虛擬現實技術在古建復原中的運用方法研究

王昱東

【摘 要】文章主要以古建虛擬復原的設計要求為前提，介紹了虛擬現實技術在古建復原過程中的開發流程，分析了虛擬古建建模過程中的特點和技術要求，總結了開發流程中幾個重要環節的制作方法，為古建的數字化復原提供了相應的理論和技術支撐。

【關鍵詞】流程；技術要求；復原方法

【中圖分類號】TP391 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）02-0203-04

隨著社會經濟的發展，城市建設日新月異，部分政府機構為了新的城市規劃需要，拆除了眾多優秀的傳統古建筑。古建筑是歷史物質遺產的重要部分，蘊含著深厚的文化內涵和高超的建造工藝。然而這些先人留下的財富在當代被快速損毀，一方面我們迫切需要呼吁政府和社會對古建進行搶救性保護，另一方面需要利用虛擬現實技術對這些傳統古建進行三維數字化復原，將古建帶有的大量信息進行計算機數據化保存。本文在此背景下，通過對前期實踐的歸納和整理，總結了虛擬現實技術在古建數字化復原領域的具體流程、指標和主要方法，為古建的數字化復原提供了技術支撐。

1 古建虛擬復原的設計要求

使用虛擬現實的相關技術對古建進行數字化復原，應當根據古建自身的特點進行特征分析、流程設計、制作及交互的開發。完成后的虛擬古建，總體上要能夠達到以下設計要求。

1.1 真實反映古建及古建環境

為了真實地反映出中國傳統古建的現狀，一切建模的基礎都要基于真實的尺寸數據，并在交互展示平臺上能夠實現具有真實視覺感受的效果，能夠實現流暢的交互體驗。通過虛擬現實軟件制作出的虛擬古建，要準確真實地還原出古代傳統建筑的原貌，包括建筑的平面布局、建筑結構、材料、紋理、環境等特征，同時并可以模擬各類不同的天氣及光影變化。

1.2 實現流暢的實時交互

虛擬現實技術的核心問題是實現人機的實時交互，沒有交互的展示就不能稱之為虛擬現實。所以，用戶通過虛擬現實軟件制作出的虛擬古建不僅能夠使用鍵盤機鼠標來實現人機的交互，有時也可以通過某些特制的硬件設備，如3D顯示屏、眼鏡、頭盔等實現更好的交互效果。在交互的過程中，為了保證交互的流暢性，必須進行模型貼圖的優化處理，以獲得更好的交互速度，為用戶提供更好的交互體驗。用戶在進行人機交互的過程中，可以選擇第一人稱視角、第三人稱視角、漫游等形式對虛擬古建進行觀察與研究，通過交互方式的切換，可以全面地觀測到建筑的整體、局部構件及環境，所以在制作時要保證實現交互的流暢性。

1.3 實現有效的瀏覽和研究價值

利用虛擬現實技術創建出來的虛擬古建，目的是供用戶進行瀏覽研究及應用。用戶可以根據各自的需求對虛擬古建進行分析，從而獲得有用的信息。在完成后的虛擬古建中，用戶可以隨時隨地對古建進行觀測。除了滿足瀏覽功能外，虛擬古建必須能夠輔助古建行業的研究者制定和完善古建修繕方案，研究人員可以根據各自的專業領域、各自的研究方向等共同對古建的修繕提出針對性建議。另外，虛擬古建還必須能夠有效規避古建修繕工程中的風險。研究者可以在虛擬現實中觀測到不同的修繕結果，提高了修繕方案的準確性。

1.4 能夠提供完整的數據資料

通過虛擬真實性復原的方式，構建在虛擬現實平臺上特定的虛擬古建將包含完整的古建可視化數據資料。包括古建的平面布局、架構體系，構件的規制、材料和工藝，古建的裝飾內容、工藝及環境等資料。當然還能提供相關的文字及影像資料。這些虛擬古建上的數據資料不會因為外部環境的變化而消失，是行之有效的長期保存資料的方式。

2 虛擬現實技術復原古建的基本流程

利用虛擬現實技術對傳統古建的復原，是一個工序復雜嚴謹，邏輯性較強的開發過程，這個過程包含眾多的制作環節，當然在制作的過程中也會因為開發工具的不同導致開發流程有所不同，本文中虛擬現實古建的開發流程是基于“無錫惠山古鎮李公祠真實性復原的實現”項目的基礎上進行總結而成的。具體主要分為以下幾個環節（如圖1所示）。

