古建筑数字化导览方法研究
近年来，虚拟现实技术逐渐应用到各行各业，均取得了一定的成效。在文化传承与旅游推广中，古建筑场景的虚拟漫游对人们足不出户的了解中国传统文化、增强旅游景点的吸引力有着重要的意义。现阶段产业界主要通过场景的三维建模，人为设置参观路线实现古建筑场景的虚拟漫游；或者让用户自行的在场景中漫无目标的游览；此外，也会通过人为设计并生成建筑构件的营造动画来展示古建筑的文化知识。这些方式都依赖于程序设计者的主观意愿，或者遵循于相关领域的一些固有习惯及规则，同时需要花费从业者大量的时间来完成。因此，为古建筑场景设计自动且优秀的导览方式成为本文的主要研究目标。
第一章 绪论
1.1 课题背景与意义
1.1.1 课题背景
近年来，社会经济发展迅猛，其中旅游业以其快速的发展趋势和日益壮大的规模脱颖而出，成为产业链中重要的一环。旅游业能够满足人们日益增长的物质文化需求，给人们足够的愉悦体验，获得精神与身体上的双重享受，同时在旅游中还能改善人们的身体健康状况，开阔视野，增长知识文化，推动社会发展。整个旅游业行业的发展受到整个社会国民经济发展的影响与制约，同时也对相关国 民经济的发展起到促进作用，推动所有相关行业如商业、饮食服务业、邮电、铁 路、公路等行业的发展，并潜移默化的推动这些行业不断增加服务项目、完善各类设施以达到提升服务质量的目的。随着社会发展，旅游产业愈来愈展示其日益重要的地位。然而现如今随着旅游业的快速发展，因为各景点人流量逐渐增多还有自然风化等一系列的原因使得各类旅游景点的破坏情况也日益严重，如何保持旅游业的 持续发展且提升对人文景观的保护迫在眉睫。虚拟现实技术在近几年因为其独特的沉浸式展示方式逐渐应用在各领域中，虚拟现实技术以其身临其境的特点能够给予人们无限接近真实的体验，成为了目前重要的展示宣传方式之一。
为了提升旅游业的宣传效果，推动旅游业的发展，将虚拟现实技术用于特色景点的展示，能够让用户在旅游前对这些特色景点有更真切详细的了解，更加利于旅游景点的推广和宣传。同时通过虚拟现实的方式，可以满足那些无法前往旅游景点特殊人群的需求，在足不出户的情况下游览完心驰神往的特色景点。而且通过此方式还能对规划中的或仍在建设中的景点进行虚拟展示，起到提前宣传的作用。安徽省科技攻关计划项目——面向西藏山南地区古寺庙群落的互联网+虚拟旅游关键技术与实践研究，旨在通过虚拟现实技术与旅游业结合，加强西藏地区文化的宣传力度，让更多的人们了解西藏，走进西藏。项目主要通过数据收集与模型制作实现西藏山南地区古寺庙场景再现，然后通过虚拟现实技术，对重要景 点进行展示说明，宣扬藏文化。因为虚拟现实技术的特性，会使得用户有身临其境的感受，其逼真的体验使得用户印象深刻，难以忘怀。
在该项目中，需要通过漫游的方式引导用户进行游览。一般来说，在虚拟场景中进行漫游的方式有两种：（1）通过交互的方式实现，用户通过手柄、键盘等交互设备按照自己的意图进行游览，这种方式缺少全局观，并且会影响用户的沉浸感；（2）按已经规划好的路线进行漫游，一般由人工设计或者通过算法实现，但是人工设计耗时耗力，而算法实现的路线往往都是最短路径，并不是用户感兴趣的路径。这两种方式应用于西藏古建筑场景中都不合适，所以如何在虚拟场景 中按照用户的兴趣引导用户进行游览是一个研究重点。 其次，在场景中进行漫游时，用户一般都是第一人称视角，这便导致用户对 于场景全局了解有限，尤其是在古建筑场景中，其建筑构造布局都有其特殊的意义，仅仅通过漫游无法完全了解。营造动画可以帮助用户直观的感受古建筑的营 造过程及其建筑构造，但是目前的建筑营造动画大都是人工设计，需要耗费大量 的时间精力去完成。本文发现工业上的爆炸图与营造动画类似，爆炸图是对机械的拆卸图解，而营造动画是对建筑的组装过程，所以可以通过研究爆炸图生成过程实现营造动画的自动生成方法。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 虚拟现实与古建筑文化结合现状
