李鴻章故居虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

張翔

關(guān)鍵詞：李鴻章故居；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；Unity 3D

0 引言

李鴻章故居，又名李府，是晚清名臣李鴻章的家宅，位于安徽省合肥市廬陽區(qū)淮河路步行街中段208 號(hào)，現(xiàn)已列為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位、國家AAAA級(jí)旅游景區(qū)[1]。李鴻章是晚清時(shí)期極具重要的人物，其家宅的建筑風(fēng)格具有明顯的徽派建筑特色，布局整齊，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，是典型的晚清江淮地區(qū)民居建筑。作為珍貴的建筑文化遺產(chǎn)，李府歷經(jīng)百年風(fēng)雨，仍保有獨(dú)特的風(fēng)貌。然而，由于戰(zhàn)爭(zhēng)和年久失修，再加上位于市區(qū)中心，李府已日漸荒廢。近年來，合肥市政府對(duì)李鴻章故居采取了多項(xiàng)保護(hù)措施，在原址進(jìn)行了修繕。雖然基本保留其原貌，但現(xiàn)存規(guī)模已不到原來的十二分之一。由于其地理位置特殊，李府作為景區(qū)的拓展性受到了很大制約。目前，李鴻章故居每日接待游客數(shù)維持在500人左右，這對(duì)游客體驗(yàn)及景區(qū)收入產(chǎn)生了不良影響[1]。那么，這樣一座歷史悠久底蘊(yùn)豐富的古代文化遺產(chǎn)建筑，應(yīng)當(dāng)如何保護(hù)，值得我們深入探索與研究。

1 李鴻章故居系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和旅游體驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，力求將單調(diào)、枯燥的文字和局限于平面的圖片立體化，將原本很難呈現(xiàn)的建筑細(xì)節(jié)之美展現(xiàn)在游客面前。我們利用物聯(lián)網(wǎng)及各種智能云技術(shù)，讓游客足不出戶，就可以隨時(shí)獲得最新的旅游動(dòng)態(tài)和相關(guān)訊息，同時(shí)也可以輕而易舉調(diào)整、安排時(shí)間，隨意更改旅游行程。

近年來，因經(jīng)年累月游客絡(luò)繹不絕，我國有許多對(duì)外開放的古代建筑損毀嚴(yán)重，如何保護(hù)這些文物是一個(gè)亟待解決的問題。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)家和考古學(xué)家的共同努力，虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。我國歷史上無與倫比的輝煌建筑杰作——故宮，就得到了這樣的保護(hù)[2]。鑒于此，本文研究運(yùn)用三維技術(shù)和Unity3D實(shí)現(xiàn)對(duì)李鴻章故居中重要的幾處景點(diǎn)，使用手動(dòng)或自動(dòng)方式，對(duì)入口、前廳、福壽堂、走馬樓、淮軍展廳、游客服務(wù)中心等實(shí)現(xiàn)漫游。李鴻章故居的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要采用第一人稱視覺的漫游效果來展現(xiàn)，這樣能夠更好地模擬景區(qū)真實(shí)存在的效果。同時(shí)在很大程度上，能夠給游客帶來耳目一新的觀賞體驗(yàn)。值得注意的是第一人稱漫游是漫游系統(tǒng)中最重要的功能，也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)交互必需的功能[3]。李鴻章故居系統(tǒng)把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與景區(qū)的全景規(guī)劃緊密結(jié)合起來，無論是對(duì)古代建筑文化遺產(chǎn)的傳承和保護(hù)，還是營(yíng)銷模式都是切實(shí)可行的。

2 需求分析

李鴻章故居系統(tǒng)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在旅游景區(qū)上的應(yīng)用，區(qū)別于其他項(xiàng)目在硬件上的應(yīng)用與研究，主要側(cè)重向用戶展示功能。讓游客足不出戶，便可對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行深度體驗(yàn)；此外，還可以深入開發(fā)交互系統(tǒng)，讓用戶自己“動(dòng)手”了解系統(tǒng)的房屋建筑模型，并從另一個(gè)角度體會(huì)我國古代建筑文化遺產(chǎn)的獨(dú)特魅力。

