孫巍 徐學(xué)東

摘 ?要： 目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛運(yùn)用在文化遺產(chǎn)數(shù)字化工程上，但其在大場景文化遺產(chǎn)三維虛擬平臺開發(fā)上存在數(shù)據(jù)采集量大、精細(xì)建模成本高昂等問題。GIS技術(shù)提供了更高效的三維建模方案，針對Unity3D等虛擬引擎無法有效管理地理信息的技術(shù)局限，以第一汽車制造廠歷史文化街區(qū)為對象，提出多源數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，解決Unity3D平臺下地理信息與三維模型數(shù)據(jù)配準(zhǔn)融合難題，并給出街區(qū)虛擬平臺開發(fā)的具體方案。該成果對大場景歷史文化街區(qū)三維虛擬平臺開發(fā)具有重要價值。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí); 地理信息系統(tǒng); 歷史文化街區(qū); 三維模型; 坐標(biāo)變換; Unity3D

中圖分類號： TN99?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）09?0149?06

Research on 3D virtual platform of FAW Historic Conservation District

SUN Wei1， 2， XU Xuedong3

（1. School of Architecture and Design， Changchun Institute of Technology， Changchun 130012， China;

2. Northeast Regional Decorative Culture Research Center， Changchun 130012， China;

3. School of Mechanical and Electrical Engineering， Changchun Institute of Technology， Changchun 130012， China）

Abstract： At present， the virtual reality technology is widely used in the digital project of cultural heritage. The 3D virtual platform development of large?scale scene cultural heritage has large data collection quantity and high cost of fine modeling. GIS technology provides a more efficient 3D modeling solution， but the virtual engines such as Unity3D can′t manage the geographic information effectively. In view of the above technical limitations， the multi?source data standardization and coordinate transformation method is proposed by taking the FAW Historic Conservation District as the object， which can solve the problem of registering and fusion between geographic information and three?dimensional model data. The specific scheme of the Historic Conservation District virtual development platform is given. The research results have important value for the development of 3D virtual platforms of large?scale scene historic conservation districts.

Keywords： virtual reality; geographic information system; historic conservation district; 3D modeling; coordinate transformation; Unity3D

0 ?引 ?言

歷史文化街區(qū)和工業(yè)遺產(chǎn)兼有歷史學(xué)、美學(xué)、建筑學(xué)等文明特征，均被視為人類城市文化遺產(chǎn)的載體。2015年，國家文物局、住建部批準(zhǔn)了首批三十個中國歷史文化街區(qū)，長春第一汽車制造廠街區(qū)是其中唯一以工業(yè)遺產(chǎn)為特色的歷史街區(qū)。隨后，一汽街區(qū)又入選“首批中國20世紀(jì)建筑遺產(chǎn)項(xiàng)目”。

長春第一汽車制造廠是新中國汽車工業(yè)的搖籃，是我國第一輛汽車、第一輛轎車、第一個產(chǎn)銷百萬輛的汽車企業(yè)，是中國汽車工業(yè)發(fā)展的見證，其廠區(qū)街區(qū)有著清晰的汽車工業(yè)特性，是長春市發(fā)展汽車工業(yè)遺產(chǎn)旅游的核心資源，但由于目前一汽廠址仍是解放卡車的生產(chǎn)基地，難以開展旅游開發(fā)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被公認(rèn)為文化遺產(chǎn)數(shù)字化中最重要的技術(shù)方案[1?2]，數(shù)字敦煌、數(shù)字故宮是我國知名的三維虛擬系統(tǒng)的案例，特點(diǎn)是大場景、建模精細(xì)，開發(fā)成本高昂。目前谷歌地圖等GIS平臺能夠提供高精度的地理信息，但Unity3D等主流虛擬引擎不支持海量地理信息的管理[3?4]。

本文以一汽街區(qū)為對象，研究地理信息與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的方法，解決大場景多源數(shù)據(jù)快速建模?；诘乩硇畔⒌娜S模型關(guān)聯(lián)匹配等關(guān)鍵技術(shù)，對研究高效率沉浸式體驗(yàn)的一汽歷史街區(qū)三維虛擬系統(tǒng)做初步探討。

1 ?街區(qū)概況與目標(biāo)

