摘要：本文就如何運(yùn)用二種基于不同原理的三維虛擬仿真技術(shù)，針對天津歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)與管理中所急需解決的歷史風(fēng)貌建筑三維虛擬交互漫游、已滅失建筑的復(fù)原、基于INTERNET環(huán)境下的三維展示等課題，進(jìn)行了深入的研究與開發(fā)，得出了滿足不同用途需要所應(yīng)采取的虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)路徑,并介紹了風(fēng)貌建筑三維建模與虛擬漫游系統(tǒng)建立與開發(fā)方法。
　　關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；風(fēng)貌建筑；三維可視化；仿真；
　　
　　1. 引言
　　天津作為全國歷史文化名城，有著中西合璧、古今兼容的獨(dú)特城市風(fēng)貌。最具有代表性的就是在中心城區(qū)分布著英、法、意、德、西班牙等國各式歷史風(fēng)貌建筑數(shù)千座，代表性建筑數(shù)百座。這些歷史風(fēng)貌建筑記載了天津不同時(shí)期的歷史文化和時(shí)代變遷，是一部珍貴的歷史文化教科書和寶貴的文化遺產(chǎn)，具有很高的歷史價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和文化價(jià)值，構(gòu)成了建設(shè)國際大都市深厚的文化底蘊(yùn)。當(dāng)前，對這些歷史風(fēng)貌建筑進(jìn)行有效的管理與保護(hù)，得到了政府和各級部門的高度重視。
　　近幾年，虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡稱VR)，又稱為靈境技術(shù)，它匯集了數(shù)字圖象處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)，以及人體行為學(xué)等多項(xiàng)技術(shù)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用。具體地說，就是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技，生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，虛擬仿真用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用，相互影響，從而產(chǎn)生如同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。盡管該環(huán)境并不真實(shí)存在，但它作為一個(gè)逼真的三維環(huán)境．仿佛就在我們周圍。由于用戶對計(jì)算機(jī)環(huán)境中的虛擬物體產(chǎn)生了類似于對現(xiàn)實(shí)物體的存存意識或幻覺，從而使得用戶在計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的維虛擬環(huán)境中處于一種全身心投入的狀態(tài)。近年來，VR技術(shù)在文物古跡的再現(xiàn)與仿真上得到了不同程度的應(yīng)用。然而如何利用VR技術(shù)于天津歷史風(fēng)貌建筑的保護(hù)與管理中，一直未能開展系統(tǒng)、深入的研究與開發(fā)。因此，應(yīng)用不同原理的仿真技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)歷史風(fēng)貌建筑虛擬再現(xiàn)，為天津歷史風(fēng)貌建筑的展示與管理提供一個(gè)現(xiàn)代信息技術(shù)手段，有著較大的應(yīng)用價(jià)值和意義。為此，市風(fēng)貌辦和地勘院開展了“虛擬全景技術(shù)在天津歷史風(fēng)貌建筑虛擬再現(xiàn)應(yīng)用研究”課題。
　　本課題研究的主要內(nèi)容，就是運(yùn)用基于不同原理的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，針對現(xiàn)存和已滅失的天津歷史風(fēng)貌建筑三維可視化實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行升入的研究、分析、開發(fā)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了滿足不同功能需求的三維虛擬仿真實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路徑與方法，為天津歷史風(fēng)貌建筑數(shù)字化保護(hù)與管理進(jìn)行了前瞻性和實(shí)用性的研究，本文將就基于不同原理的VR技術(shù)就風(fēng)貌建筑三維可視化的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)路徑進(jìn)行了闡述，并進(jìn)行綜合比較。
