古遺跡三維數字化重建VR體驗系統的設計與實現＊

王夢杰，余日季

古遺跡三維數字化重建VR體驗系統的設計與實現＊

王夢杰，余日季

（湖北大學 藝術學院，湖北 武漢 430062）

虛擬現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狀從而引發對古遺跡保護的思考，結合當前的問題，利用虛擬現實技術開發出古遺跡三維數字化重建VR體驗系統，實現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地方歷史的窗口。但是古遺跡文化博物館硬件傳統，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虛擬體驗系統的設計與實現，最后通過未央宮三維數字化重建VR體驗系統的開發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 虛擬現實技術

虛擬現實（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境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環境，用戶借助必要的裝備與數字化環境中的對象進行交互、相互影響，可以產生親臨對應真實環境的感受和體驗。虛擬現實是人類在探索自然、認識自然過程中創造產生，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”到這個環境中，并使用操控環境，讓人變成該虛擬環境的主宰，從而實現自己所需的目的。虛擬現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境的模式，擴展了認知途徑和延伸領域。虛擬現實是人類科技發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實技術，其廣度和深度不可估量。

3 VR體驗系統總體設計

3.1 VR體驗系統架構設計

VR體驗系統需要三個模塊支撐，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lumion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實影像輸出設備，該系統可搭載HTCvive、PSVR等各種品牌的頭戴式顯示器。

VR體驗系統架構如圖1所示。古遺跡數字化內容有古遺跡三維環境建模、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古遺跡三維場景的沉浸式體驗。

圖1 VR體驗系統架構圖

3.2 系統關鍵技術

系統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、虛擬現實技術與網絡通信技術等信息科技迅猛發展的基礎上，將仿真技術與虛擬現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行走漫游，這是漫游系統中一項基礎的功能性技術[3]。

3.3 系統功能

系統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 開發流程

開發的流程由四部分組成，如圖2所示。

圖2 開發流程

3.4.1 系統框架設計

對整個系統的開發進行整體規劃，完成前期的策劃和準備工作。一個系統開發必須嚴格按照框架藍圖進行，保證開發的進度和質量。

3.4.2 歷史信息調研

虛擬現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、數字攝影測量系統、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虛擬仿真的第一步。

3.4.3 三維環境建模

一個完整的虛擬現實系統可以分解為視覺、聽覺、觸覺等子系統，三維虛擬環境模型的數字重建是實現虛擬現實的重中之重，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境導入腳步，編寫程序，使其實現交互功能，用戶能夠在虛擬現實當中進行射擊、敲編鐘、獲取各種器物知識等，用虛擬現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 系統實例應用

4.1 未央宮古遺跡現狀

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體驗系統開發

立項開始對未央宮三維數字化重建VR體驗系統進行系統框架設計，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體驗系統的設計與實現進行了系統論述，著重論述了系統設計的框架流程及未央宮數字化復原VR體驗系統的實例應用。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］張養安，李俊鋒，楊愛玲，等.基于3DMAX的虛擬現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、動畫與數字媒體創意設計、數字媒體技術與產業化應用、文化遺產數字化保護。

“十三五”國家重點研發計劃（編號：2016YFB1101702）

〔編輯：嚴麗琴〕