1、高宇,等:虚拟现实技术在徽州古建筑数字复原中的运用 以黄山市徽州金紫祠的主祠堂为例工程设计GONGCHENGSHEJ I 工程与建设 年第 卷第期 收稿日期:;修改日期:作者简介:高宇(),男,安徽合肥人,硕士,助教虚拟现实技术在徽州古建筑数字复原中的运用 以黄山市徽州金紫祠的主祠堂为例高宇,刘梦妍(合肥城市学院,安徽 合肥 ;安徽省工程与建设杂志社,安徽 合肥 )摘要:以U n r e a lE n g i n e为制作平台,以黄山市徽州金紫祠的主祠堂复原为案例,实现在古徽州建筑室内空间的虚拟现实相互交汇,展示虚拟现实技术在徽州古建筑室内设计领域的应用可能性.提出一套系统、高效的设计方法:利
2、用S k e t c h u p建模创建室内空间场景,设置模型的材质纹理,依据U n r e a lE n g i n e软件的特点对场景进行必要的综合优化,完善材质及灯光的属性,并配合头显实现动画功能.从徽州建筑的造型与虚拟现实漫游的特性间的关系出发展开剖析,展现了当前古建筑建模过程中的不足,着重从 D几何建模的细化和优化等方面提出了一套能够满足真实性、实用性、稳定性及便捷性的建模新理念,从而有效地提高虚拟现实仿真与交互的实际效果.上述系统不仅能够真实呈现古建筑室内空间的各个细节,符合交互运动感知的实际需求,而且也能够有效促进虚拟现实体验的真实性.关键词:虚拟现实技术;徽州古建筑;古建筑复原
3、中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()引言虚拟现实及可视化技术是在建筑设计、环境设计、市政园林景观设计、工业设计等应用场景中使用较为广泛的技术.徽州传统古建筑结构构件及装饰元素是徽学中徽州文化的瑰丽结晶.金紫祠位于安徽省黄山市徽州区潜口镇潜口村南首,是迄今为 止 发 现 的 古 徽 州 地 区 最 大 的 祠 堂.该 建 筑 群 占 地 m,进深 m(棂星门 m,宝塔 m),原由三间四柱宝塔、三元桥(下有方塘)、棂星门、戟门组成.仪门(门前有东西向的碑亭)、和合殿、寝殿(和合殿前有东西向的走廊)和王公庙(坐西朝东,供奉越国公王家的祖先王华).除王公庙的宝塔、戟门、碑亭、寝殿及部分建筑外
4、,其余均在复建时进行了重建,和合堂仍为遗址.金紫祠项目将徽州传统古建筑结构构件及装饰元素融于虚拟现实及可视化技术中,以追寻徽州古建筑文化的脉络,实现金紫祠主祠堂建筑的数字复原工程.虚拟现实技术在行业的应用现状虚拟现实技术(V R T)融合了多门类学科.目前国外在虚拟现实技术方面处于领先地位,在文化遗产的保护和修复方向上,数字虚拟应用得非常广泛,社会和政府也非常重视这方面的开发和研究,无论是软件、硬件还是技术人员的专业水平等都远远领先于我国.近年来,我国也加大了对虚拟现实技术方面的关注和投入.但是目前,国内大部分虚拟现实技术都是直接使用国外的软件系统和硬件设备进行生产,在自主研发方面还很欠缺.随
5、着国内虚拟现实技术的快速发展,虚拟现实软、硬件的普及度越来越高,应用范围越来越广.据张燕翔介绍,虚拟现实技术在文化遗产的保护和修复方面发挥着重要作用.虚拟文化遗产是利用虚拟现实技术来实现、保护、保存和恢复文化遗产.如何利用现代科技来保护人类特有的文化遗产,已经成为世界各国非常关注的课题,现在国内外很多相关领域的研究机构和企业都在利用虚拟现实技术来修复一些历史文化建筑.虚拟现实技术可以避免像使用平面图、剖面图、立面图等专业图形来呈现三维的、立体的古建筑及其丰富的装饰元素.在古建筑数字化技术修复工程中,可以通过全息眼镜或现场对古建筑构件进行互动演绎,将古建筑及其周边环境利用数字影像展现在人们眼前,
