古建筑物虛擬現實漫游的實現

楊曉玉 盧曉攀 王彥君

摘要：近幾年來，虛擬現實設備與技術得到了迅猛發展，與之形成鮮明對比的是古建筑落后的保護方式。本文以合肥財經職業學院“六尺巷”為研究對象，將通過三維激光掃描技術對其進行點云獲取、數據處理、三維模型重建和模型紋理映射，完成六尺巷逼真模型的創建。在此基礎上，選用基于HTC VIVE的虛擬現實系統開發和Unity 3d跨平臺開發引擎，并完成了“六尺巷”虛擬現實漫游系統的設計與構建。本文將沉浸式虛擬現實技術應用到六尺巷展示中，豐富了當前古建筑物保護手段，具有較強的現實意義。

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.

關鍵詞：虛擬現實;古跡;漫游

Key words： virtual reality;monuments;roaming

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）34-0174-02

0? 引言

在歲月的長河中，中國古人將文化和建筑、雕塑和壁畫有機結合在一起，記載著當時的人文歷史信息，這是研究歷史的重要材料，更是一筆寶貴的精神財富。而傳統的古跡保護和修復已經難以滿足時代發展的需求，如何采用新技術更高效、高經濟性地保護古跡成為國內外專家學者研究的重點。

虛擬現實技術（Virtual Reality）簡稱“VR”，是利用現代計算機技術和多媒體傳感器模擬一個與客觀現實世界酷似的三維虛擬世界，不僅能超越客觀時空，還能呈現沉浸駕馭的逼真人機環境。將虛擬現實技術和文物古跡保護相結合，能夠突破傳統文物的保護方式，擺脫了時間、空間的限制，實現隨時隨地“沉浸式漫游”，達到資源共享的目的。

1? 基于點云數據的文物古跡三維模型重建

“六尺巷”是安徽桐城優秀的地方文化，其典故包含了“謙和禮讓”這一中華傳統文化精神，2015年秋合肥財經職業學院遵循原貌將“六尺巷”復制到校園，以宣傳和傳承其文化內涵。該巷全長70米，寬2米，巷子的寬度和高度則嚴格按照原版1：1比例，青磚灰瓦，巷內單面鑲嵌陰刻青石版畫，刻畫了“孝廉讓嚴勤賢儉逸善”等文化故事。

1.1 三維激光掃描點云數據的獲取與模型創建

為了獲取六尺巷三維激光掃描點云數據，本實驗采用Trimble TX5三維激光掃描儀對六尺巷進行掃描。六尺巷是一條狹長的巷子，由于寬度較窄且長度較長，使得三維激光掃描無法一次性掃描全部墓室，需要進行多次架站，對六尺巷進行多角度掃描，后期再進行拼接處理。經勘查，本次實驗設立了12個站點。

在掃描過程中，由于儀器自身、周圍環境以及多站點云數據等因素的影響，在對六尺巷進行三維模型重建前，需先對點云進行優化處理，主要包括點云拼接和點云去噪等。本文采用Faro scence和Geomagic進行點云拼接和去噪。

1.1.1 三維模型封裝

三維模型封裝，即模型網格建立。本文采用基于曲面的方法進行點云數據封裝，在Geomagic中選擇“封裝”選項，為了更好的顯示六尺巷上壁畫的紋理，定義點間間距為0.1m，輸入最大三角形個數為3500000點確定進行封裝。

1.1.2 模型漏洞貼補

由于被測模型破損、幾何拓撲關系或遮擋效應、掃描點云分布不均勻等因素，導致模型的部分表面數據無法獲取或采集的點云數據缺損，構建的模型出現許多漏洞，因而為了得到完整的模型，需對漏洞進行填充，補全缺失的數據，而Geomagic的網格醫生命令可以很好的解決這個問題。

由于站點位置是固定的，點云模型會出現一定的空缺，對于網格醫生無法處理的漏洞可采用Geomagic軟件下的“填充孔”命令來完成空缺的探測與修補。填充孔的方法有很多，本次實驗主要用完整填充孔和搭橋填充孔的方法。對于曲面變化不大的孔使用完整孔填充方法。對于曲面變化大的孔，則先通過搭橋法將孔分割成多個曲面變化小的孔，再采用完整孔填充法填充。

1.2 三維模型紋理映射

紋理映射是使三維模型逼真呈現的關鍵技術之一。為使古跡表面的圖案、色澤更加真實、美觀，還需要利用圖像處理軟件（如Photoshop）對古跡的紋理圖像進行勻光勻色、糾正和匹配等處理。

