古遺址三維虛擬展示技術研究

劉 軍

(1.渭南師范學院 數學與信息科學學院，陜西 渭南714000;2.西北大學可視化技術研究所，西安710027)

0 引言

古遺址場景的真實感建模是文化遺產數字化保護領域一項新的研究內容，涉及到計算機圖形學、虛擬現實、時空數據庫等多個領域的理論、方法和技術，是信息技術支撐文化遺產保護、修繕和展示的重要方式.要在世界范圍內傳播并提升古遺址的文化、藝術和旅游價值，急需具有真實感的數字化三維虛擬展示技術［1］.

在文化遺址的三維虛擬展示研究方面，美國、日本、意大利等國家處于領先的位置，他們都成功開發出了實用系統，比較著名的有美國和以色列合作的“重現耶魯撒冷風貌”、日本的“唐招提寺”、歐盟的“數字古羅馬”等大型項目.近年來，隨著國家不斷投入巨資進行重點文化遺址的保護和復原工作，使得三維激光掃描、虛擬現實、基于內容檢索等高端技術在考古工程中得到了大量的應用，我國的虛擬展示技術研究及應用也取得了長足進展，比較著名的有北京水晶石公司的“清明上河圖動畫再現”、北京大學的“故宮三維虛擬展示”、浙江大學的“敦煌藝術數字保護與虛擬旅游”等系統.這些大型項目的共同特點是部署在遺址所在景區，強調沉浸感、真實感，需要環幕、穹幕、CAVE等特殊的三維展示設備，且都基于多臺高性能的圖形工作站運行.目前，基于網絡開發、部署和發布，部署在部門級服務器上的遺址虛擬展示系統還有待進一步開發.

圖1 虛擬耶路撒冷

本文以唐小雁塔遺址的三維虛擬展示項目為實例，主要探討利用地面激光三維掃描和測量成果真實地再現遺址場景，進而實現基于網絡的遺址三維虛擬展示的工程化方法，以期為其他古遺址的真實感三維虛擬展示提供借鑒.

1 技術路線

我國現存的古遺址通常規模宏大，不僅擁有大量的古代建筑，往往還擁有大量的仿古建筑.前者因其獨特的歷史和文化價值，必須進行真實感的三維數字化處理;后者作為遺址建筑群的附屬物，一般進行視覺層面的三維數字化處理即可.根據項目實踐經驗，我們提出對大型古遺址采用“主體建筑基于三維激光掃描技術精細建模，附屬建筑結合法式測量技術快速建?！钡慕鉀Q方案.

綜合相關文獻和實踐經驗，從工程應用的角度，本文提出一種工程化的技術路線(如圖2所示)，主要步驟包括:(1)規劃重建對象，調研遺址區域概況，明確所要達到的仿真目標;(2)采集建模數據，獲取虛擬展示必需的三維掃描數據和人工測量數據;(3)建立地形模型，使用采集的三維數據創建遺址的地形模型;(4)添加地物模型，向地形模型中添加在3D Max等軟件中創建的遺址地物模型，以豐富虛擬場景的視覺效果;(5)模型優化，為了獲得更好的運行性能，通過LOD等方法壓縮場景模型的三角面片數;(6)模型導入，將遺址場景模型導入三維虛擬漫游平臺VRPlatform中，構造具有漫游功能的虛擬遺址對象;(7)模型嵌入，將遺址模型嵌入基于WebGIS技術和VR技術開發的古遺址三維虛擬展示系統中.

圖2 技術路線圖

1.1 場景數據的獲取

為了能夠快速、精確、全方位地獲取遺址的三維數據，實踐中多采用地面或機載三維激光掃描等非接觸測量方法.其原因在于，現存的古遺址由于風吹、雨淋、雷擊、地震等自然因素和旅游開發等人為因素的影響，幾乎都存在嚴重的變形和破損.采用標桿、標尺等傳統的手工方法，不僅測量工作量大、精確度低，對較高的遺存物進行攀爬測量還會使文物進一步受損，也容易造成工作人員受傷.

