第一汽車制造廠歷史街區三維虛擬平臺研究

孫巍 徐學東

摘 ?要： 目前虛擬現實技術被廣泛運用在文化遺產數字化工程上，但其在大場景文化遺產三維虛擬平臺開發上存在數據采集量大、精細建模成本高昂等問題。GIS技術提供了更高效的三維建模方案，針對Unity3D等虛擬引擎無法有效管理地理信息的技術局限，以第一汽車制造廠歷史文化街區為對象，提出多源數據標準化與坐標轉換方法，解決Unity3D平臺下地理信息與三維模型數據配準融合難題，并給出街區虛擬平臺開發的具體方案。該成果對大場景歷史文化街區三維虛擬平臺開發具有重要價值。

關鍵詞： 虛擬現實; 地理信息系統; 歷史文化街區; 三維模型; 坐標變換; Unity3D

中圖分類號： TN99?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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

歷史文化街區和工業遺產兼有歷史學、美學、建筑學等文明特征，均被視為人類城市文化遺產的載體。2015年，國家文物局、住建部批準了首批三十個中國歷史文化街區，長春第一汽車制造廠街區是其中唯一以工業遺產為特色的歷史街區。隨后，一汽街區又入選“首批中國20世紀建筑遺產項目”。

長春第一汽車制造廠是新中國汽車工業的搖籃，是我國第一輛汽車、第一輛轎車、第一個產銷百萬輛的汽車企業，是中國汽車工業發展的見證，其廠區街區有著清晰的汽車工業特性，是長春市發展汽車工業遺產旅游的核心資源，但由于目前一汽廠址仍是解放卡車的生產基地，難以開展旅游開發。

虛擬現實技術被公認為文化遺產數字化中最重要的技術方案[1?2]，數字敦煌、數字故宮是我國知名的三維虛擬系統的案例，特點是大場景、建模精細，開發成本高昂。目前谷歌地圖等GIS平臺能夠提供高精度的地理信息，但Unity3D等主流虛擬引擎不支持海量地理信息的管理[3?4]。

本文以一汽街區為對象，研究地理信息與虛擬現實技術相結合的方法，解決大場景多源數據快速建模?；诘乩硇畔⒌娜S模型關聯匹配等關鍵技術，對研究高效率沉浸式體驗的一汽歷史街區三維虛擬系統做初步探討。

1 ?街區概況與目標

第一汽車制造廠歷史街區位于長春市西南部，如圖1所示。街區功能分區明確，廠區和宿舍區沿東風大街形成一側生產、一側生活的功能格局。宿舍區每個院落圍合布局，環境優美。街區現存文物保護單位125棟，廠區大部分建筑立面為紅色清水磚墻，宿舍區歷史建筑均為紅色清水磚墻、綠檐灰瓦，紅色為街區的主色調。重點歷史要素包括一號門前毛主席親筆“第一汽車制造廠奠基紀念”奠基石、共青團花園等[5]。街區優化的人居環境成為新中國現代工業街區的規劃典范，具有獨特的吸引力和歷史文化承載力。

圖1 ?第一汽車制造廠歷史文化街區范圍

一汽歷史街區規劃面積達176.2公頃，規模大，歷史建筑和元素數量眾多。傳統三維建模方法需要測量的數據量大、成本高、效率低，并且無法準確表達街區空間形態和位置的關系。

本文利用谷歌地圖等提供的地理信息、影像數據，并結合無人機、全站儀等多種數據采集方法，將自動地形建模、傾斜影像快速建模與三維精細建模等多種方案相結合，研究實現適合歷史街區三維場景構建方法、多源數據統一與模型配準，并從直觀友好的旅游需求出發，研究實現沉浸式、立體體驗的街區三維虛擬平臺。

