虚拟现实技术在古建复原中的运用方法研究.docx

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1、虚拟现实技术在古建复原中的运用方法研究随着经济社会的发展，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，包含着深厚的文化内涵和高超的建造工艺。目睹着这些先人留下的财富在当代被快速损毁，我们一方面迫切需要呼吁政府和社会对古建进行抢救性保护，另一方面就是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 .古建虚拟复原的的设计要求使用虚拟现实的相关

2、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 真实的反映古建及古建环境为了真实的反映出中国传统古建的现状,所以一切建模的基础要基于真实的尺寸数据之上,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，要准确真实的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，还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就是要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

3、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是实现人机的交互，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、漫游等形式进行对虚拟古建的观察与研究，通过交互方式的切换，可以全面的观测到建筑的整体、建筑的局部构件及环境，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，目的就是为了提供给用户进行浏览研究及应用。用户可以根

4、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，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、各自的研究方向等方面共同对古建的修缮提出针对性建议。能够有效规避掉在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自身将包含完整的古建可视化数据资料。包括古建的平面布局、古建的架构体系、构件的规制、构件的材料和工艺、古建的装饰内容和工艺、古建的环境等资料。当然还

5、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，是行之有效的资料长期保存方式。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，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这一项目的基础上进行总结而成的。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过程中，所触发

6、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（一）数据资料的采集与整理资料的的采集环节对于古建的真实性复原具有决定意义,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，保证后期建模过程的资料的真实可靠性,防止应资料的采集问题，使整个展示平台失去其使用价值。数据资料的采集主要包含:1、传统古建的资料收集，包含历史文献资料，重建修缮资料,以及网

7、络上资料的收集与整理。力求找到最原始的一手资料。2、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。3、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。涉及到纹理贴图部分应当用计算机二维软件进行后期处理。（二）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着它加以展开，模型的制作是整个虚拟现实平台最终要的制作环节。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实体模型，而且为了保证古建还原的真实性，将尽可能真实的创建古建

8、所有的建筑构件部分，所以这也将是耗时最多的环节。（三）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以及用户在与平台交互时的感受。（四）虚拟古建模型与贴图的优化与整合对于三维数字化古建模型优化的目的就是为了进一步提高其在导入虚拟平台后的运行速度，保证用户在

9、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，必须对模型进优化，必要时降低模型的精度。为此需要做如下工作：1、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。2、检查模型是否存在子对象的交叉、重叠等错误现象。3、对部分构件的不可见面进行删除，尽可能的精简模型面数。4、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，尽可能的减小贴图的文件大小。（五）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

10、形化的虚拟现实交互制作团建，比如Unity3D,其能大量减少编程方面的工作。（六）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，Unity3D可以在WindowsMac、Android等多系统中进行发布运行，目前用Unity3D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Unity3D开发的交互文件通常运行数据量庞大的场景文件，所以更加适合执行exe格式的文件并在独立的计算机硬件平台上运行。同时Unity3D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unitywebplayer插件。3虚拟古建建模的特点及

11、主要技术要求3 .1虚拟古建模型建模的特点由于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2：1、模型必须具备一定的可复制性和可修改性，由于传统木结构的棒卯式连接方式，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要有一定的历史资料、现场拍摄和测绘资料，保证三维模型能够真实的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

12、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。3.1 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Autodesk3DsMAX、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，对古建构件进行三维建模后衡量模型精确性。2、广泛性，模型能否全方位的展示古建的整体与细节。3、真实性，模型是否能够真实的

13、反应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。模型的制应竟可能的将构件全面精细的表现出来，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的时间，要竟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。3.2 虚拟古建纹理贴图的主要技术要求为了真实的复原中国传统古建，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，因此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

14、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，贴图能否全面的展示出建筑表面的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的重复利用，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的处理。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在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。它直观的呈现出物体的形式、外观造型、色彩等重

15、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的反应出物体的真实状态。一般通过三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；其次是进行材质建模，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，能够非常精确的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三种：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的复原传统古建，在建模过程的中，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。因此会涉及到数量庞大的建筑