圖3 HDS 3000三維地面激光掃描系統

如圖3所示，HDS3000激光掃描儀能夠實現270°～360°視場范圍的掃描，測距范圍達300多米，單點測量精度±6毫米，平均數據采集速度10000點/秒，最大數據采集速度50000點/秒.該系統自帶的Cyc1one 5.5是一套面向工程應用的三維數據處理軟件平臺，由掃描、拼接和建模等三個模塊構成，使用該軟件可完成從掃描儀管理、野外測量、數據拼接等工作流程.

與傳統測量手段相比，利用三維激光測量法獲取遺址數據具有以下優點:(1)可直接獲取遺址場景的三維高精度點云模型，有效避免光學照相測量固有的變形誤差，精確記錄遺址場景的空間布局和結構屬性;(2)可通過機載軟件對場景點云模型進行精度達毫米級的三維空間測量，降低了傳統方法中人工計算或推導的不確定性;(3)可避免攀爬測量對遺跡可能造成的損害，實現對柔性目標、危險區域的特殊測量，保證測繪人員的安全;(4)可通過接口對數碼相機提供校準、定向和照片采集等操作，有利于現場發現問題，避免后期數據處理中的不確定性.因此，實踐中應選擇以三維激光掃描為主、人工法式測量為輔的方案.

1.2 場景數據的融合

要獲取古遺址的全景數據，項目實施中必須規劃多個掃描機位，且這些機位從拓撲結構上必須形成閉合環路.對每個掃描機位獲取的局部點云數據，必須借助多視點云配準算法才能實現場景數據的融合.經典的多視點云配準方法有ICP(Iterative Closest Point)算法和基于特征的配準算法.ICP算法的配準單元是點，要求待配準的相鄰點云子集采樣分布率相同.如果初始配準估計不當，迭代過程中易陷入局部最優解;基于特征的配準算法雖然不需要初始配準估計，但如果從點云中計算出的特征信息不充分，配準就會失敗.

然而，項目實施中我們發現，無論是經典的ICP算法還是基于特征的算法，都無法直接應用于遺址場景的多視點云配準.其原因有二:(1)為了獲取遺址文物的細節信息，在場景掃描過程中，相鄰機位也常常需要設置不同的掃描分辨率，因此無法保證待配準的相鄰點云間具有相同的采樣分布率;(2)古建筑和附屬文物的幾何形狀通常十分復雜，直接從其點云數據計算合適的三維特征十分困難.

為解決這一難題，國內外學者進行了很多研究［2］.文獻［3］提出以馬氏距離代替歐氏距離搜索最近點，利用反向投影加速最近點搜索，同時依靠插值法修正最近點，避開了采樣分辨率不同對配準結果的影響.針對遺址場景這種超大數據集，本文提出一種以漸進方式實現遺址場景點云融合的工程化方法，應用角不變特征選擇可靠對應點完成點云模型的配準，具體步驟如下:

Step1.初值選擇.為避免ICP算法可能會出現的迭代發散現象，通過人機交互在相鄰點云中選擇幾個大體上是公共點的迭代初值點，使迭代初值接近真實值，從而有效縮短計算時間，加快收斂速度.

Step2.手動粗配.以掃描同步獲取的場景照片為參照，將相鄰點云(Si，Si+1)的配準約束條件設置為“Manually Adding Constraints”模式，通過不斷調整約束條件的取值，實現相鄰點云的粗略配準.

Step3.自動初配.基于靶標、定標球等公共標定物，通過將相鄰點云(Si，Si+1)的配準約束條件設置為“Matching Registration Labels”模式，自動實現相鄰點云間的初步配準.這一階段的配準精度一般，常常存在部分重影現象，如圖4(b)所示.

圖4 塔體多視點云的配準過程

Step4.配準優化.將相鄰點云(Si，Si+1)的配準約束條件設置為“Auto-Add Constraints”模式，通過觀察評估配準誤差，采用最優估計使配準對象盡可能緊密地排列在Scan World中.如果結果不理想，則取消配準操作，增加約束條件后重新進行配準，直至取得理想的配準結果，如圖4(c)所示.

