建筑三維數(shù)字模型空間展示的新技術(shù)方法淺析

朱嘉 劉瀚之

摘要：建筑三維數(shù)字模型已廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、BIM設(shè)計等眾多領(lǐng)域，其主流呈現(xiàn)形式仍為二維屏幕式呈現(xiàn)，使得空間感大打折扣。隨著三維成像技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)字模型的空間呈現(xiàn)成為可能，本文梳理新型三維成像技術(shù)，并對其用于建筑三維數(shù)字模型的展示能力進行討論和淺析。

關(guān)鍵詞：三維展示;數(shù)字模型;空間展示

基金項目：廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目，項目編號：2019KY0256

1 概述

作為空間設(shè)計與數(shù)據(jù)存儲載體，數(shù)字化三維模型已廣泛應(yīng)用于機械工程、建筑工程、結(jié)構(gòu)工程、水利工程、電影、醫(yī)療、教育等眾多行業(yè)。受制于呈現(xiàn)方法的單一性，三維數(shù)字模型長期處于二維屏幕擬三維化的展示狀態(tài)，未能體現(xiàn)其三維空間性的優(yōu)勢。

由于三維成像技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)字模型的空間呈現(xiàn)成為可能，以下就近年來發(fā)展的三維成像新方法技術(shù)進行討論。

2 三維模型成像新技術(shù)方法

2.1 AR技術(shù)

AR技術(shù)英文為Augmented Reality，中文為“增強現(xiàn)實”，是一種將二維屏幕的虛擬成像與現(xiàn)實三維空間融合呈現(xiàn)數(shù)字化三維形體的技術(shù)。相對于VR（Visual Reality）技術(shù)的沉浸式體驗，AR技術(shù)更多的是通過虛、實圖像在觀察著視覺上的疊加提供虛擬世界與現(xiàn)實世界的交互感。從近年年末阿里巴巴旗下支付寶的“掃福字”活動到“口袋妖怪PokeMMO”游戲的風(fēng)靡一時，均體現(xiàn)了消費者對AR技術(shù)所提供交互感的認(rèn)可，該特點也很好地契合虛擬三維模型在現(xiàn)實空間的呈現(xiàn)技術(shù)需求。

使用AR技術(shù)，觀察著可以在觀測屏上同時查看現(xiàn)實場景和虛擬物體。通過空間陀螺儀及程序計算，虛擬物體在空間性和物理性質(zhì)（如重力、碰撞、反彈等）上呈現(xiàn)出與現(xiàn)實場景實時的交互作用，從而說服觀察者感官系統(tǒng)，認(rèn)為該虛擬物體已然存在于實景之中。用AR技術(shù)進行三維數(shù)字建筑的呈現(xiàn)在技術(shù)上甚至比“口袋妖怪PokeMMO”游戲更易于實現(xiàn)——因為建筑本身是靜止的實體，其外觀形態(tài)與空間位置在現(xiàn)實場景中都是靜止的，故建筑物的AR展示只需在虛擬空間中錨定其與現(xiàn)實捕捉空間的相對位置關(guān)系并保持靜止即可，由此實現(xiàn)觀察者的移步換景與虛擬空間的三維建筑契合對應(yīng)。

從微軟的Hololens，到備受矚目的Magic Leap One，再到逐漸融入AR的iPhone，AR硬件設(shè)備形式與應(yīng)用場景也呈現(xiàn)出多樣化的趨勢，使得三維建筑展示的廣泛應(yīng)用成為可能。基于AR技術(shù)的建筑展示仿真性強，設(shè)備較為輕攜，模型本身精度足夠的情況下可對觀察者進行細(xì)節(jié)呈現(xiàn);然而配合模型的尺寸，可能需要較為大型場地進行展示配合，展示過程離不開顯示屏，在計算能力較弱的硬件配合下會出現(xiàn)模型抖動，鏡頭畸變等情況，并有可能造成觀察者生理上的眩暈感。

2.2 全景成像技術(shù)

全景成像技術(shù)（或三維實景，Panorama），是一種有將實景或虛擬渲染場景在單點進行全視野渲染輸出的成像技術(shù)，由無縫拼貼技術(shù)模擬真實場景下人的視野范圍，且隨著觀察者的運動，“單點”視野也隨之運動。

