虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在古建復(fù)原中的運(yùn)用方法研究

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，城市建設(shè)日新月異，部分政府機(jī)構(gòu)為了新的城市規(guī)劃需要，拆除了眾多優(yōu)秀的傳統(tǒng)古建筑。古建筑是歷史物質(zhì)遺產(chǎn)的重要部分，包含著深厚的文化內(nèi)涵和高超的建造工藝。目睹著這些先人留下的財(cái)富在當(dāng)代被快速損毀，我們一方面迫切需要呼吁政府和社會(huì)對(duì)古建進(jìn)行搶救性保護(hù)，另一方面就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)這些傳統(tǒng)古建進(jìn)行三維數(shù)字化復(fù)原，將古建帶有的大量信息進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)化保存。本文在此背景下，通過(guò)對(duì)前期實(shí)踐的歸納和整理，總結(jié)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在古建數(shù)字化復(fù)原領(lǐng)域的具體流程、指標(biāo)和主要方法，為古建的數(shù)字化復(fù)原提供了技術(shù)支撐。

1.古建虛擬復(fù)原的的設(shè)計(jì)要求

使用虛擬現(xiàn)實(shí)的相關(guān)技術(shù)對(duì)古建進(jìn)行數(shù)字化復(fù)原，應(yīng)當(dāng)根據(jù)古建自身的特點(diǎn)進(jìn)行特征分析、流程設(shè)計(jì)、制作及交互的開(kāi)發(fā)，完成后的虛擬古建，總體上要能夠達(dá)到以下設(shè)計(jì)要求：

1.1真實(shí)的反映古建及古建環(huán)境

為了真實(shí)的反映出中國(guó)傳統(tǒng)古建的現(xiàn)狀，所以一切建模的基礎(chǔ)要基于真實(shí)的尺寸數(shù)據(jù)之上，并在交互展示平臺(tái)上能夠?qū)崿F(xiàn)具有真實(shí)視覺(jué)感受的效果，能夠?qū)崿F(xiàn)流暢的交互體驗(yàn)。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件制作出的虛擬古建，要準(zhǔn)確真實(shí)的還原出古代傳統(tǒng)建筑的原貌，包括建筑的平面布局、建筑結(jié)構(gòu)、材料、紋理、環(huán)境等特征，還可以模擬各類不同的天氣及光影變化。

1.2實(shí)現(xiàn)流暢的實(shí)時(shí)交互  

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心問(wèn)題就是要實(shí)現(xiàn)人機(jī)的實(shí)時(shí)交互，沒(méi)有交互的展示就不能稱之為虛擬現(xiàn)實(shí)，所以用戶通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件制作出的虛擬古建不僅能夠使用鍵盤(pán)機(jī)鼠標(biāo)來(lái)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互，有時(shí)也可以通過(guò)某些特制的硬件設(shè)備，如3D顯示屏、眼鏡、頭盔等實(shí)現(xiàn)更好的交互效果。在交互的過(guò)程中，為了保證交互的流暢性，必須進(jìn)行模型貼圖的優(yōu)化處理，以獲得更好的交互速度，為用戶提供更好的交互體驗(yàn)。用戶在進(jìn)行人機(jī)交互的過(guò)程中，可以選擇第一人稱視角、第三人稱視角、漫游等形式進(jìn)行對(duì)虛擬古建的觀察與研究，通過(guò)交互方式的切換，可以全面的觀測(cè)到建筑的整體、建筑的局部構(gòu)件及環(huán)境，所以在制作時(shí)要保證實(shí)現(xiàn)交互的流暢性。