第一汽車制造廠歷史街區(qū)位于長春市西南部，如圖1所示。街區(qū)功能分區(qū)明確，廠區(qū)和宿舍區(qū)沿東風(fēng)大街形成一側(cè)生產(chǎn)、一側(cè)生活的功能格局。宿舍區(qū)每個院落圍合布局，環(huán)境優(yōu)美。街區(qū)現(xiàn)存文物保護(hù)單位125棟，廠區(qū)大部分建筑立面為紅色清水磚墻，宿舍區(qū)歷史建筑均為紅色清水磚墻、綠檐灰瓦，紅色為街區(qū)的主色調(diào)。重點(diǎn)歷史要素包括一號門前毛主席親筆“第一汽車制造廠奠基紀(jì)念”奠基石、共青團(tuán)花園等[5]。街區(qū)優(yōu)化的人居環(huán)境成為新中國現(xiàn)代工業(yè)街區(qū)的規(guī)劃典范，具有獨(dú)特的吸引力和歷史文化承載力。

圖1 ?第一汽車制造廠歷史文化街區(qū)范圍

一汽歷史街區(qū)規(guī)劃面積達(dá)176.2公頃，規(guī)模大，歷史建筑和元素數(shù)量眾多。傳統(tǒng)三維建模方法需要測量的數(shù)據(jù)量大、成本高、效率低，并且無法準(zhǔn)確表達(dá)街區(qū)空間形態(tài)和位置的關(guān)系。

本文利用谷歌地圖等提供的地理信息、影像數(shù)據(jù)，并結(jié)合無人機(jī)、全站儀等多種數(shù)據(jù)采集方法，將自動地形建模、傾斜影像快速建模與三維精細(xì)建模等多種方案相結(jié)合，研究實(shí)現(xiàn)適合歷史街區(qū)三維場景構(gòu)建方法、多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一與模型配準(zhǔn)，并從直觀友好的旅游需求出發(fā)，研究實(shí)現(xiàn)沉浸式、立體體驗(yàn)的街區(qū)三維虛擬平臺。

2 ?系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 ?系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

一汽歷史街區(qū)三維虛擬平臺采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，分為應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層和支撐層。如圖2所示。

1） 支撐層。包括平臺運(yùn)行的軟硬件環(huán)境，操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)平臺等。

2） 數(shù)據(jù)層。包括平臺運(yùn)行的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如數(shù)字高程數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、街區(qū)歷史文化文本及多媒體數(shù)據(jù)等。

3） 業(yè)務(wù)層。包括各種數(shù)據(jù)處理工具、建模工具、開發(fā)引擎和各類數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、配準(zhǔn)、關(guān)聯(lián)及平臺運(yùn)行需要的控制腳本、控制終端等。

4） 應(yīng)用層。面向用戶提供平臺各類展示服務(wù)，包括漫游、推薦線路、紅旗轎車等生產(chǎn)情境再現(xiàn)，支持Kinect等人機(jī)控制外設(shè)，并面向虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡、3D電視投影儀等實(shí)現(xiàn)平臺沉浸式場景的生成處理。

圖2 ?一汽歷史街區(qū)三維虛擬平臺架構(gòu)

2.2 ?技術(shù)方案

2.2.1 ?總體技術(shù)路線

一汽歷史街區(qū)三維虛擬平臺總體技術(shù)路線包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與處理、三維場景建模、虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，如圖3所示。

1） 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與處理。通過對街區(qū)組織調(diào)研，收集整理街區(qū)多源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)、文本及多媒體數(shù)據(jù)等。需要解決多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)統(tǒng)一、三維模型數(shù)據(jù)與歷史文化數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)銜接難題。

2） 三維場景建模?；诙嘣磾?shù)據(jù)融合快速建模完成街區(qū)基礎(chǔ)地形、非重點(diǎn)地物三維模型、重點(diǎn)建筑和元素精細(xì)三維建模，建立模型庫。

3） 虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)。面向汽車工業(yè)遺產(chǎn)旅游需求，設(shè)計基于虛擬現(xiàn)實(shí)的第一汽車制造廠歷史文化街區(qū)三維漫游系統(tǒng)，結(jié)合歷史文化元素，開發(fā)實(shí)現(xiàn)情境化街區(qū)三維虛擬平臺。

圖3 ?技術(shù)路線

2.2.2 ?開發(fā)工具及平臺

多源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理和三維建模采用3D Max，ArcGIS，Global Mapper等軟件。