　　2.基于360度全景技術(shù)的風(fēng)貌建筑三維可視化實(shí)現(xiàn)技術(shù)路徑
　　2.1360度全景技術(shù)簡介
　　360度全景技術(shù)是一種基于靜態(tài)圖像的、在微機(jī)平臺上能夠?qū)崿F(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。在計(jì)算機(jī)視覺方面，通過全景圖的深度信息抽取，可以恢復(fù)場景的三維信息。通過鼠標(biāo)控制環(huán)視的方向等交互操作，可以實(shí)現(xiàn)360度全景觀察、自由瀏覽，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉浸感，體驗(yàn)三維的VR視覺世界。虛擬全景技術(shù)種類有柱形全景、球形全景、立方體全景、對象全景等，在天津歷史風(fēng)貌建筑全景展示系統(tǒng)研究應(yīng)用中，采用了技術(shù)難度較大的球形全景技術(shù)——球形全景，即視角水平是360度、垂直是180度的全視角場景，在人機(jī)交互的環(huán)境中，全面、詳細(xì)地察看、瀏覽風(fēng)貌建筑的整體與局部。
　　2.2風(fēng)貌建筑全景展示系統(tǒng)建立開發(fā)技術(shù)路徑
　　全景攝影：使用魚眼鏡頭、數(shù)碼單反相機(jī)和360度全景云臺對建筑體及場景進(jìn)行拍照，形成球面全景圖像。
　　全景圖拼接：在PTGUI軟件中裝入四張球形圖像，設(shè)置相機(jī)鏡頭參數(shù)和標(biāo)記匹配點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)化操作，生成全景圖片或MOV文件，球體照片轉(zhuǎn)為立方體模型。
　　單體風(fēng)貌建筑虛擬全景的制作：將全景圖導(dǎo)入Pano2QTVR中，設(shè)定生成flash影片的大小及質(zhì)量，導(dǎo)出虛擬全景flash文件。
　　虛擬全景展示廳的開發(fā)：在Macromediaflash8軟件中進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)各風(fēng)貌建筑場景之間的切換和單體建筑體內(nèi)部不同場景的轉(zhuǎn)換，形成網(wǎng)狀的鏈接關(guān)系。最后完成系統(tǒng)交互界面的開發(fā)與制作，系統(tǒng)中張學(xué)銘故居漫游界面如圖1。
　　圖1張學(xué)銘故居漫游界面
　　2.3“天津歷史風(fēng)貌建筑虛擬全景展示廳”應(yīng)用方向
　　在天津風(fēng)貌建筑的管理中，基于360全景技術(shù)的“天津歷史風(fēng)貌建筑虛擬全景展示廳”建立與應(yīng)用，一是改變了傳統(tǒng)的用照片、視頻保留風(fēng)貌建筑的方式，為現(xiàn)存歷史風(fēng)貌建筑數(shù)字資料的留存，提供了一個(gè)以三維數(shù)字信息技術(shù)存檔的管理手段。二是實(shí)現(xiàn)了以人機(jī)交互的方法，全方位、多角度實(shí)現(xiàn)了以三維的形式，快速查看、瀏覽歷史風(fēng)貌建筑建筑體及周邊環(huán)境。特別是隨著風(fēng)貌建筑三維數(shù)字建模技術(shù)的建立完善，將為政府職能部門在風(fēng)貌建筑的管理中，快速、全面的掌握風(fēng)貌建筑的信息提供一個(gè)現(xiàn)代化工具。三是可以將系統(tǒng)放在因特網(wǎng)或展館中的觸摸屏上，對于宣傳、展示風(fēng)貌建筑，有著得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢。
　　3基于幾何建模的風(fēng)貌建筑三維可視化實(shí)現(xiàn)技術(shù)理路徑
　　3.1幾何建模和交互漫游技術(shù)簡介
