3. 歷史建築數位化與虛擬化操作流程
3.2 操作流程建立
本研究在實作完成後實施實驗測試，並加入色彩校正概念，藉以了解虛擬實境 空間模擬器技術用於古蹟、歷史建築保存方式的視覺成效，以提供進一步數位 化與虛擬化操作流程發展與建議。虛擬紅毛城歷經分析、規劃、設計、發展、
測試等階段，建置完成其系統功能與效果如何、系統內容是否符合古蹟或歷史 建築的需要、視覺模擬是否因技術門檻而受限及其對保存上有何幫助、皆是十 分值得評估與分析的課題。藉著操作過程問題衍生與解決，以及觀察的方式，
並以「多重建構真實」的歷史觀提出意見除了可以確定系統是否達到原訂之建 系統
(Immersive Multi-user Virtual Space; IMVS)
技術，具備多人參與、立體沉 浸、即時互動具備高效能電腦系統、高品質顯像系統、運用立體影像及可觸動總面數(含天空)
1634229 2284825 831850 1617995
紅毛城面數
5393 11473 6406 8078
領事館面數
66802 125964 60374 119565
其他基礎設施面數
76584 139438 63302 146638
樹面數
1485230 2007530 701568 1343314
天空面數
220 420 200 400
圖 3-17：將精細模型的面數由原本的 597595 面再減為 41981 面
由高面數模型(high poly)減面後，再進行 UV 的重調與骨架、材質的重置。本研究 提出以低面數(low poly)的模型操作步驟呈現具精細模型的品質，其主要的操作 流程架構如下圖 (圖 3-18)。
圖 3-18：低面數模型製作之主要流程
在場景中放置了過多的高面數模型導致整個場景的顯示速度變慢，檔案也相對 變 大 。 減 面 步 驟 主 要 的 目 的 是 在 3D 軟 體 建 模 時 降 低 精 細 模 型 的 面 數 (polygons)，以利在即時的 3D 虛擬環境中呈現，經過減面後的模型因為面數的 降低，將可以提升即時模擬時算圖的效率。而在減面時，對於模型的細部結構 以貼圖的方式來呈現，如鐵窗、欄杆或其他細節部分構件等(圖 3-19)。模型進 行優化及減面可以在保留模型原有細節，並可以將優化後的模型保存為一些常 用的 3D 格式。
Maya, 3ds Max 量體尺度
定位方式 空間關係 周邊環境
貼圖處理 指定路徑
Unwrap Light map
材質貼圖 輸入 模型減面
Check polygon
減面 重建
Texture baking
Photoshop
3D 建模
圖 3-19：模型的細部結構面數的降低，可提升即時模擬時算圖的效率
雖 然 已 經 有 相 當 多 的 研 究 就 提 出 的 多 邊 形 減 面 方 法 ， 但 是 低 面 數 多 邊 形
（
lowPoly
）其模型精緻度無法向高面數多邊形（hiPoly
）一樣，最新的技術是將法線貼圖（
vector normals maps
）貼到LowPoly
模型上以計算其相關的HiPoly
物件的外型。貼圖除牽涉到影像校正
(iImage rectification)
外，尚有法向量的方向關係，法向量與是否破面的問題影響顯示的穩定性因而需要將多餘的面去除外 並檢查座標方向性
(
圖3-20)
。法線（normal
）是用來提供算圖所需的資訊，軟體 會依據它與視線間的夾角來判斷面的可建與否，或依據它與光線間的夾角來計 算受到照明的程度。在製作過程中，有時算圖後模型表面會出現破洞，只要將 這些背面的法線做翻轉，就能正常顯示。若要在視窗中看到面法線，先將模型 轉換成可編輯網格（editable mesh
），再到Face
層級中勾選Show Normals
，就能顯示被選取面的法線。如果要觀看頂點法線，進入
Vertex
層級勾選Show
Normals
，即可將被選取頂點的法線顯示出來。在lighting
