基于數(shù)字交互技術(shù)的鳳羽鎮(zhèn)古建筑數(shù)字展示設(shè)計(jì)

任寶鍇

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的領(lǐng)域開始了向網(wǎng)絡(luò)化、交互設(shè)計(jì)、虛擬仿真方向發(fā)展。利用數(shù)字交互技術(shù)在引擎平臺上完美地還原現(xiàn)實(shí)中古建筑的原貌，可以讓觀眾在家就能體驗(yàn)鳳羽古建筑的魅力。本文主要研究數(shù)字交互技術(shù)在古建筑數(shù)字展示中的應(yīng)用，重點(diǎn)分析了視覺效果部分。本文對古建筑設(shè)計(jì)了一套數(shù)字交互展示程序，觀眾可以通過點(diǎn)擊屏幕上的按鈕來獲取建筑的歷史背景、建筑布局、建筑構(gòu)造的拆解和組合、建筑構(gòu)件的作用和意義，了解古建筑的建造過程等。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字交互技術(shù)；虛擬展示；交互設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1007-0125（2019）23-0141-02

數(shù)字交互技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)等科學(xué)技術(shù)在引擎平臺上模擬出真實(shí)效果，利用人性化的人機(jī)交互界面來和觀眾進(jìn)行互動的一種虛擬仿真技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字交互技術(shù)不斷蔓延到醫(yī)療、教育、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑展示等各個領(lǐng)域。在堅(jiān)持科學(xué)與藝術(shù)統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，通過數(shù)字交互技術(shù)，對鳳羽古建筑進(jìn)行數(shù)字化仿真，對保護(hù)和傳承古建筑文化遺產(chǎn)具有重要意義。

一、國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀及需求分析

（一）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

國外最早將數(shù)字技術(shù)用于古建筑的展示工作，其中洛杉磯和費(fèi)城的城市虛擬仿真被認(rèn)為是三維數(shù)字仿真展示的典范。羅馬古城的三維虛擬仿真展示，讓人們可以在電腦前，近距離地感受羅馬斗獸場的壯觀。

國內(nèi)的虛擬仿真作品《紫禁城·天子的宮殿》，可以讓游客超越現(xiàn)實(shí)條件的制約，近距離觀賞故宮。2018年8月在重慶舉辦的“中國國際智能博覽會”上，展示了很多通過數(shù)字呈現(xiàn)的作品。比如“內(nèi)蒙古吐爾基山遼墓彩棺”，觀眾通過與屏幕互動既可以觀看彩棺的外貌，也可以觀看彩棺被分解的結(jié)構(gòu)。又如展示兵馬俑的AR互動作品，可以讓觀眾和幾千年前的兵馬俑合照，還有由于三峽蓄水消失的“白鶴梁題刻”，也一覽無余地呈現(xiàn)在觀眾的視野。

（二）應(yīng)用開發(fā)的需求分析

從市場需求來說，數(shù)字化古建筑互動展示系統(tǒng)的目的就是讓受眾能夠在不同的區(qū)域身臨其境地瀏覽古建筑遺產(chǎn)，以一種全新的視角，便捷地展示鳳羽古建筑，讓鳳羽古建筑文化在全世界人類文化遺產(chǎn)中大放異彩。同時(shí)也可以在景區(qū)放置互動展示應(yīng)用，讓游客更全面更深刻地了解鳳羽民居的背景和建造方式。從教育需求來說，古建筑數(shù)字展示應(yīng)用可以讓學(xué)校授課的方式變得更加豐富生動，教師在講解古代文化的時(shí)候，可以把古建筑以數(shù)字媒體的方式展現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生可以通過數(shù)字交互方式“穿越”到特定的歷史背景中，從構(gòu)造方式、建筑材料、背景故事等多方面了解中國的傳統(tǒng)文化，更好地傳承中國古建筑文化遺產(chǎn)。