圖1 虛擬古建開發流程圖

2.1 虛擬古建整體框架設計

為了能夠反映出傳統古建最真實的狀態，整體的框架設計是最后所呈現效果的保障，它是整個虛擬現實開發流程的基礎。只有一個合理的框架設計，才能保證人與虛擬古建交互的過程中所觸發的一系列事件能夠順利進行。在考慮整體框架設計時主要有以下問題需要注意。

（1）虛擬古建將以何種方式進行項目展示，以及最終的制作成果有哪些。

（2）用戶在瀏覽和使用該虛擬古建時，實現何種交互方式和交互體驗。

（3）最終該應用的使用價值如何體現。

2.2 創建虛擬古建的相關流程

2.2.1 數據資料的采集與整理

資料的采集環節對于古建的真實性復原具有決定性的意義，無論是原始資料的收集、外觀造型的尺寸采集還是影像資料的采集，都要以真實性作為采集的基本原則，要保證后期建模過程資料的真實可靠性，防止出現因資料的采集問題而使整個展示平臺失去其使用價值的情況。數據資料的采集主要包含：？譹？訛傳統古建的資料收集，包含歷史文獻資料、重建修繕資料及網絡上資料的收集與整理。力求找到最原始的一手資料。？譺？訛收集與整理古建的相關測繪數據與圖紙，為保證數據的真實性，部分能夠實地測量的數據盡可能去進行實地的數據采集。？譻？訛為了保證虛擬古建外觀造型上的真實性，應盡可能去現場進行古建結構、紋理貼圖的影像數據采集。涉及紋理貼圖部分應當用計算機二維軟件進行后期處理。

2.2.2 虛擬古建模型的創建

三維數字化古建模型是整個虛擬現實平臺的主要展示內容，所有的工作都是圍繞它加以展開，模型的制作是整個虛擬現實平臺最重要的制作環節。通常使用三維制作軟件3DsMax進行所有模型的創建，由于使用該軟件所創建的模型都是實體模型，而且為了保證古建還原的真實性，將盡可能真實地創建古建所有的建筑構件部分，所以這也將是耗時最多的環節。

2.3 虛擬古建模型的貼圖賦予

為了保證虛擬古建復原的真實性，除建模環節需要對原始的建筑構件進行模型創建外，包裹在模型表面的紋理貼圖的真實感也直接影響到虛擬古建的真實性。所以，要把相機采集的原始真實的建筑構件照片進行后期處理，如將帶有透視的影像處理成平面的貼圖素材，處理采集到的素材的偏色問題等。在行業內有著“三分模型，七分材質”的說法，可見貼圖部分也是要格外注重的制作環節，它將直接影響古建復原的真實性及用戶在與平臺交互時的感受。

2.4 虛擬古建模型與貼圖的優化與整合

對三維數字化古建模型進行優化的目的是進一步提高其在導入虛擬平臺后的運行速度，保證用戶在使用該平臺的過程中有流暢和良好的用戶體驗。為了保證運行速度，必須對模型進行優化，必要時可以降低模型的精度。為此需要做如下工作：？譹？訛檢查建模過程中部分構件的建模方式、模型的布線方式等是否一致。？譺？訛檢查模型是否存在子對象的交叉、重疊等錯誤現象。？譻？訛對部分構件的不可見面進行刪除，盡可能地精簡模型面數。？譼？訛對模型的貼圖進行優化，在保證貼圖能夠充分反映模型表面細節的情況下，盡可能地減小貼圖的文件大小。

2.5 虛擬古建交互功能的實現

將賦予好紋理貼圖的古建模型導入虛擬現實交互制作軟件，在該軟件中進行交互功能的開發，使原先靜態的古建模型實現各種交互功能，并加載設計相關的環境要素。如果是非計算編程類開發者，可以選用圖形化的虛擬現實交互制作團建，比如Unity 3 D，它能大量減少編程方面的工作。

2.6 虛擬古建的發布

創建完交互后的虛擬古建通常在交互軟件中進行發布，Unity 3D可以在Windows、Mac、Android等多系統中進行發布運行，目前用Unity 3D開發的虛擬交互一般都是在wingows上進行發布，采用兩種發布形式：exe可執行文件發布和網頁發布。由于用Unity 3D開發的交互文件通常運行數據量龐大的場景文件，因此更加適合執行exe格式的文件，并在獨立的計算機硬件平臺上運行。同時Unity 3D也能夠以網頁的形式進行發布，但是在后期瀏覽的時候要安裝unity web player插件。