模式中，還會使用到「法線」的參數。法線表示多邊形的方向，若設定錯誤的話，打光處理就會出 現問題。在計算模型的陰影和聚光的形狀時會使用到這個參數，因為必須要先 知道一個面的方向，才能判斷照射到一個面的光線會以何種角度反射回來。
圖 3-20：法向量與是否造成破面的問題均會影響顯示的穩定性
貼圖處理
如何利用繪圖軟體製作出好的貼圖，在於視覺呈現上便顯得格外重要，複雜的 物件增加電腦的負荷，貼圖的處理完整，反而有更好的呈現效果。材質貼圖是 設定構成多邊形的各頂點，要如何把光源反射過來的光源反射回去的參數集
合。
Ambient
是表現「環境光」的參數。現實的世界中，一個物件除了會被光源照射出來的光源照射之外，還會被其他物體或空氣中的灰塵反射出來的光線 照射。這類光被稱為環境光，可以自然地表現出物體周圍的整體明亮度，若沒 有設定這個光的參數會造成陰影太強的效果。貼圖處理是在
3D
場景中模擬建築物或物件外表面的技術
(
圖3-21)
，將深度的變化保存到一張貼圖中，然後再 對3D
模型進行標準的混合貼圖處理(
圖3-22)
。圖 3-21：3D 場景中將物體表面材質回貼
圖 3-22：展開材質貼圖管理，然後再對 3D 模型分別進行貼圖
為利於後續互動軟體及場景的建立，在材質貼圖檔名亦須謹慎處理，以開啟
Maya
檔案為例，在圖層的部份名稱命名會容易混淆，且因3D
互動軟體部分限制檔名的命名須以英文為主，會避免後續匯入檔案時造成材質貼圖讀取不到，
紅毛城及領事館的圖層是依材質球名稱命名，由於同一個模型可能有一張以上 的貼圖，所以無法用貼圖來分層。因而本研究整理
layer
的方式如下圖(
圖3-23)
所示：
圖 3-23：材質貼圖命名與分層管理
在
layers
按右鍵，選擇圖中所標示的選項Sort Layers Alphabetically
，選取之後圖層會按照名稱排列，紅毛城
(
安東尼堡)
相關的圖層皆用膚色，領事館相關的圖 層採用紅色，領事館內部家具牆面的部份圖層為黑色，其他辦公室等相關紅毛 城的東西圖層為咖啡色，另外剩下天空、土地及樹木等圖層。在編輯視窗及功 能選項，能仔細的規畫更可產生清楚易於辨識的貼圖路徑，利於後續編輯修改。量體建構及對位方法
量體建構結合對位方法主要是以影像為主
(Image-based techniques)
的技術，透過對位控制調整方式與多種技術的結合，以達到模型組合與整合
(Model assembly
and integration)
的目的。因而利用虛擬方盒子的概念去型塑空間定位，因數位化軟體的數值特性，空間座標的每個位置皆能定位，因此將平面圖與立面圖先行
定位分析
(
圖3-24)
，再透過製作電腦動畫模擬不同角度的觀看，檢視已達到精準圖面的分析下所建構的
3D
電腦模型(
圖3-25)
。電子資料測量(electronic data
measurement)
是準備測量勘查圖的一個常用工具，它需要選擇測量點和一個如何描述物體的設定以建立資料
(Quintero et al., 2007)
。因而本論文多影像比對過程(multi-image matching procedure)
的方式可解決航照影像模型(Models from Aerial
Images)
、近景影像模型(Models from Close-Range Images)
以及雷射掃瞄模型(Models from Laser Scanning)
精準度高但資料取得費時與耗費人力的技術門檻。圖 3-24：圖中的三角形、方形方向與顏色為定位關係標示
圖 3-25：透過不同角度的動畫呈現可以定格圖面，可精準地檢視每個位置與細節，並透過即時 呈現面數以控制為求精準而增加面數影響流暢度
因而本研究透過不同角度的定格圖面可精準地檢視每個位置與細節，並透過即 時呈現面數，以控制為求精準而增加面數影響流暢度(圖 3-26)，並可節省人力、
物力與經費。其必要資訊包括要建模對象物的建築圖像，並且以匯入平面圖圖 檔的方式提供建築位置與高度(圖 3-27)。
圖 3-26：虛擬空間中的定位方式呈現出平面與空間對應的相對位置並簡化實體掃瞄的複雜問題