1.2.1 圖片調光處理

一些圖片由于受光不均勻或者光線太弱，會出現圖片色彩不均勻和圖片太暗等問題，因而需要對圖片進行調光處理。

1.2.2 圖片正射處理

貼圖是以一個面為一個基本單位進行的，這要求圖片與各個面是一一對應的，但是通過拍攝采集到的圖片并不全都只含一個面，有時會包含其他相鄰的面，這就需要對圖片進行適當的裁剪。此外，由于拍攝時，很難做到完全正對物體表面，大部分是側向拍攝，因而需要對圖片進行透視處理，從而得到物體表面的正射圖片。

1.2.3 UVW貼圖

首先在視圖中選中需要添加UVW貼圖的物體，然后單擊“修改”按鈕，打開修改命令面板，在下拉修改器列表中選擇“UVW貼圖”命令。

此外，貼好的圖片方向與實際方向并不一致，在修改堆棧中單擊貼圖前面的“+”號，展開其下拉列表，選擇Gizmo選項，即可使用工具欄中的“選擇并移動”工具、“選擇并旋轉”工具以及“選擇并均勻縮放”工具對UVW貼圖坐標的邊界盒進行移動、旋轉和縮放。在進行移動、旋轉和縮放邊界盒時，物體上的貼圖也會隨之改變，最終將貼圖調整到與實際相符的位置。

1.2.4 模型渲染

完成以上步驟后即可渲染獲得最終的模型。

2? 沉浸式虛擬六尺巷漫游系統的建立

本文采用Unity 3D平臺建立“六尺巷”三維實景漫游系統，具體流程如下：

2.1 六尺巷三維模型導入。由于3ds Max和Unity3d兩個軟件之間的差異，制作好的模型并不能直接導入到Unity3d中，還必須進行格式轉換、坐標軸轉換等一系列前期處理。

2.2 加載開發插件。基于HTC VIVE的虛擬現實開發需要在設計環境Unity3d中加載SteamVR Plugin， SteamVR Plugin中提供了虛擬現實開發案例、腳本等，大大縮減了系統開發時間，降低了虛擬現實系統的開發難度。

2.3 虛擬現實圖形實時渲染顯示。圖形渲染是虛擬現實的核心之一，SteamVR提供的腳本SteamVR_Render.cs可以用來進行虛擬現實圖形渲染。在程序中采用一個RenderLoop進程進行不間斷的圖形渲染，渲染的流程如圖2所示：①設置跟蹤空間;②獲取并更新位置信息;③渲染左、右眼。然后重復以上步驟，就可以感受到虛擬環境的變化。

2.4 碰撞檢測。碰撞檢測是虛擬漫游系統中一個重要的環節，主要用于用戶漫游過程中判斷物體模型之間是否接觸、模型與場景之間是否碰撞，從而防止物體模型之間的穿刺。Unity3d內置的物理引擎實現了空間碰撞檢測方法，本文用的是Unity3d系統自帶的Mesh Collider碰撞器，保證相機可以更真實地在地面運行。

3? 人機交互功能的實現

本文的六尺巷虛擬現實漫游系統是基于HTC VIVE系統開發的，其采用Lighthouse光學跟蹤技術，通過兩個激光傳感器來獲取用戶的頭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達到毫米級，完全滿足沉浸式虛擬現實的定位要求，具有響應速度快、定位精度高等優點。

雖然HTC VIVE設備中加入了Lighthouse傳感器來進行室內定位，但是由于構建虛擬三維場景的范圍遠遠大于室內用戶漫游的范圍，就會造成體驗者在室內進行沉浸式漫游時受室內尺寸的制約。為了解決虛擬三維場景與實際室內尺寸之間不協調的問題，本文開發的系統中引入了“瞬移”的方法來實現虛擬場景的整體漫游，即體驗者按住手柄的方向鍵，會在系統中出現一條激光，當體驗者松開手柄按鈕時，系統中虛擬人物會傳送到移到激光與地面相交處，從而通過人機交互的方法實現虛擬場景的整體漫游。

4? 結語

通過對六尺巷虛擬漫游系統的測試，該系統可以流暢的展現六尺巷中的三維模型，并且很大程度地還原了六尺巷的真實面貌，能夠達到讓用戶身臨古跡的漫游效果，從而說明本文開發的虛擬漫游系統可以有效解決當前文物古跡保護中存在的問題，為古跡保護提出了一種切實可行的手段。

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