2 ?系統總體設計

2.1 ?系統架構設計

一汽歷史街區三維虛擬平臺采用多層結構設計，分為應用層、業務層、數據層和支撐層。如圖2所示。

1） 支撐層。包括平臺運行的軟硬件環境，操作系統數據庫系統、服務器、網絡平臺等。

2） 數據層。包括平臺運行的各類基礎數據，如數字高程數據、正射影像數據、三維模型數據、矢量數據、街區歷史文化文本及多媒體數據等。

3） 業務層。包括各種數據處理工具、建模工具、開發引擎和各類數據的轉換、配準、關聯及平臺運行需要的控制腳本、控制終端等。

4） 應用層。面向用戶提供平臺各類展示服務，包括漫游、推薦線路、紅旗轎車等生產情境再現，支持Kinect等人機控制外設，并面向虛擬現實眼鏡、3D電視投影儀等實現平臺沉浸式場景的生成處理。

圖2 ?一汽歷史街區三維虛擬平臺架構

2.2 ?技術方案

2.2.1 ?總體技術路線

一汽歷史街區三維虛擬平臺總體技術路線包括基礎數據采集與處理、三維場景建模、虛擬漫游系統設計開發，如圖3所示。

1） 基礎數據采集與處理。通過對街區組織調研，收集整理街區多源基礎數據，包括基礎地理數據、影像數據、現場實測數據、文本及多媒體數據等。需要解決多源數據配準統一、三維模型數據與歷史文化數據的關聯銜接難題。

2） 三維場景建模。基于多源數據融合快速建模完成街區基礎地形、非重點地物三維模型、重點建筑和元素精細三維建模，建立模型庫。

3） 虛擬漫游系統設計開發。面向汽車工業遺產旅游需求，設計基于虛擬現實的第一汽車制造廠歷史文化街區三維漫游系統，結合歷史文化元素，開發實現情境化街區三維虛擬平臺。

圖3 ?技術路線

2.2.2 ?開發工具及平臺

多源基礎數據處理和三維建模采用3D Max，ArcGIS，Global Mapper等軟件。

目前支持三維場景開發的主流引擎有SuperMap，Unity3D，Skyline等。SuperMap的優勢在于對GIS數據的支持，Unity3D的優勢在于跨平臺、沉浸式虛擬場景的開發[6]，Skyline的優勢在于海量數據的管理和三維可視化。三者各有特色，考慮到本文主要面向工業遺產旅游開發，Unity3D在渲染、畫面效果方面更加優秀，確定采用Unity3D進行街區場景的集成和構建。

3 ?關鍵技術

3.1 ?基礎數據的采集與處理

數據是平臺的基礎，為提高效率，街區三維場景可通過DEM高程數據、DOM影像數據快速構建[7?8]。重點建筑和元素需要通過實地測繪測量，并分析歷史文獻資料，作為現場數據采集的補充或修正。

3.1.1 ?街區DEM數據和DOM數據的獲取

谷歌地圖能夠提供高精度的點位經緯坐標和高程，本文利用Google GIS獲得街區范圍內采樣定位點的地理坐標和高程數據，采樣精度為10 m。再使用MapGIS根據提取定位點的數據制作DEM地形圖。DOM影像數據通過無人機航拍與衛星影像相結合的方式獲得，谷歌地圖提供衛星影像圖下載。本文通過Photoshop將衛星影像圖或航拍圖拼接成bmp格式的圖，然后編輯DOM文件，實現與bmp影像圖的對接。

3.1.2 ?無人機傾斜攝影

利用無人機傾斜攝影裝置，通過空中三角測量快速獲取街區傾斜三維影像和正射影像，再利用計算機自動圖形處理技術進行自動空三處理。

3.1.3 ?現場人工測量

針對重點建筑物、標志物，利用光學經緯儀（DJ6型）、大卷尺等工具測量目標物的主要三維尺寸等，通過小卷尺等測量各細部構件的尺寸，通過Nikon D7000數碼相機等工具對建筑物外表面進行拍攝，以獲得模型貼圖素材[9]。

