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1 旅游景点的现状
中国古代建筑群中的主体建筑,包括殿和堂两类建筑形式,有楼阁、亭、廊、台榭、庙、坛、塔、影壁和坊表等多种表现形式,其空间和构件的尺度规模和大小不等,装饰做法比较讲究,平面形式多样,往往表现出许多的地方特征。以万里长城、故宫、颐和园为代表,中国古代建筑在封建社会中发展成熟,它以汉族木结构建筑为主体,也包括各少数民族的优秀建筑,是世界上延续历史最长、分布地域最广、风格非常显明的一个独特的体系,堪称中国传统建筑之瑰宝。中国古代建筑在中国的传统文化中具有一定的代表性,在世界的园林建筑中也占有重要的地位。
纵观历史,项羽火烧阿房宫,1860年英法联军攻占北京,我国古典文化被洗劫后又被纵火焚毁,今天的各种自然灾害对历史建筑的损坏,有些是部分的损坏,有些是毁灭性的破坏。一旦遭到破坏,或者保护性的修缮,如何恢复其相似的面貌,历史建筑的结构比例、尺寸大小、颜色深浅是我们工作的关键所在,本文以南岳大庙为例,采用三维实景管理信息系统试图找到一个文物重建的可行方案。
大庙的管理迫切需要信息化的助推和支持,旅游信息化是国家信息化发展战略的一个重要组成部分,也是旅游业持续健康发展的重要动力。建立南岳大庙三维实景管理系统将极大的促进南岳大庙的健康、持续发展。系统既是游客了解、浏览南岳大庙的窗口,又是管理、宣传南岳大庙的重要平台。特别是对文物保护、景区规划、国际营销起到不可估量的重大作用。
2 HDS-3DSMAX 简介
HDS是High Definition Surveying的缩写,即高清晰测量系统。HDS利用激光测距的原理,按照设定参数间隔密集地记录目标物体的表面三维坐标、反射率、纹理信息和影像,对空间进行真实的三维记录,是一种先进的全自动高精度立体扫描技术,又称为“实景复制技术”。
3dsmax全称为3D Studio MAX,广泛应用于视觉效果,角色动画,各种静态、动态场景的模拟制作,包括新的集成动态着色(ActiveShade)及元素渲染(Render Elements)功能的渲染工具。我们通过3dsmax提供的mental ray和Renderman工具与高级渲染器的连接,产生更好渲染效果及分布式渲染,增强视觉感受。通过三维扫描系统获取点云数据生成的模型以高精度的真实尺寸反映模型的特点,提供用户高品质的空间数据集合。
通过测量建模和数据分析可以实现空间数据反求、虚拟现实应用、结构特性分析、试验工程仿真、科目效果测试、历史资源修复等,在文物考古、制造、水利建筑业、电力、交通、医学和数字城市等领域将广泛应用。
3 三维实景的实现
3.1 数据采集
HDS ScanStation2通过扫描脚本编写,可以对同一站不同区域进行不同的采样密度设置,标靶扫描或同名点采取超精细方式,可保证大范围扫描点云的拼接精度,对于形状复杂的物体设置较小的采样密度(如2mm),而简单的规则物体可设置较大的采样密度(如5cm),从而提高扫描效率。文物背面等隐蔽地区可以采用镜面反射获取点云,高空地区可以采用云梯和镜面反射相结合的方式获取。采样密度的自定义设置,使HDS的应用更加广泛,既可满足高精度的近距离扫描,也可满足目标物模型的粗略获取。
3.2 数据拼接
多站原始点云数据的点云拼接,根据我们的实践经验和研究,数据起算站采用基于导线测量的方式获取,内部站采用标靶、同名点两种方法采集,可以有效地保证点云拼接的精度。
3.3 基于cyclone-3dsmax的模型建立
