CN106066702A - 一种基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法 - Google Patents

一种基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法，该方法包括依靠计算机虚拟现实VR技术，构建虚拟仿真系统，用户通过使用各种交互设备在虚拟环境中进行交互仿真和信息交流；通过影像、计算机成像技术，用基于视觉的方法对这些文化遗产进行数字化再现，并运用先进的虚拟现实+神庙祠堂多媒体数字化技术保存和再现这些变化中的神庙祠堂作为文化空间的历史记忆。本发明采用目前虚拟现实技术来模拟仿真当时最繁华的场景，再现昔日的塘河古建筑文化场景于世人；本发明立足于塘河流域古建筑的原有风貌展开设计，有选择地赋予其新的景观和功能属性，通过仿真再现设计使景观得以再生，创造出特有的人文地脉情节，延续瓯越地域民俗文化。

Description

一种基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法
技术领域
本发明属于数字化技术领域，尤其涉及一种基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法。
背景技术
神庙祠堂这类古建筑在人类祭祀历史上一直是繁盛的文化活动空间，在现代发达社会里这些古建筑有些仍在发挥其固有的功能，有些神庙祠堂古建筑即使不再为人们作为祭祀场所使用，它们也是作为历史文化活动空间并且也作为优秀的古建筑，极具保护价值。运用先进的虚拟现实+神庙祠堂等多媒体数字化技术来保护和再现这些变化中的神庙祠堂作为文化空间的历史记忆，通过数字化仿真现场，为人们和社会保护文化遗产。
江南的水乡，神庙祠堂遍布各个乡镇。温州地处长江三角洲和闽南厦漳泉三角洲两大经济圈的连接部，是浙江南部沿海经济核心区。本发明正式立足于这个沿海经济发达地区的神庙祠堂及其作为文化空间的历史记忆。神庙祠堂这类古建筑是历史上繁盛的祭祀文化活动空间；这里所说的神庙祠堂的定义也很宽松。泛指一切神灵寓居的古建筑之所。
早在2003年，温州市政府就开始提出以大罗山、三垟湿地为核心，建设大温州的生态风景核心区，温瑞塘河自南至北35公里襟带边沿，东临永强海滨平原。三垟湿地地处瓯海区三垟街道，东邻温州开发区、龙湾区，南连茶山街道、南白象街道，西北连接梧田街道和城市中心区，三垟湿地与大罗山相连，内部水网密布，由161余座岛屿组成，自然风光十分秀丽，属于冲积平原，有5个村庄沿路分布。其中陆地面积约占区域总面积的70.9％，水域面积占29.1％。塘河流域古建筑林立。计划三垟湿地生态景观核心区：三垟水城，大型湿地湖泊公园。该地区发展以整合温州城市文化为目标，力争建设成为温州城市山水文化、民俗文化、佛教文化的集中展示区。目前该地区以温瑞塘河、大学城和生态园区建设为主体。
温瑞塘河是温州的主要河道，流经温州城区及瑞安，略成南北走向。它由早期的海塘演变而来，形成于东晋，有着千年的历史，哺育了一代代的瓯越儿女。查阅古方志，记载宋代以前就开始修筑海塘，明清时的海塘修建更趋频繁和宽大，由于海岸线的后退，塘河失去了用来抵御汹涌潮水的作用，逐渐演变成为仅供航行和灌溉使用的内河，即现在的“塘河”。
古建筑之神庙、祠堂、水台与古桥：
在江南水乡绵延了几千年塘河的人文历史中，神庙祠堂与水台等无疑是其中一颗颗最璀璨也最为诱人的亮点。水台为往来塘河的船只提供了工作之余欣赏戏剧的平台。在水台上唱歌也可以借助水的回声使乐音更加悦耳，船在水波里的晃动更让听众有音乐的临场感，模拟了听觉和知觉。清人焦循的《花部农谭》中说：“每携老妇、幼孙，乘驾小舟，沿湖观阅”，可见水台在当时是很重要的。建在岸边或水面上的戏台被称为水台，是神庙的一部分。在温瑞塘河流域，这样的神庙祠堂星罗棋布，戏剧是民间酬神赛会的主要活动方式。
温州民风里有神庙演额子戏的地域文化风俗，温瑞塘河流域水台古桥等数以百计，《杜隐园观剧记》中所记塘河沿岸观看演出用的水台就多达十余处。其中横渎水台、窦妇桥神庙水台、三洋湿地水台、晏公殿神庙戏台等在塘河流域都较为有名。横渎水心殿，位于鹿城区南郊划龙桥、黎明横渎村、瓯海梧田上田村交界的十字型河中间的一个小岛上。看起来甚是美丽。
