紫牛頭條｜小伙用激光把南京夫子廟掃描做成3D游戲 1：1還原精度到厘米，網(wǎng)友：可以賽博旅游了
來源： 紫牛新聞
2025-10-20 22:12:00
走在“空無一人”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“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景。經(jīng)過渲染掃描的數(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)?！眳窍壬榻B，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)到社交平臺上，不少網(wǎng)友看了之后驚呼：生長在南京都從來沒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！
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
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，做成了活靈活現(xiàn)的游戲場景，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。
“這個項(xiàng)目既有工作上的測試需要，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，更能以一種動態(tài)、可互動、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?！眳窍壬f。
“過去，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，隨著三維激光掃描、無人機(jī)攝影測量等技術(shù)的發(fā)展，古建數(shù)字化有了更多新可能?！眳窍壬f，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，他立刻意識到，這簡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。
“與傳統(tǒng)的多邊形建模或早期的神經(jīng)輻射場（NeRF）技術(shù)相比，3DGS能夠在消費(fèi)級設(shè)備上實(shí)現(xiàn)實(shí)時、高保真的渲染效果，訓(xùn)練速度也更快?！眳窍壬f：“這意味著我們有機(jī)會不再滿足于生成一個靜態(tài)的、只能從特定角度觀看的模型，而是創(chuàng)造一個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，是一個多技術(shù)環(huán)節(jié)緊密銜接的系統(tǒng)工程。整個過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?！拔覀兪褂檬殖质饺S激光掃描儀，對大成殿、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，掃描的工作量如果全程一個人操作，大概需要兩三個小時，但他們用了多天來完成，“僅夫子廟的石像建模就掃描了4000多張照片?！?/p>
針對夫子廟復(fù)雜的屋頂結(jié)構(gòu)（如翹角飛檐、屋脊獸吻），他們通過無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影和貼近攝影測量，確保高空細(xì)節(jié)無一遺漏?！斑@個過程就像是給整個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)?！?/p>
有了數(shù)據(jù)以后，他們通過3DGS技術(shù)進(jìn)行處理，這也是整個項(xiàng)目最具創(chuàng)新性的環(huán)節(jié)。在通過軟件對圖像進(jìn)行運(yùn)動恢復(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限接近真實(shí)照片。這個過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。
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發(fā)平臺中。他提到，他們還在引擎中設(shè)置了動態(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。
“我們并沒有將其做成一個復(fù)雜的游戲，而是設(shè)計(jì)了一條沉浸式漫游路徑。通過精心設(shè)計(jì)的鏡頭運(yùn)動，引導(dǎo)觀眾從天下文樞牌坊下穿行，掠過學(xué)宮的長廊，最終仰視大成殿的巍峨。”吳先生說。
“空地融合”技術(shù)無縫對接數(shù)據(jù)
觀眾可以在“虛擬夫子廟”中自由行走
“這個項(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?！眳窍壬f，空中無人機(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)的無縫對接，確保了從屋脊到柱礎(chǔ)的整體模型精度統(tǒng)一。
“夫子廟場景復(fù)雜，直接生成的高斯模型可能包含數(shù)以千萬計(jì)的高斯點(diǎn)，對實(shí)時渲染壓力巨大。我們借鑒了分塊優(yōu)化的策略，將大場景劃分為多個區(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，在保證視覺質(zhì)量的前提下，對遠(yuǎn)處和次要的模型進(jìn)行了合理的簡化?！?/p>
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光下的微妙反光，其視覺效果遠(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：“小時候做夢經(jīng)常夢見自己飛，這項(xiàng)技術(shù)仿佛還原了夢境里的場景，感覺很有意思?！?/p>
未來古建筑可高精度數(shù)字孿生
助力文化遺產(chǎn)“活態(tài)”傳承
吳先生介紹，這個項(xiàng)目對他們來說不僅僅是一次技術(shù)演示，更是一個關(guān)于未來的起點(diǎn)?！斑@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，這一技術(shù)未來可以為珍貴的古建筑建立毫米級精度的數(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)、研究提供無可替代的參考。
他表示，還可以結(jié)合VR設(shè)備，可以開發(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，看到虛擬的古代學(xué)子在學(xué)宮中誦讀的場景。另外，相關(guān)技術(shù)也可以開發(fā)成生動的歷史教學(xué)課件，學(xué)生們可以在虛擬場景中完成探索任務(wù)，在互動中學(xué)習(xí)古建知識、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，從事這樣的開發(fā)需要對歷史文化的敬畏與對技術(shù)創(chuàng)新的熱情，二者缺一不可?！肮沤〝?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)?！?/span>
“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：“希望我們做的南京夫子廟這個項(xiàng)目，能成為一個生動的案例，激勵更多人一起探索，讓古老的文明在數(shù)字時代煥發(fā)新的生機(jī)?！?/p>
實(shí)習(xí)生 高磊 揚(yáng)子晚報(bào)/紫牛新聞記者 劉瀏
校對 陶善工