虚拟现实技术在古建复原中的运用方法研究

王昱东

【摘 要】文章主要以古建虚拟复原的设计要求为前提，介绍了虚拟现实技术在古建复原过程中的开发流程，分析了虚拟古建建模过程中的特点和技术要求，总结了开发流程中几个重要环节的制作方法，为古建的数字化复原提供了相应的理论和技术支撑。

【关键词】流程；技术要求；复原方法

【中图分类号】TP391 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）02-0203-04

随着社会经济的发展，城市建设日新月异，部分政府机构为了新的城市规划需要，拆除了众多优秀的传统古建筑。古建筑是历史物质遗产的重要部分，蕴含着深厚的文化内涵和高超的建造工艺。然而这些先人留下的财富在当代被快速损毁，一方面我们迫切需要呼吁政府和社会对古建进行抢救性保护，另一方面需要利用虚拟现实技术对这些传统古建进行三维数字化复原，将古建带有的大量信息进行计算机数据化保存。本文在此背景下，通过对前期实践的归纳和整理，总结了虚拟现实技术在古建数字化复原领域的具体流程、指标和主要方法，为古建的数字化复原提供了技术支撑。

1 古建虚拟复原的设计要求

使用虚拟现实的相关技术对古建进行数字化复原，应当根据古建自身的特点进行特征分析、流程设计、制作及交互的开发。完成后的虚拟古建，总体上要能够达到以下设计要求。

1.1 真实反映古建及古建环境

为了真实地反映出中国传统古建的现状，一切建模的基础都要基于真实的尺寸数据，并在交互展示平台上能够实现具有真实视觉感受的效果，能够实现流畅的交互体验。通过虚拟现实软件制作出的虚拟古建，要准确真实地还原出古代传统建筑的原貌，包括建筑的平面布局、建筑结构、材料、纹理、环境等特征，同时并可以模拟各类不同的天气及光影变化。

1.2 实现流畅的实时交互

虚拟现实技术的核心问题是实现人机的实时交互，没有交互的展示就不能称之为虚拟现实。所以，用户通过虚拟现实软件制作出的虚拟古建不仅能够使用键盘机鼠标来实现人机的交互，有时也可以通过某些特制的硬件设备，如3D显示屏、眼镜、头盔等实现更好的交互效果。在交互的过程中，为了保证交互的流畅性，必须进行模型贴图的优化处理，以获得更好的交互速度，为用户提供更好的交互体验。用户在进行人机交互的过程中，可以选择第一人称视角、第三人称视角、漫游等形式对虚拟古建进行观察与研究，通过交互方式的切换，可以全面地观测到建筑的整体、局部构件及环境，所以在制作时要保证实现交互的流畅性。

1.3 实现有效的浏览和研究价值

利用虚拟现实技术创建出来的虚拟古建，目的是供用户进行浏览研究及应用。用户可以根据各自的需求对虚拟古建进行分析，从而获得有用的信息。在完成后的虚拟古建中，用户可以随时随地对古建进行观测。除了满足浏览功能外，虚拟古建必须能够辅助古建行业的研究者制定和完善古建修缮方案，研究人员可以根据各自的专业领域、各自的研究方向等共同对古建的修缮提出针对性建议。另外，虚拟古建还必须能够有效规避古建修缮工程中的风险。研究者可以在虚拟现实中观测到不同的修缮结果，提高了修缮方案的准确性。

1.4 能够提供完整的数据资料

通过虚拟真实性复原的方式，构建在虚拟现实平台上特定的虚拟古建将包含完整的古建可视化数据资料。包括古建的平面布局、架构体系，构件的规制、材料和工艺，古建的装饰内容、工艺及环境等资料。当然还能提供相关的文字及影像资料。这些虚拟古建上的数据资料不会因为外部环境的变化而消失，是行之有效的长期保存资料的方式。

2 虚拟现实技术复原古建的基本流程

利用虚拟现实技术对传统古建的复原，是一个工序复杂严谨，逻辑性较强的开发过程，这个过程包含众多的制作环节，当然在制作的过程中也会因为开发工具的不同导致开发流程有所不同，本文中虚拟现实古建的开发流程是基于“无锡惠山古镇李公祠真实性复原的实现”项目的基础上进行总结而成的。具体主要分为以下几个环节（如图1所示）。

