基于VR技术的古建筑设计可视化应用研究

巴钧才　许朝森

摘 要：古建筑有着丰富的文化内涵，保护、传承古建筑是历史赋予我们的使命和责任，尤其是地处偏远地区的古建筑，为让其为世人所了解，我们更应该不遗余力。利用VR技术对古建筑进行立体呈现，借助网络进行广泛传播，让参与者在古建筑仿真环境中穿梭，领略古建筑的魅力，深入挖掘古建筑的价值，激发人们对古建筑的研究热情，激起人们到实地参观的兴趣，让古建筑的价值得到充分展现，带动当地文化、经济的发展。

关键词：VR技术;古建筑;可视化;应用研究

0 引言

古建筑蕴含丰富的文化特征，既代表着建筑风格和空间结构，也是当时人文、政治、经济甚至宗教因素的历史体现，保护古建筑不仅可以以史为鉴，还可以让古建筑遗产产生现代价值。地处偏远地区的古建筑虽然保护得相对完好，但由于地域、经济等各方面的原因，对其研究及开发相对滞后，魅力没能得到展现，潜力未能得到很好的挖掘。在信息技术飞速发展的今天，怎样让古建筑嫁接现代新技术焕发青春，充分挖掘其價值，造福当地人民，是值得我们考虑的一个问题。

1 VR技术的概念及特性

1.1 什么是VR技术

VR是英文“Virtual Reality”的缩写，翻译成中文意思为虚拟现实。20世纪80年代初，由美国计算机科学家Jaron Lanier最先提出，是一种通过计算机及传感器技术构建虚拟环境，实现人机交互的技术。①VR技术通过头盔等将用户与其所处的现实环境隔离开来，让其置身于一个三维虚拟环境当中，利用3D眼镜、数据手套等与仿真环境进行交流，跟现实环境一样，可以得到触觉、听觉甚至味觉等全方位感知。用户与所构建的仿真环境的关系如图1所示。

VR技术可以应用的领域越来越广泛，目前在军事、航空、航海、游戏、娱乐等方面得到了大量的应用。譬如：航空领域，设计者预先构建一个封闭的仿真太空环境，飞行员在仿真太空舱中面对屏幕进行虚拟的驾驶操作，随着飞行员的操作，飞行员也能感知到失重等感觉，让飞行员“置身太空”进行仿真训练，模拟的太空环境也在屏幕上随之改变;在游戏场景当中，参与者感知的是一个全面视角，身临其境在游戏环境当中，与周围的场景和人物进行互动，通过传感设备可以感受到物体的重力以及物体突然出现时造成的压迫感等。可以这样说，VR技术可以构建一个任何你想要的虚拟世界，只有想不到，没有做不到。

1.2 VR技术的特性

1.2.1 多感知性（Multi-Sensory）

VR技术除了通常使用计算机设备时所具有的视觉、听觉感知外，还具备触觉甚至是嗅觉、味觉方面的感知。参与者通过头盔、3D眼镜、数据手套等可穿戴设备充分模拟人的感知功能，全方位感知仿真世界。

1.2.2 沉浸感（Immersion）

VR仿真环境营造运用3D技术，根据人类视觉、触觉、听觉等生理特征，参与者戴上头盔隔断与现实世界的联系，使参与者只能看到、听到、触到仿真环境信息资源，让参与者有一种置身其中的感觉，达到以假乱真的目的。

1.2.3 交互性（Interactivity）

参与者通过可穿戴设备向仿真环境发出语言、肢体动作等信息，周边环境会实时对发出的信息进行相应的回应，如同与现实环境中的人或物进行接触与交流一样。

2 VR技术介入古建筑设计可视化的优势

2.1 可全方位展示

相对于传统的平面图形展示方式，参与者只能从展示的图片或影像资料中看到或听到一些信息，而VR技术有着立体化、可感知、可交互的优势，参与者不仅从信息的被动接受者转变为主动获取者，而且可以通过视觉、听觉、触觉甚至味觉、嗅觉等全方位感知信息，接收到的信息更全面、更深刻。

古建筑从结构上来说具有空间感，平面方式不足以展示其内部构造以及古建筑与周边环境的结构关系，VR技术所能表现的立体仿真环境恰与古建筑的空间感有着异曲同工之妙，应用VR技术可将古建筑内部构造及其与环境的关系展现得淋漓尽致。

2.2 支持远程访问

VR虚拟现实技术具有沉浸性、构想性、交互性等优势，再现旅游场景，使旅游资源脱离地域限制，潜在客户可以通过网络进行虚拟体验，让体验者跨越时间和空间，“穿越”到所有地方，足不出户获得“旅游体验”，实现对旅游产品的“试用”。同时，让这些古建筑场景以数字化的方式保存下来，实现旅游资源展示和保护的现代化，推动文旅行业更快进入信息化时代，使古建筑文化遗产让全人类共同拥有。特别是一些交通欠发达、配套旅游设施不是很完善、旅游资源相对单一的边远地区，利用虚拟现实技术对当地的旅游资源进行全景拍摄后发布到网上，将对文物资源的利用及文化的传承起到尤为重要的作用。

