CN109446618A - 一种基于vr的古建筑构件搭建模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机软件技术领域，公开了一种基于VR的古建筑构件搭建模拟方法，用户进入登录界面，填入个人信息，自动建立数据库，并存档记录；进入操作说明虚拟空间，了解操作方式和流程；通过手柄操作完成构件选择、构件搭建的过程；构件选择、拼装，构件放置空间位置；使用搭建流程参考手柄查看；搭建过程显示计时器、计步器、正确率；重复以上步骤，完成古建筑虚拟模型的搭建；用户对完成的虚拟模型全方位查看，利用指示线显示每个构件的名称和特点信息；将虚拟模型真实比例还原。

Description

一种基于VR的古建筑构件搭建模拟方法

技术领域

本发明属于计算机软件技术领域，尤其涉及一种基于VR的古建筑构件搭建 模拟方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：古建筑是人类社会优秀的文化结晶， 是历史文化的积淀并突出了艺术、建筑、美学以及建筑上的价值，目前最好的 学习方式是制作古建筑构件的实体模型再完成拼装搭建。这个过程中，需要参 阅大量的古建筑书籍，有一定基础之后再根据书籍上的大样图对古建筑构件进 行实体模型的制作，最后进行搭建组装工作。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)古建筑书籍因年代原因，文字描述以及古建筑构件的大样图标注方式 与近代方式有一定区别，每个历史朝代的制作方式和构件标准都不相同，读者 的阅读和理解过程较慢。

一个古建筑是由上千个构件组成，需要制作者有较强的识图和动手能力，制 作周期较长，在无专业设备的情况下，构件制作的准确性和良品率都很低，工 作反复性较强，人力物力耗费较大。制作过程无法做到标准化、统一化，因此 学习情况无法做到准确的评估。古建筑的体量都较大，制作实体模型不能完全 做到1:1还原，如按原始比例制作，成本花费较大。可以使资源在计算机中栩栩 如生地再现，实现图像信息的立体逼真、交互操作；

(2)现有技术中数据库信息不能进行有效的分类，是数据混乱不好查找； 信息的收录与查找，不能做到层次清晰，分类明确；建模后视觉效果不佳；对 场景进行渲染，场景添加颜色或环境效果，不能达到逼真的效果；同时场景复 杂度较高，系统实时交互速度慢。

解决上述技术问题的难度和意义：利用三维数字仿真技术，将古建筑构件 进行数字化模型制作，古建筑中有较多数量的构件是相同的，数字化后能够很 容易的进行复制关联操作，在制作效率上大幅度提高，且准确性能够及时得到 验证，在后期拼装复原时能够保证准确无误，构件材料属性也能与原版建筑保 持一致性。参与者的任何操作步骤和进程都会被计算机进行实时的记录，最终 数据进行存档供学习成果的分析使用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于VR的古建筑构件搭建模 拟方法。

利用VR的特性，将参与者“放入”一个虚拟的三维立体环境中，充分调动 参与者的双手参与度，对建筑构件进行图像识别和文字验证后进行构件选取， 参与者与建筑在虚拟环境的相互比例是可以自主自由控制的，摆脱了真实环境 下实体模型的尺寸固化后带来的感官单一性。在下一步对方案进行改进中，加 入“沙盘模式”与“真实模式”的实时切换功能，沙盘模式为：使用建筑真实 环境基地作为模型底板，将其按一定比例缩小至沙盘大小，在沙盘模式下可以 选取建筑构件进行虚拟搭建，搭建过程中参与者可选取沙盘下的任一目标点转 入到真实模式下进行体验、查看进程和效果，同时也可实时转入到沙盘模式下继续完成建筑搭建。在完成搭建之后，进入真实模式环境下，VR场景变为古建 筑所在环境的真实场景，参与者可在虚拟复原的古建筑真实环境下进行实景体 验，同时在场景中加入虚拟指示箭头、图标、展示栏等再配以真人解说，让参 与者能够身临其境的融入到古建筑复原场景中，同时加入的文字、图片、语音 等辅助感知信号能够让参与者对古建筑的历史、文化进行更深入的了解，突出 建筑的艺术、美学上的价值，带来多维度的视觉感官体验。