1.3實(shí)現(xiàn)有效的瀏覽和研究?jī)r(jià)值

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建出來(lái)的虛擬古建，目的就是為了提供給用戶進(jìn)行瀏覽研究及應(yīng)用。用戶可以根據(jù)各自的需求對(duì)虛擬古建進(jìn)行分析，從而獲得有用的信息。在完成后的虛擬古建中，用戶可以隨時(shí)隨地對(duì)古建進(jìn)行觀測(cè)，除了滿足瀏覽功能外，能夠輔助古建行業(yè)的研究者制定和完善古建修繕?lè)桨?，研究人員可以根據(jù)各自的專業(yè)領(lǐng)域、各自的研究方向等方面共同對(duì)古建的修繕提出針對(duì)性建議。能夠有效規(guī)避掉在古建修繕工程中的風(fēng)險(xiǎn)。研究者可以在虛擬現(xiàn)實(shí)中觀測(cè)到不同的修繕結(jié)果，提高了修繕?lè)桨傅臏?zhǔn)確性。

1.4能夠提供完整的數(shù)據(jù)資料

通過(guò)虛擬真實(shí)性復(fù)原的方式，構(gòu)建在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)上特定的虛擬古建自身將包含完整的古建可視化數(shù)據(jù)資料。 包括古建的平面布局、古建的架構(gòu)體系、構(gòu)件的規(guī)制、構(gòu)件的材料和工藝、古建的裝飾內(nèi)容和工藝、古建的環(huán)境等資料。當(dāng)然還能提供相關(guān)的文字及影像資料。這些虛擬古建上的數(shù)據(jù)資料不會(huì)因?yàn)橥獠凯h(huán)境的變化而消失，是行之有效的資料長(zhǎng)期保存方式。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)復(fù)原古建的基本流程

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)古建的復(fù)原，是一個(gè)工序復(fù)雜嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性較強(qiáng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，包含眾多的制作環(huán)節(jié)，當(dāng)然在制作的過(guò)程中也會(huì)因?yàn)殚_(kāi)發(fā)工具的不同導(dǎo)致開(kāi)發(fā)流程有所不同，本文中虛擬現(xiàn)實(shí)古建的開(kāi)發(fā)流程是基于無(wú)錫惠山古鎮(zhèn)李公祠真實(shí)性復(fù)原的實(shí)現(xiàn)這一項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)而成的。

2.1 虛擬古建整體框架設(shè)計(jì) 

為了能夠反映出傳統(tǒng)古建最真實(shí)的狀態(tài)，整體的框架設(shè)計(jì)是最后所呈現(xiàn)效果的保障，它是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)流程的基礎(chǔ)。只有一個(gè)合理的框架設(shè)計(jì)才能保證人與虛擬古建交互過(guò)程中，所觸發(fā)的一系列事件能夠順利進(jìn)行。在考慮整體框架設(shè)計(jì)時(shí)主要有以下問(wèn)題需要注意：

1、虛擬古建將以何種方式進(jìn)行項(xiàng)目展示，以及最終的制作成果有哪些。

2、用戶在瀏覽和使用該虛擬古建時(shí)，實(shí)現(xiàn)何種交互方式和交互體驗(yàn)。

3、最終該應(yīng)用的使用價(jià)值如何體現(xiàn)。

2.2 創(chuàng)建虛擬古建的相關(guān)流程

（一）數(shù)據(jù)資料的采集與整理

資料的的采集環(huán)節(jié)對(duì)于古建的真實(shí)性復(fù)原具有決定意義，無(wú)論是原始資料的收集、外觀造型的尺寸采集還是影像資料的采集都要以真實(shí)性作為采集的基本原則，保證后期建模過(guò)程的資料的真實(shí)可靠性，防止應(yīng)資料的采集問(wèn)題，使整個(gè)展示平臺(tái)失去其使用價(jià)值。數(shù)據(jù)資料的采集主要包含：

1、傳統(tǒng)古建的資料收集，包含歷史文獻(xiàn)資料，重建修繕資料，以及網(wǎng)絡(luò)上資料的收集與整理。力求找到最原始的一手資料。

2、收集與整理古建的相關(guān)測(cè)繪數(shù)據(jù)與圖紙，為保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，部分能夠?qū)嵉販y(cè)量的數(shù)據(jù)盡可能去進(jìn)行實(shí)地的數(shù)據(jù)采集。