还有库官庙也较有名，旧称“老殿”，地处温州市郊梧田大路边，靠梧田河，由岸延伸至河中，三面环水，紧靠安澜桥。大门外有铁栏杆包围，俨然一水台。1990年重修。此台于2003年改建，将戏台移至神庙内，戏剧活动照常演出，但旧时的水台已风光不再。湖心观，也是这样，原先是一小岛，建有道观。后因旧城改建后部分河道被填，戏台也被移到观内。这样的历史文化场景的消失甚是可惜。我们将努力通过影像予以保存和再现。
《温州市志》载：晚清至民国期间，原永嘉城区有75座庙宇都建有固定的戏台，常年有戏曲演出。河网地区，村庄为河水围绕。一般村庄的村头，一座石板桥通向外面，桥旁有棵大榕树，树旁有庙，庙里或者庙前有戏台。这种布局当时比较流行。
河网地区舟船穿梭，戏班子进出方便。温州古戏台通常取材木结构，呈现平面方形，角上有四柱，二重檐，顶上盖有小青瓦，角上飞檐翘角，建筑脊领中央还一般有一个“太子亭”，塑造有一组戏曲人物。在戏台台面上方有一个藻井，八角重拱复斗式，雕刻仔细。后方木屏风，左右有“出将”、“入相”通道。前两柱有楹联。台空三面，便于更多人观看。台周敞开式，不像有些地方的戏台设了栏槛。温州人看戏很有讲究和规矩，演员虚拟上楼跨几步，下楼也应是相同数目的脚步，不能多或者少一步。除了建在水中的水台,温州人还创建了多种另式戏台。戏台文化非常值得保存。
目前三垟湿地规划一期建设已基本完成，二期正在进行。把三垟湿地及神庙水台古桥等利用影像计算机技术进行仿真保留，保护这些古文化遗产,留给子孙后代,已是迫在眉睫。
温瑞塘河水网密布，古桥繁多。现状却不容乐观。有的湮没无闻，有的名存实亡，有的面目全非，有的断壁颓垣，仅有少数保存完整，古朴依旧。
温瑞塘河流域现存的古桥大多为石梁桥，木桥和石拱桥不多见。始建于宋代保存较好的石梁桥，有坐落于仙岩镇沈岙村架龙溪上的祠堂桥、坐落于瑞安东门轮船码头的白岩桥、坐落于潘桥镇潘桥村潘桥河上的仁寿桥、坐落于郭溪镇任桥村曹埭河的任桥等。原先坐落于瞿溪河上的红桥和竹桥为木结构，现均为钢筋混凝土结构。
温瑞塘河的古石梁桥，桥墩一般由3至5根方形条石并列构成的排柱式为多，也有用块石砌成菱形桥墩的，如棚湖桥；桥洞一般为1孔、3孔、5孔、7孔等奇数；桥面纵向铺条石，开凿有横条纹、斜条纹、吉祥图案，起到防滑；有栏杆的一般由青石板及青石覆莲望柱结合做成，有些雕刻有飞禽走兽等吉祥图案，如瓯海的潘桥等。
塘河古桥除少数得到重视保护、立有桥碑刻有文字简介外，大多古桥的处境可以说是风雨飘摇，处于自生自灭的脆弱状态。前几年在塘河源头上河乡一带，还可以看见好几座古桥的神韵，如溪头街的塘糕桥、埭头村的下殿桥、林桥村的蜈蚣桥等，然经几次山洪暴发加上河道的拓宽工程，这些古桥均已不存。由于城市化进程的迅速发展，古桥在眼前消失的越来越快。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法，旨在解决神庙祠堂等古建筑文化空间的历史记忆不能通过数字化仿真为人们和社会保护民俗文化遗产的问题。
本发明整合使用数字化数据采集设备,如高清数码相机,摄像机,三维扫描仪,语音记录仪等，地理信息技术、计算机网络技术、计算机图形学、虚拟仿真、摄影摄像、计算机处理软件应用；
一种基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法，该基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法包括以下步骤：
依靠计算机虚拟现实VR技术(Virtual Reality，简称VR)，构建古建筑文化空间虚拟仿真系统，空间虚拟仿真系统通过互联网，任何一位访问者都可以通过计算机终端、登录客户端来访问了解相关影像与数据，用户通过使用各种交互设备在虚拟环境中进行交互仿真和信息交流；输入名称即可查询到该古建筑的相关地理信息数据以及古建筑的基础影像资料，三维古建筑的全空间三维可视化效果，还原了原汁原味的民俗文化空间；
本发明第一手资料来源于无数次田野调查，老人的走访语音文字的整理记录，查询参考相关书籍地方志等的权威数据信息，实地古建筑的数据采集。
通过影像、计算机成像技术，结合OpenGL(Open Graphics Library一个专业的3D程序接口，跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口)三维图形技术，用基于视觉的方法对这些承载文化遗产的古建筑进行数字化再现，并运用先进的虚拟现实+神庙祠堂多媒体数字化技术，保存和再现这些变化中的神庙祠堂，作为文化空间的历史记忆。