融合了圖像序列、聲音等傳統(tǒng)的流媒體，全景成像技術(shù)類似一個球形電影院，在720°的視野范圍內(nèi)提供弧形的觀影內(nèi)容。與電影院不同的是，觀眾是通過自身的生理活動來控制熒幕的內(nèi)容，且觀眾的行動將契合于全景圖像，同樣營造出觀影者的交互感與沉浸感。

現(xiàn)階段，全景成像技術(shù)被應(yīng)用于數(shù)字化博物館、數(shù)字化景區(qū)游覽等場景，可見在空間表現(xiàn)上有運用價值，符合建筑空間展示的應(yīng)用場景。由于全景技術(shù)的“3D實景”分支，采用實景拍攝的方法進行全視野展示，暫不在數(shù)字建筑三維模型討論中;全景技術(shù)的“虛擬現(xiàn)實”分支，可采用通用三維模型進行多視圖渲染并全景拼貼的方式進行視點渲染，則其運動——場景的交互性缺乏連續(xù)性，進而影響三維呈現(xiàn)的真實性。

2.3 四棱錐全息展示技術(shù)

四棱錐全息技術(shù)是一種擬空間成像技術(shù)，通過多面體透明薄膜對發(fā)光屏物體進行多視角反射，并通過空間關(guān)系構(gòu)筑模擬實體成像的技術(shù)。該技術(shù)由于儀器簡單，實體展示多面模型，并通過透明反射薄膜而造就的物體懸浮展示效果而受到歡迎，該技術(shù)在2010年上海世博會印度館、初音演唱會、春節(jié)聯(lián)歡晚會表演及《國家寶藏》中都有所應(yīng)用。

四棱錐全息技術(shù)脫胎于二維屏幕的呈現(xiàn)，但因其巧妙運用了四個不同方向的呈現(xiàn)屏，得以同時展示物體的四面視圖，并且由于透明薄膜的反射特性，四面視圖每次只有一個被觀察者查看。配合以空間性一致的邏輯，不管模型靜止或運動，四視圖始終展示著具體角度的觀察畫面，通過多個畫面為觀察早營造了實體效果。由于四棱錐全息影像展示的是一個物體的四視圖，所以當(dāng)該技術(shù)運用于物體內(nèi)部展示時，其空間一致性與立體實物感將被打破，即應(yīng)用四棱錐全息技術(shù)對數(shù)字三維建筑模型進行展示時，僅在展示建筑外部造型時有最優(yōu)效果，而無法在對建筑內(nèi)部陳設(shè)展示。

2.4 真三維立體全息

不同于四棱錐全息的擬三維空間化模型呈現(xiàn)，真三維立體全息技術(shù)展現(xiàn)的是實實在在的三維圖像，在足夠的分辨率下，甚至可以供具有真實深度的擬連續(xù)圖像[1]。真三維立體全系中的體三維顯示以體素為基本單位，通過對物體內(nèi)部瞬時刺激產(chǎn)生有體積及深度信息的基本單元——體素，并利用視覺暫留原理進行立體顯示。另一種顯示方式則是運用集成成像技術(shù)，將實際物體的不同視點信息記錄在CCD傳感器平面上，再利用光路可逆性質(zhì)，使用與透鏡參數(shù)相同的顯示設(shè)備對三維圖像進行觀察。

真三維立體全息技術(shù)對硬件及耗能要求高，且一般實現(xiàn)的深度范圍有局限性，更使用于顯示小型場景，在建筑展示的真實性上有優(yōu)勢，但在技術(shù)成本及最終效果層面上暫不具有應(yīng)用優(yōu)勢。

3 結(jié)論

三維建筑數(shù)字模型的空間展示將具象而高效地呈現(xiàn)建筑設(shè)計本身的空間效果，而從展示技術(shù)角度，四棱錐全息、全景成像、AR、真三維立體全息四種技術(shù)從易到難地實現(xiàn)了建筑的三維展示，其中AR技術(shù)因其互動性強，展示全面，影像連續(xù)性強而最值得進行后續(xù)的細(xì)分研究與應(yīng)用開發(fā)。

參考文獻

[1]吳軍，王冰洋，彭智勇.一種新的正交掃描多視投影計算全息圖生成方法[J].光學(xué)學(xué)報，2019，39（07）：49-63.

[2]田婧.建筑簇群全景圖像空間布局人工智能規(guī)劃方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（24）：96-99.

[3]王冰洋. 多視投影計算全息圖生成方法研究[D].桂林電子科技大學(xué)，2019.