基于数字化交互的徽州廊桥空间艺术传承与保护①

陈 代, 李 菲

(安徽机电职业技术学院艺术设计学院,安徽 芜湖 241000)

0 引 言

廊桥是我国古代劳动人民智慧的结晶,也是对艺术审美的良好展现。廊桥不仅具有美观大方的造型、丰富多彩的形态以及深度的文化底蕴,并且具有出行、交际等实用性功能,实现了艺术审美与使用价值的有机融合[1,2]。廊桥空间以其特有的建筑形式和成熟的建造工艺,成为徽州地区的关键性物质文化遗产,向受众传递着地方文化特色、展示了我国古代人民的伟大智慧。因此,如何对古朴的徽州廊桥空间艺术有效保护并加以传承尤为关键。

以VR技术为代表的数字化传播手段以网络服务器为中介,借助智能终端能够向人们展示差异时空的场景信息[3]。基于这一原理,研究利用虚拟现实技术研究徽州廊桥空间传承与保护问题,将徽州廊桥空间信息录入VR数据库,对廊桥空间进行三维建模与场景漫游设计,让游客不受时间和空间限制,异地游览徽州廊桥空间。

1 基于虚拟现实交互的徽州廊桥空间艺术传承

古徽州多能工巧匠,古建艺术发达,造就了徽州廊桥空间悠久的发展历史。系统化总结了徽州廊桥发展过程,如图1所示。

图1 徽州廊桥发展过程

两宋时期廊桥兴起,标志性建筑有“婺源县中书桥”,此时廊桥结构以“亭”式为主;元代廊桥以清华镇的彩虹桥为代表,此时廊桥结构在亭的基础上增加了廊,形成“亭+廊”的样式,徽州廊桥进入发展时期;到了明清时期,徽州廊桥繁荣发展,形成了“廊+楼阁”的建筑结构,以“祁门县安阜桥”为代表。

研究基于虚拟现实技术传承徽州廊桥空间文化,将隐形的廊桥文化价值显现化,实现廊桥文化的保护、发展和创新应用。首先利用改进PMVS算法重建廊桥整体与局部模型;其次,在交互引擎中为模型赋予场景漫游功能,包括动画蓝图、灯光参数、碰撞模式等内容;最后,受众通过头显设备游览廊桥空间场景。

1.1 基于改进PMVS算法的三维场景搭建

1.1.1 PMVS算法三维场景搭建原理

实地采集廊桥的基础数据信息,在3DsMax 场景中实施廊桥空间三维建模。基于面元的多视角立体(PMVS)算法重建三维模型的思路如下:(1)以一组测量参数(一组照片)作为三维重建的基础,该算法以集合映射生成一组稀疏面元点云[4];(2)对稀疏点云实施膨胀计算获得稠密点云,稠密点云内错误面片剔除后得到精准的三维模型。

Ei(x,y)={r|Ii∈V(r),proji(r)∈Hi(x,y)}

(1)

(2)

式(1),(2)中,r在图像中的投影用proji(r)表示。可见空间面元将存储在上述两个集合内,最优点即为对比集合得到的间距最小的两个点,通过膨胀计算获得新面元实现三维模型重建。

该算法优点是精确度高,缺点是需要根据提取的特征点不断获得膨胀后的稠密点云,持续实施稠密点云滤波、去粗差点步骤,计算量较大,严重削弱了三维建模的效率。

由于Harris 和 DoG 算法是提取特征点的关键步骤,也是生成种子点云的基础,所以考虑对Harris算法和DoG算法提取的特征点数据实施精简,以减少三维模型数据的冗余程度[5],降低后期点云膨胀的规模,提高PMVS算法重建三维模型的效率。

1.1.2 CUDA架构下实现

CUDA是CPU+GPU的异构模式并行计算架构,为大规模数据处理运算提供高效的并行化支撑,将该架构引入到PMVS算法当中,以提高PMVS 算法利用 Harris 和 DoG 提取特征点的效率,节约三角化重建潜在空间面元的时间。

基于GPU进行Harris特征点提取,原始图像从主机端上传到条带状划分的GPU显存内,GPU线程组织策略为“一维”;不同线程与图像“同一像素行的不同像素”列对应,各Block线程数量为256个[6]。Harris特征点提取的运算基于像素行实现,为增强特征提取精准度,使用Block设置,基于256个像素列划分构成,且每个部分之间存在一定量像素列以互为重叠方式排列。

PMVS算法基于GPU开展 DOG特征点提取过程中,线程组织策略同样为“一维”,各Block处理256个像素列,各Block之间存在部分相互重叠的列。

Harris算子和 DOG算子特征点提取完毕,由CPU构建和合并特征点集。CPU多线程单位任务计算用时计算方法如式(3)所示:

(3)

式(3)中,ϑ表示多线程参数;tCPU表示CPU单线程单位任务计算用时;多线程状态下k表示计算所需的CPU线程数量。由此获得CPU多线程单位任务计算用时,实现改进PMVS 算法合并特征点时的负载均衡优化。

