古建筑物虚拟现实漫游的实现

杨晓玉 卢晓攀 王彦君

摘要：近几年来，虚拟现实设备与技术得到了迅猛发展，与之形成鲜明对比的是古建筑落后的保护方式。本文以合肥财经职业学院“六尺巷”为研究对象，将通过三维激光扫描技术对其进行点云获取、数据处理、三维模型重建和模型纹理映射，完成六尺巷逼真模型的创建。在此基础上，选用基于HTC VIVE的虚拟现实系统开发和Unity 3d跨平台开发引擎，并完成了“六尺巷”虚拟现实漫游系统的设计与构建。本文将沉浸式虚拟现实技术应用到六尺巷展示中，丰富了当前古建筑物保护手段，具有较强的现实意义。

Abstract： In recent years， virtual reality devices and technologies have developed rapidly， in stark contrast to the backward protection of ancient buildings. This paper takes "Six-foot Lane" of Hefei College of Finance and Economics as the research object， and will carry out point cloud acquisition， data processing， 3D model reconstruction and model texture mapping through 3D laser scanning technology to complete the creation of the "Six-foot Lane" realistic model. On this basis， the HTC VIVE-based virtual reality system development and Unity 3d cross-platform development engine were selected， and the design and construction of the “Six-foot Lane” virtual reality roaming system was completed. This paper applies immersive virtual reality technology to the display of "Six-foot Lane"， which enriches the current ancient building protection means and has strong practical significance.

关键词：虚拟现实;古迹;漫游

Key words： virtual reality;monuments;roaming

中图分类号：TP391.9                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）34-0174-02

0  引言

在歲月的长河中，中国古人将文化和建筑、雕塑和壁画有机结合在一起，记载着当时的人文历史信息，这是研究历史的重要材料，更是一笔宝贵的精神财富。而传统的古迹保护和修复已经难以满足时代发展的需求，如何采用新技术更高效、高经济性地保护古迹成为国内外专家学者研究的重点。

虚拟现实技术（Virtual Reality）简称“VR”，是利用现代计算机技术和多媒体传感器模拟一个与客观现实世界酷似的三维虚拟世界，不仅能超越客观时空，还能呈现沉浸驾驭的逼真人机环境。将虚拟现实技术和文物古迹保护相结合，能够突破传统文物的保护方式，摆脱了时间、空间的限制，实现随时随地“沉浸式漫游”，达到资源共享的目的。

1  基于点云数据的文物古迹三维模型重建

“六尺巷”是安徽桐城优秀的地方文化，其典故包含了“谦和礼让”这一中华传统文化精神，2015年秋合肥财经职业学院遵循原貌将“六尺巷”复制到校园，以宣传和传承其文化内涵。该巷全长70米，宽2米，巷子的宽度和高度则严格按照原版1：1比例，青砖灰瓦，巷内单面镶嵌阴刻青石版画，刻画了“孝廉让严勤贤俭逸善”等文化故事。

1.1 三维激光扫描点云数据的获取与模型创建

为了获取六尺巷三维激光扫描点云数据，本实验采用Trimble TX5三维激光扫描仪对六尺巷进行扫描。六尺巷是一条狭长的巷子，由于宽度较窄且长度较长，使得三维激光扫描无法一次性扫描全部墓室，需要进行多次架站，对六尺巷进行多角度扫描，后期再进行拼接处理。经勘查，本次实验设立了12个站点。

在扫描过程中，由于仪器自身、周围环境以及多站点云数据等因素的影响，在对六尺巷进行三维模型重建前，需先对点云进行优化处理，主要包括点云拼接和点云去噪等。本文采用Faro scence和Geomagic进行点云拼接和去噪。

1.1.1 三维模型封装

三维模型封装，即模型网格建立。本文采用基于曲面的方法进行点云数据封装，在Geomagic中选择“封装”选项，为了更好的显示六尺巷上壁画的纹理，定义点间间距为0.1m，输入最大三角形个数为3500000点确定进行封装。

1.1.2 模型漏洞贴补

由于被测模型破损、几何拓扑关系或遮挡效应、扫描点云分布不均匀等因素，导致模型的部分表面数据无法获取或采集的点云数据缺损，构建的模型出现许多漏洞，因而为了得到完整的模型，需对漏洞进行填充，补全缺失的数据，而Geomagic的网格医生命令可以很好的解决这个问题。

由于站点位置是固定的，点云模型会出现一定的空缺，对于网格医生无法处理的漏洞可采用Geomagic软件下的“填充孔”命令来完成空缺的探测与修补。填充孔的方法有很多，本次实验主要用完整填充孔和搭桥填充孔的方法。对于曲面变化不大的孔使用完整孔填充方法。对于曲面变化大的孔，则先通过搭桥法将孔分割成多个曲面变化小的孔，再采用完整孔填充法填充。

