基于3D虛擬現實技術的民族建筑游覽教學平臺的設計

陳文進 郭明明 吳昊遠 鄭奮 李東方謝長勇

摘要：民族建筑是民族文化的承載物，蘊藏著深厚的人文信息。新時代下如何運用虛擬現實技術對中華民族傳統文化和民族建筑進行數字化開發，已成為國內傳統文化推廣教育的重要問題。本文介紹了一種基于Unity平臺的3D民族建筑交互游覽平臺，該平臺以動畫導覽、沙盤模型、交互游覽、游戲模式等不同模式為框架，將傣族三大著名建筑——曼飛龍塔、景真八角亭、曼閣佛寺在MAYA中制作出3D模型，還原了實際建筑的形狀特點、雕刻裝飾以及設計細節，并可通過交互體驗建筑特色，這是一種提升民族文化教學趣味性和生動性的新模式。

關鍵詞：虛擬現實；民族建筑；文化教育；數字化教育

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1164-2117（2018）13/14-0180-05

華夏文明源遠流長，中國是統一的多民族國家，在綿延數千年的文明長河中，各族人民運用想象力和智慧創造了無數各具特色的文明瑰寶，為人類留下了豐富而寶貴的文化遺產。歷史表明，中華民族優秀的傳統文化是國家穩定、社會進步的重要基礎和動力之一。少族民族文化是中華民族文化大家庭的重要組成部分，就少數民族建筑來說，它們風格迥異、形態萬千，透露了各地少數民族的生活環境及情景，體現了少數民族人民的思想觀念和宗教信仰，其蘊含的歷史信息、文化價值、建筑工藝以及審美形態都值得我們學習和研究。然而在我國，由于城鎮化的推進，人民住房的需求以及偶然發生的大規模地質災害，少數民族建筑的現狀令人擔憂，損壞、重建甚至拆毀現象讓少數民族建筑的保護工作和實地教育活動的開展尤為困難。[1]

民族文化是一個民族屹立于世界民族之林的基礎，如何傳承和發揚好民族文化，如何對民族文化展開教學使之更容易被接受，是當今社會的重要課題。民族建筑與民族文化關系密不可分，對民族建筑所體現的文化內涵的研究和教學當然不可或缺。然而目前對于民族傳統建筑的研究和教學大多還停留在史料、圖片和實地考察層次，其依據非常有限[2]，這不僅不利于科研人員和學生獲取相關信息，更不便于傳播。當下科學技術飛速發展，三維虛擬現實技術因其具有易修改、操作簡單、效果逼真的特點以及在Unity 3D可實現人機交互的功能，可以對這些珍稀的民族建筑進行及時的信息挖掘與交流。[3]因此，利用3D虛擬現實技術將其轉化為PC端具有可操作性的交互應用，可以彌補傳統方法在研究和教學效果上的缺陷。

● 設計背景

少數民族傳統建筑始建年代大多久遠，其建筑特色在時代變遷中保存著歷史的烙印，并作為一種載體給人們展現出文化深厚的積淀。對于少數民族文化的學習，其中一個重要的方式就是通過學習少數民族建筑來把握其民族特色。然而少數民族大雜居小聚居的分布方式，以及一些少數民族位置偏遠，導致即使是在今天，仍有很多頗具特色的民族建筑不被國人熟知，更談不上在課堂上系統地教學。

傣族是一個有著悠久歷史和燦爛文化的少數民族，其居民主要分布在云南西雙版納靠邊境的弧型地帶。[4]傣族的建筑各具特色，尤其是上座部佛教傳入后，四處可見的佛教建筑更是別具一格，展現著傣族人民的聰明才智。傣族傳統文化的教育離不開佛教教育，其教育內容必須根植于固有的文化資源，另外，其教育要想獲取自身發展，還必須從傣族文化中獲取動力。[5]針對現代化發展對傣族建筑的沖擊和地理位置偏遠不利于傣族建筑文化傳播的現狀，結合3D技術，對傣族三大著名傳統佛教建筑曼飛龍塔、曼閣佛寺以及景真八角亭進行模型還原和交互的實現，是我們這項設計的主要目的。

1.曼飛龍塔

磚石結構，塔身潔白，當地傣家稱它為“塔諾”，意思是“筍塔”，層與層之間有環形仰蓮浮雕。塔剎是喇叭形的蓮瓣立雕。每座小塔的塔座都有一個屋脊外延的佛龕，里面安放著一尊佛像，內壁則排列著整齊的佛像浮雕。佛龕正脊和垂脊上均飾有孔雀等陶塑，佛龕券門沿面有花草、卷云紋飾。剎桿上裝置著上下串連的華蓋和風鐸。歷史悠久的曼飛龍塔展現了傣族人民在建筑技術上的成就，更體現了中外建筑技術和文化的交流，1988年被國務院公布為全國重點文物保護單位。曼飛龍塔不但在國內信仰南傳上座部佛教的各族人民群眾中有很大的影響，而且在緬甸、老撾、泰國的小乘佛教的信徒中也產生深遠的影響，每年均有成百上千的信徒不遠千里前來朝拜，虔誠地敬獻上自己心愛的禮物，表達對佛祖的崇拜和敬仰。[6-7]