进一步，本发明把这些古建筑分类模块化，如神庙祠堂分为地基部分，墙体部分，屋顶部分；古桥分为引桥模块，扶栏装饰模块，桥身模块及桥墩模块；水台分为地基模块，水台主体模块，台顶模块等进行扫描建模。对各模块进行规划对接，优化处理，对古建筑进行优化生成，按规则导入到相应的引擎里，再进行互动漫游。
利用基体的变形操作实现表面形状较为复杂物体的建模方法称为扫描法，扫描法又分为平面轮廓扫描和整体扫描(有时也称旋转扫描)两种方法，该方法主要是依靠特殊扫描装置以曲线、曲面或形体沿某一路径运动后生成的2D\3D物体。扫描法有一个运动的曲面基体分量和规定的运动路径分量组成。这是最方便的三维建模数据生成模式。本发明通过AUTOCAD图等建模贴图生成。
进一步，所述虚拟现实VR技术为：通过人的视觉、听觉、味觉、触觉、知觉、力觉、运动感官体验，并依靠计算机仿真系统技术，构建目标虚拟系统，用户可以通过使用各种交互设备在虚拟环境进行交互仿真和信息交流。
进一步，所述交互设备包括数据头盔，数据眼镜，数据手套以及坐仓环境。
进一步，所述目标虚拟系统为古建筑文化系统。
进一步，构建虚拟仿真系统方法为：由计算机生成交互式三维虚拟环境，与古建筑产生全方位互动，在仿真的古建筑环境里，借助人的听觉和视觉来感知和营造临场感，以720°的视角来获取虚拟古建筑文化所蕴涵的各种空间信息的沉浸感。
进一步，计算机成像技术为：将古建筑按分类划分多个模块，并进行扫描建模，对各模块进行规划对接，优化处理，对古建筑进行优化生成的数据，按规则导入到相应的计算机引擎里，再进行互动漫游。
进一步，扫描建模方法为依靠特殊扫描装置以曲线、曲面或形体沿某一路径运动后生成2D\3D物体数据。
进一步，所述扫描建模方法具体为：
1)采用三维扫描仪激光束的能量不超过1.5瓦强度的线激光扫描器在古建筑表面产生稳定的线结构光，计算扫描线结构光断面的三维坐标；
2)高清数码相机同步拍摄古建筑成像，获得激光扫描器结构光产生的具有线特征的古建筑立体像对，并得到立体像对的外方位姿态元素构成的旋转矩阵；
3)采用高清数码相机对摄影测量的原理确定的立体像对的内方位元素和外方位元素，构成线特征的各个点的三维坐标，即古建筑线断面三维坐标；
4)对立体像对上线特征立体影像进行基于形态学膨胀和腐蚀运算的预处理，计算线特征方程生成线特征点集，采用摄影测量核线约束原理自动匹配，建立立体像对两个线特征点集的对应关系；
5)旋转三维扫描仪不同角度拍摄古建筑，并重复执行步骤1)～4)，计算每个旋转角度的扫描线结构光断面的三维坐标及线结构光断面三维坐标；
6)、将各个旋转角度的古建筑表面三维坐标点集数据，融合成古建筑表面全部三维坐标点集，建立古建筑三维数字化模型。
所述步骤1)具体为：
以三维扫描仪0位为参考，精确测定线激光扫描器中心的位置参数X0，Y0，Z0和三维扫描仪的基准线的姿态参数ω，κ，记录；
启动线扫描激光器，设置其为线扫描模式，对古建筑线断面进行扫描，在古建筑表面形成结构光，记录每一个扫描激光点与三维扫描仪的基准线的夹角Δβ和线结构光上每一个激光扫描点测量值D；
按照线扫描上每一个点间隔，结合线激光扫描器中心的位置姿态参数，采用式(1)计算文物线断面的三维坐标(XL，YL，ZL)：
式中，Fx、Fy、Fz分别表示沿x，y，z方向，按照姿态参数ω，κ和每一个扫描激光点与三维扫描仪的基准线的夹角Δβ及线结构光上每一个激光扫描点测量值D计算的坐标分量，其具体计算公式为：
F X = A 1 A 2 A 3 B 1 B 2 B 3 C 1 C 2 C 3 D c o s Δ β
F y = A 1 A 2 A 3 B 1 B 2 B 3 C 1 C 2 C 3 D sin Δ β
Fz＝0
保存采用线扫描激光器计算的古建筑线断面三维坐标。
所述步骤4)中确定的立体像对内方位元素、外方位元素计算线特征上每一个点的三维坐标采用的计算公式为：
x = - f a 1 ( X - X S ) + b 1 ( Y - Y S ) + c 1 ( Z - Z S ) a 3 ( X - X S ) + b 3 ( Y - Y S ) + c 3 ( Z - Z S )
y = - f a 2 ( X - X S ) + b 2 ( Y - Y S ) + c 2 ( Z - Z s ) a 3 ( X - X s ) + b 3 ( Y - Y S ) + c 3 ( Z - Z S )