目前支持三維場景開發(fā)的主流引擎有SuperMap，Unity3D，Skyline等。SuperMap的優(yōu)勢在于對GIS數(shù)據(jù)的支持，Unity3D的優(yōu)勢在于跨平臺、沉浸式虛擬場景的開發(fā)[6]，Skyline的優(yōu)勢在于海量數(shù)據(jù)的管理和三維可視化。三者各有特色，考慮到本文主要面向工業(yè)遺產(chǎn)旅游開發(fā)，Unity3D在渲染、畫面效果方面更加優(yōu)秀，確定采用Unity3D進(jìn)行街區(qū)場景的集成和構(gòu)建。

3 ?關(guān)鍵技術(shù)

3.1 ?基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集與處理

數(shù)據(jù)是平臺的基礎(chǔ)，為提高效率，街區(qū)三維場景可通過DEM高程數(shù)據(jù)、DOM影像數(shù)據(jù)快速構(gòu)建[7?8]。重點(diǎn)建筑和元素需要通過實(shí)地測繪測量，并分析歷史文獻(xiàn)資料，作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的補(bǔ)充或修正。

3.1.1 ?街區(qū)DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)的獲取

谷歌地圖能夠提供高精度的點(diǎn)位經(jīng)緯坐標(biāo)和高程，本文利用Google GIS獲得街區(qū)范圍內(nèi)采樣定位點(diǎn)的地理坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，采樣精度為10 m。再使用MapGIS根據(jù)提取定位點(diǎn)的數(shù)據(jù)制作DEM地形圖。DOM影像數(shù)據(jù)通過無人機(jī)航拍與衛(wèi)星影像相結(jié)合的方式獲得，谷歌地圖提供衛(wèi)星影像圖下載。本文通過Photoshop將衛(wèi)星影像圖或航拍圖拼接成bmp格式的圖，然后編輯DOM文件，實(shí)現(xiàn)與bmp影像圖的對接。

3.1.2 ?無人機(jī)傾斜攝影

利用無人機(jī)傾斜攝影裝置，通過空中三角測量快速獲取街區(qū)傾斜三維影像和正射影像，再利用計算機(jī)自動圖形處理技術(shù)進(jìn)行自動空三處理。

3.1.3 ?現(xiàn)場人工測量

針對重點(diǎn)建筑物、標(biāo)志物，利用光學(xué)經(jīng)緯儀（DJ6型）、大卷尺等工具測量目標(biāo)物的主要三維尺寸等，通過小卷尺等測量各細(xì)部構(gòu)件的尺寸，通過Nikon D7000數(shù)碼相機(jī)等工具對建筑物外表面進(jìn)行拍攝，以獲得模型貼圖素材[9]。

3.2 ?街區(qū)多源數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化

采集獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)格式不一，如地理數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、文本影像數(shù)據(jù)等。為使所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一化，本文從編碼體系、坐標(biāo)框架、存儲方式等方面完成數(shù)據(jù)編碼、坐標(biāo)系統(tǒng)與存儲模型的統(tǒng)一，建立多源數(shù)據(jù)融合標(biāo)準(zhǔn)集[10?11]。

3.2.1 ?街區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編碼

對街區(qū)各種數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一的編碼系統(tǒng)，采用11位數(shù)字編碼體系。其中，第1位代表數(shù)據(jù)大類，分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、歷史文化數(shù)據(jù)3種;第2，3 位代表模型數(shù)據(jù)分類，包括標(biāo)志物、住宅建筑物、建筑物廠房、植物、街路、景觀;第4，5，6位代表模型編碼;第7，8位代表歷史數(shù)據(jù)分類，包括文本數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù);第9，10，11位數(shù)據(jù)為順序碼，從001～999。編碼的原則是保持每個數(shù)據(jù)的唯一性和一致性。

下面以一汽奠基石為例，說明編碼的具體情況。奠基石采用的編碼方式為20100101001。具體含義為：2?模型數(shù)據(jù)、01?標(biāo)志物、001?奠基石、01?文本數(shù)據(jù)、001?奠基石歷史描述及多媒體資料。

3.2.2 ?坐標(biāo)系統(tǒng)

為了模型匹配，多源數(shù)據(jù)需要統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系下。本文采用谷歌地圖提供的長春地方坐標(biāo)系為空間參考系統(tǒng)，北緯N43°48′48.98″，東經(jīng)E125°19′1.40″，海拔224.14 m。采用ArcGIS提供的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的坐標(biāo)統(tǒng)一。例如，建筑物采集數(shù)據(jù)包括無人機(jī)傾斜拍攝數(shù)據(jù)、人工測量數(shù)據(jù)，無法直接與谷歌地圖等提供的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)集成，需要通過ArcGIS將采集數(shù)據(jù)校正到正確的坐標(biāo)系統(tǒng)，再以此為基礎(chǔ)進(jìn)行建筑物數(shù)據(jù)的矢量化。

