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古建筑复原中UDK虚拟现实技术的运用

时间:2020-02-14 来源:未知 作者:梦露 本文字数:5920字

  摘    要: 近年来,古建筑的建筑场景、建筑结构和建筑细节的研究逐渐成为研究热点。针对当前古建筑复原存在计算资源消耗大、复原效果较差等缺点,本文提出一种基于UDK虚拟现实技术的古建筑复原技术。在该技术中,首先使用UDK构建三维仿真建筑和场景,然后通过SpeedTree构建植被仿真,最后通过UDK整合实现三维虚拟场景及建筑的重建。为了进行实际应用,本文选取苏州某园林进行虚拟现实的古建筑复原应用研究,首先通过一维平面设计出古建筑及其场的设计图,然后通过UDK虚拟现实技术完成古建筑的复原。从复原结果来看,UDK虚拟现实技术可以很好地完成古建筑及其场景的复原,有较大的应用价值。

  关键词: UDK技术; 古建筑复原; SpeedTree植被构建技术;

  虚拟现实技术旨在通过计算机建模和渲染等技术,创建出一种能够与真实世界有相同体验的计算机人机交互系统[1]。用户通过虚拟现实技术构建的系统能够产生临场感和多感觉通道的现实体验[2]。到目前为止,虚拟现实技术在临床医学、军事模拟、情景仿真和文化遗产保护中发挥了重要作用[3,4,5]。一般来说,古建筑的场景、结构和细节都有较大的研究意义和研究价值,目前的古建筑复原技术通常都需要以较大的计算资源消耗为代价,且复原的效果也存在细节不佳等问题[6]。随着计算机图形学的发展和计算机计算效率的不断提升,新兴的虚拟现实技术能够在古建筑的复原中起到关键作用。虚拟现实技术一方面能够助力古建筑复原和文化遗产重建,另一方面又为古建筑和文化遗产提供了新兴的保护方式,为已经消失或即将消失的文化遗产中的古建筑复原提供了可能[7]。基于此,本文采用虚拟现实技术对古建筑复原进行研究。

  在众多虚拟现实技术中,Unity3D和Unreal Development Kit(UDK)技术是常用的虚幻引擎开发工具包,二者都是完全免费的开放平台,但是二者有各自的使用特点和应用场景特点[8]。Unity3D是Unity公司开发的一个方便用于构建三维视频游戏、可视化建筑实时三维动画等互动内容的综合开发平台,偏向于三维游戏构建,其支持的渲染方式有限,仅仅只能进行一些游戏引擎方面的支持,对计算资源要求较低[9]。UDK是Epic数码在Unreal Engine 3引擎基础上开发出的一款虚幻现实模型构建软件包,该开发平台属于魔幻虚拟现实开发框架,可以支持众多渲染方式,包括HDR高精度多种类光照,高级动态阴影特效和动态渲染方式[10]。UDK技术能够同时将百万级别的多边形通过模型渲染的方式表现出来,在古建筑建模上拥有巨大的优势,且相应的计算资源消耗却比较小,能够满足古建筑复原虚拟场景的真实感受要求。另外,Unity3D在开发小场景模型时有较大优势,由于该软件包操作简便,所以在使用过程中很快就能上手,在导入模型纹理、逻辑编程和嵌入网页中都拥有较大的优势[11]。UDK则用于大型场景的建模中,渲染效果、灯光效果、颜色效果、阴影效果和帧率、场景复杂度上都比Unity3D支持得更优,与Unity3D相比,UDK可以支持各种各样的第三方插件的嵌入,提供各种不同的目标重建方案。在大范围的虚拟现实场景构建中,可以采用FaceFX增强纹理渲染的真实度,或采用粒子系统SpeedTree对场景中的植被进行渲染[12]。

  基于此,本文选择采用UDK虚拟现实技术研究古建筑复原。通过UDK虚拟现实引擎提供的强大虚幻现实设计和渲染能力,并以苏州园林某古建筑作为复原对象,对其进行虚拟场景的复原、整合和渲染,并提供多种多样的增强效果。
 

古建筑复原中UDK虚拟现实技术的运用
 

  1、 UDK虚拟现实技术在古建筑复原中的需求分析

  1.1、 系统总体设计流程

  苏州某园林的建筑结构相对复杂,该复原研究对象在真实设计中匠心独运,门窗雕刻精致,做工考究,且在园林内的自然景观占比较大,树木繁多,山灵水秀。该园林在艺术研究上有较大的价值。构建苏州某园林的虚拟现实古建筑复原的总体设计,主要分为两个阶段,分别是三维软件的制作阶段和游戏引擎的制作阶段。图1给出了具体流程。

  图1 苏州某园林古建筑复原流程图
图1 苏州某园林古建筑复原流程图

  从图中可以看出,在三维软件的制作阶段,采用AutoCAD辅助设计软件精确绘制出古建筑模型的参考图,并导入至3dsMAX进行烘焙、格式模型装换等操作;在游戏引擎的制作阶段,将格式模型导入至UDK中形成场景模型,并通过UDK的材质节点编辑器制作成UDK材质,从而生成UDK对象,再对UDK对象进行渲染和增强操作,最终形成虚拟现实环境场景。