3、為了保證虛擬古建外觀造型上的真實(shí)性，應(yīng)盡可能去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行古建結(jié)構(gòu)、紋理貼圖的影像數(shù)據(jù)采集。涉及到紋理貼圖部分應(yīng)當(dāng)用計(jì)算機(jī)二維軟件進(jìn)行后期處理。

（二）虛擬古建模型的創(chuàng)建

三維數(shù)字化古建模型是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的主要展示內(nèi)容，所有的工作都是圍繞著它加以展開(kāi)，模型的制作是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)最終要的制作環(huán)節(jié)。通常使用三維制作軟件3DsMax進(jìn)行所有模型的創(chuàng)建，由于使用該軟件所創(chuàng)建的模型都是實(shí)體模型，而且為了保證古建還原的真實(shí)性，將盡可能真實(shí)的創(chuàng)建古建所有的建筑構(gòu)件部分，所以這也將是耗時(shí)最多的環(huán)節(jié)。

（三）虛擬古建模型的貼圖賦予

為了保證虛擬古建復(fù)原的真實(shí)性，除建模環(huán)節(jié)需要對(duì)原始的建筑構(gòu)件進(jìn)行模型創(chuàng)建外，包裹在模型表面的紋理貼圖的真實(shí)感也直接影響虛擬古建的真實(shí)性。所以要把相機(jī)采集的原始真實(shí)的建筑構(gòu)件照片進(jìn)行后期處理，如將帶有透視的影像處理成平面的貼圖素材，處理采集到的素材的偏色問(wèn)題等。在行業(yè)內(nèi)有著“三分模型，七分材質(zhì)”的說(shuō)法，可見(jiàn)貼圖部分也是要格外注重的制作環(huán)節(jié)，它將直接影響古建復(fù)原的真實(shí)性以及用戶在與平臺(tái)交互時(shí)的感受。

（四）虛擬古建模型與貼圖的優(yōu)化與整合

對(duì)于三維數(shù)字化古建模型優(yōu)化的目的就是為了進(jìn)一步提高其在導(dǎo)入虛擬平臺(tái)后的運(yùn)行速度，保證用戶在使用該平臺(tái)的過(guò)程中有流暢和良好的用戶體驗(yàn)。為了保證運(yùn)行速度，必須對(duì)模型進(jìn)優(yōu)化，必要時(shí)降低模型的精度。為此需要做如下工作：

1、檢查建模過(guò)程中部分構(gòu)件的建模方式，模型的布線方式等是否一致。

2、檢查模型是否存在子對(duì)象的交叉、重疊等錯(cuò)誤現(xiàn)象。

3、對(duì)部分構(gòu)件的不可見(jiàn)面進(jìn)行刪除，盡可能的精簡(jiǎn)模型面數(shù)。

4、對(duì)模型的貼圖進(jìn)行優(yōu)化，在保證貼圖能夠充分反映模型表面細(xì)節(jié)的情況下，盡可能的減小貼圖的文件大小。

（五）虛擬古建交互功能的實(shí)現(xiàn)

將賦予好紋理貼圖的古建模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)交互制作軟件，在該軟件中中進(jìn)行交互功能的開(kāi)發(fā)，使原先靜態(tài)的古建模型實(shí)現(xiàn)各種交互功能。并加載設(shè)計(jì)相關(guān)的環(huán)境要素。如果是非計(jì)算編程類開(kāi)發(fā)者，可以選用圖形化的虛擬現(xiàn)實(shí)交互制作團(tuán)建，比如Unity 3D,其能大量減少編程方面的工作。

（六）虛擬古建的發(fā)布

創(chuàng)建完交互后的虛擬古建通常在交互軟件中進(jìn)行發(fā)布，Unity 3D可以在Windows、Mac、Android等多系統(tǒng)中進(jìn)行發(fā)布運(yùn)行，目前用Unity 3D開(kāi)發(fā)的虛擬交互一般都是在wingows上進(jìn)行發(fā)布，采用兩種發(fā)布形式：exe可執(zhí)行文件發(fā)布和網(wǎng)頁(yè)發(fā)布。由于用Unity 3D開(kāi)發(fā)的交互文件通常運(yùn)行數(shù)據(jù)量龐大的場(chǎng)景文件，所以更加適合執(zhí)行exe格式的文件并在獨(dú)立的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)上運(yùn)行。同時(shí)Unity 3D也能夠以網(wǎng)頁(yè)的形式進(jìn)行發(fā)布，但是在后期瀏覽的時(shí)候要安裝unity web player插件。