式中，(x，y)为线特征上点的像点坐标，X，Y，Z为线特征点物方三维坐标，f为像片焦距，XS，YS，ZS为立体像对的外方位位置元素，为所述立体像对的外方位姿态元素构成的旋转矩阵；
所述的步骤5)中旋转高清数码相机不同角度拍摄古建筑，生成线结构光从而计算线断面三维坐标进而计算古建筑表面三维坐标的步骤具体包括以下步骤：
A、设定高清数码相机按照设定的步进角度θ旋转；
B、采用弱强度线激光扫描器在古建筑表面产生稳定的线结构光，计算得到旋转角度的古建筑断面的线结构光，拍摄各个旋转角度古建筑断面线特征的立体影像对；
C、计算旋转角度古建筑线断面的三维坐标(XL，YL，ZL)，(XC，YC，ZC)；
D、采用以下公式分别计算步进角度θ得到的结构光线断面的坐标：
Xi＝X0+dcosθ
Yi＝Y0+dsinθ
Zi＝Z0
式中，X0，Y0，Z0为上一个线特征的三维坐标，θ表示步进角度，d表示步进角度对应的步进距离；
重复执行步骤A-D，根据设定的步进角度，完成720°步进旋转，得到古建筑表面全部三维坐标点集。
本发明的另一目的在于提供一种基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法在旅游的应用。
本发明采用目前特制的数据采集器，用虚拟现实技术来模拟仿真当时最繁华的场景，再现昔日的塘河古建筑场景于世人；
本发明立足于三垟湿地的地形地貌特征、塘河里的亮点的神庙祠堂水台古桥等的原有风貌展开设计，以塘河特殊的文化为背景，选取一个有代表性的神庙祠堂水台古桥等进行数字化仿真，通过考察收集客观历史资料，使用先进的计算机三维交互仿真技术，动画技术，录像技术，摄影技术，计算机特效技术等使温州塘河的神庙祠堂水台古桥等在密布的水网里闪耀璀璨，传承递接温州塘河古建筑的历史文化。
本发明使古建筑景观在三脉(文脉、史脉、地脉)层面上的恢复与展示。应用影像数据，抽取古建筑物体典型的建筑特征，结合具体的使用功能，形成与地域文化相统一的建筑景观，营造反映温州地域特色的湿地景观。注重历史性与共时性的内在统一，注重文脉的延续，对具有历史价值的地上古建筑神庙祠堂水台古桥等和附属物(大树、花草、古桥、石板路、寺庙、村落、小舟等)进行仿真保留，对水波仿真进行分析，并从景观特征和风景资源的视角出发，有选择地赋予其新的景观和功能属性，通过仿真再现设计使景观得以再生，创造出特有的人文地脉情节，延续瓯越地域文化。
本发明的方法综合摄像机相机与计算机视觉方法和激光扫描的特点，实现低成本、无损伤、全自动化的古建筑三维数字化化重建，为快速、精确地获取物体的三维信息，并建立起科学准确的三维数据模型提供了一种全新的技术，可以广泛应用于考古学、古建筑和文物复制、古建筑和文物拼对修复、雕塑等领域。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明整合使用数字化数据采集设备,如高清数码相机、摄象机,三维扫描仪,语音记录仪等，地理信息技术、计算机网络技术、计算机图形学、虚拟仿真、摄影摄像、计算机处理软件应用。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示：一种基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法，其特征在于，该基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法包括以下步骤：
S101：依靠计算机虚拟现实VR技术，构建虚拟仿真系统，用户通过使用各种交互设备在虚拟环境中进行交互仿真和信息交流；
S102：通过影像、计算机成像技术并结合OpenGL三维图形技术，用基于视觉的方法对这些承载文化遗产的古建筑进行数字化再现，并运用先进的虚拟现实+神庙祠堂多媒体数字化技术，保存和再现这些变化中的神庙祠堂，作为文化空间的历史记忆。
所述虚拟现实VR技术为：通过人的视觉、听觉、味觉、触觉、知觉、力觉、运动感官体验，并依靠计算机仿真系统技术，构建目标虚拟系统，用户可以通过使用各种交互设备在虚拟环境进行交互仿真和信息交流。
所述交互设备包括数据头盔，数据眼镜，数据手套以及坐仓环境。
所述目标虚拟系统为古建筑文化系统。
构建虚拟仿真系统方法为：由计算机生成交互式三维虚拟环境，与古建筑产生全方位互动，在仿真的古建筑环境里，借助人的听觉和视觉来感知和营造临场感，以720°的视角来获取虚拟古建筑文化所蕴涵的各种空间信息的沉浸感。