在采用上述方法精確匹配時，為了剔除錯誤的匹配點對，通常需要對每次獲得的匹配點對再進行一次篩選，去掉其中與標準方差距離較大的點對.基于上述方法，項目組在實現相鄰機位點云精確配準的基礎上，將改進的ICP算法應用于大數據集點云模型的配準和融合，通過坐標變換漸進地把局部配準的點云導入到Home Scan World坐標系中，實現了小雁塔塔體部分場景的多視點云融合，如圖5所示.

圖5 小雁塔塔體的完整點云

1.3 場景的幾何建模

三維激光掃描儀獲得的點云由海量離散的矢量坐標點構成.由于點云沒有明顯的形體信息和拓撲關系信息，遺址場景的點云模型僅包含測點的空間坐標和激光反射強度信息，本質上是測點的離散數據集合.因此，要實現遺址場景的三維虛擬展示，考慮數據本身蘊含的豐富信息，就必須采用三角剖分等方法重建遺址場景的三維幾何模型［4］.文獻［5］利用激光掃描數據的結構化特點，首先生成各視點局部點云的三角網格，然后將各視點的三角網格拼合，其缺陷是每一步的誤差都會影響建模精度，無法平滑多視點云配準誤差.

實踐表明，Cyclone、3D Max等建模工具對小雁塔塔體這種棱角較多、結構復雜、局部有破損的非規則實體，建模效果并不理想，如圖6(b)所示.項目實踐經驗表明，在三維模型的重建上，應采用局部建網策略，從而降低算法復雜性;在剖分算法的設計上，應以分治法為主，同時結合逐點插入法，從而提高算法計算性能.同時，實際建模過程中，應用最好的網格擬合三維點集，盡可能平滑掉部分測量誤差.應用上述方法，項目組成功地重建了小雁塔的塔體區域，如圖6(c)所示.

圖6 塔體模型重建效果比較

1.4 場景的紋理映射

紋理映射是實現場景真實感三維展示的關鍵，需要使用描述相機光學特性的內參數和描述相機空間位置的外參數計算紋理映射關系.從工程應用的角度看，目前尚無一種大場景三維紋理映射技術能達到攝影級別的真實感效果.究其原因，是由于相機參數估計使用的是一個理想的針孔成像模型，因此計算得到的相機參數不夠準確，造成場景紋理映射的誤差較大.文獻［6］將三維場景中的實體表面分解成三角形面片的圖形學形式，采用向量運算的方法，實現了紋理圖像在映射過程中的合理形變，保證了面片與面片之間的紋理連續性.該方法計算量小、失真度低，能夠在一定程度上增強紋理映射的真實感，但其實用性還有待進一步驗證.文獻［7］提出以激光同步掃描可見光圖像為中介，以不固定相機位置的方式實現紋理映射，并通過兩步法進行誤差估計和反向誤差補償以提高映射精度.考慮現有方法的優勢和不足，本文采用以激光同步掃描可見光圖像為中介，不固定相機位置的方式實現紋理映射，并通過兩步法進行誤差估計和補償以提高映射精度，取得了比較理想的效果，如圖7所示.

圖7 小雁塔三維模型紋理映射效果

1.5 場景模型的構建

現存的古遺址通常結構復雜、空間狹小，一般沒有原始建筑圖紙.因此，借助Auto CAD、3D Max等建模工具，在測繪數據的基礎上繪制遺址古建筑的設計圖，進而還原遺址三維場景，是實現文化遺址數字化保護和虛擬展示的一種實用、高效的方法.

基于這一思路，配合西安市文物局對小雁塔的保護、修繕工作，在小雁塔文化遺址建筑群真實測繪數據的基礎上，我們根據小雁塔文化遺址建筑物的格調和布局特點，通過合理剪裁點云和設置投影平面得到了一系列剖面圖，并成功構建了小雁塔遺址場景的完整三維模型，如圖8(a)所示.進一步，基于中視點三維虛擬漫游平臺(Virtual Reality Platform，VRP)的EAI接口，將小雁塔遺址全景三維表面模型導入，最終生成了一個可用于網絡化發布的虛擬小雁塔三維全景對象，如圖8(b)所示.最后，通過研究古代文獻，正確設置場景的相機、光照和漫游路徑，并進行場景模型的渲染和烘焙，極大地增強了小雁塔遺址場景的真實感，如圖8(c)所示.