2.1 用戶需求

如今，隨著旅游經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，我國已穩(wěn)居世界旅游經(jīng)濟(jì)前列。2023年五一小長(zhǎng)假期間，全國各景區(qū)共接待游客2.74億人次，同比增長(zhǎng)70.83%，這對(duì)景區(qū)的最大接待負(fù)荷產(chǎn)生了較大壓力。游客在景區(qū)觀賞時(shí)，由于人流量過大，可能無法全身心投入，導(dǎo)致很難深入了解文化建筑背后悠久的歷史文化。因此，用戶對(duì)游覽的文化體驗(yàn)需求越來越強(qiáng)烈，本文也正是立足于提升用戶體驗(yàn)進(jìn)行的以下方面設(shè)計(jì)[4]：

1） 通過三維建筑可視化完美還原建筑特色，讓用戶充分了解到李鴻章故居的整體建筑風(fēng)格和內(nèi)部展廳的陳設(shè)、空間布局。

2） 針對(duì)性還原景區(qū)原貌，對(duì)李鴻章故居的建筑面積、表面材質(zhì)、燈光效果、植物配置等力求復(fù)原，進(jìn)而達(dá)到完美的模擬效果。

3） 通過深度開發(fā)的交互技術(shù)，用戶可以根據(jù)自身需求和習(xí)慣，自主選擇游覽路線，任意角度觀察景點(diǎn)。且在游覽過程中，游客能夠通過實(shí)時(shí)語音或文字了解景區(qū)信息。

4） 設(shè)置碰撞效果，用戶游覽時(shí)不會(huì)穿過物體或墻面，并且可以真實(shí)地走樓梯、跨門檻，獲得與真實(shí)世界一樣的游覽體驗(yàn)。

5） 多平臺(tái)應(yīng)用?；赑C、手機(jī)、VR眼鏡等多種設(shè)備，讓用戶的選擇性更廣。

2.2 功能需求

本文主要通過對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的反復(fù)研究、觀察、修改得到完整的系統(tǒng)，向用戶進(jìn)行完善的數(shù)字化建筑交互展示，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1） 展示。用戶通過第一人稱視角，觀察出動(dòng)態(tài)的畫面效果，包含游覽路線、物體碰撞、景點(diǎn)陳設(shè)等。用戶亦可通過系統(tǒng)默認(rèn)的游覽路線，不進(jìn)行自主控制，依照既定路線進(jìn)行自動(dòng)游覽。

2） 交互。交互技術(shù)的編程主要依托于引擎平臺(tái)開發(fā)技術(shù)，通過對(duì)景區(qū)內(nèi)相應(yīng)的模型進(jìn)行編程，從而達(dá)到界面操作、實(shí)時(shí)查看與行走、路線選擇、碰撞檢測(cè)等交互技術(shù)。這種交互設(shè)計(jì)，更通俗易懂，更模塊化，也更方便用戶操作。各種年齡段的用戶基本都能很快熟悉交互系統(tǒng)的架構(gòu)和使用方法，從而達(dá)到快速熟練操作。

3 李鴻章故居三維構(gòu)建

3.1 三維構(gòu)建的前期準(zhǔn)備

李鴻章故居三維模型構(gòu)建的首要前提是了解故居的整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部建筑區(qū)域的劃分，這就需要對(duì)故居的建筑信息進(jìn)行收集、測(cè)量與整理。筆者基于實(shí)地考察和拍攝，再結(jié)合景區(qū)內(nèi)的導(dǎo)游圖等信息，繪制出平面結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