二、應(yīng)用開發(fā)的背景及數(shù)字交互技術(shù)的作用

（一）鳳羽鎮(zhèn)的歷史及古建筑的現(xiàn)狀

鳳羽鎮(zhèn)是云南歷史文化名鎮(zhèn)之一，2000年被列為“省級歷史文化名鎮(zhèn)”。目前保留比較完整的古建筑有一千多棟，建造時(shí)間最久遠(yuǎn)的建筑可以追溯到明朝，具有較高的建筑藝術(shù)性和文化價(jià)值。隨著時(shí)間的推移，鳳羽古建筑經(jīng)過長期日曬雨淋，很多建筑遭到了不同程度的損壞，有些甚至已經(jīng)消失不見。古建筑是歷史文化的見證者和傳承者，它記錄了先輩們的智慧。伴隨著物質(zhì)和精神文明的快速發(fā)展，古建筑文化遺產(chǎn)的保護(hù)、傳播及所承載的文化傳播功能日益受到重視。

（二）數(shù)字交互技術(shù)對宣傳和保護(hù)古建筑的積極影響

通過數(shù)字交互技術(shù)把古建筑在虛擬平臺上保存下來，通過網(wǎng)絡(luò)讓更多的人了解它，促進(jìn)了古代建筑優(yōu)秀文化的傳承。古建筑數(shù)字展示為體驗(yàn)者提供特色的音樂、模擬現(xiàn)實(shí)的古建筑以及實(shí)現(xiàn)和諧的人機(jī)交互，最大限度地便捷體驗(yàn)者的操作。人們可以了解古建筑的建造過程、功能布局、建造材料等，通過宣傳鳳羽古建筑，讓更多的人了解并保護(hù)白族的特色民居。

三、應(yīng)用的功能分析及人機(jī)界面設(shè)計(jì)

（一）功能需求分析

功能需求分析的目標(biāo)是盡可能全面地展示出鳳羽鎮(zhèn)古建筑的背景和特點(diǎn)及建筑構(gòu)件和建造過程，分析出觀眾要完成瀏覽該應(yīng)用需要完成的操作及要完成這些操作相關(guān)的控制，同時(shí)也盡量做到符合人機(jī)界面的合理性。在數(shù)字展示設(shè)計(jì)應(yīng)用中人機(jī)交互界面的合理與否直接關(guān)系到觀眾瀏覽的舒適度。該應(yīng)用的人機(jī)界面是在參考主流媒體的屏幕大小基礎(chǔ)上利用Unity平臺自帶的UGUI自適應(yīng)功能來設(shè)計(jì)的，可以保證在使用的設(shè)備上完整地呈現(xiàn)出來。

（二）人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

該應(yīng)用的界面分為登錄頁面和主頁面，登錄頁面展示古建筑的全貌和建造的過程。在主頁面設(shè)計(jì)了鳳羽介紹、民居構(gòu)造、民居模型、施工過程、分解展示、功能分區(qū)、自動展示、背景音樂、退出九個功能按鈕。鳳羽介紹按鈕下設(shè)三個二級按鈕，分別是鳳羽簡介、民居簡介、民居選址，介紹了古建筑的背景和民居選址的依據(jù)。民居構(gòu)造按鈕是介紹鳳羽建筑的房屋布局和結(jié)構(gòu)，下設(shè)五個二級按鈕，分別為一坊一耳、一坊兩耳、三坊一照壁、榫卯結(jié)構(gòu)、民居大門。民居模型按鈕展示了古建筑的風(fēng)貌，下設(shè)了一個菜單用于介紹旋轉(zhuǎn)、放大模型的操作方法，可以讓觀眾全方位自由觀看建筑模型。施工過程按鈕可以播放在Unity3D里制作的一段展示建筑建造過程的動畫。分解展示按鈕控制建筑模型構(gòu)件的分解，展示了建筑主要構(gòu)件的名稱和功能，并且?guī)в悬c(diǎn)擊構(gòu)件本身，可以放大顯示文字介紹的功能，讓觀眾更清晰地看到構(gòu)件的介紹。功能分區(qū)按鈕用于展示古建筑每個房間的名稱和用途。自動展示按鈕用于模型的自動旋轉(zhuǎn)，主要用于沒有觀眾操作時(shí)模型的自動展示狀態(tài)。背景音樂按鈕可以控制背景音樂的開關(guān)。退出按鈕用于控制應(yīng)用的退出功能。