圖8 小雁塔遺址全景模型

2 系統的設計與實現

隨著高速互聯網技術的普及，文化旅游愛好者已經可以很便捷地訪問相關的考古網站，從而獲取感興趣的著名文化遺址的相關信息.因此，基于VR技術和GIS技術，設計和開發一個構建在Internet基礎服務之上、能為文化旅游愛好者提供遺址信息智能檢索和虛擬展示功能的古遺址多維數據平臺(Archaeological site Multi-Dimension Virtual Exhibition System，AVESMD)就十分必要.

2.1 系統分析

從古遺址數字化虛擬展示工程應用的角度，AVESMD平臺應具備以下特性:

(1)信息表達方式上，應在文本、圖像、音頻和視頻等二維信息表達形式的基礎之上，引入矢量地圖、三維模型等空間信息表達形式，從而構建一個多維度的信息表達模式.

(2)信息管理方式上，應基于成熟的關系數據庫技術，通過引入空間對象管理技術，實現對遺址發掘現場三維模型等特殊對象信息的存儲、組織和管理.

(3)信息服務方式上，應在文本檢索模式之外，提供基于內容的檢索手段，查詢結果應該以文本、圖像、地圖和模型對象等更生動、更直觀的方式呈現給用戶.

(4)系統體系結構上，應基于B/S的三層架構模式，即發掘現場的信息存儲在按信息類別劃分的多個數據庫服務器中，用戶基于擴展的瀏覽器軟件實現對一組按服務類型劃分的Web服務器的交互式訪問.

(5)信息管理模式上，應基于開放式、分布式的模式，即發掘現場不同類別信息的收集、整理和發布由承擔相應任務的工作小組或人員分別完成，系統通過用戶角色權限控制等方法實現信息的“隱性集中管理”.

(6)開發團隊的組織上，應基于領域專家小組模式，在系統需求分析階段以考古專家為主，在三維掃描建模階段以計算機專家為主，在模型真實感處理階段以數字媒體處理專家為主.

2.2 系統體系結構

AVESMD系統采用N層B/S架構，分為表現層、業務邏輯層、數據層和數據庫共四層，具有成本低、可伸縮、安全性高等特性，其框架結構如圖9所示.在這種體系結構下，用戶工作界面通過WWW瀏覽器來實現，極少部分事務邏輯在前端(Browser)實現，主要事務邏輯在服務器端(Server)實現，這樣就大大簡化了客戶端載荷，減輕了系統維護與升級的成本和工作量，降低了用戶的總體成本(TCO)，在平衡網絡負載、達到最大響應速度的同時，避免了在客戶機上分發應用程序與版本控制的困難.

此外，系統開發技術基于主流的Internet基礎服務(.NET Framework)、地理信息基礎服務(MapX-treme)和數據庫服務平臺(SQL、Oracle)，采用通用的腳本語言(Java、C#)，并借助第三方插件(VRML、VRP)簡化三維模型處理的復雜度，使系統具有與平臺無關的特性，從而使系統易于部署和實現，同時也能大大降低開發的風險.

圖9 AVESMD系統框架結構

2.3 系統主要功能

2.3.1 信息查詢功能

如圖10所示，用戶使用標準的瀏覽器，安裝相應的VRML插件后，通過AVESMD系統的屬性信息查詢窗口，就可自由瀏覽和檢索相關文化遺址所提供的公共服務信息，包括古遺址的地理位置、文化屬性、研究文獻、文物圖片、發掘場景和遺址模型等多維信息的瀏覽、檢索和分析［8］.

圖10 AVESMD系統遺址屬性信息查詢

2.3.2 空間分析功能

用戶通過AVESMD系統提供的點選、圈選、框選、不規則選擇等空間對象選擇工具，以人機交互方式選擇一個或多個遺址空間對象，然后單擊查詢按鈕，就能獲得該遺址的空間GIS信息和文化屬性信息，如圖11所示.同時，AVESMD系統將遺址的位置分布、空間布局等GIS信息與文化層時代、考古要素等屬性信息有機融合，利用地理特征的ID碼機制，為用戶提供基于圖元的遺址信息空間分析功能.用戶只需設置一系列分析參數，系統就能根據遺址之間的距離向量值和文化層屬性的相似度自動進行聚類分析，并以可視化方式繪制出用戶選擇的地理區域內古文化遺址群落的關聯軌跡圖，從而為考古研究者提供附加服務和信息.

