虚拟现实技术在天津历史风貌建筑三维可视化应用研究

　　摘要：本文就如何运用二种基于不同原理的三维虚拟仿真技术，针对天津历史风貌建筑保护与管理中所急需解决的历史风貌建筑三维虚拟交互漫游、已灭失建筑的复原、基于INTERNET环境下的三维展示等课题，进行了深入的研究与开发，得出了满足不同用途需要所应采取的虚拟实现技术路径,并介绍了风貌建筑三维建模与虚拟漫游系统建立与开发方法。
　　关键词：虚拟现实；风貌建筑；三维可视化；仿真；
　　
　　1. 引言
　　天津作为全国历史文化名城，有着中西合璧、古今兼容的独特城市风貌。最具有代表性的就是在中心城区分布着英、法、意、德、西班牙等国各式历史风貌建筑数千座，代表性建筑数百座。这些历史风貌建筑记载了天津不同时期的历史文化和时代变迁，是一部珍贵的历史文化教科书和宝贵的文化遗产，具有很高的历史价值、经济价值和文化价值，构成了建设国际大都市深厚的文化底蕴。当前，对这些历史风貌建筑进行有效的管理与保护，得到了政府和各级部门的高度重视。
　　近几年，虚拟现实(VirtualReality，简称VR)，又称为灵境技术，它汇集了数字图象处理、计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术，以及人体行为学等多项技术，是计算机技术的综合应用。具体地说，就是以计算机技术为核心的现代高科技，生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，虚拟仿真用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用，相互影响，从而产生如同真实环境的感受和体验。尽管该环境并不真实存在，但它作为一个逼真的三维环境．仿佛就在我们周围。由于用户对计算机环境中的虚拟物体产生了类似于对现实物体的存存意识或幻觉，从而使得用户在计算机所创建的维虚拟环境中处于一种全身心投入的状态。近年来，VR技术在文物古迹的再现与仿真上得到了不同程度的应用。然而如何利用VR技术于天津历史风貌建筑的保护与管理中，一直未能开展系统、深入的研究与开发。因此，应用不同原理的仿真技术，来实现历史风貌建筑虚拟再现，为天津历史风貌建筑的展示与管理提供一个现代信息技术手段，有着较大的应用价值和意义。为此，市风貌办和地勘院开展了“虚拟全景技术在天津历史风貌建筑虚拟再现应用研究”课题。
　　本课题研究的主要内容，就是运用基于不同原理的虚拟现实技术，针对现存和已灭失的天津历史风貌建筑三维可视化实现，在进行升入的研究、分析、开发试验的基础上，提出了满足不同功能需求的三维虚拟仿真实现的技术路径与方法，为天津历史风貌建筑数字化保护与管理进行了前瞻性和实用性的研究，本文将就基于不同原理的VR技术就风貌建筑三维可视化的关键技术及实现路径进行了阐述，并进行综合比较。
　　2.基于360度全景技术的风貌建筑三维可视化实现技术路径
　　2.1360度全景技术简介
　　360度全景技术是一种基于静态图像的、在微机平台上能够实现的虚拟现实技术。在计算机视觉方面，通过全景图的深度信息抽取，可以恢复场景的三维信息。通过鼠标控制环视的方向等交互操作，可以实现360度全景观察、自由浏览，产生强烈的沉浸感，体验三维的VR视觉世界。虚拟全景技术种类有柱形全景、球形全景、立方体全景、对象全景等，在天津历史风貌建筑全景展示系统研究应用中，采用了技术难度较大的球形全景技术——球形全景，即视角水平是360度、垂直是180度的全视角场景，在人机交互的环境中，全面、详细地察看、浏览风貌建筑的整体与局部。
　　2.2风貌建筑全景展示系统建立开发技术路径
　　全景摄影：使用鱼眼镜头、数码单反相机和360度全景云台对建筑体及场景进行拍照，形成球面全景图像。
　　全景图拼接：在PTGUI软件中装入四张球形图像，设置相机镜头参数和标记匹配点，进行优化操作，生成全景图片或MOV文件，球体照片转为立方体模型。
　　单体风貌建筑虚拟全景的制作：将全景图导入Pano2QTVR中，设定生成flash影片的大小及质量，导出虚拟全景flash文件。