3.2 李鴻章故居三維建模

根據(jù)測(cè)量與收集的系統(tǒng)信息，筆者通過CAD繪制出后綴名為.dwg格式的故居平面圖，再導(dǎo)入3D Max 進(jìn)行模型構(gòu)建。本文以入口部分為例，在實(shí)地考察過程中，要考慮到建筑中復(fù)雜的雕刻花紋，在三維模型中如何體現(xiàn)？主要利用次世代游戲模型的制作方法，去制作逼真而又復(fù)雜的模型：首先，用數(shù)字雕刻軟件Zbrush制作高精度模型，高度還原出實(shí)景中建筑特色的一些細(xì)節(jié)。再通過凹凸貼圖烘焙技術(shù)，從高精度模型上烘焙出法線貼圖。最后，在低精度模型的凹凸屬性上貼上烘焙出的法線。這樣可以減少模型面數(shù)，優(yōu)化場(chǎng)景緩存，增強(qiáng)場(chǎng)景運(yùn)算能力。這也是本系統(tǒng)的模型制作特色，這種方法可以通過精美的雕刻制作水平和逼真的紋理效果，利用生動(dòng)的角色形象吸引一批又一批的游戲玩家和觀眾。而故居系統(tǒng)里入口處的石獅、抱鼓石、立柱木雕、銅門獸頭拉環(huán)，均采用這種制作方法，如圖2所示。

李鴻章故居的三維模型完成后，要對(duì)整體模型進(jìn)行檢查和優(yōu)化。刪除廢棄的面和數(shù)據(jù)緩存，優(yōu)化場(chǎng)景模型，提高硬件運(yùn)算能力。這對(duì)后期導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中的效率，包括交互設(shè)計(jì)和展示功能都卓有成效，能夠?yàn)橄乱徊焦ぷ骱粚?shí)基礎(chǔ)。

4 系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)用

4.1 引擎平臺(tái)中三維場(chǎng)景的設(shè)置

三維模型導(dǎo)入到引擎平臺(tái)后，由于前期工作只繪制了三維模型和材質(zhì)，加上大量的數(shù)據(jù)信息遷移，各項(xiàng)設(shè)置都需要重新調(diào)整和加入。例如，單位設(shè)置、燈光建立、材質(zhì)映射、天空和地形創(chuàng)建、植物布置等，這些設(shè)置對(duì)于提高三維場(chǎng)景的真實(shí)感和精細(xì)度有著至關(guān)重要的作用。此外，繪制三維場(chǎng)景環(huán)境是整個(gè)系統(tǒng)中數(shù)字可視化部分最重要的環(huán)節(jié)。其內(nèi)容包括地形繪制和天空盒兩部分。Unity3D中的地形可以繪制出層巒疊嶂的山脈、迂回盤曲的峽谷、廣闊無垠的草原和碧波浩渺的湖泊，這部分強(qiáng)大的功能可以讓用戶在虛擬環(huán)境中流連忘返[5]；天空盒可以模擬出真實(shí)的天空效果，根據(jù)場(chǎng)景的風(fēng)格和需要來呈現(xiàn)效果，也可以對(duì)盒子進(jìn)行不同的設(shè)置，從而達(dá)到擬真的程度。這兩部分的疊加使整座三維故居充滿人文思想和歷史積淀。

4.2 交互式技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

游客在景區(qū)游覽時(shí)的體驗(yàn)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，包括但不限于景區(qū)入口、項(xiàng)目游覽的排隊(duì)，整個(gè)景區(qū)游覽的時(shí)間及體力消耗等。李鴻章故居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息十分龐大，對(duì)于PC平臺(tái)設(shè)備的硬件水平和制作時(shí)間都有極高的要求。因此將整個(gè)故居系統(tǒng)設(shè)計(jì)為入口、前廳、福壽堂、走馬樓的一樓展廳和二樓走廊、淮軍一樓的淮系展館、游客服務(wù)中心（出口）等6個(gè)部分作為系統(tǒng)可游覽的區(qū)域。為了讓用戶獲得更好的游覽體驗(yàn)，在游覽路徑上我們將模式分為手動(dòng)游覽和自動(dòng)游覽。