  1.2、 古建筑复原素材制作与处理

  苏州某园林古建筑模型复原三维重构的基础与依据是一维平面图,在构建虚拟现实场景之前,建立一个比例正确、大小合适的场景平面图是古建筑复原的基础。一般情况下,一维平面图的素材制作与处理过程如下:(1)根据苏州某园林的分布图来确定园林的大概轮廓,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地球卫星影像截图,绘制比例精确的园林平面分布图。(2)园林内的古建筑物,是本文复原的重要部分,一般采用Auto CAD中的直线工具进行勾勒,勾勒完成后的古建筑物,采用相同的方式导入至Google地球卫星影像截图,并加上一些细节上的渲染,描绘出细致的纹理。利用AutoCAD描绘出的虚拟园林建筑物底图最后应导入至3dsMAX中,作为三维虚拟园林建模的底图。

  2、 UDK虚拟现实技术在古建筑复原中的设计与实现

  2.1、 三维仿真场景构建

  在三维建模过程中,所有建筑部位与连接处都需要进行精细的打磨和美化。建筑细节的打磨和美化程度取决于建筑模型的优劣程度。对于园林类的景观来说,建筑群虽然只占有较小的一部分,但是建筑群是人文景观的重要组成部分之一。苏州园林内的建筑通常结构复杂,内部和外部饰品都极为讲究,对其进行三维模型的建模有较大的研究意义。为了达到更精确的仿真效果,古建筑模型的三维模型构建通常需要复杂的模型构建和渲染,需要大量的计算资源的消耗。所以,对于内、外部装饰极为考究的古建筑来说,建模采用更小的面、更小的计算资源消耗、达到良好的建筑仿真是研究的重点。

  在本文的UDK虚拟现实建模中,主要采用多边形建模和石墨命令建模。在古建筑模型的屋顶上主要采用面片建模加法线贴图相结合的方法完成,并且利用FFD优化命令对贴片缝隙进行处理,使其完成无缝对接。对窗花和浮雕等较为复杂的纹理建模,本文采用的是不透明贴图加漫反射贴图相结合的方式完成。需要注意的一点是,当三维模型构建完成以后,由于UDK支持TGA贴图格式,导入UDK之前需要设置场景中的材质。所有的不透明贴图都需要经过PS进行透明处理后转化为TGA格式再重新导入UDK,并在UDK的属性中重新为模型赋值。图2给出了园林中的某个建筑的实地拍摄一维平面图和三维场景重建图的对比结果。

  2.2、 SpeedTree植被建模

  植被是园林景观的重要组成部分,苏州园林以自然植被覆盖率高着称。在古建筑复原过程中,植被起衬托作用,如果能够真实还原出植被的姿态,就能够更好的表现出古典园林的独特韵味。一般来说,植被的生长形态结构比较复杂,且受到自然环境的影响较大,在古建筑复原过程中的植被模型构建是较难的元素之一。实际上,由于UDK只能应用于大场景下的古建筑建模,植被建模难度较大,本文采用IDV公司的SpeedTree工具平台进行植被的建模[13]。该软件带有强大的树木库,并且可以与UDK系统兼容,因此,本文采用SpeedTree作为UDK辅助插件对植被进行建模。

  图2 某建筑实地拍摄一维平面图和三维场景重建图对比结果
图2 某建筑实地拍摄一维平面图和三维场景重建图对比结果

  在SpeedTree工具平台中,使用Modeler模拟树木的动态效果,只要在环境因素中输入风速、风向等自然条件情况,就可以实时模拟出逼真的树木摇动效果。在新建植物模型时,首先在PS中绘制树皮、树叶、草枝等植被构建的材质,并保存为TGA格式,在建模中导入SpeedTree平台,然后在该平台上通过新建树木,生成树干、树枝和树叶,在这些节点之间通过相互连接,自由添加树枝、树叶等内容。在实际设计过程中,应当注意调整长度和半径,为每个节点构件导入合适尺度的材质。为了体现树木的真实性,在每个树枝和树叶上应当添加重力使其向下弯曲,提升植被的真实度,设置完成后保存为.spm格式。

  2.3、 UDK虚拟建筑复原场景整合与实现

  在由UDK虚幻引擎实现的古建筑复原场景整合与实现中,图3给出了具体的实现流程。在该流程中,主要分为6个组成部分,分别是模型导入、贴图处理、光影模拟、添加碰撞、创建漫游和添加特效元素,最终形成基于UDK的虚拟建筑复原场景[14]。

  2.3.1、 模型导入

  模型导入首先在UDK中通过Import操作导入新的资源包。导入UDK时需要特别注意的是场景的参数设置,包括比例的协调、建筑和植被之间的层次布局等细节问题。一般来说可以直接将静态模型拖放到场景中,找到相应的地形位置,调整模型显示的大小,并将模型显示在UDK软件中。在3dsMAX中将完成贴图后的整体模型导出为FBX格式,在UDK虚幻引擎中导入FBX格式文件,可以将材质、贴图和模型在引擎中进行合理的分组,保存为素材包。对于植被的三维建模素材,使用SpeedTree模型编译器打包成为素材包,导入UDK虚幻引擎。