进一步，计算机成像技术为：将古建筑按分类划分多个模块，并进行扫描建模，对各模块进行规划对接，优化处理，对古建筑进行优化生成的数据，按规则导入到相应的计算机引擎里，再进行互动漫游。
进一步，扫描建模方法为依靠特殊扫描装置以曲线、曲面或形体沿某一路径运动后生成2D\3D物体数据。
进一步，所述扫描建模方法具体为：
1)采用三维扫描仪激光束的能量不超过1.5瓦强度的线激光扫描器在古建筑表面产生稳定的线结构光，计算扫描线结构光断面的三维坐标；
2)高清数码相机同步拍摄古建筑成像，获得激光扫描器结构光产生的具有线特征的古建筑立体像对，并得到立体像对的外方位姿态元素构成的旋转矩阵；
3)采用高清数码相机对摄影测量的原理确定的立体像对的内方位元素和外方位元素，构成线特征的各个点的三维坐标，即古建筑线断面三维坐标；
4)对立体像对上线特征立体影像进行基于形态学膨胀和腐蚀运算的预处理，计算线特征方程生成线特征点集，采用摄影测量核线约束原理自动匹配，建立立体像对两个线特征点集的对应关系；
5)旋转三维扫描仪不同角度拍摄古建筑，并重复执行步骤1)～4)，计算每个旋转角度的扫描线结构光断面的三维坐标及线结构光断面三维坐标；
6)将各个旋转角度的古建筑表面三维坐标点集数据，融合成古建筑表面全部三维坐标点集，建立古建筑三维数字化模型。
所述步骤1)具体为：
以三维扫描仪0位为参考，精确测定线激光扫描器中心的位置参数X0，Y0，Z0和三维扫描仪的基准线的姿态参数ω，κ，记录；
启动线扫描激光器，设置其为线扫描模式，对古建筑线断面进行扫描，在古建筑表面形成结构光，记录每一个扫描激光点与三维扫描仪的基准线的夹角Δβ和线结构光上每一个激光扫描点测量值D；
按照线扫描上每一个点间隔，结合线激光扫描器中心的位置姿态参数，采用式(1)计算文物线断面的三维坐标(XL，YL，ZL)：
式中，Fx、Fy、Fz分别表示沿x，y，z方向，按照姿态参数ω，κ和每一个扫描激光点与三维扫描仪的基准线的夹角Δβ及线结构光上每一个激光扫描点测量值D计算的坐标分量，其具体计算公式为：
F X = A 1 A 2 A 3 B 1 B 2 B 3 C 1 C 2 C 3 D c o s Δ β
F y = A 1 A 2 A 3 B 1 B 2 B 3 C 1 C 2 C 3 D sin Δ β
Fz＝0
保存采用线扫描激光器计算的古建筑线断面三维坐标。
所述步骤4)中确定的立体像对内方位元素、外方位元素计算线特征上每一个点的三维坐标采用的计算公式为：
x = - f a 1 ( X - X S ) + b 1 ( Y - Y S ) + c 1 ( Z - Z S ) a 3 ( X - X S ) + b 3 ( Y - Y S ) + c 3 ( Z - Z S )
y = - f a 2 ( X - X S ) + b 2 ( Y - Y S ) + c 2 ( Z - Z S ) a 3 ( X - X S ) + b 3 ( Y - Y S ) + c 3 ( Z - Z S )
式中，(x，y)为线特征上点的像点坐标，X，Y，Z为线特征点物方三维坐标，f为像片焦距，XS，YS，ZS为立体像对的外方位位置元素，为所述立体像对的外方位姿态元素构成的旋转矩阵；
所述的步骤5)中旋转高清数码相机不同角度拍摄古建筑，生成线结构光从而计算线断面三维坐标进而计算古建筑表面三维坐标的步骤具体包括以下步骤：
A、设定高清数码相机按照设定的步进角度θ旋转；
B、采用弱强度线激光扫描器在古建筑表面产生稳定的线结构光，计算得到旋转角度的古建筑断面的线结构光，拍摄各个旋转角度古建筑断面线特征的立体影像对；
C、计算旋转角度古建筑线断面的三维坐标(XL，YL，ZL)，(XC，YC，ZC)；
D、采用以下公式分别计算步进角度θ得到的结构光线断面的坐标：
Xi＝X0+dcosθ
Yi＝Y0+dsinθ
Zi＝Z0
式中，X0，Y0，Z0为上一个线特征的三维坐标，θ表示步进角度，d表示步进角度对应的步进距离；
重复执行步骤A-D，根据设定的步进角度，完成720°步进旋转，得到古建筑表面全部三维坐标点集。
本发明提供一种基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法在宣传旅游中的应用。
本发明的方法综合摄像机相机与计算机视觉方法和激光扫描的特点，实现低成本、无损伤、全自动化的古建筑三维数字化化重建，为快速、精确地获取物体的三维信息，并建立起科学准确的三维数据模型提供了一种全新的技术，可以广泛应用于考古学、古建筑和文物复制、古建筑和文物拼对修复、雕塑等领域。