3 虛擬古建建模的特點(diǎn)及主要技術(shù)要求

3.1 虛擬古建模型建模的特點(diǎn)

由于傳統(tǒng)古建筑的建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致古建建模時(shí)較其他物體建模有其自身的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面^[2]：

1、模型必須具備一定的可復(fù)制性和可修改性，由于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的榫卯式連接方式，在創(chuàng)建一個(gè)建筑構(gòu)件模型時(shí)往往需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，一棟單體古建模型往往需要幾千上萬(wàn)個(gè)構(gòu)件模型組合，因此有些重要的建筑構(gòu)件要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模，在標(biāo)準(zhǔn)化的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)制和修改。

2、模型必須有較強(qiáng)的真實(shí)性，古建及環(huán)境模型在創(chuàng)建時(shí)必須要有一定的歷史資料、現(xiàn)場(chǎng)拍攝和測(cè)繪資料，保證三維模型能夠真實(shí)的反映出古建的歷史原貌。

3、虛擬構(gòu)件的材質(zhì)紋理在賦予模型時(shí)必須考慮合適的貼圖映射方式，并及時(shí)進(jìn)行參數(shù)上的細(xì)節(jié)修改。

4、在交互操作時(shí),場(chǎng)景界面和模型應(yīng)提供相應(yīng)提示,使得交互能按意圖進(jìn)行。

3.2 虛擬古建建模的主要技術(shù)要求

對(duì)古建進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維建模是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最基礎(chǔ)的同樣也是最關(guān)鍵的技術(shù)之一，三維模型的質(zhì)量直接影響到虛擬古建的應(yīng)用價(jià)值和研究?jī)r(jià)值。建立一個(gè)優(yōu)質(zhì)的古建模型能夠確保后面其他環(huán)節(jié)工作的意義。目前，計(jì)算機(jī)三維軟件大多可以應(yīng)用在虛擬模型的創(chuàng)建上，比如Autodesk3DsMAX、Maya、UG等。無(wú)論使用何種建模軟件，在對(duì)虛擬古建建模時(shí)均要滿足以下技術(shù)要求：

1、精確性，對(duì)古建構(gòu)件進(jìn)行三維建模后衡量模型精確性。

2、廣泛性，模型能否全方位的展示古建的整體與細(xì)節(jié)。

3、真實(shí)性，模型是否能夠真實(shí)的反應(yīng)出古建整體與局部的現(xiàn)狀。

4、易操作性，模型的建模過(guò)程是十分復(fù)雜和漫長(zhǎng)的。模型的制作者應(yīng)竟可能的將構(gòu)件全面精細(xì)的表現(xiàn)出來(lái)，并形成一套可復(fù)制的建模流程。

5、顯示速度，應(yīng)用程序在演示交互功能時(shí)往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，要竟可能縮短交互時(shí)的響應(yīng)時(shí)間，否則會(huì)影響到人的使用和研究人情。

6、實(shí)時(shí)顯示，在三維的虛擬環(huán)境中，模型的現(xiàn)實(shí)必須在特定的幀率上，這就要求更快的顯示模式和更少的模型面數(shù)。

3.3 虛擬古建紋理貼圖的主要技術(shù)要求

為了真實(shí)的復(fù)原中國(guó)傳統(tǒng)古建，展示古建自身建筑材料的特點(diǎn)及表面的裝飾工藝，需要對(duì)數(shù)字化模型進(jìn)行紋理貼圖的處理，因此需要大量的貼圖紋理資料，因此對(duì)這些紋理貼圖資料從采集、處理到優(yōu)化都提出了較高的技術(shù)要求：

