王夢(mèng)杰，余日季

古遺跡三維數(shù)字化重建VR體驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

王夢(mèng)杰，余日季

（湖北大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430062）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，應(yīng)用層面廣闊。論述了當(dāng)前古遺跡的現(xiàn)狀從而引發(fā)對(duì)古遺跡保護(hù)的思考，結(jié)合當(dāng)前的問(wèn)題，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)出古遺跡三維數(shù)字化重建VR體驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)古遺跡的數(shù)字化傳播與保護(hù)。研究表明，古遺跡三維數(shù)字化重建VR體驗(yàn)系統(tǒng)具備良好的實(shí)用性、交互性、沉侵感，是古遺跡傳播與保護(hù)的一扇嶄新的大門(mén)。

虛擬現(xiàn)實(shí)；古遺跡保護(hù)；文化傳播；未央宮

1 引言

遺跡是一個(gè)考古學(xué)概念，指人類(lèi)和自然界留下來(lái)的非移動(dòng)性文化載體。中國(guó)是一個(gè)具有五千多年輝煌歷史的文明古國(guó)，勤勞智慧的祖先創(chuàng)造了燦爛輝煌的中華文化，留下許多傳奇千古、可以考證的人文古跡，這些歷史的饋贈(zèng)品具有強(qiáng)大的文化價(jià)值和建筑影響力。但是隨著城市化的進(jìn)程加快、自然侵蝕和不恰當(dāng)?shù)娜藶橐蛩氐挠绊?，古遺跡的現(xiàn)狀讓人堪憂(yōu)。中國(guó)萬(wàn)里長(zhǎng)城30%已經(jīng)消失，更多古遺跡消逝的可能性越來(lái)越大。目前國(guó)內(nèi)主要以博物館為載體進(jìn)行古遺跡文化傳播和保護(hù)，博物館以其與生俱來(lái)的公共科普職能，成為展示古遺跡文化傳播的最佳平臺(tái)和體現(xiàn)地方歷史的窗口。但是古遺跡文化博物館硬件傳統(tǒng)，傳播手段單一，對(duì)古遺跡的保護(hù)傳承有一定的局限。隨著科技的發(fā)展，古遺跡數(shù)字化保護(hù)傳承將是一種新的機(jī)遇和渠道。本文主要論述古遺跡的三維數(shù)字化重建與VR虛擬體驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最后通過(guò)未央宮三維數(shù)字化重建VR體驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)實(shí)例來(lái)論證前文的觀點(diǎn)。使用VR技術(shù)來(lái)演繹歷史遺跡的前世傳奇，講訴今生故事，向世人展現(xiàn)泱泱古國(guó)的歷史記憶，在VR技術(shù)的幫助下記起歷史的滄桑，看見(jiàn)歲月的留痕，留住文明的根脈，為后世子孫傳承歷史記憶。

2 古遺跡三維數(shù)字化重建與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

2.1 古遺跡三維數(shù)字化重建

珍貴古跡容易受光線、空氣溫度、濕度的影響，久而久之出現(xiàn)顏色淡褪、風(fēng)化腐蝕等損傷。針對(duì)這些問(wèn)題，首先將文物實(shí)體通過(guò)影像數(shù)據(jù)采集等手段，對(duì)古遺跡進(jìn)行全面了解和分析后，利用三維建模技術(shù)對(duì)整個(gè)古遺跡進(jìn)行1∶1的三維復(fù)刻，大至整個(gè)城樓，細(xì)至精致物件，重現(xiàn)古遺跡的三維幾何模型。同時(shí)建立起三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，保存文物原有的各種形式數(shù)據(jù)和空間關(guān)系等重要資源，實(shí)現(xiàn)瀕危文物資源的科學(xué)、高精度和永久保存，從而使古遺跡脫離地域限制，實(shí)現(xiàn)資源共享，真正成為全人類(lèi)可以“擁有”的文化遺產(chǎn)。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Realit）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽(tīng)、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶(hù)借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互、相互影響，可以產(chǎn)生親臨對(duì)應(yīng)真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)是人類(lèi)在探索自然、認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中創(chuàng)造產(chǎn)生，逐步形成的一種用于認(rèn)識(shí)自然、模擬自然，進(jìn)而更好地適應(yīng)和利用自然的科學(xué)方法和科學(xué)技術(shù)[1-2]。使用者通過(guò)傳感裝置將自己“放入”到這個(gè)環(huán)境中，并使用操控環(huán)境，讓人變成該虛擬環(huán)境的主宰，從而實(shí)現(xiàn)自己所需的目的。虛擬現(xiàn)實(shí)的最大特點(diǎn)是使用者不僅可以完全“進(jìn)入”虛擬場(chǎng)景，并且可以與虛擬環(huán)境進(jìn)行直接交互，改變了以往只能通過(guò)視覺(jué)平臺(tái)間接了解環(huán)境的模式，擴(kuò)展了認(rèn)知途徑和延伸領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)是人類(lèi)科技發(fā)展到一定水平后的計(jì)算機(jī)技術(shù)與人文藝術(shù)科學(xué)相交叉結(jié)合的產(chǎn)物，需要各學(xué)科人才相融合，才能利用它為人類(lèi)認(rèn)知世界打開(kāi)一條新的道路。未來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，還有更多未知的領(lǐng)域可以應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其廣度和深度不可估量。

