【摘 要】虚拟现实技术在文物展示、复原和保护中的应用，分为虚拟实境(景)技术与虚拟虚境(景)技术。国内外已有许多经典案例。天坛作为我国现存规模最大、形式最美的一处封建社会坛庙建筑群，它在规划设计、建筑技艺和环境的营造等各方面都非常杰出的古代皇家建筑，可以说是顺应自然的杰作。基于此，本文将运用SketchUp建模，在VR-Platform平台上实现虚拟天坛3D场景的漫游。
【关键词】SketchUp；VRP；天坛；虚拟现实
1 引言
现实世界是三维立体的，并随着时间不断变化，以前由于无需求或有需求但缺乏技术手段，人们长期以来惯性地使用二维地理空间信息，并以此作为认识世界与改造世界的基本资料。然而当前复杂的客观现象、人们改造世界越来越高的需求以及层出不穷的人类杰作使得二维地理空间信息在各行业应用中渐显捉襟见肘之窘态，人们迫切需要三维地理空间支撑，构建三维城市场景，以实现立体表达、精细管理和科学决策的目的。三维场景能够更直观、更现实的了解人们的周围环境，使用户进入“身临其境”的仿真环境。
虚拟现实(Virtual Reality简称VR)，又称灵境、幻真。是集成了计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能、显示技术、网络并行处理等技术领域。使用者进行位置移动或使用各种特殊装置操作、控制环境时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生身临其境的感受（如提供逼真的三维视感、听感、触感和嗅感等感官的感受）并实现一些特殊目的，这些可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。VR技术具有浸没性（Immersion）、交互性（Interactivity）和构想性（Imagination）的基本特征，即3I特性。VR技术现在各行业中被广泛应用，如教育、医学、地理学、文物古迹、城市规划、室内设计、房产开发、道路桥梁、水文地质、虚拟演播室、娱乐、游戏、艺术、工业仿真、产品展示、军事模拟、航天等领域。因此，开展三维虚拟漫游系统及相关课题的研究适应了信息社会发展的趋势，具有重要的理论意义和现实意义。古建筑的虚拟现实系统在多个国家已有先例。如泰国的Phimai神庙项目和我国的数字紫禁城，还有圆明园的虚拟重建、敦煌数字博物馆、龟山汉墓和虚拟颐和园等。古建筑的虚拟现实系统可以减少挖掘技术限制、空气污染和旅游业的发达等原因导致遗址和文物受到的伤害。中国作为一文明古国，文物的数量众多，而文物的保护和修复是国家很重视的一个问题，因此对文物的虚拟现实实现是必然的趋势。基于此，本文构建了天坛的虚拟3D场景漫游模型，旨在实现对天坛的网上游览和对天坛的有效保护。
2 3D场景漫游开发平台及流程
2.1 3D场景漫游开发平台
1）硬件平台要求
处理器Intel酷睿双核T5870，显卡为独立Nvdia9300MGS
2）三维建模软件的选择
三维模型是3D场景漫游的重要组成部分，而三维模型一直存在数据结构复杂、数据处理周期长、数据量大等问题，因此选择合适的建模软件是关键，本文简单对比了几种常用三维建模软件的性能。通过模型精细程度、数据量、通用性、操作方式、建模周期五方面对比，Google SketchUp在模型精细程度和数据量上能达到一个较好平衡，既能在整体和细节上很好地表达现实，模型数据量又相对较小。同时Google SketchUp有着简单易学、效率高等诸多优点，使设计过程的交流完全可行；而且它提供多种接口，既可与其他3维数据互转换，又可与3DMax、Google Earth、ArcGIS等多种平台结合应用。
2.2 3D场景漫游开发流程
基于Skethup建模在VR-Platform平台上实现天坛3D场景漫游开发流程，具体见图1。
3 3 D场景漫游系统实现
本文以天坛中的祈谷坛为例，介绍建模具体过程，并讨论了其中的关键处理技术。
3.1 三维建筑建模
运用从Google Earth直接提取的DEM数据，结合SketchUp的CLOUD插件，创建所需区域地形图，然后从Google Earth获得的影像图上运用其自带的测量工具“标尺”，量取天坛的各种建筑数据，建立建筑物底面的矢量图;再运用而高程数据可由Google Earth直接提取，以此创建出建筑物的简单三维模型；其次，参照采集到的建筑物照片，利用模型库，在简单模型上创建台阶、房檐、房顶和其他特殊表面，完成无材质的初步模型。然后，用处理好的材质，对初步模型贴图，完成建筑物三维模型。建模效果如图2所示。该步涉及贴图方法、材质选择两个关键技术:
