古遺跡三維數字化重建VR體驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)＊

王夢杰，余日季

古遺跡三維數字化重建VR體驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)＊

王夢杰，余日季

（湖北大學 藝術學院，湖北 武漢 430062）

虛擬現(xiàn)實技術是一項先進的計算機技術，應用層面廣闊。論述了當前古遺跡的現(xiàn)狀從而引發(fā)對古遺跡保護的思考，結合當前的問題，利用虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)出古遺跡三維數字化重建VR體驗系統(tǒng)，實現(xiàn)古遺跡的數字化傳播與保護。研究表明，古遺跡三維數字化重建VR體驗系統(tǒng)具備良好的實用性、交互性、沉侵感，是古遺跡傳播與保護的一扇嶄新的大門。

虛擬現(xiàn)實；古遺跡保護；文化傳播；未央宮

1 引言

遺跡是一個考古學概念，指人類和自然界留下來的非移動性文化載體。中國是一個具有五千多年輝煌歷史的文明古國，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，這些歷史的饋贈品具有強大的文化價值和建筑影響力。但是隨著城市化的進程加快、自然侵蝕和不恰當的人為因素的影響，古遺跡的現(xiàn)狀讓人堪憂。中國萬里長城30%已經消失，更多古遺跡消逝的可能性越來越大。目前國內主要以博物館為載體進行古遺跡文化傳播和保護，博物館以其與生俱來的公共科普職能，成為展示古遺跡文化傳播的最佳平臺和體現(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，對古遺跡的保護傳承有一定的局限。隨著科技的發(fā)展，古遺跡數字化保護傳承將是一種新的機遇和渠道。本文主要論述古遺跡的三維數字化重建與VR虛擬體驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，最后通過未央宮三維數字化重建VR體驗系統(tǒng)的開發(fā)實例來論證前文的觀點。使用VR技術來演繹歷史遺跡的前世傳奇，講訴今生故事，向世人展現(xiàn)泱泱古國的歷史記憶，在VR技術的幫助下記起歷史的滄桑，看見歲月的留痕，留住文明的根脈，為后世子孫傳承歷史記憶。

2 古遺跡三維數字化重建與虛擬現(xiàn)實技術

2.1 古遺跡三維數字化重建

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、風化腐蝕等損傷。針對這些問題，首先將文物實體通過影像數據采集等手段，對古遺跡進行全面了解和分析后，利用三維建模技術對整個古遺跡進行1∶1的三維復刻，大至整個城樓，細至精致物件，重現(xiàn)古遺跡的三維幾何模型。同時建立起三維模型數據庫，保存文物原有的各種形式數據和空間關系等重要資源，實現(xiàn)瀕危文物資源的科學、高精度和永久保存，從而使古遺跡脫離地域限制，實現(xiàn)資源共享，真正成為全人類可以“擁有”的文化遺產。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實（Virtual Realit）是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數字化環(huán)境中的對象進行交互、相互影響，可以產生親臨對應真實環(huán)境的感受和體驗。虛擬現(xiàn)實是人類在探索自然、認識自然過程中創(chuàng)造產生，逐步形成的一種用于認識自然、模擬自然，進而更好地適應和利用自然的科學方法和科學技術[1-2]。使用者通過傳感裝置將自己“放入”到這個環(huán)境中，并使用操控環(huán)境，讓人變成該虛擬環(huán)境的主宰，從而實現(xiàn)自己所需的目的。虛擬現(xiàn)實的最大特點是使用者不僅可以完全“進入”虛擬場景，并且可以與虛擬環(huán)境進行直接交互，改變了以往只能通過視覺平臺間接了解環(huán)境的模式，擴展了認知途徑和延伸領域。虛擬現(xiàn)實是人類科技發(fā)展到一定水平后的計算機技術與人文藝術科學相交叉結合的產物，需要各學科人才相融合，才能利用它為人類認知世界打開一條新的道路。未來虛擬現(xiàn)實技術的應用將會越來越廣泛，還有更多未知的領域可以應用虛擬現(xiàn)實技術，其廣度和深度不可估量。

