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古建筑復原中UDK虛擬現實技術的運用

時間:2020-02-14 來源:未知 作者:夢露 本文字數:5920字

  摘    要: 近年來,古建筑的建筑場景、建筑結構和建筑細節的研究逐漸成為研究熱點。針對當前古建筑復原存在計算資源消耗大、復原效果較差等缺點,本文提出一種基于UDK虛擬現實技術的古建筑復原技術。在該技術中,首先使用UDK構建三維仿真建筑和場景,然后通過SpeedTree構建植被仿真,最后通過UDK整合實現三維虛擬場景及建筑的重建。為了進行實際應用,本文選取蘇州某園林進行虛擬現實的古建筑復原應用研究,首先通過一維平面設計出古建筑及其場的設計圖,然后通過UDK虛擬現實技術完成古建筑的復原。從復原結果來看,UDK虛擬現實技術可以很好地完成古建筑及其場景的復原,有較大的應用價值。

  關鍵詞: UDK技術; 古建筑復原; SpeedTree植被構建技術;

  虛擬現實技術旨在通過計算機建模和渲染等技術,創建出一種能夠與真實世界有相同體驗的計算機人機交互系統[1]。用戶通過虛擬現實技術構建的系統能夠產生臨場感和多感覺通道的現實體驗[2]。到目前為止,虛擬現實技術在臨床醫學、軍事模擬、情景仿真和文化遺產保護中發揮了重要作用[3,4,5]。一般來說,古建筑的場景、結構和細節都有較大的研究意義和研究價值,目前的古建筑復原技術通常都需要以較大的計算資源消耗為代價,且復原的效果也存在細節不佳等問題[6]。隨著計算機圖形學的發展和計算機計算效率的不斷提升,新興的虛擬現實技術能夠在古建筑的復原中起到關鍵作用。虛擬現實技術一方面能夠助力古建筑復原和文化遺產重建,另一方面又為古建筑和文化遺產提供了新興的保護方式,為已經消失或即將消失的文化遺產中的古建筑復原提供了可能[7]。基于此,本文采用虛擬現實技術對古建筑復原進行研究。

  在眾多虛擬現實技術中,Unity3D和Unreal Development Kit(UDK)技術是常用的虛幻引擎開發工具包,二者都是完全免費的開放平臺,但是二者有各自的使用特點和應用場景特點[8]。Unity3D是Unity公司開發的一個方便用于構建三維視頻游戲、可視化建筑實時三維動畫等互動內容的綜合開發平臺,偏向于三維游戲構建,其支持的渲染方式有限,僅僅只能進行一些游戲引擎方面的支持,對計算資源要求較低[9]。UDK是Epic數碼在Unreal Engine 3引擎基礎上開發出的一款虛幻現實模型構建軟件包,該開發平臺屬于魔幻虛擬現實開發框架,可以支持眾多渲染方式,包括HDR高精度多種類光照,高級動態陰影特效和動態渲染方式[10]。UDK技術能夠同時將百萬級別的多邊形通過模型渲染的方式表現出來,在古建筑建模上擁有巨大的優勢,且相應的計算資源消耗卻比較小,能夠滿足古建筑復原虛擬場景的真實感受要求。另外,Unity3D在開發小場景模型時有較大優勢,由于該軟件包操作簡便,所以在使用過程中很快就能上手,在導入模型紋理、邏輯編程和嵌入網頁中都擁有較大的優勢[11]。UDK則用于大型場景的建模中,渲染效果、燈光效果、顏色效果、陰影效果和幀率、場景復雜度上都比Unity3D支持得更優,與Unity3D相比,UDK可以支持各種各樣的第三方插件的嵌入,提供各種不同的目標重建方案。在大范圍的虛擬現實場景構建中,可以采用FaceFX增強紋理渲染的真實度,或采用粒子系統SpeedTree對場景中的植被進行渲染[12]。

