古村落建筑群三维模型采集与增强现实展示方法

翟晋硕 秦涵 林晓杰

摘要：古村落是祖先留给我们的宝贵财富， 承载着中国数千年的文明。充分保护好、利用好古村落资源， 是我们不可推卸的责任， 亦是我们义无反顾的担当[1]。随着数字技术逐渐发展成熟，将数字技术应用到物质文化遗产保护领域，会给古村落资源的保护和利用提供新的思路和方法。文章将基于无人机倾斜摄影测量技术、计算机技术、3D技术、增强现实技术，对古村落建筑群进行三维模型采集与模型处理，以及对模型进行增强现实的展示提出可行方法。经过实践，文章中的方法可以便捷地进行古村落建筑群的三维模型采集以及增强现实展示，并能够适用于其他项目。能够提供较为精细的数字化古村落三维模型信息和清晰的AR可视化影像，服务于古村落资源的保护和利用。

关键词：古村落；数字化保护；AR可视化处理；无人机倾斜摄影

中图分类号：TP181      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）08-0117-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

传统村落是一种活态传承的遗存类资源，是我国历史文化遗产的重要组成部分，具有极高的历史文化价值、社会经济价值和审美艺术价值[2]。随着现代测绘技术和计算机视觉技术的不断进步，基于无人机倾斜摄影测量的三维实景建模 的技术逐渐成熟[3]，使得数字技术在新时代对古村落的建筑布局、生态环境等物质文化遗产进行保护与传承的工作中具有直观、快捷、高效的优势。

智能携带设备的迭代，显示技术和5G通信技术等技术的成熟，使人们在日常生活中的视觉体验不再停留于平面化的显示，更对视觉体验的立体呈现有着新要求，在此需求上增强现实（Augmented Reality） 、虚拟现实技术（Virtual Reality）等技术的发展成熟，使得AR技术和VR技术制成的影像相较于传统图纸更能使观者产生沉浸式、交互式、立体式的空间体验，使得观者对古村落有更加立体的认识。

目前国内多以名胜古迹建筑作为收集和改造对象，而对古村落的建筑群三维模型采集和展示方法的更新的研究少有。本文以山东省济南市方峪古村为研究对象，经过查阅文献、实地测绘、后期建模等步骤，运用无人机倾斜摄影测量、 3D软件建模和模型修复技术进行古村落建筑群三维模型的采集，再通过Unity平台，运用增强现实技术，制作可以通过穿戴显示设备、智能手机、电脑等设备显示的具有可视化和交互性的模型。

对古村落三维模型采集和展示方法进行补充，进一步将现代技术引进传统村落保护和修复的研究中，以此来提供一种较高效、自动化、可重复的古村落保护、修复和可视化新方法。并通过实例验证方法的可行性。

1 古村落选定——山东省济南市方峪村

1.1 方峪村自然概况

通过对于山东地区古村落的筛选，最终选定山东省济南市长清区方峪村古建筑群（东经116°36′23″；北纬36°19′38.02″） 进行无人机测绘。方峪村古建筑群位于山东省济南市孝里镇，属温带季风气候，降水充沛，植被覆盖率较高。三面环山，坐落于半山腰。房屋就地取材，90%为石头建造。布局呈南北狭长，顺应自然，与周边环境和谐相生。

1.2 方峪村历史文化

方峪村历史悠久，最早可追溯至宋朝，950多年前村民建村，取名“王峪”[4]。明朝时，由于地震导致村落建筑损毁，方氏族人集资带领村民重建村子，因方氏一族由此成为村里的望族，为感谢方氏一族，村子改名为方峪村。

方峪村所处的孝里镇是二十四孝故事“郭巨埋子”发源地，受此影响，方峪村有着浓厚的孝文化。

方峪村是国家公布的第四批传统村落，方峪建筑群是第5批山东省文物保护单位。方峪村古建筑群极具代表性，具有很高的研究价值。方峪村古建筑群坐落在济南市长清区大峰山山峪，进行无人机数据采集难度较低。

2 三维数据采集与模型修正

2.1 技术概要与流程设计

要进行真实直观的三维实景重建，仅仅使用无人机倾斜摄影技术无法产出高精度的模型，还需通过结合地拍以及进行空三加密处理，通过空中三角测量加密将倾斜摄影影像与航摄影像带有的坐标信息进行混合计算，通过密集计算工具将两者的数据进行匹配，生成实景模型数据与正射影像成果。