图1 虚拟古建开发流程图

2.1 虚拟古建整体框架设计

为了能够反映出传统古建最真实的状态，整体的框架设计是最后所呈现效果的保障，它是整个虚拟现实开发流程的基础。只有一个合理的框架设计，才能保证人与虚拟古建交互的过程中所触发的一系列事件能够顺利进行。在考虑整体框架设计时主要有以下问题需要注意。

（1）虚拟古建将以何种方式进行项目展示，以及最终的制作成果有哪些。

（2）用户在浏览和使用该虚拟古建时，实现何种交互方式和交互体验。

（3）最终该应用的使用价值如何体现。

2.2 创建虚拟古建的相关流程

2.2.1 数据资料的采集与整理

资料的采集环节对于古建的真实性复原具有决定性的意义，无论是原始资料的收集、外观造型的尺寸采集还是影像资料的采集，都要以真实性作为采集的基本原则，要保证后期建模过程资料的真实可靠性，防止出现因资料的采集问题而使整个展示平台失去其使用价值的情况。数据资料的采集主要包含：？譹？訛传统古建的资料收集，包含历史文献资料、重建修缮资料及网络上资料的收集与整理。力求找到最原始的一手资料。？譺？訛收集与整理古建的相关测绘数据与图纸，为保证数据的真实性，部分能够实地测量的数据尽可能去进行实地的数据采集。？譻？訛为了保证虚拟古建外观造型上的真实性，应尽可能去现场进行古建结构、纹理贴图的影像数据采集。涉及纹理贴图部分应当用计算机二维软件进行后期处理。

2.2.2 虚拟古建模型的创建

三维数字化古建模型是整个虚拟现实平台的主要展示内容，所有的工作都是围绕它加以展开，模型的制作是整个虚拟现实平台最重要的制作环节。通常使用三维制作软件3DsMax进行所有模型的创建，由于使用该软件所创建的模型都是實体模型，而且为了保证古建还原的真实性，将尽可能真实地创建古建所有的建筑构件部分，所以这也将是耗时最多的环节。

2.3 虚拟古建模型的贴图赋予

为了保证虚拟古建复原的真实性，除建模环节需要对原始的建筑构件进行模型创建外，包裹在模型表面的纹理贴图的真实感也直接影响到虚拟古建的真实性。所以，要把相机采集的原始真实的建筑构件照片进行后期处理，如将带有透视的影像处理成平面的贴图素材，处理采集到的素材的偏色问题等。在行业内有着“三分模型，七分材质”的说法，可见贴图部分也是要格外注重的制作环节，它将直接影响古建复原的真实性及用户在与平台交互时的感受。

2.4 虚拟古建模型与贴图的优化与整合

对三维数字化古建模型进行优化的目的是进一步提高其在导入虚拟平台后的运行速度，保证用户在使用该平台的过程中有流畅和良好的用户体验。为了保证运行速度，必须对模型进行优化，必要时可以降低模型的精度。为此需要做如下工作：？譹？訛检查建模过程中部分构件的建模方式、模型的布线方式等是否一致。？譺？訛检查模型是否存在子对象的交叉、重叠等错误现象。？譻？訛对部分构件的不可见面进行删除，尽可能地精简模型面数。？譼？訛对模型的贴图进行优化，在保证贴图能够充分反映模型表面细节的情况下，尽可能地减小贴图的文件大小。

2.5 虚拟古建交互功能的实现

将赋予好纹理贴图的古建模型导入虚拟现实交互制作软件，在该软件中进行交互功能的开发，使原先静态的古建模型实现各种交互功能，并加载设计相关的环境要素。如果是非计算编程类开发者，可以选用图形化的虚拟现实交互制作团建，比如Unity 3 D，它能大量减少编程方面的工作。

2.6 虚拟古建的发布

创建完交互后的虚拟古建通常在交互软件中进行发布，Unity 3D可以在Windows、Mac、Android等多系统中进行发布运行，目前用Unity 3D开发的虚拟交互一般都是在wingows上进行发布，采用两种发布形式：exe可执行文件发布和网页发布。由于用Unity 3D开发的交互文件通常运行数据量庞大的场景文件，因此更加适合执行exe格式的文件，并在独立的计算机硬件平台上运行。同时Unity 3D也能够以网页的形式进行发布，但是在后期浏览的时候要安装unity web player插件。

