漫步在一条青灰色的胡同，目光扫过一座座古朴庄重的门楼，四合院大门前威武的石狮子，耳畔不时传来小贩的叫卖声，浓郁的京味气息扑面而来，让人感觉城市的喧嚣瞬间远离了，仿佛穿越时空，来到了旧时的北京。
　　眼前的图景，并非现实中的老北京胡同，而是“数字北京胡同”项目研发出的北京胡同虚拟漫游系统的演示效果。而承担这一研发任务的就是周明全教授带领的北京师范大学虚拟现实与可视化技术研究所。
　　将计算机虚拟现实技术与历史文化遗产保护紧密结合，是虚拟现实与可视化技术研究所独具特色的研究方向，近些年取得了一系列重要的研究成果。《文物虚拟修复和数字化保护技术的研究与应用》，获评2009年国家科技进步二等奖；《三维刚体破损复原研究及其在文物虚拟修复中应用》，获评2007年教育部科技进步二等奖。“数字北京胡同”，正是这个科研团队承担的北京市2011年阶梯计划项目 “数字化技术在北京胡同虚拟展示中的应用研究”的最终成果。
　　“我们要复原历史”
　　胡同所承载的是北京悠久的文化，但随着北京市旧城的大改造，成片的胡同和文化遗迹最终从城市版图中永远消失。因此，计算机虚拟现实技术在文化古迹日益消失的今天就显得尤为重要，让世人看到逝去的历史风貌，这充分发挥了计算机虚拟现实技术得天独厚的优势。
　　“我们要复原历史，但是不能改变历史。”周明全说。虚拟现实，并不是随意地发挥，而必须尊重历史的原貌，这就需要严谨的科学态度和大量基础工作的投入。
　　项目组的研究生们结合大量的考古资料和地图，以此确定待建模胡同的基本形状。为了更准确地得到代表性胡同的地形资料，研究所的同学们多次到实地进行拍摄、测绘工作，哪怕是一片瓦的宽度抑或是门口石狮的高度，都是他们亲手测量的结果。最终，他们获得了北京五条胡同的基础数据，对项目组顺利完成“数字北京胡同”的建模来说，可谓劳苦功高。
　　胡同场景的建模，并非易事。为呈现出逼真、丰富的老北京胡同的场景，项目组结合了多种建模方法和算法，提出了深度图像自动配准方法、基于图像场景的三维快速建模方法、带纹理的三角形网格模型简化算法及实时绘制的连续LOD算法，提高了配准精度，实现了数字内容的快速建模及大规模场景的实时绘制。
　　在人工建模的基础之上，为了提高建模结果的精度，项目组采用了基于多幅图画序列的场景建模方法，通过多视角立体重建技术实景建模胡同的街道等大尺寸的场景。但是，由于收到大场景激光扫描仪不适合扫描距离较近的物体，且大场景扫描的结果并不包含场景的颜色信息，那么就需要大量的手工贴画工作。于是，项目组想到了利用5DMarkⅡ单反照相机拍摄场景序列图像的方法来减少工作量，通过多视图像采集与预处理、摄像机标定、点云模型生成、点云三角化等步骤，实现了北京毡子胡同的实景建模。
　　除了一般场景，胡同文化中必不可少的还有大量的文物：瓦当、瓷器等，为它们建好模，将使胡同增色不少。项目组利用三维激光扫描仪进行扫描，然后通过多视深度图像配准技术实现文物的高精度建模。这种建模方法主要是通过全等三点实现深度图像两两自动粗配准，基于邻接区域覆盖率激励深度图像的拓扑关系图，基于改进的ICP算法以及全局优化配准方法来实现。此外，项目组还采用了基于模型复用的快速建模方法。由于研究所已经构建了包含数万个各类三维模型的三维模型库，只需通过模型的共享和复用，以及最后利用图像场景的视觉信息检索适宜的三维模型数据合并成虚拟场景即可。