3 VR體驗系統(tǒng)總體設計

3.1 VR體驗系統(tǒng)架構設計

VR體驗系統(tǒng)需要三個模塊支撐，即引擎、應用軟件和硬件。底層引擎包含在Unity3d集成平臺，用C#語言編寫的引擎大量腳本，能夠實現(xiàn)所需的交互功能。應用軟件包括3Dmax、maya、zbrush等幾何建模軟件，負責對大場景整個三維模型進行精細制作，還有l(wèi)umion等輔助型工具軟件，負責后期和特效功能。頭戴式顯示器也是最終的虛擬現(xiàn)實影像輸出設備，該系統(tǒng)可搭載HTCvive、PSVR等各種品牌的頭戴式顯示器。

VR體驗系統(tǒng)架構如圖1所示。古遺跡數字化內容有古遺跡三維環(huán)境建模、古遺跡語音庫、ui導航界面和視覺特效。數字化內容需要精心制作，是古遺跡VR系統(tǒng)的關鍵一步。古遺跡VR功能模塊目的是讓古遺跡“活”起來，集成移動和碰撞等交互功能，通過頭戴式顯示器實現(xiàn)古遺跡三維場景的沉浸式體驗。

圖1 VR體驗系統(tǒng)架構圖

3.2 系統(tǒng)關鍵技術

系統(tǒng)關鍵技術主要包含三維虛擬仿真技術、虛擬漫游技術、碰撞檢測。

虛擬仿真技術是在多媒體技術、虛擬現(xiàn)實技術與網絡通信技術等信息科技迅猛發(fā)展的基礎上，將仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術相結合的產物，是一種更高級的仿真技術。虛擬仿真技術具有以下特點：三維模型具有立體感、直觀、生動、形象，具有動畫演示產品的動作過程。三維圖形通過參數化技術保持數據的一致，尺寸和幾何關系可以隨時調整，方便更改。三維模型造型多樣，能夠較好適應產品需要，支持標準化、批量化、系列化和設計重用，提供對產品的數據管理、并行工程和支持工程的應用，通過虛擬仿真技術能夠真實地還原古遺跡原貌，所以虛擬仿是重中之重。

三維場景成型后，虛擬場景漫游是古遺跡三維重建的關鍵之處。只有通過場景漫游才能讓體驗者身臨其境進行感受和體驗，用戶以第一人稱視角的方式在場景中隨意行走、停留、轉彎等，同時也需滿足用戶進入古遺跡室內漫游的需 求[3]。通過此功能，用戶可以對虛擬場景進行全方位的觀察與游覽。

碰撞檢測需要滿足用戶在進行場景漫游時不會產生“穿墻而過”的情況，以及攝像機不會因為無重力而下滑至地平面以下的現(xiàn)象。添加碰撞檢測功能，使用戶在漫游時遇到建筑、植物等障礙物時，停止前進并需轉向其他方向方可繼續(xù)行走漫游，這是漫游系統(tǒng)中一項基礎的功能性技術[3]。

3.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能分為以下五個部分：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面button切換功能，可切換不用的道具與場景內的物體進行交互；②指示ui和指示箭頭，指引用戶進行移動和交互；③語音庫功能，包括開場的遺跡歷史介紹背景音和殿內文物介紹音；④cg動畫播放功能，播放相關影像資料供使用者觀賞；⑤場景傳送功能，可切換古遺跡的不同場景。

3.4 開發(fā)流程

開發(fā)的流程由四部分組成，如圖2所示。

圖2 開發(fā)流程

3.4.1 系統(tǒng)框架設計

對整個系統(tǒng)的開發(fā)進行整體規(guī)劃，完成前期的策劃和準備工作。一個系統(tǒng)開發(fā)必須嚴格按照框架藍圖進行，保證開發(fā)的進度和質量。

3.4.2 歷史信息調研

虛擬現(xiàn)實技術是以龐大的數據量為依托，通過各種測量手段獲取高精度的三維信息時必不可少的，常用的手段有利用機載激光掃描系統(tǒng)、數字攝影測量系統(tǒng)、根據航攝像片由計算機生成、地面攝影像片直接提取、通過歷史文獻數據獲取等等。歷史信息獲取是實現(xiàn)虛擬仿真的第一步。

3.4.3 三維環(huán)境建模

一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以分解為視覺、聽覺、觸覺等子系統(tǒng)，三維虛擬環(huán)境模型的數字重建是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的重中之重，也是文化遺址數字化展示的基礎。

3.4.4 交互功能集成

通過對重建后的虛擬遺址環(huán)境導入腳步，編寫程序，使其實現(xiàn)交互功能，用戶能夠在虛擬現(xiàn)實當中進行射擊、敲編鐘、獲取各種器物知識等，用虛擬現(xiàn)實技術讓人們回到遺址輝煌的當年，體驗過去的生活，學習古韻文化。