3 VR體驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 VR體驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

VR體驗(yàn)系統(tǒng)需要三個(gè)模塊支撐，即引擎、應(yīng)用軟件和硬件。底層引擎包含在Unity3d集成平臺(tái)，用C#語(yǔ)言編寫(xiě)的引擎大量腳本，能夠?qū)崿F(xiàn)所需的交互功能。應(yīng)用軟件包括3Dmax、maya、zbrush等幾何建模軟件，負(fù)責(zé)對(duì)大場(chǎng)景整個(gè)三維模型進(jìn)行精細(xì)制作，還有l(wèi)umion等輔助型工具軟件，負(fù)責(zé)后期和特效功能。頭戴式顯示器也是最終的虛擬現(xiàn)實(shí)影像輸出設(shè)備，該系統(tǒng)可搭載HTCvive、PSVR等各種品牌的頭戴式顯示器。

VR體驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。古遺跡數(shù)字化內(nèi)容有古遺跡三維環(huán)境建模、古遺跡語(yǔ)音庫(kù)、ui導(dǎo)航界面和視覺(jué)特效。數(shù)字化內(nèi)容需要精心制作，是古遺跡VR系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。古遺跡VR功能模塊目的是讓古遺跡“活”起來(lái)，集成移動(dòng)和碰撞等交互功能，通過(guò)頭戴式顯示器實(shí)現(xiàn)古遺跡三維場(chǎng)景的沉浸式體驗(yàn)。

圖1 VR體驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要包含三維虛擬仿真技術(shù)、虛擬漫游技術(shù)、碰撞檢測(cè)。

虛擬仿真技術(shù)是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種更高級(jí)的仿真技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)具有以下特點(diǎn)：三維模型具有立體感、直觀、生動(dòng)、形象，具有動(dòng)畫(huà)演示產(chǎn)品的動(dòng)作過(guò)程。三維圖形通過(guò)參數(shù)化技術(shù)保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致，尺寸和幾何關(guān)系可以隨時(shí)調(diào)整，方便更改。三維模型造型多樣，能夠較好適應(yīng)產(chǎn)品需要，支持標(biāo)準(zhǔn)化、批量化、系列化和設(shè)計(jì)重用，提供對(duì)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理、并行工程和支持工程的應(yīng)用，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)能夠真實(shí)地還原古遺跡原貌，所以虛擬仿是重中之重。

三維場(chǎng)景成型后，虛擬場(chǎng)景漫游是古遺跡三維重建的關(guān)鍵之處。只有通過(guò)場(chǎng)景漫游才能讓體驗(yàn)者身臨其境進(jìn)行感受和體驗(yàn)，用戶(hù)以第一人稱(chēng)視角的方式在場(chǎng)景中隨意行走、停留、轉(zhuǎn)彎等，同時(shí)也需滿(mǎn)足用戶(hù)進(jìn)入古遺跡室內(nèi)漫游的需 求[3]。通過(guò)此功能，用戶(hù)可以對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行全方位的觀察與游覽。

碰撞檢測(cè)需要滿(mǎn)足用戶(hù)在進(jìn)行場(chǎng)景漫游時(shí)不會(huì)產(chǎn)生“穿墻而過(guò)”的情況，以及攝像機(jī)不會(huì)因?yàn)闊o(wú)重力而下滑至地平面以下的現(xiàn)象。添加碰撞檢測(cè)功能，使用戶(hù)在漫游時(shí)遇到建筑、植物等障礙物時(shí)，停止前進(jìn)并需轉(zhuǎn)向其他方向方可繼續(xù)行走漫游，這是漫游系統(tǒng)中一項(xiàng)基礎(chǔ)的功能性技術(shù)[3]。