1、精確性，貼圖采集時(shí)的位圖像素質(zhì)量要滿足近距離觀測(cè)模型的需要。

2、真實(shí)性，在貼圖采集時(shí)，貼圖能否全面的展示出建筑表面的的紋理材質(zhì)特征及與現(xiàn)存狀態(tài)一致的表面殘損情況。

3、可重復(fù)性，處理后的貼圖能夠盡可能的重復(fù)利用，減少貼圖采集難度，在保證模型真實(shí)性的同時(shí)減少貼圖采集和處理的工作量。

4、光影感，在三維軟件中進(jìn)行紋理貼圖賦予前，要對(duì)各貼圖進(jìn)行質(zhì)感及光影的處理。

5、統(tǒng)一的比例，在給模型進(jìn)行紋理貼圖時(shí)，古建模型構(gòu)件上的貼圖比例要協(xié)調(diào)一致。

4. 虛擬古建的構(gòu)建方法

4.1 虛擬古建模型的創(chuàng)建

在基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)建的三維模型，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它直觀的呈現(xiàn)出物體的形式、外觀造型、色彩等重要信息。它為用戶構(gòu)建出了一個(gè)能進(jìn)行實(shí)時(shí)交互的三維虛擬環(huán)境。在虛擬環(huán)境中的對(duì)象不僅要求在造型上與真實(shí)物體一致，而且要求在材質(zhì)、光影等方面都能盡可能真實(shí)的反應(yīng)出物體的真實(shí)狀態(tài)。一般通過(guò)三個(gè)步驟來(lái)完成三維模型的創(chuàng)建：首先進(jìn)行幾何形態(tài)建模，主要建立三維場(chǎng)景的幾何模型；其次是進(jìn)行材質(zhì)建模，通過(guò)對(duì)幾何模型進(jìn)行材質(zhì)賦予和燈光設(shè)置進(jìn)行處理，最后進(jìn)行模型的動(dòng)態(tài)設(shè)置，對(duì)三維模型進(jìn)行關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)設(shè)置。

三維模型是圍繞笛卡爾的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠非常精確的對(duì)模型進(jìn)行控制與定位，所有的建模工作都是圍繞這一坐標(biāo)進(jìn)行的。目前的人工建模方法主要有三種：Polygon建模；NURBS建模；圖像建模。無(wú)論采用何種建模方式，在保證模型質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡可能減少模型的面數(shù)來(lái)優(yōu)化模型，這樣可以提高顯示速度，讓使用更為順暢。

4.2 虛擬古建模型的優(yōu)化

為了真實(shí)的復(fù)原傳統(tǒng)古建，在建模過(guò)程的中，往往都會(huì)按照古建的結(jié)構(gòu)，建筑上分、建筑中分、建筑下分獨(dú)立建模。因此會(huì)涉及到數(shù)量龐大的建筑構(gòu)件模型，由于數(shù)據(jù)量的過(guò)大，會(huì)大大降低計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，降低人們的交互體驗(yàn)，所以對(duì)于模型進(jìn)行優(yōu)化是必不可少的環(huán)節(jié)。采用實(shí)例復(fù)制進(jìn)行優(yōu)化以減少系統(tǒng)的內(nèi)存消耗、采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以對(duì)模型面數(shù)進(jìn)行控制，采用LOD技術(shù)優(yōu)化能提高運(yùn)算速度，增強(qiáng)用戶的交互體驗(yàn)。