本发明是这样实现的，一种基于VR的古建筑构件搭建模拟方法，所述基于 VR的古建筑构件搭建模拟方法包括：

步骤一，用户进入登录界面，填入个人信息，自动建立数据库，并存档记 录；

步骤二，进入操作说明虚拟空间，了解操作方式和流程；

步骤三，通过虚拟手柄操作完成搭建流程、构件选择及搭建手柄；

步骤四，构件选择、拼装，构件放置空间位置；

步骤五，使用搭建流程参考手柄查看；

步骤六，搭建过程显示计时器、计步器、正确率；

步骤七，重复以上步骤，完成古建筑虚拟模型的搭建；

步骤八，用户对完成的虚拟模型全方位查看，利用指示线显示每个构件的 名称和特点信息；

步骤九，将虚拟模型真实比例还原。

进一步，所述建立数据库，基于VR系统建立特色VR数据库包括以下步骤：

步骤一：组成VR系统，包括硬件开发平台、VR显示系统、VR交互系统；

步骤二：构建VR数据库模型，虚拟现实资源库的构建模型由用户、I/O设备、 VR引擎、资源库部分组。

进一步，所述存档记录的方法包括：

数据库信息文本特征向量的每一个特征项对应简化后的贝叶斯网络模型下 的一个属性变量结点，分类变量C单独作为一个结点构简化贝叶斯网络的结点 集G，在此基础上描述数据库信息分类算法如下：

(1)设定数据库信息文本训练集D＝{x₁，x₂，…，x_N}，对每一文本xi∈ D(1≤i≤N)，将其转化为特征向量；

(2)记特征项集合U＝{A1，A2，…，An}，简化贝叶斯网络的结点集 G＝U∪{c}；

(3)新数据库信息文本到达时，将其转化为特征向量xi＝(a₁，a2，…，a_n)， 根据下式，依次求出P(C_j(a₁，a₂，…，a_n))(1≤j≤n)；

其中，K_(ai)是A_i的非类父结点K_(Ai)的取值.如果Ai∈G1，则K(A_i){A_k1， A_k2，…，A_km}；如果Ai∈G2，则K(Ai)＝{A_k1，A_k2，…，A_km}；

(4)比较x_i＝(a₁，a₂，…，a_n)属于所有类的概率，将数据库信息文本分配到 最大的那个类别中。

进一步，所述虚拟模型，利用VR技术实现虚拟系统中图像的真实比例还原 具体包括：

步骤一：获取数据和制作几何模型，古建筑构件搭建的结构数据、实地测 量数据；

步骤二：制作材质，完成几何模型后，利用材质编辑器制作所需材质；

步骤三：布置灯光和摄影机，灯光决定场景的基调或感觉，烘托场景气氛， 摄影机在以观察者角度对虚拟三维空间模型进行观察，获得真实的视觉效果感 受；

步骤四：渲染和烘焙贴图，对场景进行渲染，场景添加颜色或环境效果， 达到逼真的效果；

步骤五：模型优化。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于VR的古建筑构件搭建模拟 方法的信息数据处理终端。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明提供的一种基于VR的古建筑构件搭建模拟系统及方法，可以使资源 在计算机中栩栩如生地再现，实现图像信息的立体逼真、交互操作；数据库信 息分类有利与信息的收录与查找，做到层次清晰，分类明确；得真实的视觉效 果感受；对场景进行渲染，场景添加颜色或环境效果，达到逼真的效果；同时 降低场景复杂度，提高系统实时交互速度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于VR的古建筑构件搭建模拟方法流程图。

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。

如图1所示，本发明实施例提供的基于VR的古建筑构件搭建模拟方法包括 以下步骤：

S101：用户进入登录界面，填入姓名、学号等个人信息，软件后台自动建 立数据库，并存档记录；

S102：进入软件操作说明虚拟空间，让用户了解软件的操作方式和流程， 熟悉手柄按键布局和作用，对搭建过程中需要使用的“构件选择菜单”、“搭 建流程参考区”、“搭建区”、“成绩展示区”几个功能板块的使用进行说明 和测试；

S103：用户左右手分别持有一个虚拟手柄，手柄为搭建流程参考手柄，手 柄为构件选择及搭建手柄，用户根据左右手手持习惯进行选择，可进行交互；

S104：进行木质古建筑的搭建，用户在“构件选择菜单”中对需要的构件 进行选择，将选择的构件放置到“搭建区”进去构件拼装，若选择的构件正确 且放置位置在程序设定的误差范围内，选择的构件变为绿色，系统提示可以放 置，用户使用按键放置构件，构件放置在程序设定好的空间位置中，并进行同 步显示，一个步骤组装成功；若选择构件错误或者放置位置错误，用户使用按 键放置构件，构件会产生物理属性，掉落在虚拟空间的地面上，两秒后消失；

S105：在搭建过程中，若用户需要了解搭建步骤及在当前步骤下需使用的 构件名称，可使用搭建流程参考手柄进行查看，此手柄可将古建筑的搭建流程 进行演示，通过用户自主按键选择，进行上一步骤、下一步骤、构件上下分解、 旋转查看、构件名称信息展示的虚拟VR交互，帮助用户准确、及时、多维度查 看搭建流程；

