三維數(shù)字技術(shù)在平城歷史文化傳承中的應(yīng)用分析

摘要：隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，三維數(shù)字技術(shù)越來越多地應(yīng)用于旅游景點(diǎn)、歷史文化的宣傳和傳承中。文章分析北魏平城歷史文化傳承虛擬漫游系統(tǒng)所應(yīng)用三維數(shù)字技術(shù)的特點(diǎn)，以及具體應(yīng)用狀況。使用Unity3D、3ds MAX、C#等工具，構(gòu)建基于三維建模、三維交互以及三維動畫等技術(shù)的北魏平城歷史文化傳承虛擬漫游系統(tǒng)。在三維建模部分，通過三維建模軟件3D Studio Max設(shè)計(jì)制作平城歷史場景中的建筑、內(nèi)部展館，解決了材質(zhì)紋理映射、貼圖以及光照等問題，得到逼真、高質(zhì)量的歷史文化建筑三維模型。在充分滿足人們的心理需要的同時(shí)，引起人們對北魏平城文化的興趣。在虛擬交互設(shè)計(jì)部分，采用Unity3D引擎作為開發(fā)平臺，C#作為開發(fā)語言，創(chuàng)建逼真的平城歷史文化場景。該虛擬系統(tǒng)包含三維自動漫游子系統(tǒng)、三維交互自主漫游子系統(tǒng)，并借助文本、音頻、視頻、動畫等多媒體技術(shù)手段，使用戶通過計(jì)算機(jī)或手機(jī)深入、細(xì)致地感受、學(xué)習(xí)北魏平城的建筑風(fēng)格、文物和文化。同時(shí)，此系統(tǒng)還為文物保護(hù)和傳承提供一種新的視角。

關(guān)鍵詞：北魏平城；3D建模；虛擬交互；三維動畫技術(shù)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

中圖分類號：G206；G122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-8883（2024）08-0055-03

基金項(xiàng)目：本論文為2022年度山西大同大學(xué)云岡專項(xiàng)“北魏平城歷史文化的數(shù)字化傳播研究”成果，項(xiàng)目編號： 2022YGZX013；2022年度山西大同大學(xué)教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目“三維動畫設(shè)計(jì)課程混合式教學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新 研究”成果，項(xiàng)目編號：XJG2022228；2022年度山西大同大學(xué)云岡專項(xiàng)“元宇宙視域下云岡石窟文 化傳播路徑與數(shù)字資源建設(shè)研究”成果，項(xiàng)目編號：2022YGZX035

北魏平城，指今天的山西大同。拓跋鮮卑在1600多年前定都于此，從此該地迎來北魏王朝輝煌的97年[1]。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，包括教育、娛樂、文化等[2]。在文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為保護(hù)、傳承和展示歷史文化遺產(chǎn)提供了全新的方式。北魏平城歷史文化傳承虛擬漫游系統(tǒng)（下文簡稱“平城漫游系統(tǒng)”）基于對北魏時(shí)期平城歷史和文化的研究，采用三維建模技術(shù)、三維交互技術(shù)和三維動畫技術(shù)，對平城的物質(zhì)與非物質(zhì)遺產(chǎn)進(jìn)行展示[3]，帶領(lǐng)使用者穿越時(shí)空，感受北魏平城歷史文化的博大精深。

一、平城漫游系統(tǒng)三維數(shù)字技術(shù)的特點(diǎn)

北魏是中國歷史上一個(gè)重要的朝代，對我國歷史具有深遠(yuǎn)的影響。自從平城被確定為都城后，便開展了規(guī)模宏大的宮殿建設(shè)。同時(shí)，北魏對漢族文化的吸收和融合，也促進(jìn)了文化的發(fā)展和繁榮，例如形成寺廟建筑、書法、雕塑等各種藝術(shù)形式。在北魏一百多年的歷史中，鮮卑人在平城留下了豐富的歷史遺跡。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以對平城的歷史建筑、文物進(jìn)行精確的三維模擬，并對其歷史文化進(jìn)行數(shù)字化傳播，使人們能夠真正了解平城的輝煌歷史。

近年來，我國對文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播模式的研究主要包含以下四類。

第一類是基于大眾傳媒如電視、電影和專題節(jié)目的數(shù)字化傳播模式[4]。

第二類是數(shù)字典藏傳播模式。主要指文化遺產(chǎn)保護(hù)單位通過對遺產(chǎn)資源的數(shù)字化，構(gòu)建專題數(shù)據(jù)庫，受眾通過自主查閱各種媒介的方式推動文化遺產(chǎn)的傳播[5]。

第三類是指利用互聯(lián)網(wǎng)的交互優(yōu)勢，實(shí)時(shí)傳播文化遺產(chǎn)相關(guān)活動和知識。

第四類是利用3D技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)將受眾拉入場景，讓人們身臨其境地體驗(yàn)[6]。