下面结合具体分析对本发明进一步说明。
依靠计算机虚拟现实VR技术(Virtual Reality，简称VR)，构建古建筑文化空间虚拟仿真系统，空间虚拟仿真系统通过互联网，任何一位访问者都可以通过计算机终端、登录客户端来访问了解相关影像与数据，用户通过使用各种交互设备在虚拟环境中进行交互仿真和信息交流；输入名称即可查询到该古建筑的相关地理信息数据以及古建筑的基础影像资料，三维古建筑的全空间三维可视化效果，还原了原汁原味的民俗文化空间；
本发明第一手资料来源于无数次田野调查，老人的走访语音文字的整理记录，查询参考相关书籍地方志等的权威数据信息，实地古建筑的数据采集。
通过影像、计算机成像技术，结合OpenGL(Open Graphics Library一个专业的3D程序接口，跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口)三维图形技术，用基于视觉的方法对这些承载文化遗产的古建筑进行数字化再现，并运用先进的虚拟现实+神庙祠堂多媒体数字化技术，保存和再现这些变化中的神庙祠堂，作为文化空间的历史记忆。
本发明把这些古建筑分类模块化，如神庙祠堂分为地基部分，墙体部分，屋顶部分；古桥分为引桥模块，扶栏装饰模块，桥身模块及桥墩模块；水台分为地基模块，水台主体模块，台顶模块等进行扫描建模。对各模块进行规划对接，优化处理，对古建筑进行优化生成，按规则导入到相应的引擎里，再进行互动漫游。
利用基体的变形操作实现表面形状较为复杂物体的建模方法称为扫描法，扫描法又分为平面轮廓扫描和整体扫描(有时也称旋转扫描)两种方法，该方法主要是依靠特殊扫描装置以曲线、曲面或形体沿某一路径运动后生成的2D\3D物体。扫描法有一个运动的曲面基体分量和规定的运动路径分量组成。这是最方便的三维建模数据生成模式。本发明通过AUTOCAD图等建模贴图生成。
虚拟现实(VR-virtual reality)技术，也称虚拟实境或灵境，是一种通过人的视觉、听觉、味觉、触觉、知觉、力觉、运动等感官体验，并依靠计算机仿真系统技术，来构建目标虚拟系统，用户可以通过使用各种交互设备(如数据头盔，数据眼镜，数据手套以及坐仓环境等)，在虚拟环境中自由漫游，产生身临其境的感觉，如临真实现场进行交互仿真和信息交流。虚拟现实技术是一门日益成熟的跨学科新技术，应用领域广泛，效果显著。本发明提出“虚拟现实+古建筑文化空间”。
虚拟仿真系统主要特征是：大家可以在任何地方能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与这些古建筑产生互动，全方位的进行观看互动。通过在仿真的古建筑环境里漫游的作用，借助人的听觉和视觉等知觉来感知和营造临场感，以720°的视角来获取虚拟古建筑文化所蕴涵的各种空间信息的沉浸感。临场感和实时交互性是虚拟现实的实质性特征，对时空环境的现实构想(即启发思维，获取信息的过程)是虚拟现实的最终目的。自从虚拟现实技术诞生以来，它已经在古建筑模拟、制造业仿真、城市规划、GIS系统、生物医学等领域中显示出巨大的经济、战略和社会效益。它与网络、多媒体并称为21世纪最具应用前景的三大技术。虚拟现实是人们可以通过视听触等信息通道感受到设计者思想的高级用户界面。
通过虚拟现实VR技术的高技术优势来帮助仿真塘河流域的古建筑，保存其特有的艺术魅力。通过影像的虚拟逼真的世界，充分展示古建筑文化的传播空间，进行数字化保存下来。唤起想象力和形象化思维。引领大家进入这个三维和二维的塘河里的亮点的神庙祠堂水台古桥等古建筑风采。
采用目前世界上最先进的技术——虚拟现实技术来模拟仿真当时最繁华的场景，再现昔日的塘河古建筑场景于世人。
本发明用专业摄像技术，三维数字化扫描技术，三维建模技术(综合利用三维软件建模Autocad,3DMAX,SketchUp Make,UG等；通过影象采集设备测量建模；用图像或者视频来建模的方法。)等收集查阅相关资料，进行文字记录，虚拟现实等技术手段再现和抢救保存现有温瑞塘河流域古建筑民俗文化空间的历史价值。客观地尽善尽美地做出一系列影像资料，如摄影作品；摄影DV作品；三维仿真作品等系统。这些资料将不仅仅提高塘河背景下的神庙祠堂水台古桥等的亮点，本发明仿真水台古桥等的同时也为其他人认识和研究塘河流域古建筑等这个文化亮点提供平台，引起大家的关注，通过网络等媒体传播，促进塘河流域古建筑民俗文化空间的保护,旅游发展，传播塘河古建筑文化，实际应用价值很大。