1) 贴图的方法
SketchUp中支持的贴图方法有普通、包裹、投影贴图三种。其中，投影贴图适合于曲面贴图。它需要将贴图的曲面投影到平面上，然后将材质附到平面上，再把带有材质的投影面反投影回曲面上，形成无缝贴图。对于多数古建筑来说，其表面由不同小平面构成的曲面，采用投影贴图能得到更好好效果。因此，对于天坛的主要建筑，本文采用了以投影贴图为主其他贴图方法相结合的贴图方式。
2) 贴图材质选择与编辑
材质贴图可分为两种：使用SketchUp自带材质库贴图、使用处理后的真实照片贴图。SketchUp具有丰富的材质库，使用材质库中的材质来贴图具有：简便快捷、模型数据量小等优点。但是，材质库贴图后的效果和真实照片贴图相去甚远。所以，对于以虚拟现实为主要重点的天坛三维模型来说，真实照片贴图能更理想表达三维场景。但是由于受地域限制，无法获得能直接使用的建筑物贴图照片，本文综合运用材质库和网络的各种资源，结合PS对天坛3维模型进行贴图。具体过程是：首先从网络获取建筑物各组成部分照片，然后运用PS进行适当的裁减、拉伸和校正，最后拼接成完整的贴图照片。贴图后的效果见图3。
3.2三维模型的优化
由于三维数据量大，在硬件性能一定的条件下，如果不对模型和场景进行优化，可能会导致整个系统的运行速度极为缓慢，甚至导致崩溃。因此模型和场景的优化处理显得尤其重要。本文从模型和纹理两方面进行了综合优化。
模型结构的优化：用贴图替代细小面构建、用组件简化重复形状构建。研究采用照片贴图方式，替代了对楼梯等特别细小面的构建，这样既简化了面、减少了计算机处理的模型面数量，节省处理时间，提高内存使用率，又确保了模型的可视化效果；对于窗户等多次重复使用的建筑可以创建组件，通过调用组件实现重复使用，既可以提高建模效率，又能减少场景数据量。
材质纹理的优化：在照片获取中，尽量获取建筑物正面、整体照片，并确保拍到角落，避免拍到外来物体，尽量在相同时间段获取各建筑物照片，以保证贴图效果协调；裁减掉照片中非建筑物区域；在最大限度地保留照片细节同时，压缩照片分辨率以减小文件大小，提高模型显示速度。
3.3三维模型的转换和烘焙
将SketchUp的skp格式导出为3ds格式，然后导入3DSMax，进行烘焙处理。由于VRP10共享版有模型个数和面数的限制，模型个数应少于300个，面数不多于8万面，因此在3DSMax中应运用附加命令和塌陷命令，减少模型个数，并将平面物体由三角面转为四角面，以减少面的个数。烘焙完成后，通过VRP for Max导出插件，将场景导入VRP中。
4.结束语
本文构建的虚拟3D天坛场景漫游，实现了具有漫游功能的天坛三维景观的可视化仿真。鉴于硬件配置、地域等因素的限制，并没有达到预计的效果。但是已经实现了多种智能功能，用户通过浏览器参观访问，浏览者在参观时可以自由走动，能选择不同的摄相机任意进行平移、视点变换、角度旋转等。同时实时渲染速度快，能迅速重建和还原地形、地貌并且整个系统开发成本较低。
参考文献
[1]李敏,韩丰.虚拟现实技术综述[J].软件导刊,2010,9（6）:142-144.
[2]梁鹏帅,冯冬敬.三维可视化的研究现状和前景[J].科技情报开发与经济,2009,19（7）:134-135
[3]陈浩磊,邹湘军,陈 燕（1）,陈 燕(2),刘天湖.虚拟现实技术的最新发展与展望[J].中国科技论文在线，2011,6（1）:1-5.
[4] ANDREAS M.Three-dimensional Modeling and ViSketchUpalization of Vegetation for Landscape Simulation [J].Landscape and Urban Planning，2003，54(1)：5- 17.
[5]周勤,叶城康,丁志敏.SketchUp建模技术在三维校园中的应用[J].山西建筑,2010,36(19):361-362.
[6] 袁薇.利用 SketchUp 制作三维地形景观的探讨[J].测绘,2011,34（1）:11-13.
[7]孙悦,鲍涨,庄琴生.基于VRP的中国古建筑虚拟现实系统的优化[J].计算机科学,2009,36（4A）:107-108.
[8]孟平凡,杨艳初,孙甲鹏.基于VRP虚拟矿山系统的研究[J].矿山机械,2008,36（22）:35-38.
论文作者:丁志政,王学进,张炜
论文发表刊物:《低碳地产》2016年8月第16期
论文发表时间:2016/11/14
标签：天坛论文; 模型论文; 贴图论文; 场景论文; 虚拟现实论文; 建模论文; 照片论文; 《低碳地产》2016年8月第16期论文;