（一）利用實(shí)例復(fù)制技術(shù)對(duì)古建模型進(jìn)行優(yōu)化

實(shí)例復(fù)制（Instance）是三維建模過(guò)程中對(duì)模型進(jìn)行復(fù)制的一種方式，選用實(shí)例優(yōu)化的主要目的是在已經(jīng)創(chuàng)建好的構(gòu)建模型基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)制后，能夠節(jié)省大量的系統(tǒng)資源消耗，雖然被復(fù)制出的模型跟原模型有著不同的地理坐標(biāo)，但他們共同分享著一個(gè)模型數(shù)據(jù)。由于在傳統(tǒng)古建中會(huì)出現(xiàn)大量的相同建筑構(gòu)件，而這些構(gòu)件大都采用多邊形建模的方式創(chuàng)建，模型表面的面數(shù)極多，因此使用實(shí)例復(fù)制的方式一方面能夠大量的減少內(nèi)存消耗，加快屏幕的實(shí)時(shí)顯示速度，并且提升虛擬現(xiàn)實(shí)整體環(huán)境的交互速度，另一方面也極大的減少了對(duì)相同構(gòu)件重復(fù)建模的工作量。

（二）利用模型自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化

傳統(tǒng)古建的建筑構(gòu)件數(shù)量龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建模過(guò)中，由于要反映建筑真實(shí)性的要求，每個(gè)構(gòu)件都會(huì)被完整的創(chuàng)建出來(lái)，但在后期建筑構(gòu)件相互連接的過(guò)程中，許多構(gòu)件與構(gòu)件的結(jié)合處會(huì)出現(xiàn)很多隱藏的四邊面，是無(wú)法被看到的。這些數(shù)量龐大的隱藏面會(huì)占用大量的系統(tǒng)資源，因此可以將這些看不見(jiàn)或注意不到的面進(jìn)行刪除，簡(jiǎn)化模型的結(jié)構(gòu)。此外在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行建模前，要估算好控制模型精度所需要的分段數(shù)（Segments），盡可能用較少的分段數(shù)創(chuàng)建高質(zhì)量的模型。

（三）在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中對(duì)模型的LOD優(yōu)化

LOD(Levels of Detail)的簡(jiǎn)稱，意為多細(xì)節(jié)層次。LOD優(yōu)化是根據(jù)模型在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中所處的位置和重要性，決定渲染資源的配置，通過(guò)降低遠(yuǎn)處或非重要物體的面數(shù)，來(lái)提升渲染和現(xiàn)實(shí)的速度。

三維建模后的傳統(tǒng)古建模型，往往都是由大量的三維建筑構(gòu)件所組成，這些構(gòu)件在實(shí)例和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后仍然會(huì)有龐大的邊面數(shù)，系統(tǒng)的運(yùn)行速度仍受此影響，進(jìn)而影響虛擬現(xiàn)實(shí)的交互速度，因此需要采用LOD技術(shù)對(duì)模型的顯示進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。

4.3 虛擬古建模型材質(zhì)紋理的優(yōu)化

虛擬古建模型創(chuàng)建結(jié)束后，需要給各類構(gòu)件模型進(jìn)行不同類型的材質(zhì)賦予。將照相機(jī)采集后的高清圖片，使用計(jì)算機(jī)平面處理軟件Photshop進(jìn)行無(wú)縫處理，然后通過(guò)三維軟件的材質(zhì)編輯器進(jìn)行各種紋理貼圖的參數(shù)化修改。不同的材質(zhì)類型應(yīng)用不同的材質(zhì)球類型進(jìn)行編輯，而后賦予給相應(yīng)的建筑構(gòu)件模型。

在構(gòu)件模型賦予材質(zhì)的過(guò)程中，可以通過(guò)貼圖坐標(biāo)（UVW Mapping）修改器對(duì)模型表面的紋理貼圖進(jìn)行映射方式的修正，優(yōu)化貼圖與模型的坐標(biāo)匹配。另外還可以通過(guò)使用透明貼圖及貼圖烘焙的方法來(lái)優(yōu)化模型的紋理貼圖。

（一）使用（UVW Mapping）修改器糾正模型貼圖坐標(biāo)