3 虛擬古建建模的特點及主要技術要求

3.1 虛擬古建模型建模的特點

傳統古建筑的建筑結構特點，導致古建建模時較其他物體建模有其自身的特點，主要表現在以下幾個方面。

（1）模型必須具備一定的可復制性和可修改性。由于傳統木結構的榫卯式連接方式，在創建一個建筑構件模型時往往需要花費很長的時間，一棟單體古建模型往往需要幾千上萬個構件模型組合，因此有些重要的建筑構件要進行標準化建模，在標準化的模型基礎上進行復制和修改。

（2）模型必須有較強的真實性。古建及環境模型在創建時必須有一定的歷史資料、現場拍攝和測繪資料，保證三維模型能夠真實地反映出古建的歷史原貌。

（3）虛擬構件的材質紋理在賦予模型時必須考慮合適的貼圖映射方式，并及時進行參數上的細節修改。

（4）在交互操作時，場景界面和模型應提供相應提示，使得交互能按意圖進行。

3.2 虛擬古建建模的主要技術要求

對古建進行計算機三維建模是虛擬現實技術中最基礎的，同樣也是最關鍵的技術之一，三維模型的質量直接影響到虛擬古建的應用價值和研究價值。建立一個優質的古建模型能夠確保后面其他環節工作的意義。目前，計算機三維軟件大多可以應用在虛擬模型的創建上，比如Autodesk 3Ds MAX、Maya、UG等。無論使用何種建模軟件，在對虛擬古建建模時均要滿足以下技術要求。

（1）精確性。對古建構件進行三維建模后衡量模型精確性。

（2）廣泛性。模型能否全方位地展示古建的整體與細節。

（3）真實性。模型是否能夠真實地反映出古建整體與局部的現狀。

（4）易操作性。模型的建模過程是十分復雜和漫長的，模型的制作者應盡可能地的將構件全面精細地表現出來，并形成一套可復制的建模流程。

（5）顯示速度。應用程序在演示交互功能時往往需要耗費大量時間，要盡可能縮短交互時的響應時間，否則會影響到人的使用和研究人情。

（6）實時顯示。在三維的虛擬環境中，模型的現實必須在特定的幀率上，這就要求更快的顯示模式和更少的模型面數。

3.3 虛擬古建紋理貼圖的主要技術要求

為了真實地復原中國傳統古建，展示古建自身建筑材料的特點及表面的裝飾工藝，需要對數字化模型進行紋理貼圖的處理，從而需要大量的貼圖紋理資料，因此對這些紋理貼圖資料從采集、處理到優化都提出了較高的技術要求。

（1）精確性。貼圖采集時的位圖像素質量要滿足近距離觀測模型的需要。

（2）真實性。在貼圖采集時，貼圖能否全面地展示出建筑表面的紋理材質特征及與現存狀態一致的表面殘損情況。

（3）可重復性。處理后的貼圖能夠盡可能地重復利用，減少貼圖采集難度，在保證模型真實性的同時減少貼圖采集和處理的工作量。

（4）光影感。在三維軟件中進行紋理貼圖賦予前，要對各貼圖進行質感及光影處理。

（5）統一的比例。在給模型進行紋理貼圖時，古建模型構件上的貼圖比例要協調一致。

4 虛擬古建的構建方法

4.1 虛擬古建模型的創建

基于虛擬現實技術基礎上構建的三維模型，是整個系統的核心。它直觀地呈現出物體的形式、外觀造型、色彩等重要信息。它為用戶構建出了一個能進行實時交互的三維虛擬環境。在虛擬環境中的對象不僅要求在造型上與真實物體一致，而且要求在材質、光影等方面都能盡可能真實地反映出物體的真實狀態。一般通過3個步驟來完成三維模型的創建：首先進行幾何形態建模，主要建立三維場景的幾何模型；其次進行材質建模，通過對幾何模型進行材質賦予和燈光設置進行處理；最后進行模型的動態設置，對三維模型進行關鍵幀動畫設置。

三維模型是圍繞笛卡爾的坐標系統進行設計的，能夠非常精確地對模型進行控制與定位，所有的建模工作都是圍繞這一坐標進行的。目前的人工建模方法主要有3種：Polygon建模、NURBS建模、圖像建模。無論采用何種建模方式，在保證模型質量的前提下，應盡可能減少模型的面數來優化模型，這樣可以提高顯示速度，讓使用更為順暢。

4.2 虛擬古建模型的優化

為了真實地復原傳統古建，在建模過程中，往往都會按照古建的結構，建筑上分、建筑中分、建筑下分獨立建模，因此會涉及數量龐大的建筑構件模型。由于數據量過大，會大大降低計算機的運行速度，降低人們的交互體驗，因此對模型進行優化是必不可少的環節。可采用實例復制進行優化以減少系統的內存消耗；采用結構優化可以對模型面數進行控制；采用LOD技術優化能提高運算速度，增強用戶的交互體驗。