1.2 基于虚幻引擎的廊桥空间的漫游交互设计

在3ds Max平台中制作人物模型并进行人体骨骼绑定,将赋予完动画指令的模型导入虚幻引擎中进行漫游交互设计。具体应用流程如图2所示,可以看出,场景灯光设计、蓝图编辑、碰撞设计、交互设计是实现廊桥空间场景漫游的主要步骤。

图2 基于3ds Max与虚幻引擎的空间交互设计流程

1.2.1 廊桥空间灯光设置

廊桥空间场景内布局的模型以深色材质为主,对此设计场景灯光时应注意光照的完整性以及光线与阴影投射的关系正确与否。由于廊桥空间内部场景是半封闭布局,空间外部光线对廊桥空间内部影响较大,因此基于虚幻引擎的廊桥空间灯光设置方法如下:首先,设置“室外→室内”方向的模拟阳光光源,颜色定义为诶浅橙色,最优投射角度设置为45°,光照强度应用50.0cd;对于空间内部的阴影设置问题,可采用多聚光灯的方式进行解决,聚光灯具有模拟不同角度光线入射的能力,可根据廊桥空间外部阳光强度的实际情形设置光照均匀程度、光线衰减水平等参数,以打造逼真的场景光线效果。其次,采用“定向光源+天空光源”的方式设计室外场景光照情况,其优点是确保场景同时包含阳光、天光两种光线类型[7]。

1.2.2 廊桥空间场景碰撞设计

用户在廊桥空间场景中漫游时想要感受到力的反馈,需要创设物理碰撞功能,如自身碰撞、盒体碰撞。引擎使用物理系统驱动物理仿真计算以及碰撞计算执行。系统优点是精准执行碰撞检测、支持物体间仿真互动,便于优化廊桥场景代入感,让用户在廊桥空间场景漫游时仿佛置身于实地的感觉,产生真实的与场景互动的体验,场景将对此作出回应。

1.2.3 廊桥空间交互实现

(1)动画场景交互设计。基于动画蓝图功能、状态机功能实现虚拟角色动画逻辑的操控,使用蓝图赋予控件交互性,漫游人物动作可以在差异性环境下根据运行逻辑做出合理的交互反应。此外,多类型触发器是廊桥空间内部角色交互行为发生的关键载体,将触发器安置在需要开展交互行为的区域,例如,虚拟浏览廊桥空间的人物周围布局一个无形的触发器,人物与廊桥空间的墙柱发生接触时,场景中便出现交互提示,因为该墙柱自身也布局一个触发器,才能引起两个物体之间的交互。

(2)虚拟现实交互头显设备。当受众通过虚拟世界游览廊桥空间时需要配备头戴显示器姿态跟随设备,改设备可以实时采集人体仰俯姿态、偏航姿态,动态捕捉受众低头、抬头、摆动等动作信息,将受众真实动作同步显示在虚拟廊桥场景中。这样就可以通过虚拟现实场景游览徽州廊桥空间,实现古建筑跨时空跨地域游览,即使是虚拟的廊桥场景也可以传递趋近真实的体验与感知。

2 测试与分析

为验证方法传承保护徽州廊桥空间古迹的效果,以虚幻引擎作为开发平台,利用3ds MAX 制作廊桥空间内部外部三维模型,在高性能计算机硬件环境下开展方法测试。

2.1 三维建模性能分析

廊桥空间中物体建模采用改进PMVS算法,通过提取实地特征实现物体三维建模,算法提取特征的时间开销如表1所示。

表1

分析表1数据可知,本文方法基于CUDA架构通过CPU+GPU的异构模式并行式三维建模,在CPU,GPU上提取对象特征花费的计算用时较少,且随着建模对象的不同特征提取时间波动较小;本文方法的加速比随着实验的进行持续上升,说明该方法的性能直线提升。本文方法在廊桥空间特征提取上展现了良好的性能,进而提升了廊桥三维建模的效率,可以快速的在海量数据中调度计算资源。

2.2 碰撞与交互效果分析

选取三名测试对象进行碰撞与交互测试,表2为廊桥空间碰撞与交互效果。

表2 碰撞与交互效果统计

由表2数据可知,三位测试者均成功通过碰撞检测,遇到墙体等实体模型时有反弹反馈,且人物A、人物B顺利完成了所有交互行为。人物C仅有一次没有准确完成交互,是因为交互对象触发器选项设计错误。在多次交互与碰撞检测中,人物在廊桥场景中成功漫游的概率较大,方法呈现了较为合理的虚拟场景漫游方式,以虚拟的方式有效存储了徽州廊桥空间古建筑形态,并且提供了受众在异地异时空游览廊桥空间的可能性,对于保护和传承徽州廊桥文化具有重要意义。

3 结 语

通过对徽州廊桥空间进行三维建模与漫游交互设计,长久性存储了廊桥空间艺术的形态信息,提供了受众虚拟浏览廊桥空间的有效途径。测试环节证明了方法三维建模性能较好,场景中碰撞检测与交互效果十分理想,该方法为廊桥古迹传承与保护提供了一定参考。廊桥空间虚拟现实设计是一个系统化的过程,需要灯光、材质贴图、碰撞检测、交互设计等多环节相互配合、层层递进,才能呈现一个性能稳定、观感良好的虚拟漫游效果。