　　在本課題的研究中，采用基于幾何建模技術(shù)，依據(jù)《歷史風(fēng)貌建筑保護(hù)圖則》，即利用建筑測繪平、立、剖面圖或原設(shè)計(jì)圖紙，在3DSMAX建模軟件中，對模型進(jìn)行尺寸、材質(zhì)、環(huán)境變化以及光影的調(diào)整等進(jìn)行技術(shù)處理，對天津歷史風(fēng)貌建筑的三維模型進(jìn)行場景的組織構(gòu)建，形成風(fēng)貌建筑模型和場景。采用了VR-Platform作為歷史風(fēng)貌建筑場景構(gòu)建的平臺軟件，實(shí)現(xiàn)了歷史風(fēng)貌建筑的三維漫游。特別是在逼真的靜態(tài)光影效果，大規(guī)模場景的組織與渲染效率，場景轉(zhuǎn)換平滑等技術(shù)，把VR技術(shù)所特有的沉浸感、交互感，全面、生動(dòng)、逼真地展示出了歷史風(fēng)貌建筑的內(nèi)、外部全景。
　　3.2“天津市歷史風(fēng)貌建筑三維虛擬漫游系統(tǒng)”開發(fā)技術(shù)方法
　　建筑體及環(huán)境建模：將風(fēng)貌建筑的平面、立面、剖面圖的DXF格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入3DMAX軟件中；進(jìn)行墻體、窗戶、屋頂以及室內(nèi)外物體的制作；用材質(zhì)給模型貼圖；渲染與烘焙；模型的導(dǎo)出。單體建筑模型如下：
　　虛擬漫游系統(tǒng)的建立：將模型導(dǎo)入到VRP編輯器中，進(jìn)行場景優(yōu)化、交互制作、特效制作以及界面設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主界面及建筑漫游界面如圖2、圖3、圖4。
　　
　　圖2天津市歷史風(fēng)貌建筑三維虛擬漫游系統(tǒng)界面
　　
　　圖3風(fēng)貌建筑外圍輪廓
　　
　　圖4風(fēng)貌建筑庭院展現(xiàn)
　　3.3“天津市歷史風(fēng)貌建筑三維虛擬漫游系統(tǒng)”應(yīng)用方向
　　在風(fēng)貌建筑管理中，主要以二種方式利用該系統(tǒng)：
　　一是可以在PC機(jī)上，以人機(jī)交互的形式，如同身臨其境版的漫游建筑體的室內(nèi)外的風(fēng)貌。特別是對于已滅失的歷史風(fēng)貌建筑，利用該技術(shù)方法，將其以真三維的形式復(fù)原，并進(jìn)行建筑體內(nèi)外查看。
　　二是可以利用該系統(tǒng)軟件，按設(shè)定的路徑，設(shè)定的時(shí)間長短，導(dǎo)出成視頻格式的文件，進(jìn)行播放。
　　4.兩種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)比較及在風(fēng)貌建筑應(yīng)用方向
　　通過本課題的研究可以看出，上述兩種虛擬技術(shù)各有特點(diǎn)，各有所長，其中基于圖像的360度全景技術(shù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：
　　1）.真實(shí)感強(qiáng)，基于對真實(shí)圖片的制作生成，相比其他建模生成對象更真實(shí)可信；
　　2）.比平面圖片能表達(dá)更多的圖像信息，并可以任意控制，交互性能好；
　　3）.經(jīng)過對圖像的透視處理模擬真實(shí)三維實(shí)景，沉浸感強(qiáng)烈，給觀賞者帶來身臨其境的感覺；
　　4）.比3D建模生成方便，制作周期短，制作成本低，文件小，傳輸方便，適合網(wǎng)絡(luò)使用，發(fā)布格式多樣，適合各種形式的應(yīng)用。
　　但是它沒有模型支持，場景交互功能較弱。這種技術(shù)一是適合大規(guī)模歷史風(fēng)貌建筑的虛擬全景展示廳的制作，用于博物館展示，給人以身臨其境的真實(shí)感。二是可以三維全景的形式把風(fēng)貌建筑建成數(shù)字全景庫并人機(jī)交互的展現(xiàn)、查看建筑體的每一細(xì)節(jié)部分，從而可以改變傳統(tǒng)的以照片、視頻保存建筑體圖像資料的方式。
　　基于圖形的幾何建模技術(shù)是一項(xiàng)經(jīng)典且成熟的技術(shù)，其主要特點(diǎn)是可以基于圖形靈活方便地構(gòu)建起各種具有較高真實(shí)度的模型和場景，交互功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)任意三維交互式漫游與動(dòng)畫操作，適合于建筑及其場景的虛擬再現(xiàn)。但由于材質(zhì)及紋理的限制，真實(shí)度與現(xiàn)實(shí)相比尚有一定差距。這種方法建立的模型精確美觀，沉浸感和交互感強(qiáng)，既可以對已經(jīng)存在的歷史風(fēng)貌建筑進(jìn)行建模，又可以對已經(jīng)消失的歷史建筑進(jìn)行復(fù)原，如本項(xiàng)目中的張仲平先生舊居，還可以對未來的規(guī)劃進(jìn)行仿真漫游。