（1）利用實例復制技術對古建模型進行優化。實例復制（Instance）是三維建模過程中對模型進行復制的一種方式，選用實例優化的主要目的是在已經創建好的構建模型基礎上進行復制后，能夠節省大量的系統資源消耗，雖然被復制出的模型跟原模型有著不同的地理坐標，但他們共同分享著一個模型數據。由于在傳統古建中會出現大量相同建筑構件，而這些構件大都采用多邊形建模的方式創建，模型表面的面數極多，因此使用實例復制的方式一方面能夠大大減少內存消耗，加快屏幕的實時顯示速度，并且提升虛擬現實整體環境的交互速度，另一方面也極大地減少了對相同構件重復建模的工作量。

（2）利用模型自身結構進行優化。傳統古建的建筑構件數量龐大，結構復雜，在建模過中，由于要反映建筑真實性的要求，每個構件都會被完整地創建出來，但在后期建筑構件相互連接的過程中，許多構件與構件的結合處會出現很多隱藏的四邊面，這些是無法被看到的。這些數量龐大的隱藏面會占用大量的系統資源，因此可以將這些看不見或注意不到的面進行刪除，簡化模型的結構。此外，在對構件進行建模前，要估算好控制模型精度所需要的分段數（Segments），盡可能用較少的分段數創建高質量的模型。

（3）在虛擬現實軟件中對模型的LOD優化。LOD是“Levels of Detail”的簡稱，意為多細節層次。LOD優化根據模型在現實環境中所處的位置和重要性來決定渲染資源的配置，通過降低遠處或非重要物體的面數，提升渲染和現實的速度。

三維建模后的傳統古建模型，往往都是由大量的三維建筑構件所組成，這些構件在實例和結構優化后仍然會有龐大的邊面數，仍會影響系統的運行速度，進而影響虛擬現實的交互速度，因此需要采用LOD技術對模型的顯示進行實時管理。

4.3 虛擬古建模型材質紋理的優化

虛擬古建模型創建結束后，需要給各類構件模型進行不同類型的材質賦予。將照相機采集后的高清圖片使用計算機平面處理軟件Photshop進行無縫處理，然后通過三維軟件的材質編輯器進行各種紋理貼圖的參數化修改。不同的材質類型應用不同的材質球類型進行編輯，而后賦予相應的建筑構件模型。

在構件模型賦予材質的過程中，可以通過貼圖坐標（UVW Mapping）修改器對模型表面的紋理貼圖進行映射方式的修正，優化貼圖與模型的坐標匹配。還可以通過使用透明貼圖及貼圖烘焙的方法來優化模型的紋理貼圖。

（1）使用（UVW Mapping）修改器糾正模型貼圖坐標。每一個構件模型都要單獨進行材質賦予，在給對象賦予材質的過程中經常會出現二維貼圖的坐標位置UVW與模型的坐標位置XYZ不匹配現象，導致模型表面無法匹配正確的現實貼圖的材質紋理，因此需要給模型添加UVW Mapping修改器，來糾正貼圖的映射顯示方式及尺寸。UVW Mapping修改器能通過對模型自身UVW坐標調整來改變貼圖位置及尺寸，修改器包含有平面、柱形、球形、收縮包裹、長方體、面、XYZ、UVW 7種映射顯示方式，它能夠對不同外觀造型的構建進行正確的貼圖坐標調整，甚至還能調整群組模型的紋理貼圖效果。

（2）透明貼圖技術的應用。傳統古代建筑格外注重各類構件的裝飾性，在這些具有裝飾性的構件中有一類是采用透雕手法進行雕刻，構件呈現出立體鏤空狀態，并且由于在建筑中安裝的位置不同，所雕刻的內容也各有差異，比如各類鏤空窗花、隔斷屏風等。如果在虛擬模型中將這類構件全部進行多邊形實體創建，建模工作量將無法估算，耗時耗力，并且最終古建模型的面數將遠遠超出交互軟件的承載能力，導致模型導入后，在進行交互設計的過程中發生錯誤。因此，一般采用透雕工藝的裝飾構件，可以通過透明貼圖技術來替代實體模型的創建。

