基于VR技術的古建筑設計可視化應用研究

巴鈞才　許朝森

摘 要：古建筑有著豐富的文化內涵，保護、傳承古建筑是歷史賦予我們的使命和責任，尤其是地處偏遠地區的古建筑，為讓其為世人所了解，我們更應該不遺余力。利用VR技術對古建筑進行立體呈現，借助網絡進行廣泛傳播，讓參與者在古建筑仿真環境中穿梭，領略古建筑的魅力，深入挖掘古建筑的價值，激發人們對古建筑的研究熱情，激起人們到實地參觀的興趣，讓古建筑的價值得到充分展現，帶動當地文化、經濟的發展。

關鍵詞：VR技術;古建筑;可視化;應用研究

0 引言

古建筑蘊含豐富的文化特征，既代表著建筑風格和空間結構，也是當時人文、政治、經濟甚至宗教因素的歷史體現，保護古建筑不僅可以以史為鑒，還可以讓古建筑遺產產生現代價值。地處偏遠地區的古建筑雖然保護得相對完好，但由于地域、經濟等各方面的原因，對其研究及開發相對滯后，魅力沒能得到展現，潛力未能得到很好的挖掘。在信息技術飛速發展的今天，怎樣讓古建筑嫁接現代新技術煥發青春，充分挖掘其價值，造福當地人民，是值得我們考慮的一個問題。

1 VR技術的概念及特性

1.1 什么是VR技術

VR是英文“Virtual Reality”的縮寫，翻譯成中文意思為虛擬現實。20世紀80年代初，由美國計算機科學家Jaron Lanier最先提出，是一種通過計算機及傳感器技術構建虛擬環境，實現人機交互的技術。①VR技術通過頭盔等將用戶與其所處的現實環境隔離開來，讓其置身于一個三維虛擬環境當中，利用3D眼鏡、數據手套等與仿真環境進行交流，跟現實環境一樣，可以得到觸覺、聽覺甚至味覺等全方位感知。用戶與所構建的仿真環境的關系如圖1所示。

VR技術可以應用的領域越來越廣泛，目前在軍事、航空、航海、游戲、娛樂等方面得到了大量的應用。譬如：航空領域，設計者預先構建一個封閉的仿真太空環境，飛行員在仿真太空艙中面對屏幕進行虛擬的駕駛操作，隨著飛行員的操作，飛行員也能感知到失重等感覺，讓飛行員“置身太空”進行仿真訓練，模擬的太空環境也在屏幕上隨之改變;在游戲場景當中，參與者感知的是一個全面視角，身臨其境在游戲環境當中，與周圍的場景和人物進行互動，通過傳感設備可以感受到物體的重力以及物體突然出現時造成的壓迫感等。可以這樣說，VR技術可以構建一個任何你想要的虛擬世界，只有想不到，沒有做不到。

1.2 VR技術的特性

1.2.1 多感知性（Multi-Sensory）

VR技術除了通常使用計算機設備時所具有的視覺、聽覺感知外，還具備觸覺甚至是嗅覺、味覺方面的感知。參與者通過頭盔、3D眼鏡、數據手套等可穿戴設備充分模擬人的感知功能，全方位感知仿真世界。

1.2.2 沉浸感（Immersion）

VR仿真環境營造運用3D技術，根據人類視覺、觸覺、聽覺等生理特征，參與者戴上頭盔隔斷與現實世界的聯系，使參與者只能看到、聽到、觸到仿真環境信息資源，讓參與者有一種置身其中的感覺，達到以假亂真的目的。

1.2.3 交互性（Interactivity）

參與者通過可穿戴設備向仿真環境發出語言、肢體動作等信息，周邊環境會實時對發出的信息進行相應的回應，如同與現實環境中的人或物進行接觸與交流一樣。

2 VR技術介入古建筑設計可視化的優勢

2.1 可全方位展示

相對于傳統的平面圖形展示方式，參與者只能從展示的圖片或影像資料中看到或聽到一些信息，而VR技術有著立體化、可感知、可交互的優勢，參與者不僅從信息的被動接受者轉變為主動獲取者，而且可以通過視覺、聽覺、觸覺甚至味覺、嗅覺等全方位感知信息，接收到的信息更全面、更深刻。

古建筑從結構上來說具有空間感，平面方式不足以展示其內部構造以及古建筑與周邊環境的結構關系，VR技術所能表現的立體仿真環境恰與古建筑的空間感有著異曲同工之妙，應用VR技術可將古建筑內部構造及其與環境的關系展現得淋漓盡致。

2.2 支持遠程訪問

VR虛擬現實技術具有沉浸性、構想性、交互性等優勢，再現旅游場景，使旅游資源脫離地域限制，潛在客戶可以通過網絡進行虛擬體驗，讓體驗者跨越時間和空間，“穿越”到所有地方，足不出戶獲得“旅游體驗”，實現對旅游產品的“試用”。同時，讓這些古建筑場景以數字化的方式保存下來，實現旅游資源展示和保護的現代化，推動文旅行業更快進入信息化時代，使古建筑文化遺產讓全人類共同擁有。特別是一些交通欠發達、配套旅游設施不是很完善、旅游資源相對單一的邊遠地區，利用虛擬現實技術對當地的旅游資源進行全景拍攝后發布到網上，將對文物資源的利用及文化的傳承起到尤為重要的作用。