1995 年，卢浮宫开始向大众开放网站，当时网页上只有对博物馆历史和参 观信息的一些简单介绍，即使如此，也迎来了大量的浏览量；2002年，卢浮宫馆 长亨利·卢瓦雷特宣布了卢浮宫网络改造计划，表示要做出领先全世界教育功能 最为完备的虚拟博物馆；2004年，新网站正式推出，卢浮宫将馆内用于公开展 示的 3.5 万件藏品以及 13 件库藏的绘画悉数放入网站，同时提供了法语、西班牙语、日语和英语这四种版本的 3D 虚拟参观项目。 1998 年，故宫博物院首次提出建设“数字故宫”的口号，以“急用先行、量力投入、社会协作、立竿见影，力争一流”为原则，逐步开展了信息化建设。首先利用计算机三维图形技术，对故宫主要的古代建筑以及一些珍藏文物的形式、结构、装饰以及建筑技术和艺术等基本元素进行系统、精确和综合性的采集和再 现，建立了完整的故宫古建筑、古文物三维模型和数据库。《紫禁城·天子的宫殿》 采用虚拟现实技术(Virtual Reality)，利用高性能的图形工作站形成非常逼真的三维仿真场景，然后通过投影机投影到大型屏幕上，通过特殊的音响设备，产生身临其境的视听效果。 上世纪90年代末，敦煌研究院与美国梅隆基金会、美国西北大学合作，开始利用数字技术对莫高窟壁画进行摄影采集和图像处理工作，全面开展敦煌石窟数字化工作。在利用数字图像和虚拟技术开发的莫高窟虚拟漫游系统中，游人既可以欣赏莫高窟石窟外景、洞窟建筑结构，又能跟随电子向导进入洞窟内部，身临其境地欣赏精美的壁画和彩塑，同时通过演示厅的多媒体节目展播，可以更详细地了解敦煌的历史和文化。
1.2.2 路径规划研究现状
路径规划问题最早于上世纪六十年代开始进行研究，多年来已经有了很大的改进，主要应用于机器人、无人机和虚拟现实等领域。传统方法中路径规划是依据于图论来进行实现的。这种方法的优点是实现简单，但是得到的结果不准确。随着计算机理论技术的发展，多种寻路算法陆续被提出，主要分为两类算法： 生物智能算法和非生物智能算法。其中，非生物智能算法主要有基于人工势场和导航函数的方法、基于几何模型搜索的方法以及基于数学最优化的方法；生物智能算法主要有粒子群算法、遗传算法、蚁群算法以及神经网络算法等。
1.2.3 爆炸图生成研究现状
爆炸图是将装配体的组成构件按照一定的顺序、距离和方向相互分离而生成的三维视图，通过爆炸图可以清晰地了解和分析装配体的结构和功能，具有形式直观、层次清晰、细节逼真等特点。装配序列规划是爆炸图生成过程中的核心部 分，有着举足轻重的作用。目前已有很多的文献对装配序列规划方法进行了研究，这些研究方法主要分为三种：第一种是以装配建模以及几何推理等为基础的通用方法；第二种是基于知识或者规则的方法；第三种是基于虚拟现实的方法。
第二章 相关理论与技术
2.1 虚拟现实技术
2.1.1 虚拟现实技术特点
虚拟现实技术近几年来迅速发展起来，主要通过多种计算机技术，如数字模型重建技术、图形渲染技术等，营造出一个具有多感知性、具有强烈沉浸感、交互方便快捷以及自主性很强的虚拟三维场景。虚拟现实的多感知性主要体现 在能够给予用户强烈的视觉感受，同时能够让用户感知到场景的存在，而且场景中的运动与交互能给予用户真实的反馈。在最理想的情况下，虚拟现实场景不仅需要能够让用户有真假难辨的感知效果，同时需要用户有自己作为场景主角的 感受，对于用户做出的所有动作都应该能获得场景真实且自然的反馈，让用户有足够的沉浸感，产生一种身临其境的神奇感受。基于以上这些虚拟现实需要达到的要求，虚拟现实主要有以下三个最明显的特性：沉浸性、交互性和想象性。
2.1.2 Unity3D 引擎
Unity3D 引擎提供了一个良好的虚拟现实开发流程，开发者通过该引擎可以实现各种独具创意的虚拟现实场景制作以及一些三维互动开发。近些年来随 着虚拟现实技术的发展，Unity3D 已经不仅仅在游戏开发中使用，在许多虚拟现实场景开发中也是首选工具，如一些虚拟博物馆、虚拟景点等虚拟场景的开发。Unity3D 集成度很高，可以让用户很方便快捷的进行开发。从宏观的角度来看， 主要分为七大模块。分别是负责处理图像显示部分的图形模块、处理物理效果相关内容的模块、处理音频部分的音频模块、处理角色动作的动作模块、UI 模块和脚本模块。开发者通过合理的使用这些模块，可以很方便快捷的进行虚拟场景开发。
2.2 路径规划相关理论
2.2.1 路径规划算法判优标准