基于Context Capture Center空三平差算法，对获取的特征点进行多视角匹配同名点，反向解算出每张图片的空间位置和拍摄时的姿态角度，从而产出精确的实景模型。不同于传统的测量的单一垂直视角，无人机倾斜摄影可以通过不同高度不同视角同步采集影像，进行后期实景重建处理，获取到高精度的实景模型。

经过无人机倾斜摄影及地面拍摄等手段进行前期信息采集后，利用Context Capture Center进行空中三角测量及项目生产，进一步通过Model Fun进行模型修整后，进行切片合并投放到Unity 3D进行AR可视化处理。具体流程如下：

1） 将影像信息照片导入Context Capture Center进行空中三角测量、模型重建。

2） 将重建后的模型导入Model Fun进行修模处理。

3） 将Model Fun中修整完成的模型输出到3DMAX进行切片合并。

2.2 无人机倾斜摄影测量三维数据采集

基于方峪村的建筑布局与周边自然环境的考量，在保证古建筑群信息完整的基础上，为了无人机影像采集的效率与后期处理量的精简，此次倾斜摄影的飞行参数：飞行高度60m，云台俯仰角度（倾斜）60°航线速度4.7m/s，航线速度（倾斜）5 m/s，旁向重叠率70%，航向重叠率70%，旁向重叠率（倾斜）60%，航向重疊率（倾斜）70%，主航线角度77°，飞行边距15 m。（航线设计如图1所示）。

本次测绘使用了DJI 精灵Phantom 4 Pro V2.0 机型进行倾斜摄影影像采集，共设置5条航线，航线总长度达13 402 m，航点数量共计96个，测绘面积达68 325.0 ㎡，共拍摄782张照片，共用时49 m 53 s。

目前主要单独采用无人机在空中采集影像的方法难以提供历史建筑群完整的影像，造成几何和纹理信息的缺失，继而影响建模成果的完整度和精度[5]。大面积无人机倾斜摄影由于影像质量的因素、遮挡物等因素，会造成模型表面贴图质量参差不齐，因此通过地拍进行影像信息收集十分必要。通过全画幅135相机环绕拍摄建筑立面的照片共有1 231张， 补全了包括房檐、深巷、门框等位置因无人机倾斜摄影的局限性导致的纹理信息缺失。

2.3 Context Capture Center模型重建

Context Capture Center能够基于影像信息进行实景模型重建，将采集到的影像导入到Context Capture Center中进行空中三角测量计算。进行空三计算后，基于空中三角测量信息在Context Capture Center中预设置项目空间参考系统、切片数量等信息提交生产进行模型重建。在本项目中，根据修模需求基于同一空三加密所生成的点云分别生产了3MX、OSGB、OBJ三个不同格式的文件，本项目使用的空间参考系统为WGS 84 / UTM zone 50N （EPSG：32650），基于计算机性能选择了自适应切片，切片数量为101片。至此，通过Context Capture Center完成了表面模型的初步重建（如图2） 。以下为各格式模型处理时间：3MX文件： 23 h 1 min  OSGB文件：2 h 42 min  OBJ文件：1 h 32 min。

在模型处理过程中受到因计算机内存限制，模型重建时导致运算失败，出现进程崩溃的情况。通过排查后，团队进行模型切块处理，将一整个模型進行自适应切块分割运算，降低模型对于计算机的运算压力。

2.4 Model Fun模型修整

基于数字点云生产的OSGB与OBJ文件同时导入Model Fun便可生成建筑区域模型进行修模操作，修模流程大致有立面修整、表面置平、纹理修正等步骤（如图3） 。由于无人机倾斜摄影分辨率限制与树叶等遮挡物的因素，造成建筑贴图材质具有一定数量的瑕疵，本文中的此次研究将地拍照片用PS与Model Fun进行贴图的修正。在调查研究时发现部分建筑损毁严重，在模型修整过程中虽进行过立面修整与单体化模型建立，但大面积损毁建筑结构仍不可考，在团队考虑过后决定对模型现如今的损毁情况进行保留。

2.5 3ds Max模型整合

将三维模型在ModelFun修模后导出为obj格式的三维模型，ModelFun导出的三维模型呈数个分散模型碎片，须要将分散的三维模型碎片导入3ds Max进行拼接，利用3ds Max软件拼接模型具有以下两个优点：

