆轿车、第一个产销百万辆的汽车企业，是中国汽车工业发展的见证，其厂区街区有着清晰的汽车工业特性，是长春市发展汽车工业遗产旅游的核心资源，但由于目前一汽厂址仍是解放卡车的生产基地，难以开展旅游开发。

虚拟现实技术被公认为文化遗产数字化中最重要的技术方案[1?2]，数字敦煌、数字故宫是我国知名的三维虚拟系统的案例，特点是大场景、建模精细，开发成本高昂。目前谷歌地图等GIS平台能够提供高精度的地理信息，但Unity3D等主流虚拟引擎不支持海量地理信息的管理[3?4]。

本文以一汽街区为对象，研究地理信息与虚拟现实技术相结合的方法，解决大场景多源数据快速建模。基于地理信息的三维模型关联匹配等关键技术，对研究高效率沉浸式体验的一汽历史街区三维虚拟系统做初步探讨。

1  街區概况与目标

第一汽车制造厂历史街区位于长春市西南部，如图1所示。街区功能分区明确，厂区和宿舍区沿东风大街形成一侧生产、一侧生活的功能格局。宿舍区每个院落围合布局，环境优美。街区现存文物保护单位125栋，厂区大部分建筑立面为红色清水砖墙，宿舍区历史建筑均为红色清水砖墙、绿檐灰瓦，红色为街区的主色调。重点历史要素包括一号门前毛主席亲笔“第一汽车制造厂奠基纪念”奠基石、共青团花园等[5]。街区优化的人居环境成为新中国现代工业街区的规划典范，具有独特的吸引力和历史文化承载力。

图1  第一汽车制造厂历史文化街区范围

一汽历史街区规划面积达176.2公顷，规模大，历史建筑和元素数量众多。传统三维建模方法需要测量的数据量大、成本高、效率低，并且无法准确表达街区空间形态和位置的关系。

本文利用谷歌地图等提供的地理信息、影像数据，并结合无人机、全站仪等多种数据采集方法，将自动地形建模、倾斜影像快速建模与三维精细建模等多种方案相结合，研究实现适合历史街区三维场景构建方法、多源数据统一与模型配准，并从直观友好的旅游需求出发，研究实现沉浸式、立体体验的街区三维虚拟平台。

2  系统总体设计

2.1  系统架构设计

一汽历史街区三维虚拟平台采用多层结构设计，分为应用层、业务层、数据层和支撑层。如图2所示。

1） 支撑层。包括平台运行的软硬件环境，操作系统数据库系统、服务器、网络平台等。

2） 数据层。包括平台运行的各类基础数据，如数字高程数据、正射影像数据、三维模型数据、矢量数据、街区历史文化文本及多媒体数据等。

3） 业务层。包括各种数据处理工具、建模工具、开发引擎和各类数据的转换、配准、关联及平台运行需要的控制脚本、控制终端等。

4） 应用层。面向用户提供平台各类展示服务，包括漫游、推荐线路、红旗轿车等生产情境再现，支持Kinect等人机控制外设，并面向虚拟现实眼镜、3D电视投影仪等实现平台沉浸式场景的生成处理。

图2  一汽历史街区三维虚拟平台架构

2.2  技术方案

2.2.1  总体技术路线

一汽历史街区三维虚拟平台总体技术路线包括基础数据采集与处理、三维场景建模、虚拟漫游系统设计开发，如图3所示。

1） 基础数据采集与处理。通过对街区组织调研，收集整理街区多源基础数据，包括基础地理数据、影像数据、现场实测数据、文本及多媒体数据等。需要解决多源数据配准统一、三维模型数据与历史文化数据的关联衔接难题。

2） 三维场景建模。基于多源数据融合快速建模完成街区基础地形、非重点地物三维模型、重点建筑和元素精细三维建模，建立模型库。

3） 虚拟漫游系统设计开发。面向汽车工业遗产旅游需求，设计基于虚拟现实的第一汽车制造厂历史文化街区三维漫游系统，结合历史文化元素，开发实现情境化街区三维虚拟平台。

图3  技术路线

2.2.2  开发工具及平台

多源基础数据处理和三维建模采用3D Max，ArcGIS，Global Mapper等软件。

目前支持三维场景开发的主流引擎有SuperMap，Unity3D，Skyline等。SuperMap的优势在于对GIS数据的支持，Unity3D的优势在于跨平台、沉浸式虚拟场景的开发[6]，Skyline的优势在于海量数据的管理和三维可视化。三者各有特色，考虑到本文主要面向工业遗产旅游开发，Unity3D在渲染、画面效果方面更加优秀，确定采用Unity3D进行街区场景的集成和构建。

