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基于網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)系統(tǒng)的園林古建筑三維展示論文
古建筑是人類悠久歷史進(jìn)程的見證，是人類文明的重要標(biāo)志，隨著激光掃描技術(shù)的飛速發(fā)展，針對(duì)古建筑數(shù)字保護(hù)方面的研究愈來愈熱，主要研究方向 集 中 在 數(shù) 據(jù) 采 集[1]、點(diǎn) 云 管 理[2-3]、特 征 提取[4-5]、建筑正射影像圖制作[6]、古建筑建模[7-9]、仿真系統(tǒng)開發(fā)[10-11]等方面。在古建筑仿真系統(tǒng)方面，由于模型精細(xì)、逼真，數(shù)據(jù)資源量大，所以基于網(wǎng)絡(luò)的古建筑虛擬展示、精細(xì)模型的網(wǎng)絡(luò)傳輸和渲染等方面一直受到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬和吞吐量限制。目前多數(shù)古建筑仿真系統(tǒng)是單機(jī)版，基于Vega Prime、OpenGL等引擎開發(fā)[10-11].
本文以全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位嶺南“四大名園”之一的東莞可園為例，通過地面三維激光掃描建立園林古建筑精細(xì)、完整的三維模型，采集制作屬性數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)，基于Unity3D引擎開發(fā)網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)園林古建筑的生動(dòng)展示。
Unity3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的一個(gè)支持碰撞檢測、光影、風(fēng)動(dòng)、水波等特效的專業(yè)游戲引擎，可用于開發(fā)三維游戲、實(shí)時(shí)三維仿真等類型互動(dòng)系統(tǒng)，通過Unity3D可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布[12].
1 數(shù)據(jù)建設(shè)
園林古建筑網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)構(gòu)成分為3大類：多層次細(xì)節(jié)模型、屬性數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)，如圖1所示。
1.1三維數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理采用RieGL VZ400地面三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，點(diǎn)云顏色采用掃描儀配套相機(jī)進(jìn)行采集，用于紋理貼圖的照片采用高清數(shù)碼相機(jī)正面拍攝，包括：進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與誤差改正、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、降噪與抽稀，影像調(diào)色和糾正，彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作。
1.2三維建模三維模型數(shù)據(jù)包括古建筑、家具、植被、地形等。模型共分為三級(jí)，各級(jí)情況如下：1）一級(jí)模型：細(xì)節(jié)建模表現(xiàn)，輔以高清紋理影像，基于點(diǎn)云和建筑測繪圖在Geomagic sutdio和圖2銅像點(diǎn)云與模型對(duì)比3DMax中制作模型[9],模型精度優(yōu)于5cm,圖2為可園主人張敬修銅像的點(diǎn)云與模型對(duì)比。制作范圍包括整個(gè)可園建筑（包含古建筑的廳堂內(nèi)外）、部分展品、家具、植被（見圖3）。為了表現(xiàn)風(fēng)動(dòng)特效，植被采用實(shí)體建模表現(xiàn)。2）二級(jí)模型：主體建模表現(xiàn)，輔以高清紋理影像。一級(jí)模型覆蓋范圍的二級(jí)模型由一級(jí)模型簡化得到，其他制作范圍還包含園林小品、湖景、假山等�？蓤@一級(jí)模型占存儲(chǔ)空間約800 MB,簡化后二級(jí)模型僅70MB.3）三級(jí)模型：在現(xiàn)有模型庫中選取，制作范圍為部分植被、垃圾筒、花盆等。
1.3多媒體數(shù)據(jù)
1）導(dǎo)覽語音數(shù)據(jù)：采集導(dǎo)覽音頻數(shù)據(jù)，按照古建筑場景區(qū)域進(jìn)行分割，轉(zhuǎn)換為MP3格式。
2）界面視覺數(shù)據(jù)：為了使系統(tǒng)美觀，采集、設(shè)計(jì)并制作系統(tǒng)界面的視覺元素，如系統(tǒng)圖標(biāo)、登錄界面背景圖、菜單圖標(biāo)、單位名稱標(biāo)志等。
1.4屬性數(shù)據(jù)
1）文本介紹數(shù)據(jù)：編輯整理建筑及展品歷史沿革、相關(guān)故事等文本信息。
2）漫游路徑數(shù)據(jù)：根據(jù)拼接后模型的坐標(biāo)設(shè)定漫游路徑，存儲(chǔ)路徑信息，并匹配分區(qū)介紹的語音文件。3）用戶數(shù)據(jù)：按照用戶名稱、類型、權(quán)限等設(shè)置用戶字段，存儲(chǔ)用戶信息。