　　虚拟全景展示厅的开发：在Macromediaflash8软件中进行编程，实现各风貌建筑场景之间的切换和单体建筑体内部不同场景的转换，形成网状的链接关系。最后完成系统交互界面的开发与制作，系统中张学铭故居漫游界面如图1。
　　图1张学铭故居漫游界面
　　2.3“天津历史风貌建筑虚拟全景展示厅”应用方向
　　在天津风貌建筑的管理中，基于360全景技术的“天津历史风貌建筑虚拟全景展示厅”建立与应用，一是改变了传统的用照片、视频保留风貌建筑的方式，为现存历史风貌建筑数字资料的留存，提供了一个以三维数字信息技术存档的管理手段。二是实现了以人机交互的方法，全方位、多角度实现了以三维的形式，快速查看、浏览历史风貌建筑建筑体及周边环境。特别是随着风貌建筑三维数字建模技术的建立完善，将为政府职能部门在风貌建筑的管理中，快速、全面的掌握风貌建筑的信息提供一个现代化工具。三是可以将系统放在因特网或展馆中的触摸屏上，对于宣传、展示风貌建筑，有着得天独厚的技术优势。
　　3基于几何建模的风貌建筑三维可视化实现技术理路径
　　3.1几何建模和交互漫游技术简介
　　在本课题的研究中，采用基于几何建模技术，依据《历史风貌建筑保护图则》，即利用建筑测绘平、立、剖面图或原设计图纸，在3DSMAX建模软件中，对模型进行尺寸、材质、环境变化以及光影的调整等进行技术处理，对天津历史风貌建筑的三维模型进行场景的组织构建，形成风貌建筑模型和场景。采用了VR-Platform作为历史风貌建筑场景构建的平台软件，实现了历史风貌建筑的三维漫游。特别是在逼真的静态光影效果，大规模场景的组织与渲染效率，场景转换平滑等技术，把VR技术所特有的沉浸感、交互感，全面、生动、逼真地展示出了历史风貌建筑的内、外部全景。
　　3.2“天津市历史风貌建筑三维虚拟漫游系统”开发技术方法
　　建筑体及环境建模：将风貌建筑的平面、立面、剖面图的DXF格式数据导入3DMAX软件中；进行墙体、窗户、屋顶以及室内外物体的制作；用材质给模型贴图；渲染与烘焙；模型的导出。单体建筑模型如下：
　　虚拟漫游系统的建立：将模型导入到VRP编辑器中，进行场景优化、交互制作、特效制作以及界面设计。系统主界面及建筑漫游界面如图2、图3、图4。
　　
　　图2天津市历史风貌建筑三维虚拟漫游系统界面
　　
　　图3风貌建筑外围轮廓
　　
　　图4风貌建筑庭院展现
　　3.3“天津市历史风貌建筑三维虚拟漫游系统”应用方向
　　在风貌建筑管理中，主要以二种方式利用该系统：
　　一是可以在PC机上，以人机交互的形式，如同身临其境版的漫游建筑体的室内外的风貌。特别是对于已灭失的历史风貌建筑，利用该技术方法，将其以真三维的形式复原，并进行建筑体内外查看。
　　二是可以利用该系统软件，按设定的路径，设定的时间长短，导出成视频格式的文件，进行播放。
　　4.两种虚拟现实技术比较及在风貌建筑应用方向
　　通过本课题的研究可以看出，上述两种虚拟技术各有特点，各有所长，其中基于图像的360度全景技术的特点主要体现在以下几方面：
　　1）.真实感强，基于对真实图片的制作生成，相比其他建模生成对象更真实可信；
　　2）.比平面图片能表达更多的图像信息，并可以任意控制，交互性能好；
　　3）.经过对图像的透视处理模拟真实三维实景，沉浸感强烈，给观赏者带来身临其境的感觉；
　　4）.比3D建模生成方便，制作周期短，制作成本低，文件小，传输方便，适合网络使用，发布格式多样，适合各种形式的应用。
　　但是它没有模型支持，场景交互功能较弱。这种技术一是适合大规模历史风貌建筑的虚拟全景展示厅的制作，用于博物馆展示，给人以身临其境的真实感。二是可以三维全景的形式把风貌建筑建成数字全景库并人机交互的展现、查看建筑体的每一细节部分，从而可以改变传统的以照片、视频保存建筑体图像资料的方式。
　　基于图形的几何建模技术是一项经典且成熟的技术，其主要特点是可以基于图形灵活方便地构建起各种具有较高真实度的模型和场景，交互功能强大，可实现任意三维交互式漫游与动画操作，适合于建筑及其场景的虚拟再现。但由于材质及纹理的限制，真实度与现实相比尚有一定差距。这种方法建立的模型精确美观，沉浸感和交互感强，既可以对已经存在的历史风貌建筑进行建模，又可以对已经消失的历史建筑进行复原，如本项目中的张仲平先生旧居，还可以对未来的规划进行仿真漫游。