  基于此,本文選擇采用UDK虛擬現實技術研究古建筑復原。通過UDK虛擬現實引擎提供的強大虛幻現實設計和渲染能力,并以蘇州園林某古建筑作為復原對象,對其進行虛擬場景的復原、整合和渲染,并提供多種多樣的增強效果。
 

古建筑復原中UDK虛擬現實技術的運用
 

  1、 UDK虛擬現實技術在古建筑復原中的需求分析

  1.1、 系統總體設計流程

  蘇州某園林的建筑結構相對復雜,該復原研究對象在真實設計中匠心獨運,門窗雕刻精致,做工考究,且在園林內的自然景觀占比較大,樹木繁多,山靈水秀。該園林在藝術研究上有較大的價值。構建蘇州某園林的虛擬現實古建筑復原的總體設計,主要分為兩個階段,分別是三維軟件的制作階段和游戲引擎的制作階段。圖1給出了具體流程。

  圖1 蘇州某園林古建筑復原流程圖
圖1 蘇州某園林古建筑復原流程圖

  從圖中可以看出,在三維軟件的制作階段,采用AutoCAD輔助設計軟件精確繪制出古建筑模型的參考圖,并導入至3dsMAX進行烘焙、格式模型裝換等操作;在游戲引擎的制作階段,將格式模型導入至UDK中形成場景模型,并通過UDK的材質節點編輯器制作成UDK材質,從而生成UDK對象,再對UDK對象進行渲染和增強操作,最終形成虛擬現實環境場景。

  1.2、 古建筑復原素材制作與處理

  蘇州某園林古建筑模型復原三維重構的基礎與依據是一維平面圖,在構建虛擬現實場景之前,建立一個比例正確、大小合適的場景平面圖是古建筑復原的基礎。一般情況下,一維平面圖的素材制作與處理過程如下:(1)根據蘇州某園林的分布圖來確定園林的大概輪廓,道路、花圃、植被和建筑物的位置分布和大小比例,并借助于Google地球衛星影像截圖,繪制比例精確的園林平面分布圖。(2)園林內的古建筑物,是本文復原的重要部分,一般采用Auto CAD中的直線工具進行勾勒,勾勒完成后的古建筑物,采用相同的方式導入至Google地球衛星影像截圖,并加上一些細節上的渲染,描繪出細致的紋理。利用AutoCAD描繪出的虛擬園林建筑物底圖最后應導入至3dsMAX中,作為三維虛擬園林建模的底圖。

  2、 UDK虛擬現實技術在古建筑復原中的設計與實現

  2.1、 三維仿真場景構建

  在三維建模過程中,所有建筑部位與連接處都需要進行精細的打磨和美化。建筑細節的打磨和美化程度取決于建筑模型的優劣程度。對于園林類的景觀來說,建筑群雖然只占有較小的一部分,但是建筑群是人文景觀的重要組成部分之一。蘇州園林內的建筑通常結構復雜,內部和外部飾品都極為講究,對其進行三維模型的建模有較大的研究意義。為了達到更精確的仿真效果,古建筑模型的三維模型構建通常需要復雜的模型構建和渲染,需要大量的計算資源的消耗。所以,對于內、外部裝飾極為考究的古建筑來說,建模采用更小的面、更小的計算資源消耗、達到良好的建筑仿真是研究的重點。

  在本文的UDK虛擬現實建模中,主要采用多邊形建模和石墨命令建模。在古建筑模型的屋頂上主要采用面片建模加法線貼圖相結合的方法完成,并且利用FFD優化命令對貼片縫隙進行處理,使其完成無縫對接。對窗花和浮雕等較為復雜的紋理建模,本文采用的是不透明貼圖加漫反射貼圖相結合的方式完成。需要注意的一點是,當三維模型構建完成以后,由于UDK支持TGA貼圖格式,導入UDK之前需要設置場景中的材質。所有的不透明貼圖都需要經過PS進行透明處理后轉化為TGA格式再重新導入UDK,并在UDK的屬性中重新為模型賦值。圖2給出了園林中的某個建筑的實地拍攝一維平面圖和三維場景重建圖的對比結果。

