漫步在一條青灰色的胡同，目光掃過一座座古樸莊重的門樓，四合院大門前威武的石獅子，耳畔不時(shí)傳來小販的叫賣聲，濃郁的京味氣息撲面而來，讓人感覺城市的喧囂瞬間遠(yuǎn)離了，仿佛穿越時(shí)空，來到了舊時(shí)的北京。
　　眼前的圖景，并非現(xiàn)實(shí)中的老北京胡同，而是“數(shù)字北京胡同”項(xiàng)目研發(fā)出的北京胡同虛擬漫游系統(tǒng)的演示效果。而承擔(dān)這一研發(fā)任務(wù)的就是周明全教授帶領(lǐng)的北京師范大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化技術(shù)研究所。
　　將計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)緊密結(jié)合，是虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化技術(shù)研究所獨(dú)具特色的研究方向，近些年取得了一系列重要的研究成果?！段奈锾摂M修復(fù)和數(shù)字化保護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用》，獲評(píng)2009年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；《三維剛體破損復(fù)原研究及其在文物虛擬修復(fù)中應(yīng)用》，獲評(píng)2007年教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。“數(shù)字北京胡同”，正是這個(gè)科研團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的北京市2011年階梯計(jì)劃項(xiàng)目 “數(shù)字化技術(shù)在北京胡同虛擬展示中的應(yīng)用研究”的最終成果。
　　“我們要復(fù)原歷史”
　　胡同所承載的是北京悠久的文化，但隨著北京市舊城的大改造，成片的胡同和文化遺跡最終從城市版圖中永遠(yuǎn)消失。因此，計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在文化古跡日益消失的今天就顯得尤為重要，讓世人看到逝去的歷史風(fēng)貌，這充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。
　　“我們要復(fù)原歷史，但是不能改變歷史?！敝苊魅f。虛擬現(xiàn)實(shí)，并不是隨意地發(fā)揮，而必須尊重歷史的原貌，這就需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和大量基礎(chǔ)工作的投入。
　　項(xiàng)目組的研究生們結(jié)合大量的考古資料和地圖，以此確定待建模胡同的基本形狀。為了更準(zhǔn)確地得到代表性胡同的地形資料，研究所的同學(xué)們多次到實(shí)地進(jìn)行拍攝、測(cè)繪工作，哪怕是一片瓦的寬度抑或是門口石獅的高度，都是他們親手測(cè)量的結(jié)果。最終，他們獲得了北京五條胡同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)項(xiàng)目組順利完成“數(shù)字北京胡同”的建模來說，可謂勞苦功高。
　　胡同場(chǎng)景的建模，并非易事。為呈現(xiàn)出逼真、豐富的老北京胡同的場(chǎng)景，項(xiàng)目組結(jié)合了多種建模方法和算法，提出了深度圖像自動(dòng)配準(zhǔn)方法、基于圖像場(chǎng)景的三維快速建模方法、帶紋理的三角形網(wǎng)格模型簡(jiǎn)化算法及實(shí)時(shí)繪制的連續(xù)LOD算法，提高了配準(zhǔn)精度，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字內(nèi)容的快速建模及大規(guī)模場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制。
　　在人工建模的基礎(chǔ)之上，為了提高建模結(jié)果的精度，項(xiàng)目組采用了基于多幅圖畫序列的場(chǎng)景建模方法，通過多視角立體重建技術(shù)實(shí)景建模胡同的街道等大尺寸的場(chǎng)景。但是，由于收到大場(chǎng)景激光掃描儀不適合掃描距離較近的物體，且大場(chǎng)景掃描的結(jié)果并不包含場(chǎng)景的顏色信息，那么就需要大量的手工貼畫工作。于是，項(xiàng)目組想到了利用5DMarkⅡ單反照相機(jī)拍攝場(chǎng)景序列圖像的方法來減少工作量，通過多視圖像采集與預(yù)處理、攝像機(jī)標(biāo)定、點(diǎn)云模型生成、點(diǎn)云三角化等步驟，實(shí)現(xiàn)了北京氈子胡同的實(shí)景建模。
　　除了一般場(chǎng)景，胡同文化中必不可少的還有大量的文物：瓦當(dāng)、瓷器等，為它們建好模，將使胡同增色不少。項(xiàng)目組利用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，然后通過多視深度圖像配準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)文物的高精度建模。這種建模方法主要是通過全等三點(diǎn)實(shí)現(xiàn)深度圖像兩兩自動(dòng)粗配準(zhǔn)，基于鄰接區(qū)域覆蓋率激勵(lì)深度圖像的拓?fù)潢P(guān)系圖，基于改進(jìn)的ICP算法以及全局優(yōu)化配準(zhǔn)方法來實(shí)現(xiàn)。此外，項(xiàng)目組還采用了基于模型復(fù)用的快速建模方法。由于研究所已經(jīng)構(gòu)建了包含數(shù)萬個(gè)各類三維模型的三維模型庫(kù)，只需通過模型的共享和復(fù)用，以及最后利用圖像場(chǎng)景的視覺信息檢索適宜的三維模型數(shù)據(jù)合并成虛擬場(chǎng)景即可。
