[本文系浙江省文化廳科研項目：南宋建筑群落與生態(tài)的數字化虛擬重建研究項目研究成果]
摘要：2016年稱(chēng)為 VR 技術(shù)元年，未來(lái)世界虛擬現實(shí)技術(shù)會(huì )越來(lái)越深入我們的生活。虛擬現實(shí)技術(shù)作為古建筑的數字保護已經(jīng)有很長(cháng)的時(shí)間，如何利用新技術(shù)保護我們的古建筑，以及在古建筑保護中數字技術(shù)如何從數據采集到數字建模，最終一個(gè)具有實(shí)時(shí)交互功能的系統。本文從技術(shù)實(shí)現的角度闡述了這一過(guò)程和可行性論述。
關(guān)鍵詞：虛擬現實(shí)；數字建模；古建筑數據庫
一、前期數據采集是古建筑群生態(tài)數字系統的基礎
古建筑信息是空間位置信息與屬性信息的有機結合，一個(gè)完善的古建筑數據庫必須以這兩種信息源為基礎，建立空間數據庫和屬性數據庫。前者由遙感影像圖、建筑平面圖以及歷史資料中的相關(guān)圖形等空間數據組成；后者的信息來(lái)源就相對廣泛了，通過(guò)現場(chǎng)采集、與史文獻統計數據采集等，需要對建筑樣式、建筑結構構件、建筑裝飾紋理、建筑周邊自然環(huán)境以及建筑在自然環(huán)境中的雄偉風(fēng)采，建筑文化遺產(chǎn)的虛擬重建必須尊重文化遺產(chǎn)的真實(shí)性，容不得絲毫的任意發(fā)揮。否則就失去了重建文化遺產(chǎn)的意義，因此全面的資料搜集工作是制作的基礎。
從獲取素材的屬性上來(lái)分主要由位圖數據和矢量數據組成，位圖數據主要包括遙感影像圖等。矢量數據則以單個(gè)地學(xué)實(shí)體為獨立單元，利用點(diǎn)、線(xiàn)、面等幾何要素精確表達建筑物的邊界和內部體元；要素間的拓撲關(guān)系由數據結構顯式存儲，可實(shí)現建筑物內部要素間拓撲關(guān)系的快速檢索和查詢(xún)。矢量數據主要包括由激光掃描得到的點(diǎn)云數據、三維模型、相關(guān)單位的CAD圖紙等。
二、數字模型庫是古建筑群生態(tài)數字系統的內容實(shí)現
虛擬現實(shí)系統要求實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)逼真地模擬環(huán)境，考慮到硬件的限制和虛擬現實(shí)系統的實(shí)時(shí)性的要求，虛擬現實(shí)系統的建模與以造型為主的動(dòng)畫(huà)建模方法有著(zhù)顯著(zhù)的不同，建模大都采用模型分割、紋理映射等技術(shù)。3DSMAX建模軟件的使用非常廣泛，具有可操作性強、功能強大、模型精細逼真、質(zhì)感強等特點(diǎn)，目前虛擬場(chǎng)景的構造主要有以下途徑：基于模型的方法和IBR（基于圖像的繪制）方法兩種。這兩種方法都可以在3DS MAX中加以實(shí)現和驗證，下面具體展開(kāi)說(shuō)明。
（一）利用3D MAX的多邊形建模方法建立模型庫
多邊形建模技術(shù)是最早采用的一種建模技術(shù)，它的思想很簡(jiǎn)單，就是用小平面來(lái)模擬曲面，從而制作出各種形狀的三維物體，小平面可以是三角形、矩形或其他多邊形但實(shí)際中多是三角形或矩形。使用多邊形建?？梢酝ㄟ^(guò)直接創(chuàng )建基本的幾何體，再根據要求采用修改器調整物體形狀或通過(guò)使用放樣、曲面片造型、組合物體來(lái)制作虛擬現實(shí)作品。多邊形建模的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便和快速但它難于生成光滑的曲面，故而多邊形建模技術(shù)適合于構造具有規則形狀的物體，如大部分的人造物體，同時(shí)可根據虛擬現實(shí)系統的要求，僅僅通過(guò)調整所建立模型的參數就可以獲得不同分辨率的模型，以適應虛擬場(chǎng)景實(shí)時(shí)顯示的需要。