  2.2、 SpeedTree植被建模

  植被是園林景觀的重要組成部分,蘇州園林以自然植被覆蓋率高著稱。在古建筑復原過程中,植被起襯托作用,如果能夠真實還原出植被的姿態,就能夠更好的表現出古典園林的獨特韻味。一般來說,植被的生長形態結構比較復雜,且受到自然環境的影響較大,在古建筑復原過程中的植被模型構建是較難的元素之一。實際上,由于UDK只能應用于大場景下的古建筑建模,植被建模難度較大,本文采用IDV公司的SpeedTree工具平臺進行植被的建模[13]。該軟件帶有強大的樹木庫,并且可以與UDK系統兼容,因此,本文采用SpeedTree作為UDK輔助插件對植被進行建模。

  圖2 某建筑實地拍攝一維平面圖和三維場景重建圖對比結果
圖2 某建筑實地拍攝一維平面圖和三維場景重建圖對比結果

  在SpeedTree工具平臺中,使用Modeler模擬樹木的動態效果,只要在環境因素中輸入風速、風向等自然條件情況,就可以實時模擬出逼真的樹木搖動效果。在新建植物模型時,首先在PS中繪制樹皮、樹葉、草枝等植被構建的材質,并保存為TGA格式,在建模中導入SpeedTree平臺,然后在該平臺上通過新建樹木,生成樹干、樹枝和樹葉,在這些節點之間通過相互連接,自由添加樹枝、樹葉等內容。在實際設計過程中,應當注意調整長度和半徑,為每個節點構件導入合適尺度的材質。為了體現樹木的真實性,在每個樹枝和樹葉上應當添加重力使其向下彎曲,提升植被的真實度,設置完成后保存為.spm格式。

  2.3、 UDK虛擬建筑復原場景整合與實現

  在由UDK虛幻引擎實現的古建筑復原場景整合與實現中,圖3給出了具體的實現流程。在該流程中,主要分為6個組成部分,分別是模型導入、貼圖處理、光影模擬、添加碰撞、創建漫游和添加特效元素,最終形成基于UDK的虛擬建筑復原場景[14]。

  2.3.1、 模型導入

  模型導入首先在UDK中通過Import操作導入新的資源包。導入UDK時需要特別注意的是場景的參數設置,包括比例的協調、建筑和植被之間的層次布局等細節問題。一般來說可以直接將靜態模型拖放到場景中,找到相應的地形位置,調整模型顯示的大小,并將模型顯示在UDK軟件中。在3dsMAX中將完成貼圖后的整體模型導出為FBX格式,在UDK虛幻引擎中導入FBX格式文件,可以將材質、貼圖和模型在引擎中進行合理的分組,保存為素材包。對于植被的三維建模素材,使用SpeedTree模型編譯器打包成為素材包,導入UDK虛幻引擎。

  2.3.2、 貼圖處理

  模型導入完成后需要對其中的材質進行設置。因為UDK支持TGA格式的貼圖,所以需要將所有非TGA格式的素材通過PS處理后保存為TGA格式。平臺只支持2n個素材貼圖。UDK的貼圖采用結點連線的方式,與PS中的圖層疊加有相同的效果,采用這種處理方式可以讓貼圖更多樣化,效果更為逼真。