6、甚至能够实现结构构件的力学构造,还可以漫游建筑模型,提高了古建筑的可视性,也提高了古建筑数字化修复的效果.对于古建筑的修复施工,由于传统材料的施工工艺较为复杂,手工加工工序较多,利用数字复原技术可以将精湛的加工程序以生动的方式呈现出来.使用虚拟现实技术对金紫祠数字复原制作根据当前建筑行业对虚拟现实技术的应用经验和方法,针对传统徽州古建筑的构造特点,对复原方案进行设计和优化.金紫祠数字复原设计思路此项目的开发过程包括前期建筑及构件数据采集、模型制作、模型优化、贴图采集及制作、UV调试、烘焙、U E 导入及场景搭建、交互设计等环节.采集资料环节是复原古建筑的真实性的前提.古建筑历史信息的采集、外部
7、尺寸数据的采集和视频数据的采集,都应工程设计GONGCHENGSHEJ I高宇,等:虚拟现实技术在徽州古建筑数字复原中的运用 以黄山市徽州金紫祠的主祠堂为例 工程与建设 年第 卷第期图数字复原设计流程分解图将真实性作为采集的基本原则,以保证后续建模过程中信息的真实性和可靠性.资料包括从相关研究机构或高校收集与整理古建的相关测绘数据与图纸、传统古建形制的资料收集、历史文献资料、重建修缮资料、地方相关行政记录如县志等.为确保数字化修复的考古材料的真实性,应尽可能在现场进行古建筑的图像数据采集和纹理绘制.数字化修复模型的纹理映射是最基本的真实性保证,直接影响到修复后建筑的真实性和用户与平台互动时的体
8、验.模型表面的纹理映射的细节和像素大小也直接影响到虚拟建筑的真实性.纹理映射在图形软件(如P h o t o s h o p)中进行后期处理.后期处理包括将透视图像 处理 成平 面制 图 材料,并 对 拍摄 的图 像进 行 颜 色校正.古建筑虚拟模型的制作是U n r e a lE n g i n e 平台实现古建筑还原中制作部分的主要内容,所有的复原工作都是围绕这个内容进行的,而古建筑模型的制作是完整的虚拟现实平台制作链条中的最后一个环节.在这个项目中,使用S k e t c h U p和 D SMA X软件来创建模型.由于用这个软件制作的模型是实体模型,为了保证古建筑的真实性,所有的部件和
9、装饰元素都需要尽可能忠实地再现,这也是大部分工作需要做的地方.为了进一步提高终端上最终虚拟现实体验的流畅性,保证更好的用户体验和平台使用过程的效率,还应该注意模型创建过程中的模型优化,以及细弱模型形状的创建.在输出到U n r e a lE n g i n e 环节,我们将处理过的纹理贴图以及还原的数字三维模型导入U n r e a lE n g i n e,加载设计相关的环境要素,做好灯光环节的氛围制作,并基于该软件中进行漫游及互动程序的开发,实现各种交互功能(图).目前采用两种发布形式:e x e可执行文件发布和网页发布.由于目前还未有较好的压缩处理技术,发布的数字还原文件数据量较大,通常
10、会使用e x e格式的文件在高性能计算机硬件平台上运行以达到最优的效果.U n r e a lE n g i n e 平台也能够以网页的形式进行发布.U E 虚拟现实技术的机制材质机制是指该引擎的材质系统是基于物理学的实时渲染系统.主要包括个关键技术:首先,本征色彩,物体的着色信息以浮点值存储,由R(红)、G(绿)、B(蓝)、A(A l p h a)个通图金紫祠的数字还原过程截图道组成.其次,纹理贴图是一种基于像素的图像,它被映射到材料的表面,包括不同的通道,如纹理贴图、光线贴图、法线贴图和自发光贴图.这些通道通常使用相同的纹理布局,但不同颜色的纹理贴图达到不同的目的;最后一项是物体属性设置.