3  关键技术

3.1  基础数据的采集与处理

数据是平台的基础，为提高效率，街区三维场景可通过DEM高程数据、DOM影像数据快速构建[7?8]。重点建筑和元素需要通过实地测绘测量，并分析历史文献资料，作为现场数据采集的补充或修正。

3.1.1  街区DEM数据和DOM数据的获取

谷歌地图能够提供高精度的点位经纬坐标和高程，本文利用Google GIS获得街区范围内采样定位点的地理坐标和高程数据，采样精度为10 m。再使用MapGIS根据提取定位点的数据制作DEM地形图。DOM影像数据通过无人机航拍与卫星影像相结合的方式获得，谷歌地图提供卫星影像图下载。本文通过Photoshop将卫星影像图或航拍图拼接成bmp格式的图，然后编辑DOM文件，实现与bmp影像图的对接。

3.1.2  无人机倾斜摄影

利用无人机倾斜摄影装置，通过空中三角测量快速获取街区倾斜三维影像和正射影像，再利用计算机自动图形处理技术进行自动空三处理。

3.1.3  现场人工测量

针对重点建筑物、标志物，利用光学经纬仪（DJ6型）、大卷尺等工具测量目标物的主要三维尺寸等，通过小卷尺等测量各细部构件的尺寸，通过Nikon D7000数码相机等工具对建筑物外表面进行拍摄，以获得模型贴图素材[9]。

3.2  街区多源数据的标准化

采集获得的基础数据格式不一，如地理数据、测量数据、文本影像数据等。为使所有数据统一化，本文从编码体系、坐标框架、存储方式等方面完成数据编码、坐标系统与存储模型的统一，建立多源数据融合标准集[10?11]。

3.2.1  街区基础数据编码

对街区各种数据建立统一的编码系统，采用11位数字编码体系。其中，第1位代表数据大类，分为基础地理数据、模型数据、历史文化数据3种;第2，3 位代表模型数据分类，包括标志物、住宅建筑物、建筑物厂房、植物、街路、景观;第4，5，6位代表模型编码;第7，8位代表历史数据分类，包括文本数据、图片数据、影像数据;第9，10，11位数据为顺序码，从001～999。编码的原则是保持每个数据的唯一性和一致性。

下面以一汽奠基石为例，说明编码的具体情况。奠基石采用的编码方式为20100101001。具体含义为：2?模型数据、01?标志物、001?奠基石、01?文本数据、001?奠基石历史描述及多媒体资料。

3.2.2  坐标系统

为了模型匹配，多源数据需要统一到一个坐标系下。本文采用谷歌地图提供的长春地方坐标系为空间参考系统，北纬N43°48′48.98″，东经E125°19′1.40″，海拔224.14 m。采用ArcGIS提供的坐标转换功能实现多源数据的坐标统一。例如，建筑物采集数据包括无人机倾斜拍摄数据、人工测量数据，无法直接与谷歌地图等提供的基础地理数据集成，需要通过ArcGIS将采集数据校正到正确的坐标系统，再以此为基础进行建筑物数据的矢量化。

3.2.3  存储模型

多源数据包括shp格式的矢量图层文件，3ds格式的模型文件，txt格式的文本文件，jpg、bmp格式的图片文件，avi，wmv格式的影像文件和表格形式存在的基础调查数据等。

本文使用Oracle数据库存储基础数据和媒体数据，空间数据使用Geodatabase地理数据模型来组织和表达，包括街区建筑对象空间数据、功能区划数据、三维模型数据等。其中三维模型拟选用3D Max建模，数据以FBX格式存在，通过ArcGIS转换为Multipatch格式文件，根据模型类别分别存入Geodatabase，实现对各类三维模型的集中管理，空间数据最终以mdb格式存储在数据库中。多媒体数据通过字节流的方式存储在数据库中。

3.3  基于多源数据的三维建模

要建立街区大场景三维虚拟平台，需要建立地形模型和建筑物、街路、景观三维模型。本文采用多源数据融合建模方法，综合使用3D Max和ArcGIS建模。其流程如图4所示。