2.3 臨場互動式體驗

VR技術能充分仿真現實環境或模擬出想象中的場景，并且參與者可以通過頭盔、3D眼鏡、數據手套等與周邊環境進行全方位交流，周邊仿真環境通過傳感器感知參與者發出的交流信號，實時對接收到的信號進行加工處理，并及時向參與者進行有效反饋，加以聲效、光效等方面的配合，使參與者完全置身于仿真世界當中，去扮演仿真世界中的角色，增加其臨場感。仿真現場的啟迪和感受，有利于參與者的創造性思維能力培養，對知識的感知更加全面、更加深刻。

3 魯土司衙門古建筑群情況介紹

魯土司衙門始建于明洪武十一年（1378），地處甘肅省蘭州市永登縣西南65千米的連城鎮，是全國眾多土司建筑中保存比較完整的一座宮殿式古建筑群，占地面積3.3萬平方米，建筑面積7755平方米，由土司衙門、妙因寺、土司花園三部分組成，被稱為西北“小故宮”。①魯土司系蒙古族，多位土司官至一品，信奉藏傳佛教，是西北地區權勢較大的一個集軍事、司法、宗教于一體的地方特殊政權。魯土司以連城為中心，覆蓋甘青多個縣區，管轄面積達9000平方千米，在當地統治500多年，對甘肅及青海地區政治、文化、宗教等領域都產生了深遠的影響。修繕后的大堂如圖2所示。

4 應用案例介紹

美國精鉆會游輪公司利用虛擬現實開發了Azamara 3D，讓乘客駕駛一艘游輪穿越哥斯達黎加雨林、巴拿馬運河等，“切身”體驗游輪生活，激發游客對目的地的好奇心，引起實地出游的沖動。日本東京大學科研團隊將世界各地名勝古跡拍攝成360度的視頻向患病老年人展示，利用VR技術滿足那些無法旅行者的旅游渴望，幫助他們找到快樂和生活的動力。如圖3所示，老年人通過佩戴VR眼鏡居家“旅游”。

2003年，我國第一部VR作品《紫禁城·天子的宮殿》誕生，通過手機等設備，觀眾可以隨時隨地在紫禁城“游覽”。自2012年1月百度百科數字博物館上線以來，全國各大互聯網媒體相繼開始了VR博物館項目：“‘看見圓明園”項目讓滿目瘡痍的圓明園重現了昔日的輝煌;在山東周村，游客通過佩戴VR眼鏡，隨意參觀虛擬景點，還能看到視頻、圖片等講解內容……VR數字資源開發正在宣傳推廣、文物保護等方面發揮著越來越重要的作用，VR技術將為我國文旅產業的發展插上騰飛的翅膀。

5 魯土司衙門古建筑群數字化展現

隨著我國5G網絡的逐步普及，虛擬現實技術將古建筑場景的展示、保護提高到了一個嶄新的階段。習近平總書記多次提到虛擬現實所帶來的變革，李克強總理要求加大對虛擬現實產業的投入。工信部和發改委將VR、AR列為發展重點，同時VR技術研究工作也得到了各科研機構及高校的認可和助力。

利用3D攝像機對魯土司衙門建筑外觀進行全景拍攝，將拍攝到的立體畫面導入到計算機中，利用QuickTime VR軟件進行全景圖像的拼接處理，并對古建筑破損的地方進行復原處理。建筑物內場景既可以通過類似于建筑物外景的方式進行處理，也可以利用3ds MAX、Maya等軟件根據需要重新進行建模處理。

在魯土司衙門全景圖像拼接過程中，利用采集到的離散圖像或連續圖像序列作為基礎數據，經過圖像的拼接處理形成全景圖像，然后通過合適的空間模型把多幅全景圖像組織為虛擬全景空間。最后，利用QuickTime VR對地圖操作的支持功能，把魯土司衙門的全景圖布置在地圖上，形象化地把節點和對象連接起來，增加場景的真實感。

魯土司衙門標志性建筑—牌坊全景圖片展示如圖4所示。

6 制作過程中出現的問題及應對措施

圖像信息在采集和傳輸過程中受到設備自身的限制及外部電磁環境的影響，采集到的圖像信息會或多或少存在一些圖像噪聲問題，影響到VR全景圖像的品質，必須對噪聲圖像進行降噪處理。①目前，一些常用的圖像處理軟件，如Photoshop、Camera Raw等圖像處理軟件的降噪濾鏡功能，或是利用Easy Photo Denoise、Movavi Photo等專業降噪軟件來對圖像進行降噪處理，可以讓圖像變得更加清晰。在對采集到的信息進行處理過程中，筆者利用Easy Photo Denoise軟件對圖像進行彩色斑點去除、色度和亮度噪聲專用控制等功能對圖像信息美化及降噪處理，以期為后期合成提供高品質的圖像信息。

7 結語

VR技術改變以往圖片、視頻等二維平面呈現方式，以立體化的方式呈現古建筑，便于我們了解古建筑內部構造及古建筑與周邊環境的關系，參與者置身其中進行模擬體驗時，不僅可以通過視覺、聽覺、觸覺甚至味覺、嗅覺等全方位感知周邊環境，還可以根據所分配的體驗角色與周邊環境進行交互，足不出戶“穿梭”于古建筑群中，領略古建筑之美。