11、各种材质的最终渲染由几个部分组成,每个部分都是材料的输入界面,包括基色、灰度和粗糙度.然而,这并不意味着所有的输入都可以同时使用;它们的可用状态是由不同的混合模式或阴影模型的质量决定的.U n r e a lE n g i n g e使用物理系统(P h y s X)来驱动物理模拟计算并执行所有的碰撞计算.因此,物理系统的虚拟现实体验并不仅仅是基于渲染图形的质量,还要求体验者具备相关的动力学特性.这个系统可以准确地进行碰撞检测和物体间的各种模拟互动,能够有效地提高每个场景的沉浸值,使用户能够认为自己正在与场景进行互动,而场景也会做出某种反应.U n r e a lE n g i n e的照明采
12、用全局照明算法.区域阴影、交互式眩光、漫反射眩光和先进的光线追踪技术被结合起来,以创建场景的照明图.有四种类型的光源用于表示空间场景.首先,定向光源,这些是没有衰减的平行光源,用于模拟远处或无限的户外光源.第二,点光源,它从一个基点向各个方向均匀地发射光线,其光线被一系列的涡流分散,因此,光源不会影响其分散半径以外的周围环境.第三,矩形光源,是一个球形光源阵列,它的能量集中在一个定义明确的矩形平面内,只沿x、y轴的正负方向散射.第四,一个均匀照明的场景,称为天窗,产生特定颜色的漫反射光源.蓝图是U n r e a lE n g i n e 的可视化脚本.它们将节点、事件、功能和变量按照一定的逻
13、辑或流程通过系统中的接线桥连接起来,并实现虚拟现实的各种互动功能.蓝图可以在引擎的每个单独的关卡上单独配置,可以通过引用来操作关卡内的演员,动态加载关卡,控制点和管理其他关卡系统,以及与关卡内的其他蓝图互动,读取和定义变量和自定义,可以包含在其中也可以用来触发事件.数字复原中虚拟现实技术运用关键环节特点 测绘建筑不是独立于环境的存在,建筑是有自己的内涵、灵魂和生命的,古建筑的文化底蕴需要周边环境的支持,要做好虚拟古建筑系统,需要考虑古建筑的周边环境,要对古建筑周边的地形地貌和绿化等做具体的测量工作.在寻找虚拟古建筑的艺术美时,测量周围古建筑的光线和亮度也很重要.物理数据的测量是通过走访古建筑遗
14、产地,测量古建筑的数据来完成高宇,等:虚拟现实技术在徽州古建筑数字复原中的运用 以黄山市徽州金紫祠的主祠堂为例工程设计GONGCHENGSHEJ I 工程与建设 年第 卷第期 的.这一过程的目的是为古建筑文化遗产建立准确的模型,以更准确地恢复其原貌.测量的重点是建筑的平面数据、立面数据,甚至是剖面数据,并通过视频对建筑及其周边环境进行记录.我们还将勾勒出古建筑的一些局部情况,以便更好地了解建筑的结构.材质及图形素材搜集这一步需要进行认真、细致、系统的拍摄,并注意拍摄角度、光线、避开阻碍作为纹理的表面的障碍物等.确保纹理照片的质量可以减少模型完成后制作纹理的难度和工作量.纹理图照片包括墙壁、地板
15、、室内、室外、屋顶的照片,甚至还有砖头、石头、瓦片、木材和雕塑的精细纹理.另一方面,这部分照片作为旧建筑模型的纹理材料,必须仔细拍摄,为照片选择最详细的纹理材料,避免曝光过度,避免其他物体的阴影,因为部分纹理必须在模型表面重复.因此,重要的是,照片要尽可能的清晰和对称,并注意图像的光线和角度.材质属性的细化首先应该细化材料的属性,包括材料的反射和折射属性,这是由设置金属值、不透明度、高光、粗糙度和折射率等参数共同完成的.除了玻璃材料同时具有反射和折射特性,大多数模型只具有反射特性.在分析了场景的不同材料特性后,总结出以下三种材料处理方法:针对陶瓷等材料的强反射,针对木材等材料的漫反射,以及针对