圖 3-27：對位方式示意
地形場景建構與歷史建築置入操作步驟
歷史建築置入
(assembly and simulation)
的過程操作步驟，首先將紅毛城平面地型 圖置於地形模型上方(
圖3-28)
，為求在虛擬空間中掌握空間精準度，將地形圖 材質球的透明度調低(
圖3-29)
，以便之後對應下方的模型位置，從top view
確定地形圖和模型位置大小比對確認後，
import
安東尼堡模型檔到紅毛城場景中，從
top view
觀察將安東尼堡的大小角度，調整到適當的位置，再從各角度觀察檢視
(
圖3-30)
，將安東尼堡放置在場景地形的正確位置上。圖 3-28：地形場景建構完成圖
圖 3-29：透過平面圖在虛擬環境中對位將紅毛城置入
圖 3-30：不同視窗的電腦特性可整合對位的觀看角度增加精準度
同理，將領事館模型檔
import
到場景中，從top view
觀察將領事館的大小角度，調整到適當的位置，再從各角度觀察，將領事館放置在場景地形的正確位置上，
完成地形場景置入
(
圖3-31)
與其他具有歷史性的建物與構件置入(
圖3-32
，3-33)
。圖 3-31：歷史建築置入後的淡水古蹟園區全區圖
圖 3-32：其他具有歷史性的建物與構件電腦模型圖
圖 3-33：其他具有歷史性的建物與構件電腦模型圖
因此透過數位相機取得實體場景的數位資料，輸入虛擬環境中經由圖面資料比 對與定位，產生
3D
模型與虛擬空間的整體環境，將先前影像經由材質貼圖處 理及材質烘培的步驟，最後由軟體平台輸出。下圖為地形場景建構與歷史建築 置入操作步驟的過程(
圖3-34)
。圖 3-34：地形場景建構與歷史建築置入操作步驟的過程
實體場景 貼圖處理 播放平台
Digital camera Input
數位資料 3D 建模
Edit Output
3.2.2 空間模擬器展示
高動態範圍算圖（
High Dynamic Range Rendering
）且能直接發布exe
執行檔，不需編寫
Code
。透過Adobe Photoshop Direct Draw Surface (DDS)
外掛程式，可以將檔案儲存成副檔名
.dds
的檔案格式，而此格式可保留透明度並將其壓縮為 元素：Channel Templates
：提供3D
即時互動行為與屬性設定；Section
：各種編輯器，為整合程式與製作的環境平台；
Animation 3D Viewer
：執行由Channel
Section
製作出來的內容；Channel Group
：放置各種場景或物件的群組資料；Quest
3D SDK (Software Development Kit)
：使用可自行創造Channel
功能(
圖3-35)
。要完成歷史建築虛擬場景建構及播放系統，必須要經過實景拍攝、場景製作和 互動設定等三個步驟。一開始在實景拍攝階段會先進行拍攝規畫，實景拍攝後 進行場景的
3D
數位化動作，包括3D
物件建模(modeling)
和製作3D
場景(scenario)
。3D
模型會使用平面影像來重建，以及後續的對位處理、幾何修補和貼圖處理來建模，
3D
場景會進行場景規劃、動線規劃、畫面分割及立體轉換處 理來建立場景。最後在播放顯示的部份，提供立體顯像的技術，並依照需求不 同分為即時互動導覽或自動設定導覽(
圖3-36
)。圖 3-35：編輯器，為整合程式與製作的環境平台
圖 3-36：播放顯示建立流程
3D
材質貼圖貼圖對於資料處理有一定的規則。將
3ds Max
場景中所用材質貼圖與輸出檔放 在同一資料夾，DirectX
只支援貼圖尺寸為2
的平方像素，像8
、16
、32
、64
、128
、256
、512
、1024
都是可用的尺寸(
圖3-37)
，越大的尺寸代表所使用記憶體 的量越大，以2048×2048
像素而言，所佔空間雖然只有40KB
，但所佔用的記憶體卻超過
8MB
。貼圖尺寸調整好後再匯入，Quest3D
的材質屬性可做修改，但體卻超過