3 虚拟古建建模的特点及主要技术要求

3.1 虚拟古建模型建模的特点

传统古建筑的建筑结构特点，导致古建建模时较其他物体建模有其自身的特点，主要表现在以下几个方面。

（1）模型必须具备一定的可复制性和可修改性。由于传统木结构的榫卯式连接方式，在创建一个建筑构件模型时往往需要花费很长的时间，一栋单体古建模型往往需要几千上万个构件模型组合，因此有些重要的建筑构件要进行标准化建模，在标准化的模型基础上进行复制和修改。

（2）模型必须有较强的真实性。古建及环境模型在创建时必须有一定的历史资料、现场拍摄和测绘资料，保证三维模型能够真实地反映出古建的历史原貌。

（3）虚拟构件的材质纹理在赋予模型时必须考虑合适的贴图映射方式，并及时进行参数上的细节修改。

（4）在交互操作时，场景界面和模型应提供相应提示，使得交互能按意图进行。

3.2 虚拟古建建模的主要技术要求

对古建进行计算机三维建模是虚拟现实技术中最基础的，同样也是最关键的技术之一，三维模型的质量直接影响到虚拟古建的应用价值和研究价值。建立一个优质的古建模型能够确保后面其他环节工作的意义。目前，计算机三维软件大多可以应用在虚拟模型的创建上，比如Autodesk 3Ds MAX、Maya、UG等。无论使用何种建模软件，在对虚拟古建建模时均要满足以下技术要求。

（1）精确性。对古建構件进行三维建模后衡量模型精确性。

（2）广泛性。模型能否全方位地展示古建的整体与细节。

（3）真实性。模型是否能够真实地反映出古建整体与局部的现状。

（4）易操作性。模型的建模过程是十分复杂和漫长的，模型的制作者应尽可能地的将构件全面精细地表现出来，并形成一套可复制的建模流程。

（5）显示速度。应用程序在演示交互功能时往往需要耗费大量时间，要尽可能缩短交互时的响应时间，否则会影响到人的使用和研究人情。

（6）实时显示。在三维的虚拟环境中，模型的现实必须在特定的帧率上，这就要求更快的显示模式和更少的模型面数。

3.3 虚拟古建纹理贴图的主要技术要求

为了真实地复原中国传统古建，展示古建自身建筑材料的特点及表面的装饰工艺，需要对数字化模型进行纹理贴图的处理，从而需要大量的贴图纹理资料，因此对这些纹理贴图资料从采集、处理到优化都提出了较高的技术要求。

（1）精确性。贴图采集时的位图像素质量要满足近距离观测模型的需要。

（2）真实性。在贴图采集时，贴图能否全面地展示出建筑表面的纹理材质特征及与现存状态一致的表面残损情况。

（3）可重复性。处理后的贴图能够尽可能地重复利用，减少贴图采集难度，在保证模型真实性的同时减少贴图采集和处理的工作量。

（4）光影感。在三维软件中进行纹理贴图赋予前，要对各贴图进行质感及光影处理。

（5）统一的比例。在给模型进行纹理贴图时，古建模型构件上的贴图比例要协调一致。

4 虚拟古建的构建方法

4.1 虚拟古建模型的创建

基于虚拟现实技术基础上构建的三维模型，是整个系统的核心。它直观地呈现出物体的形式、外观造型、色彩等重要信息。它为用户构建出了一个能进行实时交互的三维虚拟环境。在虚拟环境中的对象不仅要求在造型上与真实物体一致，而且要求在材质、光影等方面都能尽可能真实地反映出物体的真实状态。一般通过3个步骤来完成三维模型的创建：首先进行几何形态建模，主要建立三维场景的几何模型；其次进行材质建模，通过对几何模型进行材质赋予和灯光设置进行处理；最后进行模型的动态设置，对三维模型进行关键帧动画设置。

三维模型是围绕笛卡尔的坐标系统进行设计的，能够非常精确地对模型进行控制与定位，所有的建模工作都是围绕这一坐标进行的。目前的人工建模方法主要有3种：Polygon建模、NURBS建模、图像建模。无论采用何种建模方式，在保证模型质量的前提下，应尽可能减少模型的面数来优化模型，这样可以提高显示速度，让使用更为顺畅。

4.2 虚拟古建模型的优化

为了真实地复原传统古建，在建模过程中，往往都会按照古建的结构，建筑上分、建筑中分、建筑下分独立建模，因此会涉及数量庞大的建筑构件模型。由于数据量过大，会大大降低计算机的运行速度，降低人们的交互体验，因此对模型进行优化是必不可少的环节。可采用实例复制进行优化以减少系统的内存消耗；采用结构优化可以对模型面数进行控制；采用LOD技术优化能提高运算速度，增强用户的交互体验。

