摘要：本文就如何運用二種基于不同原理的三維虛擬仿真技術，針對天津歷史風貌建筑保護與管理中所急需解決的歷史風貌建筑三維虛擬交互漫游、已滅失建筑的復原、基于INTERNET環境下的三維展示等課題，進行了深入的研究與開發，得出了滿足不同用途需要所應采取的虛擬實現技術路徑,并介紹了風貌建筑三維建模與虛擬漫游系統建立與開發方法。
　　關鍵詞：虛擬現實；風貌建筑；三維可視化；仿真；
　　
　　1. 引言
　　天津作為全國歷史文化名城，有著中西合璧、古今兼容的獨特城市風貌。最具有代表性的就是在中心城區分布著英、法、意、德、西班牙等國各式歷史風貌建筑數千座，代表性建筑數百座。這些歷史風貌建筑記載了天津不同時期的歷史文化和時代變遷，是一部珍貴的歷史文化教科書和寶貴的文化遺產，具有很高的歷史價值、經濟價值和文化價值，構成了建設國際大都市深厚的文化底蘊。當前，對這些歷史風貌建筑進行有效的管理與保護，得到了政府和各級部門的高度重視。
　　近幾年，虛擬現實(VirtualReality，簡稱VR)，又稱為靈境技術，它匯集了數字圖象處理、計算機圖形學、多媒體技術、人工智能、人機接口技術、傳感器技術，以及人體行為學等多項技術，是計算機技術的綜合應用。具體地說，就是以計算機技術為核心的現代高科技，生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境，虛擬仿真用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互作用，相互影響，從而產生如同真實環境的感受和體驗。盡管該環境并不真實存在，但它作為一個逼真的三維環境．仿佛就在我們周圍。由于用戶對計算機環境中的虛擬物體產生了類似于對現實物體的存存意識或幻覺，從而使得用戶在計算機所創建的維虛擬環境中處于一種全身心投入的狀態。近年來，VR技術在文物古跡的再現與仿真上得到了不同程度的應用。然而如何利用VR技術于天津歷史風貌建筑的保護與管理中，一直未能開展系統、深入的研究與開發。因此，應用不同原理的仿真技術，來實現歷史風貌建筑虛擬再現，為天津歷史風貌建筑的展示與管理提供一個現代信息技術手段，有著較大的應用價值和意義。為此，市風貌辦和地勘院開展了“虛擬全景技術在天津歷史風貌建筑虛擬再現應用研究”課題。
　　本課題研究的主要內容，就是運用基于不同原理的虛擬現實技術，針對現存和已滅失的天津歷史風貌建筑三維可視化實現，在進行升入的研究、分析、開發試驗的基礎上，提出了滿足不同功能需求的三維虛擬仿真實現的技術路徑與方法，為天津歷史風貌建筑數字化保護與管理進行了前瞻性和實用性的研究，本文將就基于不同原理的VR技術就風貌建筑三維可視化的關鍵技術及實現路徑進行了闡述，并進行綜合比較。
　　2.基于360度全景技術的風貌建筑三維可視化實現技術路徑
　　2.1360度全景技術簡介
　　360度全景技術是一種基于靜態圖像的、在微機平臺上能夠實現的虛擬現實技術。在計算機視覺方面，通過全景圖的深度信息抽取，可以恢復場景的三維信息。通過鼠標控制環視的方向等交互操作，可以實現360度全景觀察、自由瀏覽，產生強烈的沉浸感，體驗三維的VR視覺世界。虛擬全景技術種類有柱形全景、球形全景、立方體全景、對象全景等，在天津歷史風貌建筑全景展示系統研究應用中，采用了技術難度較大的球形全景技術——球形全景，即視角水平是360度、垂直是180度的全視角場景，在人機交互的環境中，全面、詳細地察看、瀏覽風貌建筑的整體與局部。
　　2.2風貌建筑全景展示系統建立開發技術路徑
　　全景攝影：使用魚眼鏡頭、數碼單反相機和360度全景云臺對建筑體及場景進行拍照，形成球面全景圖像。
　　全景圖拼接：在PTGUI軟件中裝入四張球形圖像，設置相機鏡頭參數和標記匹配點，進行優化操作，生成全景圖片或MOV文件，球體照片轉為立方體模型。
　　單體風貌建筑虛擬全景的制作：將全景圖導入Pano2QTVR中，設定生成flash影片的大小及質量，導出虛擬全景flash文件。
　　虛擬全景展示廳的開發：在Macromediaflash8軟件中進行編程，實現各風貌建筑場景之間的切換和單體建筑體內部不同場景的轉換，形成網狀的鏈接關系。最后完成系統交互界面的開發與制作，系統中張學銘故居漫游界面如圖1。