（3）貼圖烘焙技術的應用。貼圖的烘焙主要是指將三維軟件創建出的虛擬光源信息、紋理貼圖信息等生成一張平面貼圖，將這張貼圖賦予模型，使具有這張烘焙貼圖的模型無需進行渲染就包含光源、明暗、陰影等信息。這是三維模型創建時的重要環節，目前常用的烘焙方式主要有Complete Map與Lighting Map 2種。Complete Map烘焙方式，烘焙的貼圖保存了良好的光源信息，效果較好，但由于其要求烘焙的尺寸較大，因此用在一些小的構件模型上。Lighting Map烘焙方式，可以保留清晰的紋理信息，與前者相比，光影感較弱，適合用在面積較大的模型上，比如臺基、山墻等。

4.4 虛擬古建交互功能的實現

采用虛擬現實技術進行古建的真實性復原，就是希望借助虛擬現實軟件將普通的靜態古建影像和動態古建巡游動畫加以升級，實現古建與人的交互功能，通過用戶的操作，全方位地去了解古建的整體到局部、材料到裝飾等方面的實際問題。充分應用虛擬現實的交互性，讓人能夠產生一定的沉浸感。通過Unity 3D軟件平臺基本能夠實現以下交互功能。

4.4.1 交互式漫游功能的實現

通過三維虛擬現實技術實現人與物的自由交互，這是最基本的交互功能，同時也是最實用的交互功能。虛擬展示平臺的用戶可以通過鍵盤、鼠標、界面或觸摸屏等硬件自由地控制整個虛擬古建，并能夠實現多視角的自由瀏覽。

（1）第一人稱視角漫游交互。采用第一人稱視角漫游方式，用戶將屏幕作為自身的視野范圍。通過鼠標和鍵盤的操作，能夠清晰地觀察到虛擬場景中在物體，能夠自由地穿行于虛擬古建場景中并進行實時的交互。用戶通過鍵盤上的“W、S、A、D”四個字母案件來控制攝像機也就是視點的位置：“W”向前移動、“S”向后移動、“A”向左移動、“D”向右移動。并通過鼠標左鍵來模擬視角各方向上的轉動。

（2）第三人稱視角漫游交互。有時使用第一人稱視角進行漫游交互，會受到較大的視覺局限性，從模型的整體到局部，有些未能觀測清楚。使用第三人稱視角漫游就能夠很好地解決這一問題。第三人稱視角相對比較自由，它可以通過俯視觀察到這個場景的全貌，也可以通過控制視點的遠近來觀察古建的細節部分，如具體的構建結構、紋理貼圖等。用戶可以操作鼠標的左鍵和滾輪來控制第三人稱視角的交互漫游。當然這種交互方式的真實感和沉浸性也會受到一定的影響。

（3）路徑漫游交互。為了減少用戶的硬件操作，Unity 3D可以預先進行行走路徑的設定。在制作過程中對攝像機進行路徑綁定，讓攝像機按照預先設定好的路徑進行運動，用戶就可以直接觀測，這個功能方便那些對計算機操作不熟悉的用戶使用。路徑漫游交互較為適合普通的瀏覽者使用，并且只能對古建進行比較粗略的瀏覽欣賞。

4.4.2 交互界面的實現

在完成后的虛擬古建展示平臺中，需要相應的操作界面才能實現人機交互的功能。用戶通過鼠標去控制操作按鈕，完成人與計算機的交互行為。因此，友好的操作界面能夠讓用戶更為簡易地對虛擬展示平臺進行操作，可以提升用戶的交互體驗。交互界面的設計成為整個虛擬交互平臺實現人機交互的重要媒介。

4.4.3 信息交互的實現

在使用虛擬平臺的過程中，用戶無論使用何種瀏覽方式，在瀏覽的過程中，都可以用鼠標點擊場景中的建筑構件，屏幕會彈出所點構件的信息窗口。再次點擊窗口下方的返回按鈕即可返回建筑場景中。這種信息交互功能的實現需要花費大量時間把大量的信息輸入電腦。

4.4.4 虛擬季節氣候的實現

在虛擬古建展示平臺中，用戶可以通過菜單欄設置春夏秋冬4個不同的季節，通過人為的切換完成虛擬古建在不同的季節氣候環境中的效果。有些效果需要借助軟件中的著色器才能實現，比如霧氣效果需要通過著色器中的通道渲染命令完成；而一些下雪的視覺效果，就需要通過軟件中的粒子系統來實現。

5 總結

利用虛擬現實技術，我們能夠全方位地展示中國傳統古建筑的結構之美、肌理之美，能夠有效地記錄和保護這一民族瑰寶。本文主要將無錫惠山古鎮李公祠開發過程中的經驗進行歸納總結，提出了古建數字化復原的設計要求，分析了古建虛擬創建的流程及主要技術要求。相關從業者也能通過此文了解虛擬古建的復原過程。

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