3.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能分為以下五個(gè)部分：①操作手柄按鈕的交互性能，包括trackpad貝塞爾曲線移功能與側(cè)面button切換功能，可切換不用的道具與場(chǎng)景內(nèi)的物體進(jìn)行交互；②指示ui和指示箭頭，指引用戶(hù)進(jìn)行移動(dòng)和交互；③語(yǔ)音庫(kù)功能，包括開(kāi)場(chǎng)的遺跡歷史介紹背景音和殿內(nèi)文物介紹音；④cg動(dòng)畫(huà)播放功能，播放相關(guān)影像資料供使用者觀賞；⑤場(chǎng)景傳送功能，可切換古遺跡的不同場(chǎng)景。

3.4 開(kāi)發(fā)流程

開(kāi)發(fā)的流程由四部分組成，如圖2所示。

圖2 開(kāi)發(fā)流程

3.4.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)行整體規(guī)劃，完成前期的策劃和準(zhǔn)備工作。一個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)必須嚴(yán)格按照框架藍(lán)圖進(jìn)行，保證開(kāi)發(fā)的進(jìn)度和質(zhì)量。

3.4.2 歷史信息調(diào)研

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以龐大的數(shù)據(jù)量為依托，通過(guò)各種測(cè)量手段獲取高精度的三維信息時(shí)必不可少的，常用的手段有利用機(jī)載激光掃描系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)、根據(jù)航攝像片由計(jì)算機(jī)生成、地面攝影像片直接提取、通過(guò)歷史文獻(xiàn)數(shù)據(jù)獲取等等。歷史信息獲取是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真的第一步。

3.4.3 三維環(huán)境建模

一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以分解為視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等子系統(tǒng)，三維虛擬環(huán)境模型的數(shù)字重建是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的重中之重，也是文化遺址數(shù)字化展示的基礎(chǔ)。

3.4.4 交互功能集成

通過(guò)對(duì)重建后的虛擬遺址環(huán)境導(dǎo)入腳步，編寫(xiě)程序，使其實(shí)現(xiàn)交互功能，用戶(hù)能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)當(dāng)中進(jìn)行射擊、敲編鐘、獲取各種器物知識(shí)等，用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓人們回到遺址輝煌的當(dāng)年，體驗(yàn)過(guò)去的生活，學(xué)習(xí)古韻文化。

4 系統(tǒng)實(shí)例應(yīng)用

4.1 未央宮古遺跡現(xiàn)狀

未央宮所在的西漢帝國(guó)首都長(zhǎng)安，是全國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，也是著名的國(guó)際都會(huì)。未央宮作為漢帝國(guó)的“公宮”，是漢長(zhǎng)安城中最重要的建筑，對(duì)中國(guó)古代都城建制有著重要影響，以其使用時(shí)代最長(zhǎng)、宮城制度對(duì)后世影響深遠(yuǎn)而成為中國(guó)古代最著名的皇宮之一。唐朝末年，戰(zhàn)亂頻頻，政治中心東移，未央宮在一片大火之中淪為廢墟，至今未央宮也僅剩舊址，一片荒蕪，再也無(wú)法看到其輝煌壯闊的面貌，令人惋惜不已。

4.2 未央宮三維數(shù)字化重建VR體驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

立項(xiàng)開(kāi)始對(duì)未央宮三維數(shù)字化重建VR體驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，將未央宮分為前殿、宣室殿、和后閣。在查找大量的歷史文獻(xiàn)和影像資料并進(jìn)行實(shí)地考察后，對(duì)未央宮有了系統(tǒng)的了解，勾勒出未央宮復(fù)原的線稿圖，如圖3所示。

圖3 未央宮數(shù)字化復(fù)原設(shè)計(jì)圖

根據(jù)線稿圖，通過(guò)三維軟件模擬復(fù)原出未央宮的三維效果圖，如圖4所示。

圖4 未央宮數(shù)字化復(fù)原三維模型圖

依據(jù)框架，開(kāi)始制作未央宮的數(shù)字化內(nèi)容，首先在3DMAX里創(chuàng)建待宮殿的三維模型，由大至小，由簡(jiǎn)至精。模型完成后，拆分UV開(kāi)始進(jìn)行紋理繪制，力求模型真實(shí)，三維模型驗(yàn)收完成后，導(dǎo)出FBX文件進(jìn)入U(xiǎn)nity平臺(tái)開(kāi)始程序集成，如圖5所示。