3.2 ?街區多源數據的標準化

采集獲得的基礎數據格式不一，如地理數據、測量數據、文本影像數據等。為使所有數據統一化，本文從編碼體系、坐標框架、存儲方式等方面完成數據編碼、坐標系統與存儲模型的統一，建立多源數據融合標準集[10?11]。

3.2.1 ?街區基礎數據編碼

對街區各種數據建立統一的編碼系統，采用11位數字編碼體系。其中，第1位代表數據大類，分為基礎地理數據、模型數據、歷史文化數據3種;第2，3 位代表模型數據分類，包括標志物、住宅建筑物、建筑物廠房、植物、街路、景觀;第4，5，6位代表模型編碼;第7，8位代表歷史數據分類，包括文本數據、圖片數據、影像數據;第9，10，11位數據為順序碼，從001～999。編碼的原則是保持每個數據的唯一性和一致性。

下面以一汽奠基石為例，說明編碼的具體情況。奠基石采用的編碼方式為20100101001。具體含義為：2?模型數據、01?標志物、001?奠基石、01?文本數據、001?奠基石歷史描述及多媒體資料。

3.2.2 ?坐標系統

為了模型匹配，多源數據需要統一到一個坐標系下。本文采用谷歌地圖提供的長春地方坐標系為空間參考系統，北緯N43°48′48.98″，東經E125°19′1.40″，海拔224.14 m。采用ArcGIS提供的坐標轉換功能實現多源數據的坐標統一。例如，建筑物采集數據包括無人機傾斜拍攝數據、人工測量數據，無法直接與谷歌地圖等提供的基礎地理數據集成，需要通過ArcGIS將采集數據校正到正確的坐標系統，再以此為基礎進行建筑物數據的矢量化。

3.2.3 ?存儲模型

多源數據包括shp格式的矢量圖層文件，3ds格式的模型文件，txt格式的文本文件，jpg、bmp格式的圖片文件，avi，wmv格式的影像文件和表格形式存在的基礎調查數據等。

本文使用Oracle數據庫存儲基礎數據和媒體數據，空間數據使用Geodatabase地理數據模型來組織和表達，包括街區建筑對象空間數據、功能區劃數據、三維模型數據等。其中三維模型擬選用3D Max建模，數據以FBX格式存在，通過ArcGIS轉換為Multipatch格式文件，根據模型類別分別存入Geodatabase，實現對各類三維模型的集中管理，空間數據最終以mdb格式存儲在數據庫中。多媒體數據通過字節流的方式存儲在數據庫中。

3.3 ?基于多源數據的三維建模

要建立街區大場景三維虛擬平臺，需要建立地形模型和建筑物、街路、景觀三維模型。本文采用多源數據融合建模方法，綜合使用3D Max和ArcGIS建模。其流程如圖4所示。

圖4 ?基于多源數據的街區場景建模流程

1） 將DEM數據和DOM數據通過Global Mapper和ArcGIS進行疊加配準后，可以轉化為地形三維模型。

2） 無人機傾斜影像可通過影像匹配和紋理關聯等技術手段，快速建立非重點地物的三維模型。

3） 根據現場實測建筑物尺寸，利用3D Max或SketchUp通過圖形設計、模型構建、紋理貼圖、光照渲染等步驟建立三維精細模型[10]。

3.4 ?模型的坐標轉換與疊加配準

Unity3D作為游戲引擎，系統不支持地理信息的管理。因此無法直接利用地理信息在Unity3D中完成地形場景模型、建筑模型和其他元素模型的準確疊加匹配。谷歌地圖采用GCJ?02經緯度坐標系，Unity3D支持的坐標系包括World Space（世界坐標）、Screen Space（屏幕坐標）、View Space視圖坐標系等[12]。

本文平臺采用世界坐標系，需要將經緯度坐標系上的各類三維模型轉化為世界坐標系坐標值，下面簡述坐標處理方法：

1） 使用ArcGIS在地形場景模型中獲得重點建筑物、街路、元素的定位特征點坐標值。建立數據表，如ID代表特征點，[a.b.c]，[x.y.z]分別代表經緯度坐標，[h]代表高程數據。