这些影像资料将为温州古建筑等的研究提供平台，也为神庙祠堂水台古桥等的闻名与重视起到推波助澜的作用，更是保留塘河水台古桥等这个古文化亮点起到实际的意义，刻不容缓，新的规划将改变很多原有风貌。这些塘河流域的古建筑是瓯越祖先用勤劳和智慧创造的，是一笔珍贵的物质文化遗产，也是塘河水乡文化的缩影和代表，更是塘河上不会再生的一道美丽的人文景观。
文成的刘伯温文化比如太公祭仪式、刘伯温传说、刘基庙等也可以尝试运用虚拟现实技术予以保护，用立体感很强的电子图像向世人展示与刘基相关的历史生活画面和文成民众传承刘伯温文化的现代生活画面。
本发明立足于三垟湿地的地形地貌特征、塘河里的亮点的神庙祠堂水台古桥等的原有风貌展开设计，以三垟湿地和塘河为背景，选取一个有代表性的神庙祠堂水台古桥等进行仿真，再现当年逢年过节常请戏班演出，几乎家家户户都会摇船而来，坐在船里看戏；其一土墩，有棵古老的大榕树，旁有一座水台和一古桥等，台上，乐声悠扬，身旁，河水轻漾，别有风味。通过考察收集客观历史资料，使用先进的计算机三维交互仿真技术，动画技术，录像技术，摄影技术，计算机特效技术等使温州塘河的神庙祠堂水台古桥等在密布的水网里闪耀璀璨，传承递接温州塘河古建筑的历史文化。
本发明使古建筑景观在三脉(文脉、史脉、地脉)层面上的恢复与展示。应用影像数据，抽取古建筑物体典型的建筑特征，结合具体的使用功能，形成与地域文化相统一的建筑景观，营造反映温州地域特色的湿地景观。注重历史性与共时性的内在统一，注重文脉的延续，对具有历史价值的地上物神庙祠堂水台古桥等和附属物(大树、花草、古桥、石板路、寺庙、村落、小舟等)进行仿真保留，对水波仿真进行分析，并从景观特征和风景资源的视角出发，有选择地赋予其新的景观和功能属性，通过仿真再现设计使景观得以再生，创造出特有的人文地脉情节，延续瓯越地域文化。像水台古桥等在塘河文化里的亮点一样，也使这些古建筑能够通过影像来保存。借用明万历年间郡人林寿春的诗句，水台可谓“独占东瓯第一春”，可见其价值的宝贵。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法，其特征在于，该基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法包括以下步骤：
依靠计算机虚拟现实VR技术，构建虚拟仿真系统，用户通过使用各种交互设备在虚拟环境中进行交互仿真和信息交流；
通过影像、计算机成像技术并结合OpenGL三维图形技术，用基于视觉的方法对这些承载文化遗产的古建筑进行数字化再现，并运用虚拟现实+神庙祠堂多媒体数字化技术，保存和再现这些变化中的神庙祠堂，作为文化空间的历史记忆。
2.如权利要求1所述的基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法，其特征在于，所述虚拟现实VR技术为：通过人的视觉、听觉、味觉、触觉、知觉、力觉、运动感官体验，并依靠计算机仿真系统技术，构建目标虚拟系统，用户通过使用各种交互设备在虚拟环境进行交互仿真和信息交流。
3.如权利要求1所述的基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法，其特征在于，所述交互设备包括数据头盔，数据眼镜，数据手套以及坐仓环境。
4.如权利要求1所述的基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法，其特征在于，所述目标虚拟系统为古建筑文化系统。
5.如权利要求1所述的基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法，其特征在于，构建虚拟仿真系统方法为：由计算机生成交互式三维虚拟环境，与古建筑产生全方位互动，在仿真的古建筑环境里，借助人的听觉和视觉来感知和营造临场感，以720°的视角来获取虚拟古建筑文化所蕴涵的各种空间信息。
6.如权利要求1所述的基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法，其特征在于，计算机成像技术为：将古建筑按分类划分多个模块，并进行扫描建模，对各模块进行规划对接，优化处理，对古建筑进行优化生成的数据，导入到相应的计算机引擎里，再进行互动漫游。