　　有了人物的活動(dòng)，老北京風(fēng)情的體現(xiàn)才真正完整。項(xiàng)目還實(shí)現(xiàn)了虛擬人物、特色聲音等環(huán)境載體的虛擬現(xiàn)實(shí)展示。
　　人們穿行于熙熙攘攘的大街，徜徉于古色古香的小巷。其間，活潑可愛的頑童三五成群玩著傳統(tǒng)的游戲，鶴發(fā)童顏的老人練習(xí)太極，有人正在唱京戲，字正腔圓。胡同里的吆喝聲、叫賣聲、嬉笑聲，不絕于耳。欣賞著胡同里的款款風(fēng)情，儼然正在參觀一座北京民俗風(fēng)情博物館，令人回味無窮。
　　花樣頻出的“數(shù)字胡同”
　　“數(shù)字北京胡同”還有許多別出心裁的地方。
　　為了方便用戶了解整個(gè)胡同的全貌以及當(dāng)前所處位置，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小地圖功能，用戶在進(jìn)入虛擬漫游系統(tǒng)時(shí)，通過觀看屏幕左下角的小地圖可以獲取當(dāng)前的位置信息，地圖中指示點(diǎn)的位置會(huì)根據(jù)人物在三維空間所處位置即時(shí)更新。
　　更值得一提的是，項(xiàng)目組還加入了時(shí)間維度，從晨光熹微到華燈初上，從陽春三月繁花似錦到隆冬時(shí)節(jié)飛雪漫天，晨昏景象各異，四時(shí)氣候不同，系統(tǒng)進(jìn)行了多樣化設(shè)計(jì)，操作者可以執(zhí)行相應(yīng)的繪制函數(shù)，改變不同的光照角度及強(qiáng)度、霧的濃度等屬性。這使“數(shù)字北京胡同”更具觀賞性和藝術(shù)感。
　　后海碧波蕩漾的湖面賞心悅目，水面的動(dòng)態(tài)景象制作也并非易事。它需要結(jié)合海洋物理現(xiàn)象知識(shí)，對(duì)伯努利方程進(jìn)行線性化，不考慮水表面以下的計(jì)算方程。在通過快速傅里葉變換生成曲面后，引入隨機(jī)干擾因子，使得觀眾在近處和遠(yuǎn)處都有較好的視覺。
　　胡同場(chǎng)景中添加的虛擬人群同樣滲透著項(xiàng)目組的智慧。由于需要高效的算法來保證虛擬人運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)性，而群體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算瓶頸在于碰撞處理，因此需求快速、有效處理該問題便是解決實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵。對(duì)此，項(xiàng)目組在crowdpatches的基礎(chǔ)上，采用rule-based方法進(jìn)行改進(jìn)，使模擬效果更加貼近實(shí)際。從專家工作室走上普通人的辦公桌表面上看，虛擬漫游系統(tǒng)與3D電影很相象，而實(shí)際上，兩者本質(zhì)上大不一樣，虛擬漫游系統(tǒng)的人機(jī)交互功能是一般3D電影所不具備的。所謂人機(jī)交互功能，是指人與計(jì)算機(jī)之間使用某種對(duì)話語言，以一定的交互方式，為完成確定任務(wù)的人與計(jì)算機(jī)之間的信息交換過程。
　　而正是這項(xiàng)人機(jī)交互功能，不僅成功地使虛擬漫游系統(tǒng)從專家的工作室走上了普通人的桌面，而且，也使系統(tǒng)進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域提供了可能。
　　為了方便不同用戶的漫游需求，虛擬漫游系統(tǒng)提供了三種人機(jī)交互方式：其中，最基本的就是鍵盤控制，漫游過程中用戶只需要控制鍵盤方向鍵，就可以輕松地控制視點(diǎn)向前、后、左或右漫游，按shift鍵就能實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)快速運(yùn)動(dòng)的功能。第二種是基于Kinect的非接觸式交互。項(xiàng)目組定義了一套標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作庫(kù)，分別表示視點(diǎn)向前、向后、向左、向右運(yùn)動(dòng)，交互過程中，用戶站立在kinect前方，kinect捕捉用戶的動(dòng)作，參照預(yù)先定義的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作庫(kù)，即可控制用戶漫游方向和漫游的速度。第三種是基于日本任天堂公司生產(chǎn)的Wii進(jìn)行交互。實(shí)施過程中采用位移及姿態(tài)校準(zhǔn)對(duì)六自由度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，采用多媒體定時(shí)中斷和平滑濾波提高數(shù)據(jù)可靠性。獲得可靠的用戶六自由度數(shù)據(jù)后，利用不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行胡同漫游，分別控制前行、后退、左拐、右拐、仰視和俯視。
　　周明全介紹說，這些功能具有廣闊的發(fā)展空間，可以應(yīng)用到課堂教學(xué)、影視制作、醫(yī)學(xué)手術(shù)模擬等各個(gè)領(lǐng)域。“‘?dāng)?shù)字北京胡同’是由研究所學(xué)生獨(dú)立研發(fā)的成果，是他們刻苦鉆研、不斷實(shí)踐和完善的結(jié)果，是整個(gè)研究所智慧的結(jié)晶。當(dāng)然，項(xiàng)目還有很多細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步完善豐富。”周明全對(duì)正在實(shí)驗(yàn)室操作的學(xué)生們充滿期待。