每一個(gè)構(gòu)件模型都要單獨(dú)進(jìn)行材質(zhì)賦予，在給對(duì)象賦予材質(zhì)的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)二維貼圖的坐標(biāo)位置UVW與模型的坐標(biāo)位置XYZ不匹配，導(dǎo)致模型表面無(wú)法正確的現(xiàn)實(shí)貼圖的材質(zhì)紋理，因此需要給模型添加UVW Mapping修改器，來(lái)糾正貼圖的映射顯示方式及尺寸。UVW Mapping修改器能通過(guò)對(duì)模型自身UVW坐標(biāo)調(diào)整來(lái)改變貼圖位置及尺寸，修改器包含有平面、柱形、球形、收縮包裹、長(zhǎng)方體、面、XYZ到UVW共七種映射顯示方式。能夠?qū)Σ煌庥^造型的構(gòu)建進(jìn)行正確的貼圖坐標(biāo)調(diào)整，甚至還能調(diào)整群組模型的紋理貼圖效果。

（二）透明貼圖技術(shù)的應(yīng)用

傳統(tǒng)古代建筑格外注重各類構(gòu)件的裝飾性，在這些具有裝飾性的構(gòu)件中有一類采用透雕手法進(jìn)行雕刻，構(gòu)件呈現(xiàn)出立體鏤空狀態(tài)，并且由于在建筑中安裝的位置不同，所雕刻的內(nèi)容也各有差異，比如各類鏤空窗花，隔斷屏風(fēng)等。如果在虛擬模型中將這類構(gòu)件全部進(jìn)行多邊形實(shí)體創(chuàng)建，建模工作量將無(wú)法估算，耗時(shí)耗力，并且最終古建模型的面數(shù)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出交互軟件的承載能力，導(dǎo)致模型導(dǎo)入后進(jìn)行交互設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤。因此一般采用透雕工藝的裝飾構(gòu)件，可以通過(guò)透明貼圖技術(shù)來(lái)替代實(shí)體模型的創(chuàng)建。

（三）貼圖烘焙技術(shù)的應(yīng)用

貼圖的烘焙主要是指將三維軟件創(chuàng)建出的虛擬光源信息、紋理貼圖信息等生成一張平面貼圖，將這張貼圖賦予給模型，使具有這張烘焙貼圖的模型無(wú)需進(jìn)行渲染就包含了光源、明暗、陰影等信息。這是三維模型創(chuàng)建時(shí)的重要環(huán)節(jié)，

目前常用的烘焙方式主要有Complete Map與Lighting Map兩種。Complete Map烘焙方式，烘焙的貼圖保存了良好的光源信息，效果較好，但是由于其要求烘焙的尺寸較大，所以用在一些小的構(gòu)件模型上。Lighting Map烘焙方式，可以保留清晰的紋理信息，與前者相比，光影感較弱，所以適合用在面積較大的模型上，比如臺(tái)基、山墻等。

4.4 虛擬古建交互功能的實(shí)現(xiàn)

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行古建的真實(shí)性復(fù)原，就是希望借助虛擬現(xiàn)實(shí)軟件將普通的靜態(tài)古建影像和動(dòng)態(tài)古建巡游動(dòng)畫(huà)加以升級(jí)，實(shí)現(xiàn)古建與人的交互功能，通過(guò)用戶的操作，全方位的去了解古建的整體到局部、材料到裝飾等方面的實(shí)際問(wèn)題。充分應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性，讓人能夠產(chǎn)生一定的沉浸感。通過(guò)Unity 3D軟件平臺(tái)基本能夠?qū)崿F(xiàn)以下交互功能：

（一）交互式漫游功能的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人與物的自由交互，這是最基本的交互功能，同時(shí)也是最實(shí)用的交互功能。虛擬展示平臺(tái)的用戶可以通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、界面或者是觸摸屏等硬件在自由的控制整個(gè)虛擬古建，并能夠?qū)崿F(xiàn)多視角的自由瀏覽。

1、第一人稱視角漫游交互

采用第一人稱視角漫游方式，用戶將屏幕作為自身的視野范圍。通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的操作，能夠清晰的觀察到虛擬場(chǎng)景中在物體，能夠自由的穿行的虛擬古建場(chǎng)景中并進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互。用戶通過(guò)鍵盤(pán)上的“W、S、A、D”四個(gè)字母案件來(lái)控制攝像機(jī)也就是視點(diǎn)的位置，“W”向前移動(dòng)、“S”向后移動(dòng)、“A”向左移動(dòng)、“D”向右移動(dòng)。并通過(guò)鼠標(biāo)左鍵來(lái)模擬視角各方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2、第三人稱視角漫游交互