利用“赛克隆-Cyclone”模块化软件处理点云数据,根据点云生成平面、球、曲面、圆柱、弯管等,实现规则模型的建模,自动构网和生成等高线,正射影像图生成,对生成的各种实体进行编辑以实现简单的模型框架建立,如房屋主体结构、街道等的建立,由此种方法得到的模型其大小为物体的真实尺寸,并可根据需要得到各种距离和角度值。
Cyclone建模功能不能满足用户对复杂曲面构面的需求,如佛像、古建筑的物雕梁画栋的细微体现,对于复杂物体的建模,采用下列方式:
①在cad平台上用插件实现自动购面,人工干预删除干扰数据,处理粗差数据,判断获取三角网;②删除三角网,程序自动购网后,以相邻两面判断曲面弯曲度再干预,删除比例因子内的面,合并两个面为一个面,自动构面后填充检查,获取理想三角网;③模型制作:将cad和cyclone中生成的模型导入3dsmax,在3DSMAX中做进一步处理,建立模型和影像贴膜。图1,2为cad三角形构面、cyclone中得到的模型和3dsmax中处理后得到的模型;④模型渲染:建立模型后进行材质贴图处理,包括灯光等各种效果工具,可以使所得到的场景惟妙惟肖。图3为一处住宅楼的效果图。
图1 Cad所建模型
图2 Cyclone所建模型
4 功能实现
1)三维漫游子系统。实现对南岳大庙三维立体图的展示,并可漫游整个南岳大庙。既可按照系统设定的方式进行漫游,又可根据用户需要,随意移动鼠标,变换视角,进行全方位、360度漫游,甚至可以对部分建筑物实现内部浏览。漫游过程中,可以伴随景点导游词或播放背景音乐。
2)文物修复子系统。三维激光扫描仪对被破坏的文物进行扫描,获取数据,将此数据导入系统,与系统原始数据进行对比分析,系统将自动给出需要修复的那部分文物的数据。管理者只需按照系统提供的数据即可修复实物。修复好后,再次扫描文物并导入数据,系统将综合分析、对比文物的原形状、结构,以百分数展现文物修复的程度,如未达到理想效果,系统将提示需要进一步修改的内容及参数,最终,使文物100%恢复原状。图4为截面图。
图3 3dsmax中贴图后效果
图4
3)设计规划子系统。根据南岳大庙内的结构分成若干图层,如(庙宇、道路、树木、垃圾桶、消防栓、指路牌、排水、通信线层),用户可选择一个或多个图层显示。并在此基础上利用系统提供的工具对景区设计规划,如延长排水管线、增加绿化面积、移动石板凳等,并将规划构想以三维立体图显示出来。展示景区规划建设阶段未来预期的效果。
4)数据查询子系统。提供快速简单查询、组合条件查询、引导式查询等多种方式的属性明细数据查询功能,查找用户关心景点的的具体位置、实景、分布以及开放时间等相关信息。
5)路径分析与路线选择子系统。输入游客的起点、行走速度及其他参数,系统将进行路径分析,判断游客可能的位置,达到快速定位游客的效果。游客也可以选择其感兴趣的若干景点和当前所在位置,系统将给出最佳游览路径方案。
6)附属功能子系统。实现截图输出功能,可导出为电子图片文件(如JPG 文件),或者打印输出;还可以丈量两点间的距离、计算用户选择区域的面积、计算物体的体积,获取物体的截面图,及对三维立体图的放大、缩小、自动旋转视角等操作。
7)用户管理与系统维护子系统。主要实现用户管理、系统管理、系统代码管理等系统辅助功能,控制用户的权限,确保系统和数据的安全。①展示南岳大庙地面建筑形状、地理形态的三维实景;②实现三维漫游功能,包括自动漫游、交互式漫游方式,用户可以根据需要设置展示方式;③实现文物研究,文物修复的辅助功能;④实现对南岳大庙信息搜索引擎功能,查找用户需要的信息;⑤用于南岳大庙规划建设阶段,展示未来预期的效果,为大庙规划建设提供决策参考;⑥实现测距,计算面积、体积,生成截图等功能;⑦可以跟踪查询游客可能行走路径。起到寻人、找物的作用。为游客提供最佳游玩的指导方案;⑧分层、分类显示地物,可以针对某类物体进行单独管理。如只显示庙宇,或消防设施、道路、厕所等多层显示。