圖11 遺址分布空間分析界面

2.3.3 三維虛擬漫游功能

AVESMD系統能為用戶提供文化遺址的多角度環視真實感場景虛擬展示，用戶在安裝了VRML插件的瀏覽器中可以對遺址場景、珍貴遺存物的三維模型進行放大、縮小、移動、多角度觀看等操作.經過深入編程，借助VRPlatform中間件的外部創作接口(External Authoring Interface，EAI)，AVESMD系統可實現場景中的熱點鏈接、多場景之間虛擬漫游等功能，支持用戶以四種常見模式實現與遺址虛擬場景環境的交互式漫游:(1)模式一，系統按照專家策略規劃出最佳游覽路徑、最佳觀察視角、最佳展示方式，為游客提供自動導游服務;(2)模式二，系統提供一組預設的遺址場景相機位置，游客通過選擇視點位置的特定相機，實現對虛擬場景中感興趣的建筑物和珍貴遺存物的近景式觀賞;(3)模式三，系統提供人機交互方式的虛擬漫游，用戶通過鼠標、觸摸屏等設備可實時控制漫游方向和調整視點，以自主方式實現對遺址場景的三維漫游;(4)模式四，系統支持智能漫游，用戶只需選擇出發位置和目的地，即可自動生成最佳游覽路徑并提供自動導航服務.為簡化漫游的操作，實踐中可在遺址場景中采集盡可能多的視點，使用戶單擊或者雙擊三維實景中的地面就能實現場景切換，增強漫游的真實感與沉浸感，如圖12所示.

圖12 場景的三維虛擬展示

3 結語

在小雁塔項目實踐的基礎上，本文探討了基于激光掃描技術的古遺址場景三維模型重建的技術路線，提出了一種對大型文化遺址場景進行三維真實感快速建模的方法，確立了基于Web GIS和VR技術的古遺址三維虛擬展示系統的體系框架和主要功能.應用本文提出的方法，項目組獲取了小雁塔塔體、白衣閣、紫光閣等重要遺存的高精度點云模型，實現了對這一已有1300多年歷史的重要文化遺產的數字化保護，并成功構建了一個具有真實感的數字小雁塔三維虛擬展示系統.

通過三維虛擬方式全面展示遺址景區、景點面貌和各項旅游服務，給觀賞者身臨其境的體驗，激發觀賞者實地游覽的欲望，是文化旅游景區宣傳推廣的最佳創新途徑.可以預見，隨著陜西省的“山水秦嶺，人文陜西”理念的實施，文化遺址三維虛擬展示技術研究及應用必將推動陜西省文化遺產保護和文化旅游事業的進一步發展.

［1］Barcelo J，Forte M，Sanders D H.Virtual Reality in Archaeology［M］.Oxford:Archeo Press，2000.

［2］Stamos I，Leordeann M.Automated Feature-Based Range Registration of Urban Scenes of Large Scale［J］.Computer Vision and Pattern Recognition，2003，(2):555 －561.

［3］劉軍，耿國華.古遺址多視點云的漸進式三維配準［J］.計算機應用研究，2011，28(10):3970－3973.

［4］Hoppe H，T DeRose，Duchamp T.Surface Reconstruction from Unorganized Points［J］.ACM Proceedings of SIGGTAPH，1992，26(2):71－78.

［5］張愛武，孫衛東，李風亭.基于激光掃描數據的室外場景表面重建方法［J］.系統仿真學報，2005，17(2):384－391.

［6］Stamos I，Allen P K.Geometry and texture recovery of scenes of large scale［J］.Computer Vision and Image Understanding，2000，88(2):94 －118.

［7］潘吟飛，許端清.一種基于向量運算的三維真實感紋理映射方法［J］.計算機工程，2004，30(21):53－54.

［8］劉軍，耿國華.文化遺址的三維真實感建模與虛擬展示技術［J］.計算機工程，2010，36(20):286－290.