2.曼閣佛寺

曼閣佛寺屹立在風光旖旎的瀾滄江東岸，位于素有“黎明城”之稱的西雙版納傣族自治州首府景洪市，是景洪市最古老的佛寺建筑。傣語中叫“洼曼閣”，意為中心佛寺。佛殿是佛寺的主體建筑，是一座無柱式重檐三坡面建筑。殿內十六根刷著紅漆、雕刻花紋的紅香椿圓木柱，頂天立地支撐著一個諸葛亮帽似的寺頂。佛殿中堂的西側，置一個兩米高的須彌座，上面供著四米高的鍍金釋迦牟尼像。檐邊的瓦飾為卷葉狀的“咪來”，這些裝飾代表云彩，表示天界周圍飄浮著云彩。[8]

3.景真八角亭

吸收東南亞建筑風格，又具有中國古代建筑的特點。亭室設有東、南、西、北四道門，寓意佛教傳播四方。正門呈拱形，拱門上方設有卷龕，供奉銅質佛像一尊，兩扇用紅椿板制作的大門上，分別雕有傣式太陽花和雙龍絞尾圖案。八角亭閣呈八角狀，代表帕召身邊的8個“麻哈廳”（高僧），所有的角都由人字形的屋宇組成。屋宇共有十層，呈臺階形狀，越往上越小。屋面覆蓋著精制的魚鱗形琉璃片瓦，屋上裝置著傣族藝人精心制作的陶質花卉、寶塔。八個亭角上都塑有金雞、鳳凰，風檐板間雕刻著色彩鮮艷的異卉奇葩。1988年被中華人民共和國國務院公布為全國重點文物保護單位。[9-10]

● 設計內容

在設計層面上，我們要處理模型和場景的切換以及Xml文件的讀取和存儲等一系列問題。此軟件的設計功能概述如上頁圖1所示，其中包括模型管理、場景管理以及系統管理三個模塊。模型管理主要是對人物、建筑以及小游戲模型的移動轉換，場景管理針對UI、攝像機以及模型事件進行展開，而在系統管理中則主要對數據文件、場景以及變量的輸入與輸出做調整。

民族建筑學習系統利用Unity平臺，以3D動畫導覽、交互游覽以及模型搭建游戲的方式，打破了課堂教學的時間及空間限制，實現學生以自主探索為導向的學習，具體分為四種模式（如圖2）：①仿真游覽模式（如圖3）。在這一模式下，學生可通過鍵盤和鼠標在建筑周圍及內部進行游覽，這也是本軟件交互的體現之處，交互也就意味著自主學習，并且有利于建筑細節的展示。②自動導覽模式（如圖4）。這一模式中，場景與前一模式相同，不同點在于它自動展示觀察建筑的方法，并且給各個建筑配有特定的語音解說，適用于不知道如何使用該軟件或者對學習建筑的方法不清楚的學生。③搭建游戲模式（如圖5）。將建筑模型進行拆分和拼搭，有利于學生對模型構造的掌握，同時，游戲的方式更能方便知識的接受和學習效果的檢測。④動畫導覽模式（如下頁圖6）。在這一模式下，我們利用MAYA制作出3D動畫，配以音樂及人聲解說，讓學生有一個初步的印象，精致的畫面、詳細的介紹配合生動的語言可以激發學生的學習興趣，并且作為最后一個模式，還可以起到很好的回顧和復習效果。

后期可以通過MAYA等軟件構建更多風格的建筑模型豐富建筑庫。細分建筑結構零部件增加小游戲的復雜程度，以及增加搭建方式提高搭建技術性，同時優化場景比例以適應更多移動設備。在導覽模式下設計更多人物與建筑的交互，提升體驗效果。增加多種天氣效果，提高建筑逼真度。增加時間軸，設計不同時間段建筑老化效果。增設NPC，設計人物對話提升體驗效果。加入局域網模式，拓展小游戲交互方式。

該民族建筑學習系統以計算機技術為核心，建立在民族建筑相關知識和史料的基礎上，實現了模型的搭建與拆分、多模式學習、及時測試的融合，通過嵌入虛擬現實技術和3D動畫，提高了學生對民族建筑以及民族文化的學習興趣，不僅高效便捷，而且可以節約學習資源和克服實地學習的不便利性。

● 技術特色

模型的建模是軟件設計的重中之重，前期首先要針對此三大建筑歷史背景、人文環境、發展歷程收集資料。通過實地測量和建筑照片的拍攝，全面了解少數民族建筑文化的背景和內涵，同時可以將其作為后續交互系統的文字圖片素材。

在MAYA里將建筑整體素材分別顯示在正視圖與側視圖，按數量添加預設Box、Sphere Cylinder等，按素材比例調節大小，根據建筑需要，擠出特定面。分別命名分組，方便后續貼圖、制作動畫等。除建筑主體外，增加了樹木、草地、河流等細節。

貼圖方面，在MAYA中針對不同建筑部分分別展開UV，在Photoshop中調節素材大小、顏色、亮度等與UV匹配，通過調節透明度、添加遮罩等對貼圖做舊，表現建筑年代感。