1.2 三维模型纹理映射

纹理映射是使三维模型逼真呈现的关键技术之一。为使古迹表面的图案、色泽更加真实、美观，还需要利用图像处理软件（如Photoshop）對古迹的纹理图像进行匀光匀色、纠正和匹配等处理。

1.2.1 图片调光处理

一些图片由于受光不均匀或者光线太弱，会出现图片色彩不均匀和图片太暗等问题，因而需要对图片进行调光处理。

1.2.2 图片正射处理

贴图是以一个面为一个基本单位进行的，这要求图片与各个面是一一对应的，但是通过拍摄采集到的图片并不全都只含一个面，有时会包含其他相邻的面，这就需要对图片进行适当的裁剪。此外，由于拍摄时，很难做到完全正对物体表面，大部分是侧向拍摄，因而需要对图片进行透视处理，从而得到物体表面的正射图片。

1.2.3 UVW贴图

首先在视图中选中需要添加UVW贴图的物体，然后单击“修改”按钮，打开修改命令面板，在下拉修改器列表中选择“UVW贴图”命令。

此外，贴好的图片方向与实际方向并不一致，在修改堆栈中单击贴图前面的“+”号，展开其下拉列表，选择Gizmo选项，即可使用工具栏中的“选择并移动”工具、“选择并旋转”工具以及“选择并均匀缩放”工具对UVW贴图坐标的边界盒进行移动、旋转和缩放。在进行移动、旋转和缩放边界盒时，物体上的贴图也会随之改变，最终将贴图调整到与实际相符的位置。

1.2.4 模型渲染

完成以上步骤后即可渲染获得最终的模型。

2  沉浸式虚拟六尺巷漫游系统的建立

本文采用Unity 3D平台建立“六尺巷”三维实景漫游系统，具体流程如下：

2.1 六尺巷三维模型导入。由于3ds Max和Unity3d两个软件之间的差异，制作好的模型并不能直接导入到Unity3d中，还必须进行格式转换、坐标轴转换等一系列前期处理。

2.2 加载开发插件。基于HTC VIVE的虚拟现实开发需要在设计环境Unity3d中加载SteamVR Plugin， SteamVR Plugin中提供了虚拟现实开发案例、脚本等，大大缩减了系统开发时间，降低了虚拟现实系统的开发难度。

2.3 虚拟现实图形实时渲染显示。图形渲染是虚拟现实的核心之一，SteamVR提供的脚本SteamVR_Render.cs可以用来进行虚拟现实图形渲染。在程序中采用一个RenderLoop进程进行不间断的图形渲染，渲染的流程如图2所示：①设置跟踪空间;②获取并更新位置信息;③渲染左、右眼。然后重复以上步骤，就可以感受到虚拟环境的变化。

2.4 碰撞检测。碰撞检测是虚拟漫游系统中一个重要的环节，主要用于用户漫游过程中判断物体模型之间是否接触、模型与场景之间是否碰撞，从而防止物体模型之间的穿刺。Unity3d内置的物理引擎实现了空间碰撞检测方法，本文用的是Unity3d系统自带的Mesh Collider碰撞器，保证相机可以更真实地在地面运行。

3  人机交互功能的实现

本文的六尺巷虚拟现实漫游系统是基于HTC VIVE系统开发的，其采用Lighthouse光学跟踪技术，通过两个激光传感器来获取用户的头盔及手柄的位置信息和方向信息，其激光定位方案的精度可以达到毫米级，完全满足沉浸式虚拟现实的定位要求，具有响应速度快、定位精度高等优点。

虽然HTC VIVE设备中加入了Lighthouse传感器来进行室内定位，但是由于构建虚拟三维场景的范围远远大于室内用户漫游的范围，就会造成体验者在室内进行沉浸式漫游时受室内尺寸的制约。为了解决虚拟三维场景与实际室内尺寸之间不协调的问题，本文开发的系统中引入了“瞬移”的方法来实现虚拟场景的整体漫游，即体验者按住手柄的方向键，会在系统中出现一条激光，当体验者松开手柄按钮时，系统中虚拟人物会传送到移到激光与地面相交处，从而通过人机交互的方法实现虚拟场景的整体漫游。

4  结语

通过对六尺巷虚拟漫游系统的测试，该系统可以流畅的展现六尺巷中的三维模型，并且很大程度地还原了六尺巷的真实面貌，能够达到让用户身临古迹的漫游效果，从而说明本文开发的虚拟漫游系统可以有效解决当前文物古迹保护中存在的问题，为古迹保护提出了一种切实可行的手段。

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