3.2.3 ?存儲模型

多源數(shù)據(jù)包括shp格式的矢量圖層文件，3ds格式的模型文件，txt格式的文本文件，jpg、bmp格式的圖片文件，avi，wmv格式的影像文件和表格形式存在的基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)等。

本文使用Oracle數(shù)據(jù)庫存儲基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和媒體數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)使用Geodatabase地理數(shù)據(jù)模型來組織和表達(dá)，包括街區(qū)建筑對象空間數(shù)據(jù)、功能區(qū)劃數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)等。其中三維模型擬選用3D Max建模，數(shù)據(jù)以FBX格式存在，通過ArcGIS轉(zhuǎn)換為Multipatch格式文件，根據(jù)模型類別分別存入Geodatabase，實(shí)現(xiàn)對各類三維模型的集中管理，空間數(shù)據(jù)最終以mdb格式存儲在數(shù)據(jù)庫中。多媒體數(shù)據(jù)通過字節(jié)流的方式存儲在數(shù)據(jù)庫中。

3.3 ?基于多源數(shù)據(jù)的三維建模

要建立街區(qū)大場景三維虛擬平臺，需要建立地形模型和建筑物、街路、景觀三維模型。本文采用多源數(shù)據(jù)融合建模方法，綜合使用3D Max和ArcGIS建模。其流程如圖4所示。

圖4 ?基于多源數(shù)據(jù)的街區(qū)場景建模流程

1） 將DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)通過Global Mapper和ArcGIS進(jìn)行疊加配準(zhǔn)后，可以轉(zhuǎn)化為地形三維模型。

2） 無人機(jī)傾斜影像可通過影像匹配和紋理關(guān)聯(lián)等技術(shù)手段，快速建立非重點(diǎn)地物的三維模型。

3） 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測建筑物尺寸，利用3D Max或SketchUp通過圖形設(shè)計、模型構(gòu)建、紋理貼圖、光照渲染等步驟建立三維精細(xì)模型[10]。

3.4 ?模型的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與疊加配準(zhǔn)

Unity3D作為游戲引擎，系統(tǒng)不支持地理信息的管理。因此無法直接利用地理信息在Unity3D中完成地形場景模型、建筑模型和其他元素模型的準(zhǔn)確疊加匹配。谷歌地圖采用GCJ?02經(jīng)緯度坐標(biāo)系，Unity3D支持的坐標(biāo)系包括World Space（世界坐標(biāo)）、Screen Space（屏幕坐標(biāo)）、View Space視圖坐標(biāo)系等[12]。

本文平臺采用世界坐標(biāo)系，需要將經(jīng)緯度坐標(biāo)系上的各類三維模型轉(zhuǎn)化為世界坐標(biāo)系坐標(biāo)值，下面簡述坐標(biāo)處理方法：

1） 使用ArcGIS在地形場景模型中獲得重點(diǎn)建筑物、街路、元素的定位特征點(diǎn)坐標(biāo)值。建立數(shù)據(jù)表，如ID代表特征點(diǎn)，[a.b.c]，[x.y.z]分別代表經(jīng)緯度坐標(biāo)，[h]代表高程數(shù)據(jù)。

2） 將經(jīng)緯度坐標(biāo)系下街區(qū)場景特征點(diǎn)地理數(shù)據(jù)的地形場景文件導(dǎo)入Unity3D，通過程序轉(zhuǎn)化為世界坐標(biāo)系。部分代碼如下：

利用該方法處理的地形場景模型、建筑模型和其他元素模型不僅能夠在Unity3D準(zhǔn)確疊加配準(zhǔn)，同時還能夠有效保留原GIS地理信息，為后續(xù)開發(fā)結(jié)合GPS的手機(jī)導(dǎo)航及相關(guān)旅游服務(wù)奠定了基礎(chǔ)。GIS影像數(shù)據(jù)與三維模型疊加配準(zhǔn)如圖5所示。

圖5 ?GIS影像數(shù)據(jù)與三維模型疊加配準(zhǔn)

4 ?基于Unity3D的街區(qū)三維虛擬系統(tǒng)開發(fā)