16、玻璃材料的反射特性.灯光的布置由于场景中的许多模型都有树木和深色的岩石,所以照明的位置应该是提供足够的亮度和正确的阴影反射.通过结合自然光和人造光,可以在以下三个步骤中模拟不同的光线特性,给场景带来有效的照明效果.首先,用浅橙色创建一个定向光源,模拟从室外到室内的阳光,用浅蓝色创建一个天窗,模拟室外的环境光.其次,作为一个额外的光源,在每个窗户上创建一个从外到内的矩形灯,颜色与天窗相似,以确保房间内的间接照明是足够的.最后,在房间中央创建一个暖黄色的点光源,以便使人工照明后的物体的阴影边缘有一个柔和而真实的渲染.物理碰撞的解决场景中的物理碰撞的实现产生了物理碰撞,使用户能够收到力的反馈,这包括
17、碰撞本身和与盒子的碰撞.对于第一个属性类别,对于大型模型,如内墙、地板、门窗和书架,该属性类别应定义为静态网格,并在其属性细节中捕获碰撞的复杂性,将复杂的碰撞作为简单的碰撞,以避免模型受到冲击,从而产生运动.后者由较小的部分补充,如内圈的座位和人工制品.本文提出的方法在表述上仍有一些局限性,未来应积极研究触觉、听觉和嗅觉互动技术,以促进老建筑内的虚拟现实体验,旨在实现多样化、个性化和智能化.测试测试一个虚拟建筑的设计是相对简单的,但为了尽早发现问题,解决这些问题并改进设计,需要对设计进行测试.在后续阶段,主要工作是测试、调整和改进虚拟现实设计工作.其实,这个过程也是一直在进行的,只有在设计和制
18、作过程中,不断地测试、适应甚至修改,才能达到完善作品的目的,只有这样才能使虚拟现实设计作品给用户留下深刻印象,制作的作品才有竞争力,作品才有生存空间.这个阶段的工作看似不重要,但对于测试、适应和完善虚拟现实作品是必要的,它也能为以后的项目增加宝贵经验.机器的硬件配置不同,机器的性能也大不相同,所以必须在其他机器上重复进行虚拟现实工作的测试,并尽可能多地测试不同的机器配置,以检查工作的通用性和稳定性,并对工作进行及时调整.为了使工作变得有用,需要由不同的用户来测试.不同的用户可以通过运用不同的视角来发现工作的不足之处,从而改进工作.工作必须经过不同用户的检验才能发挥作用,如果在测试阶段出现问题,
19、必须进行有针对性的修改.经过几次测试,作品就可以使用了,最后作品将被出版和展出.图根据数字还原的金紫祠制作的实体模型结束语该研究是基于U n r e a lE n g i n e虚拟现实技术的一套古建筑场景数字化修复流程,以安徽黄山古徽州金紫祠主殿建筑的修复为例,建立实际的三维模型.徽州古建筑是璀璨的中国古建筑的一部分,作为中国传统文化的坚实组成部分,利用虚拟现实技术更生动地呈现古建筑的魅力,有利于传播我国瑰丽的文化价值,坚守民族的文化自我,焕发出更加活跃的精神力量.该技术成果不仅具有科研价值,全面展示了古建筑的多维信息,为后续研究提供参考,而且具有商业价值,可具体应用于空间动画展示、影视动态布景、文化创意产品开发等过程.参考文献邹银生,戴斐,高望青虚拟现实技术在土木工程中的应用J山西建筑,():赵菁,张乘风基于虚拟现实技术的南京鼓楼建筑情景复原J工业工程设计,():,龙丹,李望秀基于虚拟现实技术的古建筑复原动画的研究与实现J信息技术与信息化,():,齐会娟,李德雄,刘丽娜计算机虚拟现实技术在古建筑数字化复原中的应用J无线互联科技,():梁军妮虚拟现实技术对古建筑复原的作用研究J科学与信息化,():,郭云仲虚拟现实技术在古建筑复原中的应用研究D武汉:武汉理工大学,