图4  基于多源数据的街区场景建模流程

1） 将DEM数据和DOM数据通过Global Mapper和ArcGIS进行叠加配准后，可以转化为地形三维模型。

2） 无人机倾斜影像可通过影像匹配和纹理关联等技术手段，快速建立非重点地物的三维模型。

3） 根据现场实测建筑物尺寸，利用3D Max或SketchUp通过图形设计、模型构建、纹理贴图、光照渲染等步骤建立三维精细模型[10]。

3.4  模型的坐标转换与叠加配准

Unity3D作为游戏引擎，系统不支持地理信息的管理。因此无法直接利用地理信息在Unity3D中完成地形场景模型、建筑模型和其他元素模型的准确叠加匹配。谷歌地图采用GCJ?02经纬度坐标系，Unity3D支持的坐标系包括World Space（世界坐标）、Screen Space（屏幕坐标）、View Space视图坐标系等[12]。

本文平台采用世界坐标系，需要将经纬度坐标系上的各类三维模型转化为世界坐标系坐标值，下面简述坐标处理方法：

1） 使用ArcGIS在地形场景模型中获得重点建筑物、街路、元素的定位特征点坐标值。建立数据表，如ID代表特征点，[a.b.c]，[x.y.z]分别代表经纬度坐标，[h]代表高程数据。

2） 将经纬度坐标系下街区场景特征点地理数据的地形场景文件导入Unity3D，通過程序转化为世界坐标系。部分代码如下：

利用该方法处理的地形场景模型、建筑模型和其他元素模型不仅能够在Unity3D准确叠加配准，同时还能够有效保留原GIS地理信息，为后续开发结合GPS的手机导航及相关旅游服务奠定了基础。GIS影像数据与三维模型叠加配准如图5所示。

图5  GIS影像数据与三维模型叠加配准

4  基于Unity3D的街区三维虚拟系统开发

完成街区三维场景模型后用Unity3D构建虚拟现实三维系统。针对工业遗产旅游的需求，设计情境化虚拟历史街区交互平台，解决三维模型历史文化维度的扩展、漫游路线设计、人机交互等问题。

4.1  街区三维模型的历史信息属性维度设计

针对工业遗产旅游的需求，设计情境化虚拟历史街区交互平台，通过解放卡车、红旗轿车等重点元素的情境化、故事性开发思维，对街区建筑物、厂区、生产线等静态三维模型赋予历史和文化内涵。

在三维模型上附加历史文化属性维度，实现街区对象地理信息、史料信息、史料图片等数据与模型的衔接。定义三维数字化模型扩展旅游维度的领域范围、数据格式，研究实现三维扩展数据集成接口和数据库映射算法。平台使用Oracle数据库存储模型数据与属性数据，场景中模型通过标识moldID与数据库中的历史文化属性信息表关联。

4.2  三维虚拟系统设计

针对汽车工业遗产旅游需求，设置相机和路径，实现自由漫游游览、推荐路线游览、虚拟生产再现等功能。在漫游中整合老照片、文字、声音等效果，生动再现街区发展历史演变过程，全景展示街区内建筑、街路、景观等元素的综合效应[9]。

1） 自由漫游浏览：可由使用者通过鼠标、键盘、触控外设等操作工具控制視角的前进、后退、平移、旋转，任意浏览街区任一景点。

2） 推荐线路游览：针对奠基石、300宿舍、301宿舍、解放卡车早期厂房及生产线、红旗轿车早期厂房及生产线等具有历史价值的重点景观点，设计多条不同主题的浏览路径。

3） 虚拟再现：利用VR技术实现红旗轿车制造过程，通过人机交互模块使游客参与到仿真生产环境中，再现CA770经典红旗轿车的生产制造过程。

4.3  人机交互与立体展示

为了增强漫游系统的真实性、增进游客的现场参与感，系统实现人机交互设计模块，支持遥控器、Kinect体感控制器，并结合偏振式3D立体显示实现可动态交互的漫游系统。Unity3D提供偏振式3D立体显示的处理：在Unity3D的街区主场景中设置两台摄像机，把两个相机的影像分为左右半宽同时输出，生成有视差的左右图，来显示左右两个相机的视野。通过3D显示器或者3D眼镜即可得到逼真的双眼3D效果。

5  结  语

本文以第一汽车制造厂历史文化街区为例，详细阐述了街区三维虚拟平台的研究实现过程。针对大场景文化遗产三维数字化开发需求，通过GIS信息提升大场景地物模型的建模效率，并通过坐标转换解决了各类模型在Unity3D上的配准关联，开发了情境化交互式立体双目视景漫游系统。本文成果将用于旅游部门打造的汽车工业遗产旅游的宣传展示，塑造长春汽车工业旅游形象。后续还将结合试点情况在场景优化、交互体验等方面进一步研究。

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