完成街區(qū)三維場景模型后用Unity3D構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)三維系統(tǒng)。針對工業(yè)遺產(chǎn)旅游的需求，設(shè)計情境化虛擬歷史街區(qū)交互平臺，解決三維模型歷史文化維度的擴(kuò)展、漫游路線設(shè)計、人機(jī)交互等問題。

4.1 ?街區(qū)三維模型的歷史信息屬性維度設(shè)計

針對工業(yè)遺產(chǎn)旅游的需求，設(shè)計情境化虛擬歷史街區(qū)交互平臺，通過解放卡車、紅旗轎車等重點(diǎn)元素的情境化、故事性開發(fā)思維，對街區(qū)建筑物、廠區(qū)、生產(chǎn)線等靜態(tài)三維模型賦予歷史和文化內(nèi)涵。

在三維模型上附加歷史文化屬性維度，實(shí)現(xiàn)街區(qū)對象地理信息、史料信息、史料圖片等數(shù)據(jù)與模型的銜接。定義三維數(shù)字化模型擴(kuò)展旅游維度的領(lǐng)域范圍、數(shù)據(jù)格式，研究實(shí)現(xiàn)三維擴(kuò)展數(shù)據(jù)集成接口和數(shù)據(jù)庫映射算法。平臺使用Oracle數(shù)據(jù)庫存儲模型數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，場景中模型通過標(biāo)識moldID與數(shù)據(jù)庫中的歷史文化屬性信息表關(guān)聯(lián)。

4.2 ?三維虛擬系統(tǒng)設(shè)計

針對汽車工業(yè)遺產(chǎn)旅游需求，設(shè)置相機(jī)和路徑，實(shí)現(xiàn)自由漫游游覽、推薦路線游覽、虛擬生產(chǎn)再現(xiàn)等功能。在漫游中整合老照片、文字、聲音等效果，生動再現(xiàn)街區(qū)發(fā)展歷史演變過程，全景展示街區(qū)內(nèi)建筑、街路、景觀等元素的綜合效應(yīng)[9]。

1） 自由漫游瀏覽：可由使用者通過鼠標(biāo)、鍵盤、觸控外設(shè)等操作工具控制視角的前進(jìn)、后退、平移、旋轉(zhuǎn)，任意瀏覽街區(qū)任一景點(diǎn)。

2） 推薦線路游覽：針對奠基石、300宿舍、301宿舍、解放卡車早期廠房及生產(chǎn)線、紅旗轎車早期廠房及生產(chǎn)線等具有歷史價值的重點(diǎn)景觀點(diǎn)，設(shè)計多條不同主題的瀏覽路徑。

3） 虛擬再現(xiàn)：利用VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)紅旗轎車制造過程，通過人機(jī)交互模塊使游客參與到仿真生產(chǎn)環(huán)境中，再現(xiàn)CA770經(jīng)典紅旗轎車的生產(chǎn)制造過程。

4.3 ?人機(jī)交互與立體展示

為了增強(qiáng)漫游系統(tǒng)的真實(shí)性、增進(jìn)游客的現(xiàn)場參與感，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互設(shè)計模塊，支持遙控器、Kinect體感控制器，并結(jié)合偏振式3D立體顯示實(shí)現(xiàn)可動態(tài)交互的漫游系統(tǒng)。Unity3D提供偏振式3D立體顯示的處理：在Unity3D的街區(qū)主場景中設(shè)置兩臺攝像機(jī)，把兩個相機(jī)的影像分為左右半寬同時輸出，生成有視差的左右圖，來顯示左右兩個相機(jī)的視野。通過3D顯示器或者3D眼鏡即可得到逼真的雙眼3D效果。

5 ?結(jié) ?語

本文以第一汽車制造廠歷史文化街區(qū)為例，詳細(xì)闡述了街區(qū)三維虛擬平臺的研究實(shí)現(xiàn)過程。針對大場景文化遺產(chǎn)三維數(shù)字化開發(fā)需求，通過GIS信息提升大場景地物模型的建模效率，并通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換解決了各類模型在Unity3D上的配準(zhǔn)關(guān)聯(lián)，開發(fā)了情境化交互式立體雙目視景漫游系統(tǒng)。本文成果將用于旅游部門打造的汽車工業(yè)遺產(chǎn)旅游的宣傳展示，塑造長春汽車工業(yè)旅游形象。后續(xù)還將結(jié)合試點(diǎn)情況在場景優(yōu)化、交互體驗(yàn)等方面進(jìn)一步研究。

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