2） 將經緯度坐標系下街區場景特征點地理數據的地形場景文件導入Unity3D，通過程序轉化為世界坐標系。部分代碼如下：

利用該方法處理的地形場景模型、建筑模型和其他元素模型不僅能夠在Unity3D準確疊加配準，同時還能夠有效保留原GIS地理信息，為后續開發結合GPS的手機導航及相關旅游服務奠定了基礎。GIS影像數據與三維模型疊加配準如圖5所示。

圖5 ?GIS影像數據與三維模型疊加配準

4 ?基于Unity3D的街區三維虛擬系統開發

完成街區三維場景模型后用Unity3D構建虛擬現實三維系統。針對工業遺產旅游的需求，設計情境化虛擬歷史街區交互平臺，解決三維模型歷史文化維度的擴展、漫游路線設計、人機交互等問題。

4.1 ?街區三維模型的歷史信息屬性維度設計

針對工業遺產旅游的需求，設計情境化虛擬歷史街區交互平臺，通過解放卡車、紅旗轎車等重點元素的情境化、故事性開發思維，對街區建筑物、廠區、生產線等靜態三維模型賦予歷史和文化內涵。

在三維模型上附加歷史文化屬性維度，實現街區對象地理信息、史料信息、史料圖片等數據與模型的銜接。定義三維數字化模型擴展旅游維度的領域范圍、數據格式，研究實現三維擴展數據集成接口和數據庫映射算法。平臺使用Oracle數據庫存儲模型數據與屬性數據，場景中模型通過標識moldID與數據庫中的歷史文化屬性信息表關聯。

4.2 ?三維虛擬系統設計

針對汽車工業遺產旅游需求，設置相機和路徑，實現自由漫游游覽、推薦路線游覽、虛擬生產再現等功能。在漫游中整合老照片、文字、聲音等效果，生動再現街區發展歷史演變過程，全景展示街區內建筑、街路、景觀等元素的綜合效應[9]。

1） 自由漫游瀏覽：可由使用者通過鼠標、鍵盤、觸控外設等操作工具控制視角的前進、后退、平移、旋轉，任意瀏覽街區任一景點。

2） 推薦線路游覽：針對奠基石、300宿舍、301宿舍、解放卡車早期廠房及生產線、紅旗轎車早期廠房及生產線等具有歷史價值的重點景觀點，設計多條不同主題的瀏覽路徑。

3） 虛擬再現：利用VR技術實現紅旗轎車制造過程，通過人機交互模塊使游客參與到仿真生產環境中，再現CA770經典紅旗轎車的生產制造過程。

4.3 ?人機交互與立體展示

為了增強漫游系統的真實性、增進游客的現場參與感，系統實現人機交互設計模塊，支持遙控器、Kinect體感控制器，并結合偏振式3D立體顯示實現可動態交互的漫游系統。Unity3D提供偏振式3D立體顯示的處理：在Unity3D的街區主場景中設置兩臺攝像機，把兩個相機的影像分為左右半寬同時輸出，生成有視差的左右圖，來顯示左右兩個相機的視野。通過3D顯示器或者3D眼鏡即可得到逼真的雙眼3D效果。

5 ?結 ?語

本文以第一汽車制造廠歷史文化街區為例，詳細闡述了街區三維虛擬平臺的研究實現過程。針對大場景文化遺產三維數字化開發需求，通過GIS信息提升大場景地物模型的建模效率，并通過坐標轉換解決了各類模型在Unity3D上的配準關聯，開發了情境化交互式立體雙目視景漫游系統。本文成果將用于旅游部門打造的汽車工業遺產旅游的宣傳展示，塑造長春汽車工業旅游形象。后續還將結合試點情況在場景優化、交互體驗等方面進一步研究。

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