四、應(yīng)用的開發(fā)流程分析

（一）開發(fā)平臺分析

Unity是現(xiàn)在很普遍的引擎之一，大部分的手機(jī)游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、交互應(yīng)用都通過它來制作?？梢岳闷淇梢暬徒换サ姆绞介_發(fā)出博物館互動展示、交互多媒體、產(chǎn)品展示等功能。它可以發(fā)布到PC平臺也可以發(fā)布到移動平臺，方便觀眾觀看。

（二）應(yīng)用開發(fā)流程

1.資料搜集，詳細(xì)研究鳳羽古建筑土庫房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

鳳羽古建筑土庫房以石頭為主要材料，營造質(zhì)樸的質(zhì)感。民居的主要形式有一坊一耳、一坊兩耳、兩坊一耳、三坊一照壁、四合五井天、六合同春等?！耙环粌啥钡慕ㄖ季质怯梢环徽亢蛢蓚?cè)的耳房組成的院落。三坊房屋一字排列相連，形成7間排房形式，但耳房的進(jìn)深要比正房淺，層高要比正房低。“三坊一照壁”的建筑布局是白族民居的傳統(tǒng)布局，由一坊正房、兩坊廂房、一座照壁和中間的天井組成的方形院落?！八暮衔寰臁苯ㄖ季质怯伤姆环课輫隙傻姆叫卧郝洌郝渌慕怯兴姆欢亢退膫€小天井，中間為大天井。

單體房屋俗稱的“一坊”普遍為三開間建筑，中間為堂屋，兩次間為臥室。一般堂屋的開間為4米，兩次間為3.86米，進(jìn)深為6米。出廈（廊深）前檐柱至廈柱中距為1.67米。廈柱至臺階邊為0.73米。單體建筑占地長12.72米，寬8.9米，面積為108.58平方米。

2.對資料分類歸納，總結(jié)出行之有效的建模途徑，建立虛擬的模型。

目前主流的三維軟件有3dsmax、Maya、Zbrush、Sketchup等。制作貼圖的軟件有Photoshop、Substance Designer 和Bodypaint3d等。對制作模型有一些行業(yè)的要求，如模型的單位、尺寸、命名規(guī)范，模型的坐標(biāo)軸、貼圖的格式、材質(zhì)球等。在使用Unity3D平臺制作數(shù)字交互時(shí)，沒有特殊要求的情況下，3dsmax里的顯示單位設(shè)為米，系統(tǒng)單位設(shè)為厘米，因?yàn)閁nity3D的單位為米。在建模時(shí)，要注意把隱藏的面刪掉，同時(shí)不能有完全重合的兩個面，這樣做是為了節(jié)省面數(shù)，也是為了避免出現(xiàn)在平臺上運(yùn)行時(shí)模型面閃爍的情況。相同的物體不需要在三維軟件里制作，可以去引擎里復(fù)制，更好地發(fā)揮引擎的性能。

當(dāng)一棟建筑物建模、貼圖之后就是將模型塌陷，塌陷完成以后，把模型的坐標(biāo)軸放到中心點(diǎn)。經(jīng)過縮放和旋轉(zhuǎn)的物體要在3dsmax里進(jìn)行重置變換的操作。如果模型帶有修改器，要把修改器塌陷之后再導(dǎo)出，導(dǎo)出格式為Fbx格式。如無需要，不必導(dǎo)出動畫。導(dǎo)出時(shí)模型的命名要規(guī)范，不能出現(xiàn)中文字符，要使用英文或者拼音命名。