S106：用户在搭建过程中，可实时了解自己搭建操作的情况，系统显示计 时器、计步器、正确率等信息；

S107：重复以上步骤，完成古建筑虚拟模型的搭建；

S108：搭建完成之后，用户可对完成的虚拟模型进行全方位查看，利用指 示线显示每个构件的名称和特点信息；

S109：对虚拟模型查看完毕后，程序会将虚拟模型进行真实比例还原，形 成一个与原建筑同等大小的虚拟仿真古建筑，用户可在虚拟环境中，按照真实 环境下的比例对古建筑进行全面观看。

本发明实施例提供的基于VR的古建筑构件搭建模拟方法，包括以下步骤：

(1)资料收集整理

查阅相关古建筑书籍并在专家指导下对古建筑构件资料进行分类整理，梳 理搭建流程，同时对古建筑实景场地进行实地调研、测绘，记录原始数据，对 古建筑历史、文化和特点进行资料收集。

(2)数字化模型制作及优化

使用3DSMAX和MAYA进行数字化模型制作，严格按照之前收集整理的 古建筑构件资料对各个古建筑构件进行逐一数字化复原，并按照类别和搭建顺 序进行命名、归纳整理，初版模型制作完毕之后由专人在3D软件中进行常规构 件拼装，验证构件尺寸及数量的准确性，确认无误之后进行模型深加工，完成 倒角及构件细节的处理，以虚拟游戏引擎的制作标准进行面数优化、UV平展、 基础贴图绘制等工作。

(3)UnrealEngine4视觉制作

将达到虚拟游戏引擎标准的3D模型导入到全球领先的数字化虚拟游戏引 擎UnrealEngine4中进行素材转换，使用最新的PBR材质制作规范进行游戏引 擎材质制作，使用Photoshop、Xnormal等平面软件制作基础贴图、高光贴图、 法线贴图、金属贴图、光泽贴图等，使用UnrealEngine4进行灯光、环境、天空 的制作，使用SpeedTree等植物制作软件进行植物的搭配工作。

(4)程序处理

根据之前材料收集时梳理的搭建流程对场景中的构件进行进行程序制作，利 用UnrealEngine4蓝图功能结合C++进行程序设计，同时对软件的UI进行设计 和贴图绘制。整个古建筑由上千个构件组成，拼装过程复制且耗时较长，结合 参与者的体能和专注度的极限，设计时长在15分钟左右的交互体验。

(5)交互测试

由3人以上反复进行全程交互体验测试，找出程序中的Bug和不符合用户 操作习惯的设计，将意见反馈到程序组进行修改和优化。

(6)高品质场景构建

对测试好的程序环境进行最后的美术优化，加入环境信息、配景音乐、音 效等，加强参与者体验感，再进行最终的联机网络贴图构建，最后封包成可执 行文件。

本发明实施例提供的基于VR的古建筑构件搭建模拟系统采用三维软件将 木结构古建筑的每个构件逐一进行等比例复原，然后在三维软件中将数字化的 木结构构件进行模型优化、贴图整理、材质制作，统一命名等次时代模型的处 理，完成之后将优化好的数字化构件模型导入到UnrealEngine4游戏虚拟引擎中 进行灯光、材质、环境的预处理，使用C++编程软件定义每个构件的具体信息， 包含构件分类，名称、数量、简介、材质类型、空间位置、缩略图等，利用程 序把构件在虚拟空间中进行初始化组装，形成虚拟组装模型。VR的硬件采用的 是国际上主流的Oculus Rift和HTC VIVE，按照VR硬件制作的标准进行虚拟角色的制作，利用游戏虚拟引擎提供的基本功能，针对虚拟手柄的按键布局结合 用户操作习惯，使用C++编程软件制作VR交互程序。为了更好的体现VR的特 性，结合古建筑的特点，采用三维软件进行虚拟操作空间的数字化模型的制作， 须经过模型优化、贴图整理、材质制作，统一命名等次时代模型的处理，最后 倒入到次时代游戏虚拟引擎中进行灯光、材质、环境的处理，与之前的古建筑 模型进行合并优化，使用C++编程软件进行操作流程的程序梳理，再进行测试、 调试、输出成品。

本发明实施例提供的存档记录的方法包括：

数据库信息文本特征向量的每一个特征项对应简化后的贝叶斯网络模型下 的一个属性变量结点，分类变量C单独作为一个结点构简化贝叶斯网络的结点 集G，在此基础上描述数据库信息分类算法如下：