5 实现系统研发的意义
①该系统对文物研究、保护具有重大作用。是研究文物的一个新方法,更是保护文物的一个重要工具。能够大大提高大庙文物管理水平,对大庙的文物保护、文物复原将会达到数据逼真作用。即使大庙内文物遭到破坏(如雷击),也通过该系统 100%恢复部分建筑物原貌,避免文物遭到永久性破坏。②有利于旅游招商。三维实景具有直接、美观的特性,有助于提高该景区的形象,对招商和旅游宣传有极大的推动作用,大大改善旅游投资环境。在各类型的旅游展览及推介会中,该系统连接大型投影机即可现场立体展示景区风貌,吸引游客及投资商的眼球,在竞争中脱颖而出。③通过网络发布,可以面向全球,形象、生动、完整的展示南岳大庙三维实景,全方位展示旅游资源,重点推介旅游特色。从人文、历史、风俗等方面以三维实景和三维虚拟的方式推介旅游业,扩大景点的知名度,开启旅游知名度快速提升阶段,实现全球化营销,开拓国际国内客源市场,进一步扩大对外影响。④可以优化领导管理,对于南岳大庙的信息管理、规划、建设等能够全局掌控;使管理者足不出户便能了解各景点的实际状况,将大大节省人力、物力以及财力。
参考文献
[1]基于MultGen Creator/Vega的校园虚拟现实研究.袁庆华 罗璇 科技创业月刊,2008,7.
[2]李滨.徕卡三维激光扫描系统在文物保护领域的应用.测绘通报,2008,6.
作者简介
刘启顺(1963—),男,湖南望城人,工程硕士,测量高级工程师,从事地理信息研究。
中国古代建筑群中的主体建筑,包括殿和堂两类建筑形式,有楼阁、亭、廊、台榭、庙、坛、塔、影壁和坊表等多种表现形式,其空间和构件的尺度规模和大小不等,装饰做法比较讲究,平面形式多样,往往表现出许多的地方特征。以万里长城、故宫、颐和园为代表,中国古代建筑在封建社会中发展成熟,它以汉族木结构建筑为主体,也包括各少数民族的优秀建筑,是世界上延续历史最长、分布地域最广、风格非常显明的一个独特的体系,堪称中国传统建筑之瑰宝。中国古代建筑在中国的传统文化中具有一定的代表性,在世界的园林建筑中也占有重要的地位。
纵观历史,项羽火烧阿房宫,1860年英法联军攻占北京,我国古典文化被洗劫后又被纵火焚毁,今天的各种自然灾害对历史建筑的损坏,有些是部分的损坏,有些是毁灭性的破坏。一旦遭到破坏,或者保护性的修缮,如何恢复其相似的面貌,历史建筑的结构比例、尺寸大小、颜色深浅是我们工作的关键所在,本文以南岳大庙为例,采用三维实景管理信息系统试图找到一个文物重建的可行方案。
大庙的管理迫切需要信息化的助推和支持,旅游信息化是国家信息化发展战略的一个重要组成部分,也是旅游业持续健康发展的重要动力。建立南岳大庙三维实景管理系统将极大的促进南岳大庙的健康、持续发展。系统既是游客了解、浏览南岳大庙的窗口,又是管理、宣传南岳大庙的重要平台。特别是对文物保护、景区规划、国际营销起到不可估量的重大作用。
2 HDS-3DSMAX 简介
HDS是High Definition Surveying的缩写,即高清晰测量系统。HDS利用激光测距的原理,按照设定参数间隔密集地记录目标物体的表面三维坐标、反射率、纹理信息和影像,对空间进行真实的三维记录,是一种先进的全自动高精度立体扫描技术,又称为“实景复制技术”。