2.3 临场互动式体验

VR技术能充分仿真现实环境或模拟出想象中的场景，并且参与者可以通过头盔、3D眼镜、数据手套等与周边环境进行全方位交流，周边仿真环境通过传感器感知参与者发出的交流信号，实时对接收到的信号进行加工处理，并及时向参与者进行有效反馈，加以声效、光效等方面的配合，使参与者完全置身于仿真世界当中，去扮演仿真世界中的角色，增加其临场感。仿真现场的启迪和感受，有利于参与者的创造性思维能力培养，对知识的感知更加全面、更加深刻。

3 鲁土司衙门古建筑群情况介绍

鲁土司衙门始建于明洪武十一年（1378），地处甘肃省兰州市永登县西南65千米的连城镇，是全国众多土司建筑中保存比较完整的一座宫殿式古建筑群，占地面积3.3万平方米，建筑面积7755平方米，由土司衙门、妙因寺、土司花园三部分组成，被称为西北“小故宫”。①鲁土司系蒙古族，多位土司官至一品，信奉藏传佛教，是西北地区权势较大的一个集军事、司法、宗教于一体的地方特殊政权。鲁土司以连城为中心，覆盖甘青多个县区，管辖面积达9000平方千米，在当地统治500多年，对甘肃及青海地区政治、文化、宗教等领域都产生了深远的影响。修缮后的大堂如图2所示。

4 应用案例介绍

美国精钻会游轮公司利用虚拟现实开发了Azamara 3D，让乘客驾驶一艘游轮穿越哥斯达黎加雨林、巴拿马运河等，“切身”体验游轮生活，激发游客对目的地的好奇心，引起实地出游的冲动。日本东京大学科研团队将世界各地名胜古迹拍摄成360度的视频向患病老年人展示，利用VR技术满足那些无法旅行者的旅游渴望，帮助他们找到快乐和生活的动力。如图3所示，老年人通过佩戴VR眼镜居家“旅游”。

2003年，我国第一部VR作品《紫禁城·天子的宫殿》诞生，通过手机等设备，观众可以随时随地在紫禁城“游览”。自2012年1月百度百科数字博物馆上线以来，全国各大互联网媒体相继开始了VR博物馆项目：“‘看见圆明园”项目让满目疮痍的圆明园重现了昔日的辉煌;在山东周村，游客通过佩戴VR眼镜，随意参观虚拟景点，还能看到视频、图片等讲解内容……VR数字资源开发正在宣传推广、文物保护等方面发挥着越来越重要的作用，VR技术将为我国文旅产业的发展插上腾飞的翅膀。

5 鲁土司衙门古建筑群数字化展现

随着我国5G网络的逐步普及，虚拟现实技术将古建筑场景的展示、保护提高到了一个崭新的阶段。习近平总书记多次提到虚拟现实所带来的变革，李克强总理要求加大对虚拟现实产业的投入。工信部和发改委将VR、AR列为发展重点，同时VR技术研究工作也得到了各科研机构及高校的认可和助力。

利用3D摄像机对鲁土司衙门建筑外观进行全景拍摄，将拍摄到的立体画面导入到计算机中，利用QuickTime VR软件进行全景图像的拼接处理，并对古建筑破损的地方进行复原处理。建筑物内场景既可以通过类似于建筑物外景的方式进行处理，也可以利用3ds MAX、Maya等软件根据需要重新进行建模处理。

在鲁土司衙門全景图像拼接过程中，利用采集到的离散图像或连续图像序列作为基础数据，经过图像的拼接处理形成全景图像，然后通过合适的空间模型把多幅全景图像组织为虚拟全景空间。最后，利用QuickTime VR对地图操作的支持功能，把鲁土司衙门的全景图布置在地图上，形象化地把节点和对象连接起来，增加场景的真实感。

鲁土司衙门标志性建筑—牌坊全景图片展示如图4所示。

6 制作过程中出现的问题及应对措施

图像信息在采集和传输过程中受到设备自身的限制及外部电磁环境的影响，采集到的图像信息会或多或少存在一些图像噪声问题，影响到VR全景图像的品质，必须对噪声图像进行降噪处理。①目前，一些常用的图像处理软件，如Photoshop、Camera Raw等图像处理软件的降噪滤镜功能，或是利用Easy Photo Denoise、Movavi Photo等专业降噪软件来对图像进行降噪处理，可以让图像变得更加清晰。在对采集到的信息进行处理过程中，笔者利用Easy Photo Denoise软件对图像进行彩色斑点去除、色度和亮度噪声专用控制等功能对图像信息美化及降噪处理，以期为后期合成提供高品质的图像信息。

7 结语

VR技术改变以往图片、视频等二维平面呈现方式，以立体化的方式呈现古建筑，便于我们了解古建筑内部构造及古建筑与周边环境的关系，参与者置身其中进行模拟体验时，不仅可以通过视觉、听觉、触觉甚至味觉、嗅觉等全方位感知周边环境，还可以根据所分配的体验角色与周边环境进行交互，足不出户“穿梭”于古建筑群中，领略古建筑之美。