7.如权利要求6所述的基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法，其特征在于，扫描建模方法为依靠特殊扫描装置以曲线、曲面或形体沿某一路径运动后生成2D\3D物体数据。
8.如权利要求7所述的基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法，其特征在于，所述扫描建模方法具体为：
1)采用三维扫描仪激光束的能量不超过1.5瓦强度的线激光扫描器在古建筑表面产生稳定的线结构光，计算扫描线结构光断面的三维坐标；
2)高清数码相机同步拍摄古建筑成像，获得激光扫描器结构光产生的具有线特征的古建筑立体像对，并得到立体像对的外方位姿态元素构成的旋转矩阵；
3)采用高清数码相机对摄影测量的原理确定的立体像对的内方位元素和外方位元素，构成线特征的各个点的三维坐标，即古建筑线断面三维坐标；
4)对立体像对上线特征立体影像进行基于形态学膨胀和腐蚀运算的预处理，计算线特征方程生成线特征点集，采用摄影测量核线约束原理自动匹配，建立立体像对两个线特征点集的对应关系；
5)旋转三维扫描仪不同角度拍摄古建筑，并重复执行步骤1)～4)，计算每个旋转角度的扫描线结构光断面的三维坐标及线结构光断面三维坐标；
6)将各个旋转角度的古建筑表面三维坐标点集数据，融合成古建筑表面全部三维坐标点集，建立古建筑三维数字化模型；
所述步骤1)具体为：
以三维扫描仪0位为参考，精确测定线激光扫描器中心的位置参数X0，Y0，Z0和三维扫描仪的基准线的姿态参数ω，κ，记录；
启动线扫描激光器，设置其为线扫描模式，对古建筑线断面进行扫描，在古建筑表面形成结构光，记录每一个扫描激光点与三维扫描仪的基准线的夹角Δβ和线结构光上每一个激光扫描点测量值D；
按照线扫描上每一个点间隔，结合线激光扫描器中心的位置姿态参数，采用式(1)计算文物线断面的三维坐标(XL，YL，ZL)：
式中，Fx、Fy、Fz分别表示沿x，y，z方向，按照姿态参数ω，κ和每一个扫描激光点与三维扫描仪的基准线的夹角Δβ及线结构光上每一个激光扫描点测量值D计算的坐标分量，其具体计算公式为：
F X = A 1 A 2 A 3 B 1 B 2 B 3 C 1 C 2 C 3 D c o s Δ β
F y = A 1 A 2 A 3 B 1 B 2 B 3 C 1 C 2 C 3 D sin Δ β
Fz＝0
保存采用线扫描激光器计算的古建筑线断面三维坐标；
所述步骤4)中确定的立体像对内方位元素、外方位元素计算线特征上每一个点的三维坐标采用的计算公式为：
x = - f a 1 ( X - X S ) + b 1 ( Y - Y S ) + c 1 ( Z - Z S ) a 3 ( X - X S ) + b 3 ( Y - Y S ) + c 3 ( Z - Z S )
y = - f a 2 ( X - X X ) + b 2 ( Y - Y S ) + c 2 ( Z - Z S ) a 3 ( X - X S ) + b 3 ( Y - Y S ) + c 3 ( Z - Z S )
式中，(x，y)为线特征上点的像点坐标，X，Y，Z为线特征点物方三维坐标，f为像片焦距，XS，YS，ZS为立体像对的外方位位置元素，为所述立体像对的外方位姿态元素构成的旋转矩阵；
所述的步骤5)中旋转高清数码相机不同角度拍摄古建筑，生成线结构光从而计算线断面三维坐标进而计算古建筑表面三维坐标的步骤具体包括以下步骤：
A、设定高清数码相机按照设定的步进角度θ旋转；
B、采用弱强度线激光扫描器在古建筑表面产生稳定的线结构光，计算得到旋转角度的古建筑断面的线结构光，拍摄各个旋转角度古建筑断面线特征的立体影像对；
C、计算旋转角度古建筑线断面的三维坐标(XL，YL，ZL)，(XC，YC，ZC)；
D、采用以下公式分别计算步进角度θ得到的结构光线断面的坐标：
Xi＝X0+dcosθ
Yi＝Y0+dsinθ
Zi＝Z0
式中，X0，Y0，Z0为上一个线特征的三维坐标，θ表示步进角度，d表示步进角度对应的步进距离；
重复执行步骤A-D，根据设定的步进角度，完成720°步进旋转，得到古建筑表面全部三维坐标点集。
9.一种如权利要求1所述的基于多媒体数字化技术的文化空间模拟方法在旅游宣传民俗文化传承方面的应用。
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