平城漫游系統(tǒng)使用的三維數(shù)字技術(shù)具有顯著的特點(diǎn)。

第一，注重全感官式體驗(yàn)。使用者進(jìn)入平城漫游系統(tǒng)中，即可享受沉浸式的全感官體驗(yàn)。即眼睛能全方位觀賞北魏平城時(shí)代的歷史遺跡、建筑和文物，耳朵能聽到智能語音講解，讓使用者有身臨其境的感覺，增強(qiáng)學(xué)習(xí)、研究北魏平城歷史的興趣，并增強(qiáng)其傳播力。

第二，注重智能化展現(xiàn)。使用者進(jìn)入系統(tǒng)后，若選擇自動漫游模式，系統(tǒng)將智能生成游覽路線，提高游覽效率。同時(shí)，系統(tǒng)貼心地為使用者提供自主漫游模式，并對一些具有代表性的建筑物、文物、“非遺”產(chǎn)品等進(jìn)行高亮標(biāo)識提示，點(diǎn)擊即可呈現(xiàn)文字、語音或二維/三維動畫，讓使用者可以更快捷地定位、欣賞到自己感興趣的內(nèi)容。

第三，注重幽默風(fēng)趣的語言。系統(tǒng)具有語音講解功能，特別注重講解的幽默風(fēng)趣，增強(qiáng)語音講解服務(wù)的趣味性和吸引力，有助于加深對“非遺”、歷史的理解。第四，注重簡潔明了的交互。系統(tǒng)提供樣式各異的圖標(biāo)、易于識別的按鈕，使用者只需點(diǎn)擊相應(yīng)的圖標(biāo)即可高效交互。

二、平城漫游系統(tǒng)具體應(yīng)用的三維數(shù)字技術(shù)

平城漫游系統(tǒng)使用三維建模技術(shù)、三維交互技術(shù)、三維動畫漫游技術(shù)。應(yīng)用3ds Max建模軟件，以北魏平城作為背景，利用三維數(shù)字技術(shù)，制作出北魏平城宮城數(shù)字模型，以數(shù)字展館為輔助，對北魏平城時(shí)代的各種歷史文化遺產(chǎn)進(jìn)行展示。利用Unity3D引擎作為開發(fā)平臺， C#作為開發(fā)語言，實(shí)現(xiàn)三維交互的設(shè)計(jì)和展示。

（一）三維建模技術(shù)

平城漫游系統(tǒng)以北魏時(shí)期的平城為背景，采用三維建模工具3ds Max，制作出北魏平城宮城的數(shù)字模型，加以數(shù)字展館為輔助，對北魏平城的各種歷史文化遺產(chǎn)進(jìn)行展示[7]。系統(tǒng)涵蓋平城宮城的模型、展品等，給體驗(yàn)者一種身臨其境的感覺[8]。

1.布局規(guī)劃及場景設(shè)計(jì)

布局規(guī)劃：根據(jù)資料記載，平城宮城有三條軸線，即西線，東線與中線。西軸線包含天文殿、中天殿、乾德六合殿、涼風(fēng)觀、玄武樓等建筑。中軸線包含朝堂、太極殿、思義殿、坤德六合殿、乾象六合殿以及東西堂等建筑。東軸線包含永安殿、安樂殿、壽安宮、太和殿、乾象六合殿等建筑[9]。

宮城場景設(shè)計(jì)：平城宮殿模型主要為紅色臺柱、白色墻體與綠色瓦片，整體十分宏偉。

數(shù)字展館設(shè)計(jì)：依據(jù)每個(gè)展館的主題與展示形式來設(shè)計(jì)。云岡石窟、懸空寺、魏碑書法展館主要采用圖文展示，而樂器、文物展館因其陳列品的藝術(shù)價(jià)值，多以實(shí)物模型展示[10]。

2.展館內(nèi)部設(shè)計(jì)

展館設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于其是否能夠吸引人們的注意力，使參觀者對所展示的內(nèi)容產(chǎn)生強(qiáng)烈的興趣，從而能夠更好地宣傳平城歷史文化。除此之外，展館還應(yīng)該展現(xiàn)出人文精神[11]。最后，展館還應(yīng)具有以下特點(diǎn)：簡潔、和諧、主題鮮明等。

文化是一個(gè)城市的靈魂，要想了解一個(gè)城市，就必然要對其歷史進(jìn)行深入的了解。不同文化碰撞，為平城的文化注入了新鮮的血液。因此，平城漫游系統(tǒng)擁有主題不同的展館，分別是云岡石窟展館、懸空寺展館、魏碑書法展館、樂器展館、文物展館。前三個(gè)展館主要通過書畫展柜、文化展板、文化墻等，以圖片文字進(jìn)行文化宣傳。后兩個(gè)展館以內(nèi)部陳列品展示為主，凸顯北魏平城的繁榮。

3.平城漫游系統(tǒng)中三維建模部分的實(shí)現(xiàn)

（1）城墻、宮殿的三維建模。使用三維建模技術(shù)和工具對虛擬系統(tǒng)中的城墻、代表性宮殿進(jìn)行三維建模制作。城墻主要由多個(gè)長方體堆疊而成，形成城墻的雛形。編組之后轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，通過“FFD自由變形工具”優(yōu)化細(xì)節(jié)。接下來是城墻瞭望口的建模，首先在前視圖運(yùn)用樣條線繪制出輪廓，之后是“擠出”命令，最后可進(jìn)入點(diǎn)層級修改細(xì)節(jié)。瞭望口要與城墻對應(yīng)，之后復(fù)制，最終得到城墻模型。城墻的建模尤其需要注意瞭望口與墻體要完美拼接[12]。宮殿的三維建模包括地基、欄桿、門窗、斗拱、瓦片、屋頂?shù)慕！?/p>