3dsmax全称为3D Studio MAX,广泛应用于视觉效果,角色动画,各种静态、动态场景的模拟制作,包括新的集成动态着色(ActiveShade)及元素渲染(Render Elements)功能的渲染工具。我们通过3dsmax提供的mental ray和Renderman工具与高级渲染器的连接,产生更好渲染效果及分布式渲染,增强视觉感受。通过三维扫描系统获取点云数据生成的模型以高精度的真实尺寸反映模型的特点,提供用户高品质的空间数据集合。
通过测量建模和数据分析可以实现空间数据反求、虚拟现实应用、结构特性分析、试验工程仿真、科目效果测试、历史资源修复等,在文物考古、制造、水利建筑业、电力、交通、医学和数字城市等领域将广泛应用。
3 三维实景的实现
3.1 数据采集
HDS ScanStation2通过扫描脚本编写,可以对同一站不同区域进行不同的采样密度设置,标靶扫描或同名点采取超精细方式,可保证大范围扫描点云的拼接精度,对于形状复杂的物体设置较小的采样密度(如2mm),而简单的规则物体可设置较大的采样密度(如5cm),从而提高扫描效率。文物背面等隐蔽地区可以采用镜面反射获取点云,高空地区可以采用云梯和镜面反射相结合的方式获取。采样密度的自定义设置,使HDS的应用更加广泛,既可满足高精度的近距离扫描,也可满足目标物模型的粗略获取。
3.2 数据拼接
多站原始点云数据的点云拼接,根据我们的实践经验和研究,数据起算站采用基于导线测量的方式获取,内部站采用标靶、同名点两种方法采集,可以有效地保证点云拼接的精度。
3.3 基于cyclone-3dsmax的模型建立
利用“赛克隆-Cyclone”模块化软件处理点云数据,根据点云生成平面、球、曲面、圆柱、弯管等,实现规则模型的建模,自动构网和生成等高线,正射影像图生成,对生成的各种实体进行编辑以实现简单的模型框架建立,如房屋主体结构、街道等的建立,由此种方法得到的模型其大小为物体的真实尺寸,并可根据需要得到各种距离和角度值。
Cyclone建模功能不能满足用户对复杂曲面构面的需求,如佛像、古建筑的物雕梁画栋的细微体现,对于复杂物体的建模,采用下列方式:
①在cad平台上用插件实现自动购面,人工干预删除干扰数据,处理粗差数据,判断获取三角网;②删除三角网,程序自动购网后,以相邻两面判断曲面弯曲度再干预,删除比例因子内的面,合并两个面为一个面,自动构面后填充检查,获取理想三角网;③模型制作:将cad和cyclone中生成的模型导入3dsmax,在3DSMAX中做进一步处理,建立模型和影像贴膜。图1,2为cad三角形构面、cyclone中得到的模型和3dsmax中处理后得到的模型;④模型渲染:建立模型后进行材质贴图处理,包括灯光等各种效果工具,可以使所得到的场景惟妙惟肖。图3为一处住宅楼的效果图。
图1 Cad所建模型
图2 Cyclone所建模型
4 功能实现
1)三维漫游子系统。实现对南岳大庙三维立体图的展示,并可漫游整个南岳大庙。既可按照系统设定的方式进行漫游,又可根据用户需要,随意移动鼠标,变换视角,进行全方位、360度漫游,甚至可以对部分建筑物实现内部浏览。漫游过程中,可以伴随景点导游词或播放背景音乐。
2)文物修复子系统。三维激光扫描仪对被破坏的文物进行扫描,获取数据,将此数据导入系统,与系统原始数据进行对比分析,系统将自动给出需要修复的那部分文物的数据。管理者只需按照系统提供的数据即可修复实物。修复好后,再次扫描文物并导入数据,系统将综合分析、对比文物的原形状、结构,以百分数展现文物修复的程度,如未达到理想效果,系统将提示需要进一步修改的内容及参数,最终,使文物100%恢复原状。图4为截面图。