  2.3.2、 贴图处理

  模型导入完成后需要对其中的材质进行设置。因为UDK支持TGA格式的贴图,所以需要将所有非TGA格式的素材通过PS处理后保存为TGA格式。平台只支持2n个素材贴图。UDK的贴图采用结点连线的方式,与PS中的图层叠加有相同的效果,采用这种处理方式可以让贴图更多样化,效果更为逼真。

  苏州某园林的古建筑复原重建中,最常见的复原对象为木质雕花门窗和山水石面。对木质雕花门窗来说,首先,需要在模型对应的资源包中创建新的材质,并将材质的贴图载入,然后连入漫反射通道进行细节处理。其次,需要表现出贴图材质的纹理信息和光照补偿信息,将纹理信息和光照补偿信息分别设置到UV通道上,通过在UDK中设置参数Multiply材质表达式,合成并完成贴图。最后,通过参数Speclular设置光照的颜色、强度和材质的高光面积以及表面的光泽度,通过设置散射和反射通道数表达出凹凸效果,并且需要将其中的法线贴图与Normal通道相连接,形成复杂的木质雕花门窗虚拟现实效果。在苏州某园林的古建筑复原中,山石水面的制作也是素材贴图的重要部分。由于古建筑通常会伴有假山和人工湖形成园林建筑群体系,所以在古建筑的三维重建中需要模拟真实的山石纹理和水面折射反射效果,通过这些效果的渲染让场景变得更为真实,操作步骤与模拟木质雕花的过程相同。需要注意的是Opacity透明通道搭配浅灰色可以形成半透明水材质的效果。

  2.3.3、 光影模拟

  光影模拟的第一步是通过UDK场景创建天球模型并设计天空贴图,要消除天球物体的阴影以免影响主光源的照射效果。天球模型构建完成后可以开始进行光照模拟。光照模拟需要在场景中设置主光源的位置,一般使用可移动区域的平行光。平行光能够产生合理的动态阴影,对光影渲染和光影模拟产生逼真的效果(当然,阴影还能够产生出日出日落的模拟效果)。通常情况下光影模拟应该采用主辅两种光源,在主光源位置安置好后设置辅助光源,以消除主光源直射物体产生的背部阴影亮度过低的问题——这时候的辅助光源应该为天空光,并且以散射光为主。场景中的基本光照设置完成后,需要为个别不受光的物体添加泛光光源,以获得更为真实的渲染效果。一般受光面设置为暖色调,阴影面设置为冷色调,二者之间相得益彰,最终设置出辉光效果。图3给出了本文为苏州某园林设计出的光影模拟效果。

  图3 苏州某园林的光影模拟效果
图3 苏州某园林的光影模拟效果

  2.3.4 、添加碰撞

  UDK中的碰撞添加主要采用三种方式,其一是建筑物通过自身几何体碰撞属性完成;其二是山石通过自身几何体碰撞属性完成;其三是水面的碰撞可以使用UDK中提供的Blocking Volume构建出碰撞效果。

  2.3.5、 创建漫游

  UDK虚拟现实技术通过UDK Game模式自动为虚拟现实场景提供第一人称漫游模式,该漫游模式可以创建Kismet摄像机的动画轨迹并且通过参数设置调整摄像机视角的各个参数,完成第一人称漫游的摄像机运动的方案制作。

  2.3.6 、添加特效元素

  特效元素包括随机的天气和植被的四季变化等特效元素。由于苏州某园林存在多雾天气,所以可以通过在UDK引擎中设计粒子系统,在虚拟现实场景中模拟出多雾天气和雨滴等效果,树木的四季变化也可以通过不同颜色渲染得以实现,通过高度的仿真与艺术烘托相结合的方式,进一步提升古建筑复原的真实性和艺术性。

  3、 总结

  随着计算技术的飞速发展,虚拟现实技术在各行各业具有广泛的应用前景。计算机虚拟现实建模技术通过对古建筑进行建模并进行复原,以期获得更好的文化遗产保护。本文从实际出发,选择了UDK虚拟现实技术作为古建筑复原应用技术,并结合SpeedTree植被建模技术,通过对苏州某园林建筑及其场景进行了古建筑修复应用。首先通过一维平面设计出古建筑及其场景的设计图,然后通过UDK虚拟现实技术完成古建筑的复原。复原过程中首先使用UDK构建三维仿真建筑和场景,然后通过SpeedTree构建植被仿真,最后通过UDK整合和实现三维虚拟场景与建筑的重建,整合过程中给出了6个重要部分,分别是模型导入、贴图处理、光影模拟、添加碰撞、创建漫游和添加特效元素,形成基于UDK的虚拟建筑复原场景。从复原结果来看,UDK虚拟现实技术可以很好完成古建筑及其场景的复原,有较强的应用意义。

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