圖5 未央宮數(shù)字化復(fù)原Unity平臺(tái)集成

最后實(shí)現(xiàn)交互功能，包括基礎(chǔ)的移動(dòng)和碰撞等功能，其主要代碼如下所示：

void Update () {

//縱向移動(dòng)距離

float movev = 0;

//水平移動(dòng)距離

float moveh = 0;

if (Input.GetKey (KeyCode.UpArrow)) {

movev -= m_Speed * Time.deltaTime;

}

if (Input.GetKey (KeyCode.DownArrow)) {

movev += m_Speed * Time.deltaTime;

}

if (Input.GetKey (KeyCode.LeftArrow)) {

moveh += m_Speed * Time.deltaTime;

}

if (Input.GetKey (KeyCode.RightArrow)) {

moveh -= m_Speed * Time.deltaTime;

}

m_transfrom.Translate (new Vector3(moveh,0,movev));

最后加入VR頭戴設(shè)備、操縱手柄等硬件設(shè)備，使用者不僅能身臨其境地感受未央宮的輝煌，而且還能感受敲擊編鐘時(shí)美妙的樂(lè)聲、語(yǔ)音，獲取各種器物知識(shí)的解讀、觀看特定器物的使用動(dòng)畫(huà)，甚至還能逼真地感受陽(yáng)光的變化以及波光粼粼的水面，幾乎帶動(dòng)了所有感官。

4.3 實(shí)例應(yīng)用效果展示

系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行截圖，首先是交互功能展示，如圖6所示。用戶(hù)可以通過(guò)側(cè)面button切換手柄工具，切換后即可敲擊宮殿內(nèi)編鐘，不同的編鐘可以發(fā)出不同的音色，演奏編鐘曲目。

trackpad貝塞爾曲線移動(dòng)功能如圖7所示，用戶(hù)可通過(guò)按壓手柄的trackpad自由移動(dòng)到場(chǎng)景的任何區(qū)域進(jìn)行觀賞。

語(yǔ)音介紹功能如圖8所示，用戶(hù)通過(guò)手柄觸碰場(chǎng)景內(nèi)的道具來(lái)觸發(fā)一段語(yǔ)音介紹，讓用戶(hù)知道這些文物的來(lái)龍去脈，接近歷史，感受歷史。

數(shù)字化復(fù)原后的未央宮后閣如圖9所示。

圖6 敲擊編鐘功能

圖7 移動(dòng)功能

圖8 語(yǔ)音介紹功能

圖9 未央宮后閣的數(shù)字化復(fù)原圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)古遺跡三維數(shù)字化重建VR體驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)論述，著重論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架流程及未央宮數(shù)字化復(fù)原VR體驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)例應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，古遺跡數(shù)字化重建將會(huì)成為古遺跡保護(hù)的新渠道，對(duì)此，應(yīng)該樹(shù)立數(shù)字化傳播思維。新技術(shù)打破了場(chǎng)域空間的隔閡，觀眾可以靈活選擇電腦或手機(jī)終端，在任何時(shí)間任何地點(diǎn)了解古遺跡的信息、瀏覽數(shù)字化藏品、體驗(yàn)古遺跡VR場(chǎng)景，使“互聯(lián)互動(dòng)”這一概念真正落地，讓地方性文化也可以走向世界。

［1］王圣霖，朱世范，胡海輝.基于移動(dòng)設(shè)備的虛擬實(shí)境技術(shù)在景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)園林，2015（11）：65-68.

［2］張養(yǎng)安，李俊鋒，楊?lèi)?ài)玲，等.基于3DMAX的虛擬現(xiàn)實(shí)三維建筑模型建模技術(shù)初探［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2015（10）：151-153，157.

［3］RYAN Y，CATHERYN K L.New realities：a systematic literature review on virtual reality and augmented reality in tourism research［J］.Current Issues in Tourism，2019，22（17）：2056-2081.

TP391.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.010

2095－6835（2019）23－0026－04

王夢(mèng)杰（1995—），男，安徽池州人，碩士，主要研究方向?yàn)閯?dòng)畫(huà)與數(shù)字媒體藝術(shù)、VR/AR數(shù)字交互設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)數(shù)字影像創(chuàng)意設(shè)計(jì)。余日季（1976—），男，湖北赤壁人，博士，湖北大學(xué)藝術(shù)學(xué)院教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)锳R/VR/MR數(shù)字交互設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、動(dòng)畫(huà)與數(shù)字媒體創(chuàng)意設(shè)計(jì)、數(shù)字媒體技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用、文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)。

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2016YFB1101702）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