(1)设定数据库信息文本训练集D＝{x₁，x₂，…，x_N}，对每一文本xi∈ D(1≤i≤N)，将其转化为特征向量；

(2)记特征项集合U＝{A1，A2，…，An}，简化贝叶斯网络的结点集 G＝U∪{c}；

(3)新数据库信息文本到达时，将其转化为特征向量xi＝(a₁，a₂，…，a_n)， 根据下式，依次求出P(C_j(a₁，a₂，…，a_n))(1≤j≤n)；

其中，K_(ai)是A_i的非类父结点K_(Ai)的取值.如果Ai∈G1，则K(A_i){A_k1， A_k2，…，A_km}；如果Ai∈G2，则K(Ai)＝{A_k1，A_k2，…，A_km}；

(4)比较x_i＝(a₁，a₂，…，a_n)属于所有类的概率，将数据库信息文本分配到 最大的那个类别中。

进一步，所述虚拟模型，利用VR技术实现虚拟系统中图像的真实比例还原 具体包括：

步骤一：获取数据和制作几何模型，古建筑构件搭建的结构数据、实地测 量数据；

步骤二：制作材质，完成几何模型后，利用材质编辑器制作所需材质；

步骤三：布置灯光和摄影机，灯光决定场景的基调或感觉，烘托场景气氛， 摄影机在以观察者角度对虚拟三维空间模型进行观察，获得真实的视觉效果感 受；

步骤四：渲染和烘焙贴图，对场景进行渲染，场景添加颜色或环境效果， 达到逼真的效果；

步骤五：模型优化。

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 (5)

1.一种基于VR的古建筑构件搭建模拟方法，其特征在于，所述基于VR的古建筑构件搭建模拟方法包括：

步骤一，用户进入登录界面，填入个人信息，自动建立数据库，并存档记录；

步骤二，进入操作说明虚拟空间，了解操作方式和流程；

步骤三，通过手柄操作完成构建选择、构建搭建；

步骤四，构件选择、拼装，构件放置空间位置；

步骤五，使用搭建流程参考手柄查看；

步骤六，搭建过程显示计时器、计步器、正确率；

步骤七，重复以上步骤，完成古建筑虚拟模型的搭建；

步骤八，用户对完成的虚拟模型全方位查看，利用指示线显示每个构件的名称和特点信息；

步骤九，将虚拟模型真实比例还原。

2.如权利要求1所述的基于VR的古建筑构件搭建模拟方法，其特征在于，所述建立数据库，基于VR系统建立特色VR数据库包括以下步骤：

步骤一：组成VR系统，包括硬件开发平台、VR显示系统、VR交互系统；

步骤二：构建VR数据库模型，虚拟现实资源库的构建模型由用户、I/O设备、VR引擎、资源库部分组。

3.如权利要求1所述的基于VR的古建筑构件搭建模拟方法，其特征在于，所述存档记录的方法包括：

数据库信息文本特征向量的每一个特征项对应简化后的贝叶斯网络模型下的一个属性变量结点，分类变量C单独作为一个结点构简化贝叶斯网络的结点集G，在此基础上描述数据库信息分类算法如下：

(1)设定数据库信息文本训练集D＝{x₁，x₂，…，x_N}，对每一文本xi∈D(1≤i≤N)，将其转化为特征向量；

(2)记特征项集合U＝{A1，A2，…，An}，简化贝叶斯网络的结点集G＝U∪{c}；

(3)新数据库信息文本到达时，将其转化为特征向量xi＝(a₁，a₂，…，a_n)，根据下式，依次求出P(C_j(a₁，a₂，…，a_n))(1≤j≤n)；

其中，K_(ai)是A_i的非类父结点K_(Ai)的取值.如果Ai∈G1，则K(A_i){A_k1，A_k2，…，A_km}；如果Ai∈G2，则K(Ai)＝{A_k1，A_k2，…，A_km}；

(4)比较x_i＝(a₁，a₂，…，a_n)属于所有类的概率，将数据库信息文本分配到最大的那个类别中。

4.如权利要求1所述的基于VR的古建筑构件搭建模拟方法，其特征在于，所述虚拟模型，利用VR技术实现虚拟系统中图像的真实比例还原具体包括：

步骤一：获取数据和制作几何模型，古建筑构件搭建的结构数据、实地测量数据；

步骤二：制作材质，完成几何模型后，利用材质编辑器制作所需材质；

步骤三：布置灯光和摄影机，灯光决定场景的基调或感觉，烘托场景气氛，摄影机在以观察者角度对虚拟三维空间模型进行观察，获得真实的视觉效果感受；

步骤四：渲染和烘焙贴图，对场景进行渲染，场景添加颜色或环境效果，达到逼真的效果；

步骤五：模型优化。

5.一种应用权利要求1～4任意一项所述基于VR的古建筑构件搭建模拟方法的信息数据处理终端。