（1）利用实例复制技术对古建模型进行优化。实例复制（Instance）是三维建模过程中对模型进行复制的一种方式，选用实例优化的主要目的是在已经创建好的构建模型基础上进行复制后，能够节省大量的系统资源消耗，虽然被复制出的模型跟原模型有着不同的地理坐标，但他们共同分享着一个模型数据。由于在传统古建中会出现大量相同建筑构件，而这些构件大都采用多边形建模的方式创建，模型表面的面数极多，因此使用实例复制的方式一方面能够大大减少内存消耗，加快屏幕的实时显示速度，并且提升虚拟现实整体环境的交互速度，另一方面也极大地减少了对相同构件重复建模的工作量。

（2）利用模型自身结构进行优化。传统古建的建筑构件数量庞大，结构复杂，在建模过中，由于要反映建筑真实性的要求，每个构件都会被完整地创建出来，但在后期建筑构件相互连接的过程中，许多构件与构件的结合处会出现很多隐藏的四边面，这些是无法被看到的。这些数量庞大的隐藏面会占用大量的系统资源，因此可以将这些看不见或注意不到的面进行删除，简化模型的结构。此外，在对构件进行建模前，要估算好控制模型精度所需要的分段数（Segments），尽可能用较少的分段数创建高质量的模型。

（3）在虚拟现实软件中对模型的LOD优化。LOD是“Levels of Detail”的简称，意为多细节层次。LOD优化根据模型在现实环境中所处的位置和重要性来决定渲染资源的配置，通过降低远处或非重要物体的面数，提升渲染和现实的速度。

三维建模后的传统古建模型，往往都是由大量的三维建筑构件所组成，这些构件在实例和结构优化后仍然会有庞大的边面数，仍会影响系统的运行速度，进而影响虚拟现实的交互速度，因此需要采用LOD技术对模型的显示进行实时管理。

4.3 虚拟古建模型材质纹理的优化

虚拟古建模型创建结束后，需要给各类构件模型进行不同类型的材质赋予。将照相机采集后的高清图片使用计算机平面处理软件Photshop进行无缝处理，然后通过三维软件的材质编辑器进行各种纹理贴图的参数化修改。不同的材质类型应用不同的材质球类型进行编辑，而后赋予相应的建筑构件模型。

在构件模型赋予材质的过程中，可以通过贴图坐标（UVW Mapping）修改器对模型表面的纹理贴图进行映射方式的修正，优化贴图与模型的坐标匹配。还可以通过使用透明贴图及贴图烘焙的方法来优化模型的纹理贴图。

（1）使用（UVW Mapping）修改器纠正模型贴图坐标。每一个构件模型都要单独进行材质赋予，在给对象赋予材质的过程中经常会出现二维贴图的坐标位置UVW与模型的坐标位置XYZ不匹配现象，导致模型表面无法匹配正确的现实贴图的材质纹理，因此需要给模型添加UVW Mapping修改器，来纠正贴图的映射显示方式及尺寸。UVW Mapping修改器能通過对模型自身UVW坐标调整来改变贴图位置及尺寸，修改器包含有平面、柱形、球形、收缩包裹、长方体、面、XYZ、UVW 7种映射显示方式，它能够对不同外观造型的构建进行正确的贴图坐标调整，甚至还能调整群组模型的纹理贴图效果。

（2）透明贴图技术的应用。传统古代建筑格外注重各类构件的装饰性，在这些具有装饰性的构件中有一类是采用透雕手法进行雕刻，构件呈现出立体镂空状态，并且由于在建筑中安装的位置不同，所雕刻的内容也各有差异，比如各类镂空窗花、隔断屏风等。如果在虚拟模型中将这类构件全部进行多边形实体创建，建模工作量将无法估算，耗时耗力，并且最终古建模型的面数将远远超出交互软件的承载能力，导致模型导入后，在进行交互设计的过程中发生错误。因此，一般采用透雕工艺的装饰构件，可以通过透明贴图技术来替代实体模型的创建。

