摘要：近幾年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備與技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，與之形成鮮明對(duì)比的是古建筑落后的保護(hù)方式。本文以合肥財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院“六尺巷”為研究對(duì)象，將通過(guò)三維激光掃描技術(shù)對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)云獲取、數(shù)據(jù)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(chuàng)建。在此基礎(chǔ)上，選用基于HTC VIVE的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和Unity 3d跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)引擎，并完成了“六尺巷”虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。本文將沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到六尺巷展示中，豐富了當(dāng)前古建筑物保護(hù)手段，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);古跡;漫游
中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311(2019)34-0174-02
《吉林建筑大學(xué)學(xué)報(bào)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1984年，由吉林建筑大學(xué)主辦。本刊主要刊登土木工程、市政與環(huán)境工程、建筑學(xué)、材料科學(xué)與工程、交通科學(xué)與工程、電氣與電子信息工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、管理科學(xué)與工程、藝術(shù)設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)科學(xué)等與建筑領(lǐng)域相關(guān)的學(xué)術(shù)論文及科研成果
0 引言
在歲月的長(zhǎng)河中，中國(guó)古人將文化和建筑、雕塑和壁畫(huà)有機(jī)結(jié)合在一起，記載著當(dāng)時(shí)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(cái)富。而傳統(tǒng)的古跡保護(hù)和修復(fù)已經(jīng)難以滿足時(shí)代發(fā)展的需求，如何采用新技術(shù)更高效、高經(jīng)濟(jì)性地保護(hù)古跡成為國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究的重點(diǎn)。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)簡(jiǎn)稱“VR”，是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和多媒體傳感器模擬一個(gè)與客觀現(xiàn)實(shí)世界酷似的三維虛擬世界，不僅能超越客觀時(shí)空，還能呈現(xiàn)沉浸駕馭的逼真人機(jī)環(huán)境。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和文物古跡保護(hù)相結(jié)合，能夠突破傳統(tǒng)文物的保護(hù)方式，擺脫了時(shí)間、空間的限制，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地“沉浸式漫游”，達(dá)到資源共享的目的。
1 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的文物古跡三維模型重建
“六尺巷”是安徽桐城優(yōu)秀的地方文化，其典故包含了“謙和禮讓”這一中華傳統(tǒng)文化精神，2015年秋合肥財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院遵循原貌將“六尺巷”復(fù)制到校園，以宣傳和傳承其文化內(nèi)涵。該巷全長(zhǎng)70米，寬2米，巷子的寬度和高度則嚴(yán)格按照原版1：1比例，青磚灰瓦，巷內(nèi)單面鑲嵌陰刻青石版畫(huà)，刻畫(huà)了“孝廉讓嚴(yán)勤賢儉逸善”等文化故事。
1.1 三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與模型創(chuàng)建
為了獲取六尺巷三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)采用Trimble TX5三維激光掃描儀對(duì)六尺巷進(jìn)行掃描。六尺巷是一條狹長(zhǎng)的巷子，由于寬度較窄且長(zhǎng)度較長(zhǎng)，使得三維激光掃描無(wú)法一次性掃描全部墓室，需要進(jìn)行多次架站，對(duì)六尺巷進(jìn)行多角度掃描，后期再進(jìn)行拼接處理。經(jīng)勘查，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)立了12個(gè)站點(diǎn)。
在掃描過(guò)程中，由于儀器自身、周?chē)h(huán)境以及多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)等因素的影響，在對(duì)六尺巷進(jìn)行三維模型重建前，需先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行優(yōu)化處理，主要包括點(diǎn)云拼接和點(diǎn)云去噪等。本文采用Faro scence和Geomagic進(jìn)行點(diǎn)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(wǎng)格建立。本文采用基于曲面的方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝，在Geomagic中選擇“封裝”選項(xiàng)，為了更好的顯示六尺巷上壁畫(huà)的紋理，定義點(diǎn)間間距為0.1m，輸入最大三角形個(gè)數(shù)為3500000點(diǎn)確定進(jìn)行封裝。
1.1.2 模型漏洞貼補(bǔ)
由于被測(cè)模型破損、幾何拓?fù)潢P(guān)系或遮擋效應(yīng)、掃描點(diǎn)云分布不均勻等因素，導(dǎo)致模型的部分表面數(shù)據(jù)無(wú)法獲取或采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺損，構(gòu)建的模型出現(xiàn)許多漏洞，因而為了得到完整的模型，需對(duì)漏洞進(jìn)行填充，補(bǔ)全缺失的數(shù)據(jù)，而Geomagic的網(wǎng)格醫(yī)生命令可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。