有時(shí)使用第一人稱視角進(jìn)行漫游交互，會(huì)受到較大的視覺(jué)局限性，從模型的整體到局部，有些未能觀測(cè)清楚。使用第三人稱視角漫游就能夠狠好的解決這一問(wèn)題。第三人稱視角相對(duì)比較自由，它可以通過(guò)俯視觀察到這個(gè)場(chǎng)景的全貌，也可以通過(guò)控制視點(diǎn)的遠(yuǎn)近來(lái)觀察古建的細(xì)節(jié)部分，如具體的構(gòu)建結(jié)構(gòu)，構(gòu)建的紋理貼圖等。用戶可以操作鼠標(biāo)的左鍵和滾輪來(lái)控制第三人稱視角的交互漫游。當(dāng)然這種交互方式的真實(shí)感和沉浸性也會(huì)受到一定的影響，

3、路徑漫游交互

為了減少用戶的硬件操作，Unity 3D可以預(yù)先進(jìn)行行走路徑的設(shè)定，在制作過(guò)程中對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行路徑綁定，讓攝像機(jī)按照預(yù)先設(shè)定好的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，用戶可以就可以直接觀測(cè)，方便那些對(duì)計(jì)算機(jī)操作不熟悉的用戶。路徑漫游交互較為適合普通的瀏覽者使用，只能對(duì)古建進(jìn)行比較粗略的瀏覽欣賞。

（二）交互界面的實(shí)現(xiàn)

在完成后的虛擬古建展示平臺(tái)中，需要相應(yīng)的操作界面才能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。用戶通過(guò)鼠標(biāo)去控制操作按鈕，完成人與計(jì)算機(jī)的交互行為。因此友好的操作界面能夠讓用戶更為簡(jiǎn)易的對(duì)虛擬展示平臺(tái)進(jìn)行操作，提升用戶的交互體驗(yàn)。交互界面的設(shè)計(jì)成為整個(gè)虛擬交互平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要媒介。

（三）信息交互的實(shí)現(xiàn)

在用戶使用虛擬平臺(tái)的過(guò)程中，無(wú)論使用何種瀏覽方式，在瀏覽的過(guò)程中，可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊場(chǎng)景中的建筑構(gòu)件，屏幕會(huì)彈出所點(diǎn)構(gòu)件的信息窗口。再次點(diǎn)擊窗口下方的返回按鈕即可返回到建筑場(chǎng)景中。這種信息交互功能的實(shí)現(xiàn)需要花費(fèi)大量的時(shí)間把大量的信息輸入電腦。

（四）虛擬季節(jié)氣候的實(shí)現(xiàn)

在虛擬古建展示平臺(tái)中，用戶可以通過(guò)菜單欄設(shè)置春夏秋冬四個(gè)不同的季節(jié)，通人為的切換完成虛擬古建在不同的季節(jié)氣候環(huán)境中的效果。有些效果需要借助軟件中的著色器才能實(shí)現(xiàn)在，比如霧氣效果需要通過(guò)著色器中的通道渲染命令完成。而一些下雪的視覺(jué)效果，就需要通過(guò)軟件中的粒子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5.總結(jié)

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠全方位的展示中國(guó)傳統(tǒng)古建筑的結(jié)構(gòu)之美，肌理之美，能夠有效的記錄和保護(hù)這一民族的瑰寶。本文主要將無(wú)錫惠山古鎮(zhèn)李公祠開(kāi)發(fā)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，提出了古建數(shù)字化復(fù)原的設(shè)計(jì)要求，分析了古建虛擬創(chuàng)建的流程及主要技術(shù)要求。相關(guān)從業(yè)者也能通過(guò)此文理解虛擬古建的復(fù)原過(guò)程。

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