  蘇州某園林的古建筑復原重建中,最常見的復原對象為木質雕花門窗和山水石面。對木質雕花門窗來說,首先,需要在模型對應的資源包中創建新的材質,并將材質的貼圖載入,然后連入漫反射通道進行細節處理。其次,需要表現出貼圖材質的紋理信息和光照補償信息,將紋理信息和光照補償信息分別設置到UV通道上,通過在UDK中設置參數Multiply材質表達式,合成并完成貼圖。最后,通過參數Speclular設置光照的顏色、強度和材質的高光面積以及表面的光澤度,通過設置散射和反射通道數表達出凹凸效果,并且需要將其中的法線貼圖與Normal通道相連接,形成復雜的木質雕花門窗虛擬現實效果。在蘇州某園林的古建筑復原中,山石水面的制作也是素材貼圖的重要部分。由于古建筑通常會伴有假山和人工湖形成園林建筑群體系,所以在古建筑的三維重建中需要模擬真實的山石紋理和水面折射反射效果,通過這些效果的渲染讓場景變得更為真實,操作步驟與模擬木質雕花的過程相同。需要注意的是Opacity透明通道搭配淺灰色可以形成半透明水材質的效果。

  2.3.3、 光影模擬

  光影模擬的第一步是通過UDK場景創建天球模型并設計天空貼圖,要消除天球物體的陰影以免影響主光源的照射效果。天球模型構建完成后可以開始進行光照模擬。光照模擬需要在場景中設置主光源的位置,一般使用可移動區域的平行光。平行光能夠產生合理的動態陰影,對光影渲染和光影模擬產生逼真的效果(當然,陰影還能夠產生出日出日落的模擬效果)。通常情況下光影模擬應該采用主輔兩種光源,在主光源位置安置好后設置輔助光源,以消除主光源直射物體產生的背部陰影亮度過低的問題——這時候的輔助光源應該為天空光,并且以散射光為主。場景中的基本光照設置完成后,需要為個別不受光的物體添加泛光光源,以獲得更為真實的渲染效果。一般受光面設置為暖色調,陰影面設置為冷色調,二者之間相得益彰,最終設置出輝光效果。圖3給出了本文為蘇州某園林設計出的光影模擬效果。

  圖3 蘇州某園林的光影模擬效果
圖3 蘇州某園林的光影模擬效果

  2.3.4 、添加碰撞

  UDK中的碰撞添加主要采用三種方式,其一是建筑物通過自身幾何體碰撞屬性完成;其二是山石通過自身幾何體碰撞屬性完成;其三是水面的碰撞可以使用UDK中提供的Blocking Volume構建出碰撞效果。

  2.3.5、 創建漫游

  UDK虛擬現實技術通過UDK Game模式自動為虛擬現實場景提供第一人稱漫游模式,該漫游模式可以創建Kismet攝像機的動畫軌跡并且通過參數設置調整攝像機視角的各個參數,完成第一人稱漫游的攝像機運動的方案制作。

  2.3.6 、添加特效元素

  特效元素包括隨機的天氣和植被的四季變化等特效元素。由于蘇州某園林存在多霧天氣,所以可以通過在UDK引擎中設計粒子系統,在虛擬現實場景中模擬出多霧天氣和雨滴等效果,樹木的四季變化也可以通過不同顏色渲染得以實現,通過高度的仿真與藝術烘托相結合的方式,進一步提升古建筑復原的真實性和藝術性。

  3、 總結

  隨著計算技術的飛速發展,虛擬現實技術在各行各業具有廣泛的應用前景。計算機虛擬現實建模技術通過對古建筑進行建模并進行復原,以期獲得更好的文化遺產保護。本文從實際出發,選擇了UDK虛擬現實技術作為古建筑復原應用技術,并結合SpeedTree植被建模技術,通過對蘇州某園林建筑及其場景進行了古建筑修復應用。首先通過一維平面設計出古建筑及其場景的設計圖,然后通過UDK虛擬現實技術完成古建筑的復原。復原過程中首先使用UDK構建三維仿真建筑和場景,然后通過SpeedTree構建植被仿真,最后通過UDK整合和實現三維虛擬場景與建筑的重建,整合過程中給出了6個重要部分,分別是模型導入、貼圖處理、光影模擬、添加碰撞、創建漫游和添加特效元素,形成基于UDK的虛擬建筑復原場景。從復原結果來看,UDK虛擬現實技術可以很好完成古建筑及其場景的復原,有較強的應用意義。

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