手動(dòng)游覽模式中，用戶可以自主進(jìn)行操作，根據(jù)喜好進(jìn)行游覽。如果用戶在游覽中迷路了，只需點(diǎn)擊界面上的場(chǎng)景切換，即可輕松回到景區(qū)入口。如果想快速游覽，可通過場(chǎng)景切換，快速任意切換到故居系統(tǒng)的6個(gè)景區(qū)部分，再進(jìn)行自主游覽，完成景區(qū)的體驗(yàn)。自動(dòng)游覽模式下用戶完全不需要進(jìn)行任何操作，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定好的路徑方案，自動(dòng)帶領(lǐng)用戶對(duì)李鴻章故居進(jìn)行游覽，與導(dǎo)游帶領(lǐng)游客游覽一致，用戶只需觀看，即可輕松完成故居系統(tǒng)的體驗(yàn)。因此系統(tǒng)中場(chǎng)景的切換是本系統(tǒng)交互方案的核心設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，界面登錄和快速游覽也均是基于此進(jìn)行交互的。

如圖3所示，筆者對(duì)登錄界面的兩種模式進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)。首先，在Assets資源器中，分別新建兩個(gè)場(chǎng)景文件作為自動(dòng)游覽模式和手動(dòng)游覽模式。登錄界面的場(chǎng)景文件命名為“l(fā)ogin”，在該文件中將設(shè)計(jì)好的登錄背景.jpg格式的文件拖入Assets資源器中，將Texture Type設(shè)置為Sprite（2D and UI），對(duì)背景圖進(jìn)行識(shí)別導(dǎo)入后，再將Color 選項(xiàng)中的不透明度設(shè)置為100%。在第二個(gè)場(chǎng)景中，導(dǎo)入Button按鈕，將兩個(gè)按鈕命名為“自動(dòng)游覽模式”和“手動(dòng)游覽模式”，然后通過新建C#腳本文件將其添加到相應(yīng)模式的按鈕文件中進(jìn)行一一映射。隨后，在“Game”模式下，進(jìn)入Build Setting中分別添加對(duì)應(yīng)三個(gè)場(chǎng)景的文件后，系統(tǒng)登錄界面即設(shè)置完成。

此外，快速游覽的交互設(shè)計(jì)原理是將場(chǎng)景切換成故居系統(tǒng)中的6個(gè)部分進(jìn)行游覽。這種交互設(shè)計(jì)也是基于登錄界面的設(shè)置，進(jìn)行更深層次的開發(fā)。通過之前的方法，分別創(chuàng)建“入口”“前廳”“福壽堂”“走馬樓”“淮系展館”“游客服務(wù)中心（出口）”等6個(gè)場(chǎng)景文件。除了添加6個(gè)場(chǎng)景的切換腳本外，還要添加場(chǎng)景切換的主菜單，將設(shè)計(jì)好的主菜單UI界面添加到系統(tǒng)中，再將主菜單的腳本文件拖入到主攝像機(jī)的Inspector 屬性上，通過Edit Script對(duì)腳本進(jìn)行編譯，將主菜單的按鈕掛載到主攝像機(jī)上，并給按鈕添加函數(shù)OnLogin?ButtonClick 0。整個(gè)場(chǎng)景切換的交互設(shè)置隨即完成。

4.3 界面的視覺設(shè)計(jì)

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的視覺設(shè)計(jì)中，主要分為環(huán)境設(shè)計(jì)和界面設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。當(dāng)用戶戴上VR設(shè)備后，這個(gè)未知的環(huán)境需要設(shè)計(jì)開發(fā)成用戶所要看到的三維空間。用戶在觀看和控制時(shí)，界面設(shè)計(jì)的美感必須與環(huán)境相匹配，這樣才不會(huì)讓用戶從虛擬的環(huán)境思維中抽離。因此，界面設(shè)計(jì)是十分關(guān)鍵的一步。

李鴻章故居系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)主要是用戶登錄的背景界面、場(chǎng)景切換和音樂開關(guān)的UI設(shè)計(jì)等。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，參考了故居的年代和歷史背景等相關(guān)信息，為了讓更多人領(lǐng)略到故居的文化氣息，弘揚(yáng)傳統(tǒng)文化，筆者將界面設(shè)計(jì)的風(fēng)格定義為水墨風(fēng)格。這種獨(dú)有的藝術(shù)形式具有強(qiáng)烈的民族特色和獨(dú)特的藝術(shù)魅力。同時(shí)，這種風(fēng)格在百花爭(zhēng)艷的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中也別具一格，與整個(gè)系統(tǒng)主題相得益彰[6]。