4 系統(tǒng)實例應用

4.1 未央宮古遺跡現(xiàn)狀

未央宮所在的西漢帝國首都長安，是全國政治、經濟、文化中心，也是著名的國際都會。未央宮作為漢帝國的“公宮”，是漢長安城中最重要的建筑，對中國古代都城建制有著重要影響，以其使用時代最長、宮城制度對后世影響深遠而成為中國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 未央宮三維數字化重建VR體驗系統(tǒng)開發(fā)

立項開始對未央宮三維數字化重建VR體驗系統(tǒng)進行系統(tǒng)框架設計，將未央宮分為前殿、宣室殿、和后閣。在查找大量的歷史文獻和影像資料并進行實地考察后，對未央宮有了系統(tǒng)的了解，勾勒出未央宮復原的線稿圖，如圖3所示。

圖3 未央宮數字化復原設計圖

根據線稿圖，通過三維軟件模擬復原出未央宮的三維效果圖，如圖4所示。

圖4 未央宮數字化復原三維模型圖

依據框架，開始制作未央宮的數字化內容，首先在3DMAX里創(chuàng)建待宮殿的三維模型，由大至小，由簡至精。模型完成后，拆分UV開始進行紋理繪制，力求模型真實，三維模型驗收完成后，導出FBX文件進入Unity平臺開始程序集成，如圖5所示。

圖5 未央宮數字化復原Unity平臺集成

最后實現(xiàn)交互功能，包括基礎的移動和碰撞等功能，其主要代碼如下所示：

void Update () {

//縱向移動距離

float movev = 0;

//水平移動距離

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頭戴設備、操縱手柄等硬件設備，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美妙的樂聲、語音，獲取各種器物知識的解讀、觀看特定器物的使用動畫，甚至還能逼真地感受陽光的變化以及波光粼粼的水面，幾乎帶動了所有感官。

4.3 實例應用效果展示

系統(tǒng)內部運行截圖，首先是交互功能展示，如圖6所示。用戶可以通過側面button切換手柄工具，切換后即可敲擊宮殿內編鐘，不同的編鐘可以發(fā)出不同的音色，演奏編鐘曲目。

trackpad貝塞爾曲線移動功能如圖7所示，用戶可通過按壓手柄的trackpad自由移動到場景的任何區(qū)域進行觀賞。

語音介紹功能如圖8所示，用戶通過手柄觸碰場景內的道具來觸發(fā)一段語音介紹，讓用戶知道這些文物的來龍去脈，接近歷史，感受歷史。

數字化復原后的未央宮后閣如圖9所示。

圖6 敲擊編鐘功能

圖7 移動功能

圖8 語音介紹功能

圖9 未央宮后閣的數字化復原圖

5 結語

本文對古遺跡三維數字化重建VR體驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)進行了系統(tǒng)論述，著重論述了系統(tǒng)設計的框架流程及未央宮數字化復原VR體驗系統(tǒng)的實例應用。隨著技術的進步，古遺跡數字化重建將會成為古遺跡保護的新渠道，對此，應該樹立數字化傳播思維。新技術打破了場域空間的隔閡，觀眾可以靈活選擇電腦或手機終端，在任何時間任何地點了解古遺跡的信息、瀏覽數字化藏品、體驗古遺跡VR場景，使“互聯(lián)互動”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.基于移動設備的虛擬實境技術在景觀設計中的應用［J］.中國園林，2015（11）：65-68.

［2］張養(yǎng)安，李俊鋒，楊愛玲，等.基于3DMAX的虛擬現(xiàn)實三維建筑模型建模技術初探［J］.測繪與空間地理信息，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

王夢杰（1995—），男，安徽池州人，碩士，主要研究方向為動畫與數字媒體藝術、VR/AR數字交互設計、動畫數字影像創(chuàng)意設計。余日季（1976—），男，湖北赤壁人，博士，湖北大學藝術學院教授，博士研究生導師，主要研究方向為AR/VR/MR數字交互設計與開發(fā)、動畫與數字媒體創(chuàng)意設計、數字媒體技術與產業(yè)化應用、文化遺產數字化保護。

“十三五”國家重點研發(fā)計劃（編號：2016YFB1101702）

〔編輯：嚴麗琴〕