（3）贴图烘焙技术的应用。贴图的烘焙主要是指将三维软件创建出的虚拟光源信息、纹理贴图信息等生成一张平面贴图，将这张贴图赋予模型，使具有这张烘焙贴图的模型无需进行渲染就包含光源、明暗、阴影等信息。这是三维模型创建时的重要环节，目前常用的烘焙方式主要有Complete Map与Lighting Map 2种。Complete Map烘焙方式，烘焙的贴图保存了良好的光源信息，效果较好，但由于其要求烘焙的尺寸较大，因此用在一些小的构件模型上。Lighting Map烘焙方式，可以保留清晰的纹理信息，与前者相比，光影感较弱，适合用在面积较大的模型上，比如台基、山墙等。

4.4 虚拟古建交互功能的实现

采用虚拟现实技术进行古建的真实性复原，就是希望借助虚拟现实软件将普通的静态古建影像和动态古建巡游动画加以升级，实现古建与人的交互功能，通过用户的操作，全方位地去了解古建的整体到局部、材料到装饰等方面的实际问题。充分应用虚拟现实的交互性，让人能够产生一定的沉浸感。通过Unity 3D软件平台基本能够实现以下交互功能。

4.4.1 交互式漫游功能的实现

通过三维虚拟现实技术实现人与物的自由交互，这是最基本的交互功能，同时也是最实用的交互功能。虚拟展示平台的用户可以通过键盘、鼠标、界面或触摸屏等硬件自由地控制整个虚拟古建，并能够实现多视角的自由浏览。

（1）第一人称视角漫游交互。采用第一人称视角漫游方式，用户将屏幕作为自身的视野范围。通过鼠标和键盘的操作，能够清晰地观察到虚拟场景中在物体，能够自由地穿行于虚拟古建场景中并进行实时的交互。用户通过键盘上的“W、S、A、D”四个字母案件来控制摄像机也就是视点的位置：“W”向前移动、“S”向后移动、“A”向左移动、“D”向右移动。并通过鼠标左键来模拟视角各方向上的转动。

（2）第三人称视角漫游交互。有时使用第一人称视角进行漫游交互，会受到较大的视觉局限性，从模型的整体到局部，有些未能观测清楚。使用第三人称视角漫游就能够很好地解决这一问题。第三人称视角相对比较自由，它可以通过俯视观察到这个场景的全貌，也可以通过控制视点的远近来观察古建的细节部分，如具体的构建结构、纹理贴图等。用户可以操作鼠标的左键和滚轮来控制第三人称视角的交互漫游。当然这种交互方式的真实感和沉浸性也会受到一定的影响。

（3）路径漫游交互。为了减少用户的硬件操作，Unity 3D可以预先进行行走路径的设定。在制作过程中对摄像机进行路径绑定，让摄像机按照预先设定好的路径进行运动，用户就可以直接观测，这个功能方便那些对计算机操作不熟悉的用户使用。路径漫游交互较为适合普通的浏览者使用，并且只能对古建进行比较粗略的浏览欣赏。

4.4.2 交互界面的实现

在完成后的虚拟古建展示平台中，需要相应的操作界面才能实现人机交互的功能。用户通过鼠标去控制操作按钮，完成人与计算机的交互行为。因此，友好的操作界面能够让用户更为简易地对虚拟展示平台进行操作，可以提升用户的交互体验。交互界面的设计成为整个虚拟交互平台实现人机交互的重要媒介。

4.4.3 信息交互的实现

在使用虚拟平台的过程中，用户无论使用何种浏览方式，在浏览的过程中，都可以用鼠标点击场景中的建筑构件，屏幕会弹出所点构件的信息窗口。再次点击窗口下方的返回按钮即可返回建筑场景中。这种信息交互功能的实现需要花费大量时间把大量的信息输入电脑。

4.4.4 虚拟季节气候的实现

在虚拟古建展示平台中，用户可以通过菜单栏设置春夏秋冬4个不同的季节，通过人为的切换完成虚拟古建在不同的季节气候环境中的效果。有些效果需要借助软件中的着色器才能实现，比如雾气效果需要通过着色器中的通道渲染命令完成；而一些下雪的视觉效果，就需要通过软件中的粒子系统来实现。

5 总结

利用虚拟现实技术，我们能够全方位地展示中国传统古建筑的结构之美、肌理之美，能够有效地记录和保护这一民族瑰宝。本文主要将无锡惠山古镇李公祠开发过程中的经验进行归纳总结，提出了古建数字化复原的设计要求，分析了古建虚拟创建的流程及主要技术要求。相关从业者也能通过此文了解虚拟古建的复原过程。

參 考 文 献

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