　　有了人物的活动，老北京风情的体现才真正完整。项目还实现了虚拟人物、特色声音等环境载体的虚拟现实展示。
　　人们穿行于熙熙攘攘的大街，徜徉于古色古香的小巷。其间，活泼可爱的顽童三五成群玩着传统的游戏，鹤发童颜的老人练习太极，有人正在唱京戏，字正腔圆。胡同里的吆喝声、叫卖声、嬉笑声，不绝于耳。欣赏着胡同里的款款风情，俨然正在参观一座北京民俗风情博物馆，令人回味无穷。
　　花样频出的“数字胡同”
　　“数字北京胡同”还有许多别出心裁的地方。
　　为了方便用户了解整个胡同的全貌以及当前所处位置，系统实现了小地图功能，用户在进入虚拟漫游系统时，通过观看屏幕左下角的小地图可以获取当前的位置信息，地图中指示点的位置会根据人物在三维空间所处位置即时更新。
　　更值得一提的是，项目组还加入了时间维度，从晨光熹微到华灯初上，从阳春三月繁花似锦到隆冬时节飞雪漫天，晨昏景象各异，四时气候不同，系统进行了多样化设计，操作者可以执行相应的绘制函数，改变不同的光照角度及强度、雾的浓度等属性。这使“数字北京胡同”更具观赏性和艺术感。
　　后海碧波荡漾的湖面赏心悦目，水面的动态景象制作也并非易事。它需要结合海洋物理现象知识，对伯努利方程进行线性化，不考虑水表面以下的计算方程。在通过快速傅里叶变换生成曲面后，引入随机干扰因子，使得观众在近处和远处都有较好的视觉。
　　胡同场景中添加的虚拟人群同样渗透着项目组的智慧。由于需要高效的算法来保证虚拟人运动的实时性，而群体运动的计算瓶颈在于碰撞处理，因此需求快速、有效处理该问题便是解决实时性的关键。对此，项目组在crowdpatches的基础上，采用rule-based方法进行改进，使模拟效果更加贴近实际。从专家工作室走上普通人的办公桌表面上看，虚拟漫游系统与3D电影很相象，而实际上，两者本质上大不一样，虚拟漫游系统的人机交互功能是一般3D电影所不具备的。所谓人机交互功能，是指人与计算机之间使用某种对话语言，以一定的交互方式，为完成确定任务的人与计算机之间的信息交换过程。
　　而正是这项人机交互功能，不仅成功地使虚拟漫游系统从专家的工作室走上了普通人的桌面，而且，也使系统进入更广泛的领域提供了可能。
　　为了方便不同用户的漫游需求，虚拟漫游系统提供了三种人机交互方式：其中，最基本的就是键盘控制，漫游过程中用户只需要控制键盘方向键，就可以轻松地控制视点向前、后、左或右漫游，按shift键就能实现视点快速运动的功能。第二种是基于Kinect的非接触式交互。项目组定义了一套标准动作库，分别表示视点向前、向后、向左、向右运动，交互过程中，用户站立在kinect前方，kinect捕捉用户的动作，参照预先定义的标准动作库，即可控制用户漫游方向和漫游的速度。第三种是基于日本任天堂公司生产的Wii进行交互。实施过程中采用位移及姿态校准对六自由度信息进行实时校正，采用多媒体定时中断和平滑滤波提高数据可靠性。获得可靠的用户六自由度数据后，利用不同的数据进行胡同漫游，分别控制前行、后退、左拐、右拐、仰视和俯视。
　　周明全介绍说，这些功能具有广阔的发展空间，可以应用到课堂教学、影视制作、医学手术模拟等各个领域。“‘数字北京胡同’是由研究所学生独立研发的成果，是他们刻苦钻研、不断实践和完善的结果，是整个研究所智慧的结晶。当然，项目还有很多细节需要进一步完善丰富。”周明全对正在实验室操作的学生们充满期待。