　　圖1張學銘故居漫游界面
　　2.3“天津歷史風貌建筑虛擬全景展示廳”應用方向
　　在天津風貌建筑的管理中，基于360全景技術的“天津歷史風貌建筑虛擬全景展示廳”建立與應用，一是改變了傳統的用照片、視頻保留風貌建筑的方式，為現存歷史風貌建筑數字資料的留存，提供了一個以三維數字信息技術存檔的管理手段。二是實現了以人機交互的方法，全方位、多角度實現了以三維的形式，快速查看、瀏覽歷史風貌建筑建筑體及周邊環境。特別是隨著風貌建筑三維數字建模技術的建立完善，將為政府職能部門在風貌建筑的管理中，快速、全面的掌握風貌建筑的信息提供一個現代化工具。三是可以將系統放在因特網或展館中的觸摸屏上，對于宣傳、展示風貌建筑，有著得天獨厚的技術優勢。
　　3基于幾何建模的風貌建筑三維可視化實現技術理路徑
　　3.1幾何建模和交互漫游技術簡介
　　在本課題的研究中，采用基于幾何建模技術，依據《歷史風貌建筑保護圖則》，即利用建筑測繪平、立、剖面圖或原設計圖紙，在3DSMAX建模軟件中，對模型進行尺寸、材質、環境變化以及光影的調整等進行技術處理，對天津歷史風貌建筑的三維模型進行場景的組織構建，形成風貌建筑模型和場景。采用了VR-Platform作為歷史風貌建筑場景構建的平臺軟件，實現了歷史風貌建筑的三維漫游。特別是在逼真的靜態光影效果，大規模場景的組織與渲染效率，場景轉換平滑等技術，把VR技術所特有的沉浸感、交互感，全面、生動、逼真地展示出了歷史風貌建筑的內、外部全景。
　　3.2“天津市歷史風貌建筑三維虛擬漫游系統”開發技術方法
　　建筑體及環境建模：將風貌建筑的平面、立面、剖面圖的DXF格式數據導入3DMAX軟件中；進行墻體、窗戶、屋頂以及室內外物體的制作；用材質給模型貼圖；渲染與烘焙；模型的導出。單體建筑模型如下：
　　虛擬漫游系統的建立：將模型導入到VRP編輯器中，進行場景優化、交互制作、特效制作以及界面設計。系統主界面及建筑漫游界面如圖2、圖3、圖4。
　　
　　圖2天津市歷史風貌建筑三維虛擬漫游系統界面
　　
　　圖3風貌建筑外圍輪廓
　　
　　圖4風貌建筑庭院展現
　　3.3“天津市歷史風貌建筑三維虛擬漫游系統”應用方向
　　在風貌建筑管理中，主要以二種方式利用該系統：
　　一是可以在PC機上，以人機交互的形式，如同身臨其境版的漫游建筑體的室內外的風貌。特別是對于已滅失的歷史風貌建筑，利用該技術方法，將其以真三維的形式復原，并進行建筑體內外查看。
　　二是可以利用該系統軟件，按設定的路徑，設定的時間長短，導出成視頻格式的文件，進行播放。
　　4.兩種虛擬現實技術比較及在風貌建筑應用方向
　　通過本課題的研究可以看出，上述兩種虛擬技術各有特點，各有所長，其中基于圖像的360度全景技術的特點主要體現在以下幾方面：
　　1）.真實感強，基于對真實圖片的制作生成，相比其他建模生成對象更真實可信；
　　2）.比平面圖片能表達更多的圖像信息，并可以任意控制，交互性能好；
　　3）.經過對圖像的透視處理模擬真實三維實景，沉浸感強烈，給觀賞者帶來身臨其境的感覺；
　　4）.比3D建模生成方便，制作周期短，制作成本低，文件小，傳輸方便，適合網絡使用，發布格式多樣，適合各種形式的應用。
　　但是它沒有模型支持，場景交互功能較弱。這種技術一是適合大規模歷史風貌建筑的虛擬全景展示廳的制作，用于博物館展示，給人以身臨其境的真實感。二是可以三維全景的形式把風貌建筑建成數字全景庫并人機交互的展現、查看建筑體的每一細節部分，從而可以改變傳統的以照片、視頻保存建筑體圖像資料的方式。
　　基于圖形的幾何建模技術是一項經典且成熟的技術，其主要特點是可以基于圖形靈活方便地構建起各種具有較高真實度的模型和場景，交互功能強大，可實現任意三維交互式漫游與動畫操作，適合于建筑及其場景的虛擬再現。但由于材質及紋理的限制，真實度與現實相比尚有一定差距。這種方法建立的模型精確美觀，沉浸感和交互感強，既可以對已經存在的歷史風貌建筑進行建模，又可以對已經消失的歷史建筑進行復原，如本項目中的張仲平先生舊居，還可以對未來的規劃進行仿真漫游。