寻路算法发展至今，有着很多种的寻路算法出现。在不同的场景寻路算法性能不一，各类应用场景对于寻路算法的效率及存储空间也都有了更高的要求。因此，寻路算法在不断的进行优化，不断完善自身存在的一些缺陷，以适应各种可能遇到的应用场景。在路径规划问题中，通常评价一种寻路算法好坏的标准有正 确性，复杂度，并行性，可靠性，扩展性和优化性这几个方面。
正确性：寻路算法最基本要求，得到的路径达不到此要求，便失去了存在的意义，更加没有应用空间。因此对寻路算法最基本的要求一定是在输入起点与终点之后，如果存在符合要求的路径，经过有限的运算肯定能找到符合要求的路径。
复杂度：评价寻路算法的执行效率。不同的寻路算法其时间消耗和空间消耗必然存在差异，一般来说寻路算法都是牺牲空间换取时间，以提高时间效率。
并行性：算法的并行性则是考究在硬件允许的情况下算法性能提升的空间， 对于复杂场景，需要根据需要用并行多线程进行每个寻路个体的路径规划，提升整个寻路效率。
可靠性：可靠性要求算法能够应对各种突发状况，整个寻路算法足够稳定，面对不同的输入输出都能有一定的结果。
扩展性和可优化性：能够应对各种更新的要求，自适应不同的需求，在空间上和数量上都易于扩展。
2.2.2 蚁群算法
蚁群算法是一种最新发展的模拟自然界中蚂蚁群体觅食的群体行为的仿生 优化算法，第一次是由意大利学者 M Dorigo 于 1991 年在法国巴黎召开的第一届欧洲人工生命会议（European Conference on Artificial Life，ECAL）上提出； 1996 年，M Dorigo 在其发表的文章中详细的介绍了如何将抽象的蚂蚁觅食理论方法转化成具体的数学模型。此外，这篇文章还详细的将蚁群算法与其他仿生算法进行了对比分析实验，说明了蚁群算法的适用范围及其优点。在之后的研究发展中，很多专家对蚁群算法进行了改进与优化，以提升蚁群算法各方面的性能。其中比较出色的有：最大最小蚂蚁系统、最优最差蚂蚁系统和优化排序蚂蚁系统。
2.3 场景地图表示方法
虚拟现实场景中的路径规划都是基于场景地图的，进行路径规划时需要考虑 场景中的地形以及场景中的障碍物等，进行合理的路径规划。在虚拟场景中进行 路径规划主要分为两个阶段。第一，虚拟场景是由各种模型、各种构件组合而成， 彼此间有联系但是联系不大，为了对场景进行合理的路径规划，需要将场景抽象 成图这种数据结构。将场景数据处理之后，下个阶段就需要将这些数据使用到路 径规划算法中，实现合理的路径规划。将虚拟场景抽象成图的方法有很多，下面 将介绍比较常用的几种方法。
2.3.1 栅格法
栅格法思想比较简单，主要是将场景的地图均匀划分成一个个栅格，每个栅格可以看成是图的一个顶点，在进行路径规划时可以根据此图结构来实现路径规划。一般来说，划分的栅格都是等大的正方形，也可以根据其他形状划分。
2.3.2 四叉树法
四叉树法是对栅格法的改进，这种方法在栅格法的基础上，对地图的划分粒度进行改进。四叉树法在对场景地图进行划分时不再是均匀划分。四叉树法根据不同栅格的地形特点，对当前格子进行进一步划分，一直划分到每个格子只包含一种地形元素。
第三章 古建筑场景游览路径自动规划方法
3.1 地图表示方法
在对虚拟现实场景进行路径规划时，一般会转化成图论的问题进行求解，主要使用栅格法、可见点法等图论方法进行求解。栅格法一般来说适用于简单场景， 场景太大会因为计算消耗太大而影响寻路效率。可见点法对于避障提供了一种很 好的解决方案，在寻路过程中无需考虑障碍物信息，但是由于是人工设置关键点， 而且关键点的设置关系到寻路最终的效果，所以此方法存在很多局限性。由于本 文方法需要寻找用户感兴趣的风景，所以需要能够遍历场景中的每个位置，所以本文使用栅格法进行地图表示。同时，在寻路时需要考虑当前节点周围的风景质量，同时不能陷入局部最优，所以本文在蚁群算法思想的基础上进行一些改动， 用栅格法进行地图表示，探索适合古建筑场景的路径规划方法。
3.2 路径自动规划问题分析
蚁群算法是受自然界中蚂蚁搜索食物行为的启发，是一种群智能优化算法。 蚁群算法基于对自然界真实蚁群的群体觅食行为的研究，模拟真实的蚁群协作过程。算法过程由若干个蚂蚁共同构造解路径，通过在解路径上遗留并交换信息素 提高解的质量，进而达到优化的目的。蚁群算法作为通用随机优化方法，目前已广泛应用于机器人路径规划、虚拟现实路径规划等路径求解问题，并取得了较好的结果。
