VR技術在古建類產品設計開發及建筑教學中的應用

李紀偉 ，曹迎春，句建國

（河北大學建筑工程學院，河北 保定 071002）

1 引言

虛擬現實（VR）技術的概念最早形成于40年前[1]，初期發展相對緩慢，隨著計算機技術的飛速發展，該技術的發展也越來越快，應用場景也越來越豐富[2]。目前，廣泛應用于機械加工、產品設計、課程教學等方面[3]。然而，隨著VR技術的發展和普及，與之對應的文化產品開發與創意卻相對不足，用戶對優質VR內容需求愈發強烈，找到適合VR技術的切入點，研發優質的VR產品與應用迫在眉睫。中國古建筑展示著我國的傳統文化，承載著中華民族的文明和底蘊，是非常優質的VR內容。而且VR技術在古建類產品開發和教學中進行應用時，可以擺脫傳統意義上的時空限制，使用戶及相關專業的學生能夠更清楚地認知、了解古代建筑藝術，并可以傳播建筑本體之外的文化、歷史。因此，研究和開發古建類產品并在教學中進行應用具有重要的意義與價值。

2 古建類虛擬現實產品的開發需求

中國古建筑是我國歷史文化的重要載體，現存最早的建筑距今已有1200年的歷史[4]。在歷史發展的過程中出現了多種多樣的建筑形式，包括宮殿建筑、園林建筑、陵寢建筑、民居建筑等，這些建筑形式的空間要求、建造方法、組成部分各不相同。一般人和初學者很難進行區分辨認，更加難以進行深入學習。只有通過接觸大量的實物才能更好的掌握這些知識。

然而中國古建筑遍布全國各地，而且很大一部分古建筑已經消失，采用實物學習的方法難度較大。通過開發相關的古建類虛擬現實產品可以彌補這些不足，使初學者和感興趣的人通過電腦和虛擬現實設備進行學習，能夠極大的提高學習效率，提升學習質量，使學習者更加方便快捷的獲取相關知識。然而目前針對古建類虛擬現實產品開發過程的研究相對較少，因此需要對這類產品的開發過程展開研究。

3 基于虛擬現實技術的古建類產品設計開發

圖1 古建類虛擬現實產品開發流程

開發古建類虛擬現實產品，并達到理想的使用效果，首先需要對古建筑的原始數據進行采集，分析其空間特點、文化特點、建筑特點。獲取這些信息后，控制其主要的空間效果和建筑構成，之后通過計算機進行數字還原，具體開發流程如圖1所示，主要分為以下幾個步驟。

3.1 確定開發對象，制定制作計劃

不同的開發對象具有不同的側重點，園林類古建側重于空間環境的營造；宮殿類建筑側重于建筑空間布局與氣氛；單體類建筑則側重于建筑構造組成與細節，需要根據這些開發對象的不同進行產品設計并制定相應的計劃。

3.2 總平面勘測

確定開發對象后需要對總平面進行勘測，主要通過現場調研、文獻查閱等技術手段采集相關信息，將建筑、場地、植物的具體信息進行收集，整理成總圖數據資料。在此階段需要重點勘測地形，記錄建筑的位置與總體尺寸，并注意采集總圖中的紋理信息、植被信息等，使整個空間場景形成清晰完整的數據資料。

3.3 單體測繪

總圖信息采集完成后，開始對單體建筑進行測繪，單體測繪需要測量建筑的平面、立面以及剖面，并且需要對建筑的構件進行詳細的測量，尤其需要注意構件上的彩繪及雕刻，這主要是由于單體類產品將以虛擬拆裝組合作為產品的核心功能，所以需要盡可能的獲取細致的構件信息。

3.4 計算機建模

將上一階段收集整理完成的數據資料輸入計算機，形成計算機可以識別的信息，然后使用計算機建模系統將構件、建筑、場地、植被等轉化成為三維的計算機模型，為虛擬仿真構建數字基礎。