（2）展館、樂器及文物的三維建模。平城漫游系統(tǒng)分別對云岡石窟展館、懸空寺展館、魏碑書法展館、樂器展館、文物展館進(jìn)行三維建模。其中云岡石窟的展館設(shè)計(jì)，主要依據(jù)石窟內(nèi)形制、造像內(nèi)容和樣式，以及花紋設(shè)計(jì)。注重突出第二期洞窟——洞窟和龕像數(shù)量增多，說明文成帝之后孝文帝遷洛之前這個(gè)時(shí)期，北魏統(tǒng)治集團(tuán)提倡發(fā)揚(yáng)佛教文化[13]。

根據(jù)史料記載，北魏時(shí)期主要有吹奏類、彈撥類、擊打類樂器。吹奏樂器主要包括橫笛和排簫；彈撥樂器主要包括古琴、古箏、曲頸琵琶和阮弦；擊打樂器主要包括腰鼓和銅鈸[14]。

文物建模根據(jù)史料以及在大同博物館的實(shí)地考察，主要包括飾品、室居生活文物、室外文物三大類。飾品包括珠串、簪子、耳環(huán)、手鐲；室居生活文物包括陶罐、陶井、石燈、石柱、銅杯；室外文物為鋪首銜環(huán)等。

（二）平城漫游系統(tǒng)中三維交互和漫游的實(shí)現(xiàn)

所使用的軟件工具包括但不限于3ds MAX、Unity、Adobe Photoshop、Vuforia（高通）。

1.平城漫游系統(tǒng)的模塊劃分

該系統(tǒng)分為三維自動漫游和三維交互自主漫游兩大子系統(tǒng)。其中三維交互自主漫游子系統(tǒng)包括殿外自主漫游模塊和殿內(nèi)自主漫游模塊。殿外自主漫游模塊分為地圖導(dǎo)航模塊、天氣控制模塊和粒子特效模塊，殿內(nèi)自主漫游模塊分為云岡石窟文化展館、懸空寺文化展館、平城樂器AR展館、平城書法展館、平城文物展館。三維自動漫游模塊由Cinemachine虛擬攝像機(jī)和Timeline動畫等組件實(shí)現(xiàn)[15]。

2.平城漫游系統(tǒng)的開發(fā)流程

平城漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)主要包括以下幾個(gè)步驟：實(shí)地考察、文獻(xiàn)查閱、宮殿布局繪制、建筑模型制作、場景建模、系統(tǒng)構(gòu)建等。其中實(shí)地考察是為了深入了解北魏平城的實(shí)際情況，文獻(xiàn)查閱則是為了收集更多歷史資料和文物信息，以確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。宮殿布局的繪制和建筑模型的制作是為了重現(xiàn)平城，場景建模和系統(tǒng)構(gòu)建則是為了實(shí)現(xiàn)用戶的交互式體驗(yàn)。整個(gè)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程注重歷史準(zhǔn)確性和用戶體驗(yàn)的平衡，旨在讓用戶更好地了解北魏平城時(shí)期的歷史文化。

3.平城漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和發(fā)布

平城漫游系統(tǒng)以平城歷史文化為主要內(nèi)容，采用現(xiàn)代化的技術(shù)手段，如3D模型展示和交互式游戲等，讓用戶可以更加直觀地體驗(yàn)平城遺跡的魅力。系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)了圖文交互、樂器展示、文物交互展示、視頻交互等功能。同時(shí)，為了便于人們從手機(jī)端了解北魏平城歷史文化，該虛擬漫游系統(tǒng)除了可以在Windows平臺使用，還發(fā)布了Android版本。需要注意的是，不同版本的Android SDK和Java環(huán)境可能會對發(fā)布產(chǎn)生影響，應(yīng)該根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的配置[16]。

三、結(jié)語

北魏平城文化是中國傳統(tǒng)文化的一部分，其不應(yīng)被埋沒于歷史長河中。通過平城漫游系統(tǒng)，人們可以身臨其境地感受北魏平城文化，并且可以帶動更多的人到大同旅游。還可以將平城漫游系統(tǒng)作為教學(xué)案例讓學(xué)生學(xué)習(xí)，也可以讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺分享給更多的用戶，為平城歷史文化的宣傳作出貢獻(xiàn)。與此同時(shí)，教師也可以將此漫游系統(tǒng)作為項(xiàng)目，采用項(xiàng)目驅(qū)動式的教學(xué)方式進(jìn)行改革，既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和興趣，又提高了教學(xué)效率。希望本文提出的虛擬漫游系統(tǒng)可以為同類型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究提供一定的參考。

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作者簡介 吝春妮，講師，研究方向：三維數(shù)字技術(shù)、數(shù)字文化傳播、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。