系統(tǒng)中的UI界面通過Photoshop進(jìn)行創(chuàng)作設(shè)計(jì)，并存儲(chǔ)為.png 格式導(dǎo)入到系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)用，如圖4 所示。

5 系統(tǒng)的測(cè)試與發(fā)布

李鴻章故居虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成，但能否最終發(fā)布，還需要進(jìn)行系統(tǒng)完整的測(cè)試。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源十分龐大，多種軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可能會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)景模型錯(cuò)位、貼圖顯示報(bào)錯(cuò)、模型與模型之間的縫隙銜接不到位、膠囊體與場(chǎng)景模型之間的物理碰撞不合理、系統(tǒng)運(yùn)行速度不流暢、場(chǎng)景切換不正確等一系列問題。因此，進(jìn)行相關(guān)測(cè)試是十分必要的。通過不斷測(cè)試、修改、二次測(cè)試和返修等反復(fù)循環(huán)的過程，才能最終使系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用達(dá)到完善的程度。

系統(tǒng)的測(cè)試可以實(shí)時(shí)通過Unity 3D的游戲運(yùn)行窗口進(jìn)行，如圖5所示。點(diǎn)擊播放按鈕后，窗口顯示的畫面就是游戲發(fā)布時(shí)的正式畫面。在該窗口下運(yùn)行系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)中的物體進(jìn)行修改或移動(dòng)，退出游戲運(yùn)行模式后，之前的修改并不會(huì)保存，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)返回到未編輯的狀態(tài)。在Game下面的Free Aspect按鈕可以調(diào)整整個(gè)窗口的比例，也可以設(shè)置最終系統(tǒng)發(fā)布的窗口比例；Maximize On Play按鈕具備視圖窗口全屏顯示的功能；Stats按鈕是游戲運(yùn)行模式下顯示系統(tǒng)中各項(xiàng)參數(shù)的開關(guān)；在游戲模式運(yùn)行下，除了對(duì)上述問題進(jìn)行檢查外，我們還對(duì)故居系統(tǒng)的模式選擇、手動(dòng)漫游、自動(dòng)漫游、場(chǎng)景切換等進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試。經(jīng)過多次測(cè)試和修改，已解決了場(chǎng)景內(nèi)法線顯示不統(tǒng)一、貼圖錯(cuò)位、部分立柱模型錯(cuò)位等一系列問題，并對(duì)場(chǎng)景內(nèi)的貼圖進(jìn)行了優(yōu)化和適當(dāng)?shù)膲嚎s，系統(tǒng)已達(dá)到較為完善的水平。

Unity3D的發(fā)布平臺(tái)可以輸出到計(jì)算機(jī)平臺(tái)（Win?dows平臺(tái)和MAC平臺(tái)）、蘋果iOS平臺(tái)、安卓手機(jī)平臺(tái)、索尼PlayStation平臺(tái)、微軟Xbox平臺(tái)、H5平臺(tái)等。本系統(tǒng)的發(fā)布：進(jìn)入U(xiǎn)nity3D的Build Setting選項(xiàng)中，選擇PC 平臺(tái)，選擇32 位和64 位兼容的Windows 系統(tǒng)，可通過Player Setting進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括效果，系統(tǒng)程序添加應(yīng)用圖標(biāo)等；點(diǎn)擊Build后，輸出一個(gè).exe 的應(yīng)用程序，會(huì)隨應(yīng)用程序打包一個(gè)需要使用到系統(tǒng)資源信息的工程文件夾，該程序打開后，可以對(duì)應(yīng)用程序系統(tǒng)顯示分辨率大小、質(zhì)量和操作映射等，最終完成故居系統(tǒng)的發(fā)布到運(yùn)行。

6 結(jié)束語

李鴻章故居的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成，通過測(cè)試和修改，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)李鴻章故居中各個(gè)景點(diǎn)的漫游。本文主要通過詳細(xì)介紹系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、需求分析、三維構(gòu)建、系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用、系統(tǒng)測(cè)試與發(fā)布等，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到李鴻章故居中，力求在景區(qū)虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用道路上邁出堅(jiān)實(shí)的一步。