由于站點(diǎn)位置是固定的，點(diǎn)云模型會(huì)出現(xiàn)一定的空缺，對(duì)于網(wǎng)格醫(yī)生無(wú)法處理的漏洞可采用Geomagic軟件下的“填充孔”命令來(lái)完成空缺的探測(cè)與修補(bǔ)。填充孔的方法有很多，本次實(shí)驗(yàn)主要用完整填充孔和搭橋填充孔的方法。對(duì)于曲面變化不大的孔使用完整孔填充方法。對(duì)于曲面變化大的孔，則先通過(guò)搭橋法將孔分割成多個(gè)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(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為使古跡表面的圖案、色澤更加真實(shí)、美觀，還需要利用圖像處理軟件(如Photoshop)對(duì)古跡的紋理圖像進(jìn)行勻光勻色、糾正和匹配等處理。
1.2.1 圖片調(diào)光處理
一些圖片由于受光不均勻或者光線太弱，會(huì)出現(xiàn)圖片色彩不均勻和圖片太暗等問(wèn)題，因而需要對(duì)圖片進(jìn)行調(diào)光處理。
1.2.2 圖片正射處理
貼圖是以一個(gè)面為一個(gè)基本單位進(jìn)行的，這要求圖片與各個(gè)面是一一對(duì)應(yīng)的，但是通過(guò)拍攝采集到的圖片并不全都只含一個(gè)面，有時(shí)會(huì)包含其他相鄰的面，這就需要對(duì)圖片進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉簟４送猓捎谂臄z時(shí)，很難做到完全正對(duì)物體表面，大部分是側(cè)向拍攝，因而需要對(duì)圖片進(jìn)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(kāi)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(shí)際方向并不一致，在修改堆棧中單擊貼圖前面的“+”號(hào)，展開(kāi)其下拉列表，選擇Gizmo選項(xiàng)，即可使用工具欄中的“選擇并移動(dòng)”工具、“選擇并旋轉(zhuǎn)”工具以及“選擇并均勻縮放”工具對(duì)UVW貼圖坐標(biāo)的邊界盒進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放。在進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放邊界盒時(shí)，物體上的貼圖也會(huì)隨之改變，最終將貼圖調(diào)整到與實(shí)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(tǒng)的建立
本文采用Unity 3D平臺(tái)建立“六尺巷”三維實(shí)景漫游系統(tǒng)，具體流程如下：
2.1 六尺巷三維模型導(dǎo)入。由于3ds Max和Unity3d兩個(gè)軟件之間的差異，制作好的模型并不能直接導(dǎo)入到Unity3d中，還必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換等一系列前期處理。
2.2 加載開(kāi)發(fā)插件。基于HTC VIVE的虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)需要在設(shè)計(jì)環(huán)境Unity3d中加載SteamVR Plugin， SteamVR Plugin中提供了虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)案例、腳本等，大大縮減了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度。
2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)圖形實(shí)時(shí)渲染顯示。圖形渲染是虛擬現(xiàn)實(shí)的核心之一，SteamVR提供的腳本SteamVR_Render.cs可以用來(lái)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)圖形渲染。在程序中采用一個(gè)RenderLoop進(jìn)程進(jìn)行不間斷的圖形渲染，渲染的流程如圖2所示：①設(shè)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(fù)以上步驟，就可以感受到虛擬環(huán)境的變化。
2.4 碰撞檢測(cè)。碰撞檢測(cè)是虛擬漫游系統(tǒng)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，主要用于用戶漫游過(guò)程中判斷物體模型之間是否接觸、模型與場(chǎng)景之間是否碰撞，從而防止物體模型之間的穿刺。Unity3d內(nèi)置的物理引擎實(shí)現(xiàn)了空間碰撞檢測(cè)方法，本文用的是Unity3d系統(tǒng)自帶的Mesh Collider碰撞器，保證相機(jī)可以更真實(shí)地在地面運(yùn)行。
3 人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn)
本文的六尺巷虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)是基于HTC VIVE系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，其采用Lighthouse光學(xué)跟蹤技術(shù)，通過(guò)兩個(gè)激光傳感器來(lái)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(dá)到毫米級(jí)，完全滿足沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的定位要求，具有響應(yīng)速度快、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。
雖然HTC VIVE設(shè)備中加入了Lighthouse傳感器來(lái)進(jìn)行室內(nèi)定位，但是由于構(gòu)建虛擬三維場(chǎng)景的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于室內(nèi)用戶漫游的范圍，就會(huì)造成體驗(yàn)者在室內(nèi)進(jìn)行沉浸式漫游時(shí)受室內(nèi)尺寸的制約。為了解決虛擬三維場(chǎng)景與實(shí)際室內(nèi)尺寸之間不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)中引入了“瞬移”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的整體漫游，即體驗(yàn)者按住手柄的方向鍵，會(huì)在系統(tǒng)中出現(xiàn)一條激光，當(dāng)體驗(yàn)者松開(kāi)手柄按鈕時(shí)，系統(tǒng)中虛擬人物會(huì)傳送到移到激光與地面相交處，從而通過(guò)人機(jī)交互的方法實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的整體漫游。
4 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)六尺巷虛擬漫游系統(tǒng)的測(cè)試，該系統(tǒng)可以流暢的展現(xiàn)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(shí)面貌，能夠達(dá)到讓用戶身臨古跡的漫游效果，從而說(shuō)明本文開(kāi)發(fā)的虛擬漫游系統(tǒng)可以有效解決當(dāng)前文物古跡保護(hù)中存在的問(wèn)題，為古跡保護(hù)提出了一種切實(shí)可行的手段。
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文章名稱：古建筑物虛擬現(xiàn)實(shí)漫游的實(shí)現(xiàn)
