走在“空無(wú)一人”的夫子廟景區(qū)，可以不再受嘈雜人流的影響，一磚一瓦仔細(xì)品味這一千年歷史的文脈之地，這不是某個(gè)“平行世界”，而是一小伙帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用激光技術(shù)將夫子廟景區(qū)在虛擬空間還原的場(chǎng)景。經(jīng)過(guò)渲染掃描的數(shù)據(jù)，可以在手機(jī)上形成可身臨其境體驗(yàn)的3D游戲，參與者能在其中漫步，甚至可以到處飛翔。

“我們使用的是3D高斯?jié)姙R技術(shù)，適合在虛擬空間再現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、雕刻精美、光影豐富的古建筑景區(qū)。”吳先生介紹，其特色是精細(xì)程度讓肉眼都難以分辨是游戲還是現(xiàn)實(shí)取景。他將自己制作的視頻發(fā)到社交平臺(tái)上，不少網(wǎng)友看了之后驚呼：生長(zhǎng)在南京都從來(lái)沒(méi)有用這樣的視角看遍夫子廟的各種角落，而不少外地網(wǎng)友也表示：可以“賽博旅游”了！

(資料圖片)

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曾經(jīng)在畢業(yè)設(shè)計(jì)里掃描學(xué)校

如今讓千年古建在數(shù)字世界“活”起來(lái)

吳先生介紹，自己是今年的應(yīng)屆畢業(yè)生，學(xué)習(xí)的專業(yè)是數(shù)字媒體技術(shù)。他的畢業(yè)設(shè)計(jì)就是把自己的學(xué)校全部用激光“掃描”下來(lái)，做成了活靈活現(xiàn)的游戲場(chǎng)景，讓人仿佛身臨其境，難辨是游戲還是現(xiàn)實(shí)。畢業(yè)后，吳先生入職江蘇一家開(kāi)發(fā)裸眼3D顯示器的企業(yè)，從事3D內(nèi)容的建模工作。

“這個(gè)項(xiàng)目既有工作上的測(cè)試需要，也是團(tuán)隊(duì)的共同愿望，用今天最尖端的數(shù)字技術(shù)，讓像夫子廟這樣承載了南京千年文脈的歷史地標(biāo)，不僅能被永久地、高精度地保存下來(lái)，更能以一種動(dòng)態(tài)、可互動(dòng)、甚至可游玩的方式，重新走進(jìn)大眾的視野，尤其是年輕一代的生活中。”吳先生說(shuō)。

“過(guò)去，傳統(tǒng)的文物保護(hù)多依賴于圖紙、照片，雖然珍貴，但難以全面、立體地記錄復(fù)雜古建筑的每一處細(xì)節(jié)。而近年來(lái)，隨著三維激光掃描、無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量等技術(shù)的發(fā)展，古建數(shù)字化有了更多新可能。”吳先生說(shuō)，他們運(yùn)用的技術(shù)名叫3D高斯?jié)姙R（3D Gaussian Splatting, 3DGS），2023年被提出后，他立刻意識(shí)到，這簡(jiǎn)直是為夫子廟這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、雕刻精美、光影豐富的古建筑景區(qū)量身定制的方案。

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“與傳統(tǒng)的多邊形建模或早期的神經(jīng)輻射場(chǎng)（NeRF）技術(shù)相比，3DGS能夠在消費(fèi)級(jí)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高保真的渲染效果，訓(xùn)練速度也更快。”吳先生說(shuō)：“這意味著我們有機(jī)會(huì)不再滿足于生成一個(gè)靜態(tài)的、只能從特定角度觀看的模型，而是創(chuàng)造一個(gè)觀眾可以自由穿行其中的沉浸式數(shù)字空間，甚至可以將其作為游戲場(chǎng)景進(jìn)行二次創(chuàng)作。”

從一磚一瓦到虛擬世界

需要給古建筑做“毫米級(jí)CT”

吳先生介紹，將真實(shí)的夫子廟轉(zhuǎn)化為真實(shí)的游戲世界中，是一個(gè)多技術(shù)環(huán)節(jié)緊密銜接的系統(tǒng)工程。整個(gè)過(guò)程大致可以分為三步，首先需要全方位數(shù)據(jù)采集，給古建筑做一次“毫米級(jí)CT”。

為了實(shí)現(xiàn)高精度還原，他們采用了“空地融合”的采集方案，包括地面精細(xì)掃描和空中全局把握。“我們使用手持式三維激光掃描儀，對(duì)大成殿、欞星門、照壁等主要建筑的立面、柱礎(chǔ)、碑刻細(xì)節(jié)進(jìn)行了掃描。設(shè)備集成的全景彩色相機(jī)，幫助我們捕獲了建筑物真實(shí)的色彩與紋理。”吳先生說(shuō)，掃描的工作量如果全程一個(gè)人操作，大概需要兩三個(gè)小時(shí)，但他們用了多天來(lái)完成，“僅夫子廟的石像建模就掃描了4000多張照片。”

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針對(duì)夫子廟復(fù)雜的屋頂結(jié)構(gòu)（如翹角飛檐、屋脊獸吻），他們通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影和貼近攝影測(cè)量，確保高空細(xì)節(jié)無(wú)一遺漏。“這個(gè)過(guò)程就像是給整個(gè)夫子廟建筑群做了一次精密的立體CT掃描，獲得了海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和多角度高清影像，為后續(xù)建模奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”

有了數(shù)據(jù)以后，他們通過(guò)3DGS技術(shù)進(jìn)行處理，這也是整個(gè)項(xiàng)目最具創(chuàng)新性的環(huán)節(jié)。在通過(guò)軟件對(duì)圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)處理后，再進(jìn)行高斯橢球優(yōu)化，最后進(jìn)行可微分渲染與訓(xùn)練，使得最終渲染出的圖像無(wú)限接近真實(shí)照片。這個(gè)過(guò)程確保了模型能夠捕捉到夫子廟磚木的精妙質(zhì)感、琉璃瓦的光澤變化。