3.5 導入虛擬現實軟件

綜合三維信息模型，同時參考根據開發對象的不同對每個文件進行分析、研究、調試、整理，最后完成整個古建產品的虛擬三維場景再現，把制作好的文件信息導入虛擬現實軟件進行整合、調整、修改，使其盡量達到再現古建筑真實效果的程度。

3.6 信息交互反饋，完成產品開發

將完成的信息模型導入交互系統，通過外界的信息輸入與操作，實現人機交互和信息反饋，最終實現完美的仿真效果，再現古建筑的真實風采，完成古建筑虛擬現實產品的開發。

4 虛擬現實產品案例開發及在教學中的應用

4.1 案例的選擇

本次開發案例選擇保定市古蓮花池作為研究對象，以驗證前期研究成果。古蓮花池為歷史上的“十大名園”之一，在中國園林歷史發展過程中具有重要歷史意義，且具有極大的歷史與文化價值。

保定古蓮花池具有獨特的北方園林空間，與南方園林的曲徑通幽不同，其空間更注重地形的利用和開闊景觀的營造，因此具有獨特的歷史文化價值。園林在景觀布置時結合地形巧妙的設置亭、臺、樓、閣，有“小西湖”之稱[5]。目前園內尚存藻泳樓、寒綠軒、君子長生館等古建筑。由于經過歷史上的多次破壞與損毀，而且地處與保定市裕華路商業街，周邊商業氛圍濃厚，已經完全沒有古代時候的空間環境。且由于場地、建筑的變遷與破壞，最初建造時候的意境已經消失殆盡，乾隆時期的“蓮池十二景”也已經殘缺不全。由于其重要的文化價值和在園林史中的地位，需要將其開發為虛擬現實產品，展示其重要文化內涵，挖掘其歷史文化價值。

4.2 虛擬現實產品開發過程

首先，根據開發要求，對古蓮花池周邊環境地形地貌等進行考察，采用圖像拍攝，實地勘察的調研方法，對現存古建、道路、景觀等進行測繪。通過這些進行分析和比對，對當時園林內的情況進行細致的分析與處理。結合歷史資料中的建筑形制，建筑規模，建筑位置，園林平面等具體信息，對要開發的虛擬現實產品的地形、河岸、建筑、景觀小品、山石、植物進行空間整體布局分析。

接下來，進行數據信息的錄入及幾何模型的創建。利用AutoCAD等計算機輔助設計軟件進行平面的分布數據整理，把各個位置的建筑場景信息繪制在電子圖紙上。再運用3Dmax等三維建模軟件進行建筑、地形、河岸、池塘、植物的模型制作，將采集的真實紋理還原到模型上。在模型建立過程中要注意模型的精簡和面域的合并，盡可能的減少模型數據信息，以便提高計算機數據處理速度，高速還原場景。隨后，在三維建模軟件中進行烘焙處理，將紋理和光影信息賦予到模型上，導入虛擬漫游處理軟件，進行空間分析和調試，創建和還原真實場景，如圖2所示。

圖2 古蓮花池虛擬全景

最后，進行綜合調整，實現古蓮花池的虛擬漫游，通過外部輸入信息，計算機發生反饋，逐步調試，試驗，最終實現了古蓮花池的建筑復原及虛擬漫游產品的開發。

4.3 在教學中的應用

將開發出的古蓮花池虛擬漫游系統在建筑學專業的建筑設計及建筑歷史課程中進行應用，學生在課堂上可以使用這個虛擬現實產品，在虛擬場景里進行自由學習。通過在虛擬的場景里的學習，學生能夠更好地把握古園林的空間意境，更深入的了解古建筑的構造細節，實現了良好的教學效果。

5 結語

中國的古建筑記錄著歷史發展的滄桑歲月，承載著中華的文明，具有極高的歷史價值、藝術價值和科研價值，體現了歷史的變遷、興衰、演化，也體現了人類文化的進化脈絡。通過虛擬現實技術對古代建筑進行產品開發，能夠讓這些人類文化發展的產物生動的呈現在我們面前，更好的來延續中華民族的文明。