2 系統(tǒng)模型預(yù)處理
系統(tǒng)使用Unity3D集成園林古建筑三維場景。通過模型的預(yù)處理提高模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量，節(jié)約模型數(shù)據(jù)加載時(shí)間，為后期系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)做好鋪墊。
2.1模型材質(zhì)處理及UV調(diào)整
1）物體單一材質(zhì)。對(duì)于一個(gè)模型僅使用一張貼圖，應(yīng)確保UV坐標(biāo)系處于0~1之間。
2）物體多維材質(zhì)。一個(gè)物體中應(yīng)用多個(gè)材質(zhì)，可分為專屬材質(zhì)和共享材質(zhì)分布處理。若某材質(zhì)需要獨(dú)立調(diào)整，則需新建材質(zhì)及貼圖；若需與其他模型共用材質(zhì)則需注意命名的一致性。
2.2模型共點(diǎn)處理對(duì)拼接后的模型需共用點(diǎn)的地方，執(zhí)行合并點(diǎn)操作，保證模型無縫拼接，避免模型碰撞檢測失效，出現(xiàn)穿墻、墜落等現(xiàn)象。
2.3模型軸向處理針對(duì)需動(dòng)態(tài)開合的門窗模型，由于Unity3D與3DMax的 軸 向 不 一 致，所 有 模 型 在 導(dǎo) 出 前 要 將3DMax模型的旋轉(zhuǎn)軸調(diào)整為Unity3D要求的方向。
2.4模型與信息匹配處理對(duì)導(dǎo)入到Unity3D后的模型，通過模型ID建立與屬性信息的匹配，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊三維空間模型查詢模型屬性信息。
3 系統(tǒng)集成開發(fā)
3.1數(shù)據(jù)組織調(diào)度機(jī)理Unity3D以特有的Asset三維空間數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)和調(diào)度模型、材質(zhì)、貼圖、特效等資源。
Asset采用了一種外部整合數(shù)據(jù)的引擎AssetBundles,把U-nity3D編輯器中的資源分門別類輸出，通過FTP、ASP結(jié)合數(shù)據(jù)庫的方法存儲(chǔ)到服務(wù)器中。系統(tǒng)運(yùn)行階段，客戶端通過網(wǎng)絡(luò)來下載AssetBundles數(shù)據(jù)資源，再進(jìn)行加載、渲染等一系列操作。
對(duì)于屬性數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量較小，所以系統(tǒng)選用Microsoft Office Access來管理。
3.2系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)以Unity3D為引擎，選擇Mono C#跨平臺(tái)的開源編譯器編碼實(shí)現(xiàn)仿真互動(dòng)系統(tǒng)（互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)）的開發(fā)，系統(tǒng)功能架構(gòu)見圖4. 1）互聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)系統(tǒng)�？紤]到互聯(lián)網(wǎng)帶寬和吞吐量限制，舍棄一級(jí)精模，以二、三級(jí)模型搭建漫游場景，采用B/S模式實(shí)現(xiàn)運(yùn)行于互聯(lián)網(wǎng)的仿真互動(dòng)系統(tǒng)。
2）局域網(wǎng)互動(dòng)系統(tǒng)。局域網(wǎng)仿真互動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行于客戶端與景區(qū)演示機(jī)。局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速度快，所以采用C/S模式實(shí)現(xiàn)（見圖5），以一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)模型搭建仿真場景，形成多層次細(xì)節(jié)（LOD）模型的無縫切換。
4 結(jié)束語
采用地面激光掃描技術(shù)建立園林古建筑三維數(shù)據(jù)，基于Unity3D實(shí)現(xiàn)園林古建筑高精度的局域網(wǎng)展示以及高效的互聯(lián)網(wǎng)線上展示、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫與前臺(tái)視覺表達(dá)的有效契合。本文開發(fā)的B/S模式的“可園”互聯(lián)網(wǎng)公眾互動(dòng)系統(tǒng)可點(diǎn)擊網(wǎng)頁（“可園網(wǎng)上展示”訪問，由于網(wǎng)絡(luò)吞吐量限制，1S模式系統(tǒng)舍棄了c/s模式的一級(jí)精模，損失部分表達(dá)細(xì)節(jié)。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)條件下，提升仿真互動(dòng)系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速度，提高園林古建筑仿真模型精細(xì)程度是進(jìn)一步的研究方向。
參考文獻(xiàn)：
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