第四章 古建筑营造动画的自动生成技术
4.1 爆炸图生成
4.1.1 爆炸图介绍
在日常生活中，其实都会经常见到各式各样的爆炸图，如购买手电筒、手机等物品时说明书里都会有装配示意图，这些装配示意图其实就是较为简单的爆炸图。在生产生活中，有很多产品都包含有很多零部件，为了将其内部结构展示出 来，确定每个部件之间空间位置关系，一般都会构建一个新的视图，这个视图将每个部件依照一定次序、方向和距离关系进行分离，最终得到的视图就被称为爆炸图。
4.1.2 确定模型构件关系
求解爆炸图的生成过程需要先确定模型的拆卸序列，而求解模型的拆卸序列时需要确定模型中的每个构件之间的位置关系和连接关系。当构件在直角坐标轴三个方向上进行移动时，跟其他构件之间发生的联系或者干涉很好的表达了这些 构件之间的关系。所以可以通过在三个直角坐标轴上对构件进行移动时产生的影响来求解模型的拆卸序列。
4.2 爆炸图导向的营造动画生成
建筑营造动画属于建筑动画中的一个分支，可以利用虚拟现实技术来实现， 用来展示建筑的结构和建造流程。首先需要通过建模软件或模型重建技术对建筑 场景进行还原，每个构件能够完整的从模型中分离出来。然后通过灯光、材质等 渲染出接近真实的场景。最后通过相机与模型本身的运动重现建筑营造过程，就 产生了建筑营造动画。建筑营造过程其实就是建筑爆炸图生成逆过程，所以只需 要将建筑爆炸图生成过程中的拆卸序列反向就得到了建筑营造序列。建筑营造动 画主要分为环境营造和动画制作两部分。
4.2.1 环境营造
环境营造主要分为灯光和材质两部分，在现实世界里，光是不可或缺的一部 分，因为光的存在，才能看到物体的轮廓，才能产生各种各样的视觉感受。在虚 拟场景中，灯光也是同样重要的存在，在虚拟场景中，灯光的主要作用如下： 1) 创造特定的、真实的环境氛围，凸显虚拟场景的特点，给予人们一种身 临其境的感受。 2) 刻画出虚拟场景中人与物体的造型，表现出物体的形状、大小和边界轮 廓，凸显出虚拟场景的视觉效果。灯光可以使物体有了明暗之分，才能 体现出物体的质感和材质效果。 3) 创造出特定的现场氛围，产生一定的视觉感染力，吸引人们的目光。 合理的运用灯光，可以使得虚拟场景更加真实，是营造虚拟现实场景的必备 条件之一。所以在再现虚拟现实场景，重现古建筑营造过程中需要合理的运用灯 光。 材质在重现虚拟现实场景中同样至关重要，材质体现了一个物体的质感，表 示了该物体在现实世界里是用什么材料制作的，比如现实生活中玻璃透明且反光， 而大部分金属仅存在反光，不同金属反光效果也存在不同，这些都可以通过材质 反映出来，所以材质作为表现要素之一同样重要。
4.2.2 动画制作
建筑的营造动画就是利用上面建筑爆炸图生成过程中的拆卸序列反向得到建筑的营造序列，然后通过动画的形式将建筑的营造过程呈现出来。在虚拟场景中，物体的动画一般都分为平移、旋转和缩放几类，平移又包括匀速平移和减速或加速平移几类，这里主要利用平移来复现建筑的营造过程。建筑模型中的基准体在制作营造动画时，不需要做任何移动，一开始就应该存在于场景中，然后根据营造序列，逐步显示每个构件并将构件移至原来的位置， 最终生成营造动画。
第五章 藏式古建筑虚拟导览系统
5.1 虚拟场景设计
古建筑如藏式建筑、徽派建筑以及京派建筑等都有其特殊的特点，尤其是藏式建筑，造型独特，而且每样建筑有着特定的意义，但是目前对于藏式建筑的描述很少，大多都只是停留在图片、文字等，除非亲自去过西藏，否则很难想象藏式建筑的样式和结构，所以如果想要还原藏式建筑这种独具特点的古建筑场景，必须对藏式建筑有一定的了解，知道藏式建筑的结构，然后到现场去收集足够多 的资料和数据，才能真正还原原滋原味的藏式古建筑场景。于是在实现虚拟藏式 古寺庙再线导览系统首先需要收集数据，其中包括藏式寺庙结构与布局，以及所有组件的正面图片，然后根据收集到的数据制作相应的寺庙模型，用拍摄的图片制作成材质贴图，完成整个寺庙模型的制作。得到寺庙模型之后，构造场景，将寺庙模型放入场景中，然后在场景中加入一些元素，加入UI界面，加入用户交互，完成整个藏式古寺庙在线导览系统的设计。