（二）基于圖像的繪制方法建立模型庫
傳統圖形繪制技術(shù)均是面向景物幾何而設計的，因而繪制過(guò)程涉及到復雜的建模、消隱和光亮度計算。盡管通過(guò)可見(jiàn)性預計算技術(shù)及場(chǎng)景幾何簡(jiǎn)化技術(shù)可大大減少需處理景物的面片數目，但對高度復雜的場(chǎng)景，現有的計算機硬件仍無(wú)法實(shí)時(shí)繪制簡(jiǎn)化后的場(chǎng)景幾何。因而我們面臨的一個(gè)重要問(wèn)題是如何在具有普通計算能力的計算機上實(shí)現真實(shí)感圖形的實(shí)時(shí)繪制。
三、引擎嵌入是古建筑群生態(tài)數字系統的交互核心
虛擬現實(shí)是以觀(guān)者為第一視角，具有強烈的用戶(hù)體驗和交互功能。其核心就是引擎的嵌入。所有的畫(huà)面實(shí)現都是依托引擎的實(shí)時(shí)渲染，模型庫中的素材都需要導入到引擎，再進(jìn)行交互等功能的制作。以下為引擎導入中的核心設置。
（一）貼圖烘焙
貼圖烘焙是將光影效果渲染作為對象的紋理。烘焙操作是整個(gè)VR制作過(guò)程里比較關(guān)鍵的一步，也是決定最終的虛擬現實(shí)表現質(zhì)量的關(guān)鍵在VR軟件中進(jìn)行攝像機瀏覽的時(shí)候，軟件并不進(jìn)行真實(shí)的光線(xiàn)追蹤渲染，僅僅渲染某一個(gè)角度不受任何燈光影響的物體表面紋理效果影響貼圖烘焙質(zhì)量的因素包括烘焙貼圖的尺寸以及烘焙貼圖的方式。目前軟件主要提供CompleteMap和LightingMap方式，一次GI采用irradi-ance map（發(fā)光貼圖），二次GI采用Light cache（燈光緩存）。在irradiance map的采用模式中，采用Multi-frame incremental的模式，該模式的特點(diǎn)是對于動(dòng)畫(huà)的關(guān)鍵幀進(jìn)行采用的添加，以動(dòng)畫(huà)的第一幀為基準，逐漸添加新的采樣，該模式可以保證在視角足夠的情況下得到較好視角的貼圖烘焙效果。
（二）攝像機交互式設計
VR軟件最基本的攝像機交互設計包括：攝像機交互、攝像機碰撞交互。攝像機的交互指的是通過(guò)鼠標或鍵盤(pán)完成攝像機視點(diǎn)位置的變化以及攝像機方向的變化。碰撞交互指的是為防止軟件的模擬角色超越對象。在VR制作的虛擬現實(shí)中，用戶(hù)可以使用預設相機根據系統設置好的動(dòng)畫(huà)路徑，進(jìn)行游覽和采用自由相機模式在場(chǎng)景中進(jìn)行游覽兩種模式實(shí)現攝像機交互。
（三）交互設計
交互事件，指的是設置鼠標或鍵盤(pán)的響應事件。默認情況下，系統已經(jīng)有了鍵盤(pán)W（前進(jìn)）、S（后退）、A（左轉）、D（右轉）的交互功能，除此之外也可以通過(guò)單擊二維界面里的按鈕達到交互功能。VRP的交互設計主要設置針對用戶(hù)界面的點(diǎn)擊設計響應事件。
（四）編譯輸出
VRP可以編譯輸出為EXE格式的可執行文件，該文件不需要安裝任何其他軟件支持就可以在任何的PC電腦上運行。
古建筑群數字化復原系統有效的填補了傳統文化遺產(chǎn)保護中對于動(dòng)態(tài)的文化遺產(chǎn)保護的不足。古建筑群及環(huán)境系統有效的將古建筑及周邊的環(huán)境一起保存下來(lái)通過(guò)交互的方式展現。將文化遺產(chǎn)存儲為數字方式，還可以永久的保護文化遺產(chǎn)，方便以后學(xué)者研究。
【參考文獻】
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