在模型的優化方面，根據MAYA模型文件大小由面片數多少決定的原理，刪除多余的面來達到減少文件數量的目的。例如，在表現少數民族建筑的樓閣時，模型背部、內部的面被遮擋，渲染畫面看不到，可逐片找到并刪除。對球體狀建筑結構，在保證精度的條件下，控制面數大小。另外，由于建筑的對稱性，一座建筑往往需要多個相同的結構，可以通過將相同模型實例化，減少內存的載入來實現。貼圖方面，為了同時得到真實的光影效果及系統較高的運行速度，需要將貼圖進行烘焙，通過軟件UVW展開將AO貼圖、透明貼圖展開，導出到Photoshop中編輯得更加精細，再通過材質編輯器反貼回去。

程序運行過程中打開平臺進入UI選擇界面，可以選擇一種模式進行導覽，在仿真游覽模式下，在沙盤場景中生成的人物，可自由移動選擇進入提供的建筑場景，中心沙盤提供整體的縮小比例地圖，通過觸發傳送門周圍的碰撞檢測實現場景切換。進入建筑場景周圍可觸發講解音頻，通過移動觀看縮小比例的建筑結構。在游戲模式下，則可通過UI界面的按鈕選擇相應的結構搭建建筑。

● 軟件平臺設計意義

1.還原程度高

我們前期進行了大量資料搜集和實地考察，認真比對照片制作出的模型細致地還原了建筑本貌，因此本軟件是一款可靠的學習軟件，并且所含的建筑及文化知識豐富，內容詳實，適合科普及學習。

2.交互性能好

Unity 3D作為一款游戲開發工具，其交互功能完備，適用范圍廣，將其運用到民族建筑的教學中能發揮其在交互方面的優點。學生只需鍵盤和鼠標就可以在建筑中暢游，獲得身臨其境的體驗。

3.學習高效性

該軟件打破了傳統民族文化課堂枯燥、抽象的學習窘境，解決了傳統教學只能通過課本和圖片進行展示的問題。學生能自行搭建建筑結構并且交互游覽場景，設計自動導覽模式滿足了不同水平的學生需求，同時以動畫的方式復習所學內容，更加形象生動。

4.自主開放性

軟件突破了課堂和材料的限制，節約資源，使學生學習民族文化及建筑知識不受時間和空間的限制。另外，學生通過主動參與模型結構的拼接，注意力更容易集中，也更能加深記憶。

5.內容拓展性

Unity3D對多種3D模型格式的兼容性，以及3D模型格式可以互相轉化的特點，為后期豐富建筑庫，在同一個系統內更新不同民族建筑模型提供了可能。增加建筑結構零部件，可以設計搭建小游戲不同難度系數模式，同時設置局域網模式，拓展小游戲交互功能，提高游戲趣味性。由于3D技術的互通性，更可搭載如VR眼鏡等虛擬現實硬件設備，增強身臨其境的體驗。天氣效果和時間軸的運用，可提升逼真程度并方便了解發展歷史。

隨著目前我國民族文化保護工作的發展，虛擬現實技術在民族文化教學中的應用會愈加普及、愈加深入，對民族建筑的數字化和信息化平臺的開發也會迅猛發展，最終達到促進傳承和發揚優秀民族傳統文化的目的。

參考文獻：

[1]張佳佳.少數民族建筑三維數字化模型的構建研究[J].貴陽學院學報，2016，11（1）：42-45.

[2]李芾，張仁靜，蘇琴.三維動畫虛擬技術在少數民族建筑保護中的運用[J].華中建筑，2013（6）：178-181.

[3]張偉，姚煒.虛擬現實技術走進室內設計教學課堂[J].宿州教育學院學報，2015，18（1）：67-68.

[4]昌建納.傣族文獻資源開發的思考[J].圖書情報工作，2003（12）：45-48.

[5]劉曉巍.西雙版納南傳佛教教育與傣族文化發展[J].教育學報，2016，12（2）：116-123.

[6]周瓊，海澄.云南傣族的佛塔文化[J].佛教文化，2007（4）：112-117.

[7]王雙麗，李曉紅.“少數民族之鄉——云南”課堂實錄及評析[J].課程教材教學研究：小教研究，2015（Z4）：68-70.

[8]浦紅繼.曼閣古村探秘記[J].版納，2008（1）：55-57.

[9]劉揚武.西雙版納傣族佛教建筑藝術淺談[J].法音，1988（10）：31.

[10]周陸壽，周厲強.華夏古亭多奇聯[J].對聯（民間對聯故事），2011（1）：14.

作者簡介：陳文進（第一作者）（1997.2—），本科在讀，主要研究臨床醫學；郭明明（共同第一作者）（1995.7—），本科在讀，主要研究中醫藥學；鄭奮（通訊作者）（1976—），講師，碩士，主要研究數據庫程序設計、虛擬現實技術。

基金項目：2017年度海軍軍醫大學大學生創新孵化基地項目“基于3D技術的民族建筑智能游覽系統”（FH2017040）。