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最終將優(yōu)化好的3DGS模型后，吳先生和團(tuán)隊(duì)將其導(dǎo)入到虛幻引擎這樣的游戲開(kāi)發(fā)平臺(tái)中。他提到，他們還在引擎中設(shè)置了動(dòng)態(tài)光照系統(tǒng)，模擬從清晨到黃昏的不同光線，以再現(xiàn)夫子廟莊重而富有生活氣息的獨(dú)特氛圍。

“我們并沒(méi)有將其做成一個(gè)復(fù)雜的游戲，而是設(shè)計(jì)了一條沉浸式漫游路徑。通過(guò)精心設(shè)計(jì)的鏡頭運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)觀眾從天下文樞牌坊下穿行，掠過(guò)學(xué)宮的長(zhǎng)廊，最終仰視大成殿的巍峨。”吳先生說(shuō)。

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“空地融合”技術(shù)無(wú)縫對(duì)接數(shù)據(jù)

觀眾可以在“虛擬夫子廟”中自由行走

“這個(gè)項(xiàng)目并非一帆風(fēng)順，我們遇到了不少挑戰(zhàn)，也實(shí)現(xiàn)了一些讓我們自己都感到興奮的突破。”吳先生說(shuō)，空中無(wú)人機(jī)影像和地面掃描儀數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系與精度不同，融合處理是一大挑戰(zhàn)。他們通過(guò)設(shè)置精確的地面控制點(diǎn)，并利用（空地融合）技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接，確保了從屋脊到柱礎(chǔ)的整體模型精度統(tǒng)一。

“夫子廟場(chǎng)景復(fù)雜，直接生成的高斯模型可能包含數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的高斯點(diǎn)，對(duì)實(shí)時(shí)渲染壓力巨大。我們借鑒了分塊優(yōu)化的策略，將大場(chǎng)景劃分為多個(gè)區(qū)塊分別優(yōu)化后再合并，有效提升了計(jì)算效率并減少了邊界偽影。同時(shí)，在保證視覺(jué)質(zhì)量的前提下，對(duì)遠(yuǎn)處和次要的模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化。”

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最終成果最令人驚喜的是，3DGS技術(shù)完美地還原了夫子廟磚木的質(zhì)樸紋理和琉璃瓦在陽(yáng)光下的微妙反光，其視覺(jué)效果遠(yuǎn)超傳統(tǒng)三維建模。而更重要的是，這一切都是實(shí)時(shí)渲染的，這意味著觀眾可以在模型內(nèi)部自由行走探索，獲得了一種“穿越”到數(shù)字夫子廟的獨(dú)特體驗(yàn)，這是我們之前采用其他技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。

吳先生說(shuō)：“小時(shí)候做夢(mèng)經(jīng)常夢(mèng)見(jiàn)自己飛，這項(xiàng)技術(shù)仿佛還原了夢(mèng)境里的場(chǎng)景，感覺(jué)很有意思。”

未來(lái)古建筑可高精度數(shù)字孿生

助力文化遺產(chǎn)“活態(tài)”傳承

吳先生介紹，這個(gè)項(xiàng)目對(duì)他們來(lái)說(shuō)不僅僅是一次技術(shù)演示，更是一個(gè)關(guān)于未來(lái)的起點(diǎn)。“這讓我們看到了3D高斯?jié)姙R等技術(shù)在文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的巨大潛力。”他說(shuō)，這一技術(shù)未來(lái)可以為珍貴的古建筑建立毫米級(jí)精度的數(shù)字孿生，即使實(shí)體建筑歷經(jīng)滄桑，其最鼎盛時(shí)期的風(fēng)貌也能在數(shù)字世界永久保存，為修復(fù)、研究提供無(wú)可替代的參考。

他表示，還可以結(jié)合VR設(shè)備，可以開(kāi)發(fā)深度的虛擬游覽產(chǎn)品，讓世界各地的人們足不出戶就能“身臨其境”地漫步夫子廟，甚至體驗(yàn)AR互動(dòng)，看到虛擬的古代學(xué)子在學(xué)宮中誦讀的場(chǎng)景。另外，相關(guān)技術(shù)也可以開(kāi)發(fā)成生動(dòng)的歷史教學(xué)課件，學(xué)生們可以在虛擬場(chǎng)景中完成探索任務(wù)，在互動(dòng)中學(xué)習(xí)古建知識(shí)、儒家文化，讓歷史學(xué)習(xí)變得有趣而深刻。

如今，不少前沿視覺(jué)生產(chǎn)者正在使用3D高斯?jié)姙R、4D高斯?jié)姙R等技術(shù)。吳先生認(rèn)為，從事這樣的開(kāi)發(fā)需要對(duì)歷史文化的敬畏與對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的熱情，二者缺一不可。“古建數(shù)字化尤其考驗(yàn)?zāi)托模瑥臄?shù)據(jù)采集的每一步都要力求精準(zhǔn)。”

“我的最大心得是，技術(shù)之于文化，最好的角色不是冰冷的復(fù)制者，而是充滿溫度的翻譯官和連接器。”吳先生說(shuō)：“希望我們做的南京夫子廟這個(gè)項(xiàng)目，能成為一個(gè)生動(dòng)的案例，激勵(lì)更多人一起探索，讓古老的文明在數(shù)字時(shí)代煥發(fā)新的生機(jī)。”

實(shí)習(xí)生 高磊 揚(yáng)子晚報(bào)/紫牛新聞?dòng)浾?劉瀏

校對(duì) 陶善工

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