由于Unity3D和UE4等引擎平臺并不支持三維軟件里的所有材質(zhì)，如3dsmax里只支持標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)和多維子對象材質(zhì)，同時(shí)貼圖類型也只支持位圖貼圖類型。在制作模型和貼圖時(shí)需要注意，貼圖的尺寸必須是2的N次方。制作用于在Unity3D里展示的古建筑模型一般需要顏色貼圖、法線貼圖、高光貼圖、自發(fā)光貼圖等。這樣做區(qū)別于傳統(tǒng)的只用一張顏色的貼圖，其優(yōu)勢在于，模型在引擎里可以隨著光源的變化而產(chǎn)生不同的光影效果和很多細(xì)微的變化。顏色貼圖主要是反映模型所表現(xiàn)物體的顏色和貼圖信息。高光貼圖記錄了反映模型材質(zhì)的高光細(xì)節(jié)，模型的質(zhì)感不同，所對應(yīng)的高光也是不同的。制作貼圖時(shí)，可以針對不同部分的質(zhì)感，調(diào)整對應(yīng)的高光亮度。法線貼圖記錄了每個貼圖里像素的法線方向，用于在低模上體現(xiàn)出高模的細(xì)節(jié)。自發(fā)光貼圖是用來表現(xiàn)物體自身發(fā)光的效果。在為模型分UV時(shí)可以制作兩套UV，一套貼圖UV和一套光照UV。光照UV用來在引擎里烘焙光影信息。

3.運(yùn)用Photoshop制作人機(jī)交互界面。

交互界面包括主界面、按鈕、消息提示框等。整個設(shè)計(jì)加入了大理建筑中的設(shè)計(jì)元素，使之更能體現(xiàn)出大理鳳羽的特色。然后新建圖層，分別創(chuàng)建出按鈕和彈出的對話框。根據(jù)需要把按鈕和對話框等元素切成需要的尺寸，保存成PNG格式背景透明的圖片。

4.在Unity3D里用UGUI布局界面。

UGUI的錨點(diǎn)位置可以調(diào)整屏幕的自適度。錨點(diǎn)位置決定了按鈕移動的位置，當(dāng)屏幕的分辨率發(fā)生變化時(shí)，按鈕移動的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)錨點(diǎn)一般根據(jù)就近原則來確定。如按鈕在屏幕的右上角，那么錨點(diǎn)也放在屏幕的右上角。然后通過UGUI的按鈕工具，制作按鈕的點(diǎn)擊功能。通過UGUI的Scroll Rect和Scrollbar制作滑動頁面和滑動條。通過Unity里的動畫面板來制作古建筑搭建的動畫過程和古建筑構(gòu)件分解展示的過程。編寫C#代碼來實(shí)現(xiàn)登錄界面的轉(zhuǎn)場、模型的自動旋轉(zhuǎn)和放大縮小、背景音樂的添加等功能。

鳳羽鎮(zhèn)古建筑歷經(jīng)歲月的沉淀，飽經(jīng)風(fēng)霜雨雪，刻下了深深的歷史痕跡，它們記錄著先輩們的智慧，傳承著一代又一代的文化。數(shù)字交互技術(shù)可以為古建筑的保護(hù)工作提供有效的支持，同時(shí)也能為宣傳展示鳳羽古建筑創(chuàng)造更好的條件，讓更多的人了解它。數(shù)字交互技術(shù)既需要制作逼真的物體模型，也需要設(shè)計(jì)一個合理的人機(jī)交互界面，當(dāng)然更少不了通過代碼腳本身來完善交互的功能。我們需要分析項(xiàng)目的市場需求和功能定位，也需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度來實(shí)地考察，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)藝術(shù)與科技的統(tǒng)一。

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