1） 3ds Max单面模型计算量小，不易卡顿，对硬件的要求相对较低；

2） 3ds Max软件可以安装第三方插件Batch Export，可将数个obj格式的模型批量导入3ds Max中，节省烦琐的逐个导入。

由于每个模型都有独自的位置信息，批量导入obj模型后所有模型可自动匹配位置组成完整模型后，再使用3ds Max软件导出完整的obj模型。

3 模型增强现实转化与展示

3.1 操作流程

将经过处理的模型制作成AR模型进行展示，需要使用到软件Unity AR来进行制作，具体分为以下步骤：

1）  进行Unity SDK包下载 Downloads > SDK > Download Unity Extension 下载Unity SDK包。

2） 在Unity添加ARCamera并新建场景并将文件夹下的ARCamera预设体拖拽至场景。

3） 上传识别图，在导航栏上选择Develop > Target Manger > Add Database上传识别图，同时识别图要求官方识别合格后才可以生成并使用。

4） 导入模型载体资源，将下载的资源导入Unity项目，然后选中层级视图中的ARCamera，勾选Database Load Behaviour脚本下的“Load XX Database”与“Active”。 将文件夹下的Image Target拖拽到场景，然后点击Image Target Behaviour中的“Type”下拉列表，将类型设为“Predefined”，分别在“Database”和“Image Target”下拉列表中选择之前创建的Database和识别标记。

5）  添加目标模型，接下来将Model Fun模型修整后的模型作为目标物体添加至Image Target中（如图4） ，按照整体度和效果将修模后的模型的位置进行移动也可以通过旋转角度或添加动画等达到更好的效果。

6）  AR的效果图展示，由于Model Fun模型修整后的模型太大无法完成导入、模型无法合并、导入系统后模型与模型贴图无法结合、制作后模型破损、模型整合后过大无法导入等问题，后期团队通过不对修改模型面数来不断修改模型面数优化模型，最终将完整Model Fun模型导入Unity中通过ARCamera投射，实现使用移动智能设备进行Unity AR展示（如图5） 。

3.2 可视化展示价值

古村落建筑进行AR可视化转化有着可观的应用前景，国内外已有对AR可视化应用的投产项目，例如国内“数字故宫”、数字博物馆、AR交互游戏等项目。

国外例如法国文化部2010年提出实施“投资未来”文化数字化项目，旨在保存法国历史文化记忆。在游戏领域应用有2016年的流行AR游戏《Pokemon GO》。

而本项目着重于对鲁中地区重点保护的古村落建筑群进行AR可视化转化，运用多媒体技术来记录、分类、保存和恢复古村落烦琐复杂的物质和非物质文化遗产。可应用于博物馆科普讲解、观赏，地方文化志记录，古村落数字化保护和建筑再开发等方面。产出文化、经济等多方面的价值。

4 结论

本文从古村落的保护和利用出发，对古村落三维数据收集与展示方法进行了创新结合，将无人机倾斜摄影测量技术、计算机技术、增强现实技术，运用到古村落三维模型整理和模型展示中。经过对古建筑村落考察、运用无人机三维数据收集等实践，证明了该方法相较于传统人工测绘的数据收集方式和纸面绘圖展示方法，本文方法能够直观、快捷、高效地进行三维模型数据收集，并能够对观者进行沉浸式、交互式、立体式的展示，打造了程式化工作流程，可应用于类似的项目中，对古村落的数字化保护和利用提供新的解决方案。

本文中模型重建的方法可进行自动化、批量化应用，但模型贴图仍需后期人工矫正，是本文所用方法的局限性，关于测绘模型的重建算法精度的加深仍是现阶段研究的努力方向。

我国古村落建筑十分丰富、多元，从北国风光到热带岛屿都有大量的古村落遗迹，但现阶段我国对于古村落的研究集中在名胜古迹和历史名城。本文中运用的测绘和展示方案可以较为高效便捷地展示我国古村落建筑的风采，但我国在对社会关注度较小的古村落建筑研究的重视度上仍有欠缺，中国悠久而丰富的古村落建筑的保护和利用仍需得到关注。

参考文献：

[1] 李欣.《数字化保护：非物质文化遗产保护的新路向》[M]．北京：科学出版社，2011：10.

[2] 李伯华，刘沛林，窦银娣，等.中国传统村落人居环境转型发展及其研究进展[J].地理研究，2017，36（10）：1886-1900.

[3] 黄健，王继.多视角影像自动化实景三维建模的生产与应用[J].测绘通报，2016（4）：75-78.

[4] 高鹏.传统村落乡村住居文化展馆展示设计研究：以济南孝里镇乡村文化展馆为例[D].济南：山东建筑大学，2019.

[5] 胡应龙，陈颖彪，郑子豪，等.空地多视角影像的古村落三维重建应用[J].测绘科学，2019，44（4）：139-145.

【通联编辑：李雅琪】