图3 3dsmax中贴图后效果
图4
3)设计规划子系统。根据南岳大庙内的结构分成若干图层,如(庙宇、道路、树木、垃圾桶、消防栓、指路牌、排水、通信线层),用户可选择一个或多个图层显示。并在此基础上利用系统提供的工具对景区设计规划,如延长排水管线、增加绿化面积、移动石板凳等,并将规划构想以三维立体图显示出来。展示景区规划建设阶段未来预期的效果。
4)数据查询子系统。提供快速简单查询、组合条件查询、引导式查询等多种方式的属性明细数据查询功能,查找用户关心景点的的具体位置、实景、分布以及开放时间等相关信息。
5)路径分析与路线选择子系统。输入游客的起点、行走速度及其他参数,系统将进行路径分析,判断游客可能的位置,达到快速定位游客的效果。游客也可以选择其感兴趣的若干景点和当前所在位置,系统将给出最佳游览路径方案。
6)附属功能子系统。实现截图输出功能,可导出为电子图片文件(如JPG 文件),或者打印输出;还可以丈量两点间的距离、计算用户选择区域的面积、计算物体的体积,获取物体的截面图,及对三维立体图的放大、缩小、自动旋转视角等操作。
7)用户管理与系统维护子系统。主要实现用户管理、系统管理、系统代码管理等系统辅助功能,控制用户的权限,确保系统和数据的安全。①展示南岳大庙地面建筑形状、地理形态的三维实景;②实现三维漫游功能,包括自动漫游、交互式漫游方式,用户可以根据需要设置展示方式;③实现文物研究,文物修复的辅助功能;④实现对南岳大庙信息搜索引擎功能,查找用户需要的信息;⑤用于南岳大庙规划建设阶段,展示未来预期的效果,为大庙规划建设提供决策参考;⑥实现测距,计算面积、体积,生成截图等功能;⑦可以跟踪查询游客可能行走路径。起到寻人、找物的作用。为游客提供最佳游玩的指导方案;⑧分层、分类显示地物,可以针对某类物体进行单独管理。如只显示庙宇,或消防设施、道路、厕所等多层显示。
5 实现系统研发的意义
①该系统对文物研究、保护具有重大作用。是研究文物的一个新方法,更是保护文物的一个重要工具。能够大大提高大庙文物管理水平,对大庙的文物保护、文物复原将会达到数据逼真作用。即使大庙内文物遭到破坏(如雷击),也通过该系统 100%恢复部分建筑物原貌,避免文物遭到永久性破坏。②有利于旅游招商。三维实景具有直接、美观的特性,有助于提高该景区的形象,对招商和旅游宣传有极大的推动作用,大大改善旅游投资环境。在各类型的旅游展览及推介会中,该系统连接大型投影机即可现场立体展示景区风貌,吸引游客及投资商的眼球,在竞争中脱颖而出。③通过网络发布,可以面向全球,形象、生动、完整的展示南岳大庙三维实景,全方位展示旅游资源,重点推介旅游特色。从人文、历史、风俗等方面以三维实景和三维虚拟的方式推介旅游业,扩大景点的知名度,开启旅游知名度快速提升阶段,实现全球化营销,开拓国际国内客源市场,进一步扩大对外影响。④可以优化领导管理,对于南岳大庙的信息管理、规划、建设等能够全局掌控;使管理者足不出户便能了解各景点的实际状况,将大大节省人力、物力以及财力。
参考文献
[1]基于MultGen Creator/Vega的校园虚拟现实研究.袁庆华 罗璇 科技创业月刊,2008,7.
[2]李滨.徕卡三维激光扫描系统在文物保护领域的应用.测绘通报,2008,6.
作者简介
刘启顺(1963—),男,湖南望城人,工程硕士,测量高级工程师,从事地理信息研究。