泉州古刺桐港虛擬漫游系統(tǒng)

鄭小武 王榮海 范燁 莊樹涌 李錦程 陳明玉

摘 ?要：泉州古刺桐港是古代海上絲綢之路的起點(diǎn)。以古刺桐港的遺址為參照創(chuàng)建古刺桐港虛擬場(chǎng)景。通過研究泉州古民居特點(diǎn)，并進(jìn)行實(shí)地考察，選取典型古民居進(jìn)行三維建模，作為古刺桐港虛擬場(chǎng)景周邊的建筑。考察泉州海外交通史博物館中已出土的宋代古船，參照陳列的復(fù)原古船模型，對(duì)宋代古船進(jìn)行三維建模。在Unity3D中整合古刺桐港虛擬場(chǎng)景、古民居三維模型、古船模型及其他元素，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔HTC VIVE，實(shí)現(xiàn)古刺桐港沉浸式虛擬漫游系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明古刺桐港虛擬漫游系統(tǒng)運(yùn)行流暢，沉浸感強(qiáng)，為海絲文化遺產(chǎn)的傳承與保護(hù)提供了一種新的形式。

關(guān)鍵詞：古刺桐港;虛擬場(chǎng)景;泉州古民居;宋代古船;虛擬漫游

中圖分類號(hào)：TP391.9 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Ancient Zayton Harbor in Quanzhou was the starting point of the ancient Maritime Silk Road. With reference to this site， a virtual scene of Ancient Zayton Harbor is created. The typical ancient dwellings are selected for 3D modeling as the buildings around the virtual scene of Ancient Zayton Harbor， through studying the characteristics of the ancient dwellings and carrying out fieldwork in Quanzhou. And a 3D modeling of the ancient ship of the Song Dynasty is constructed based on the restored ship model displayed in the Quanzhou Maritime Museum. Thus， the virtual scene of Ancient Zayton Harbor， the ancient dwellings 3D models， the ancient ship models and other elements are integrated with virtual reality headset HTC VIVE in Unity3D， to achieve the immersive virtual roaming system of Ancient Zayton Harbor. The result of the experiment shows that the virtual roaming system runs smoothly and immersively， providing a new form of inheritance and protection of the Maritime Silk cultural heritage.

Keywords： Ancient Zayton Harbor; virtual scene; the ancient dwellings in Quanzhou; the ancient ship of the Song dynasty; virtual Roaming

1 ? 引言（Introduction）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為文化遺產(chǎn)的傳承與保護(hù)提供了一種新的形式。三維建模及創(chuàng)新的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)工具的使用可以進(jìn)一步促進(jìn)人們以更有吸引力和創(chuàng)新的方式獲取文化遺產(chǎn)[1]。有研究表明，特定的年齡段和背景的人特別喜歡用虛擬現(xiàn)實(shí)來(lái)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)文化遺產(chǎn)[2]。Madison Kramert等對(duì)19世紀(jì)流行的美式第二帝國(guó)風(fēng)格的標(biāo)志性建筑物進(jìn)行三維建模并對(duì)模型進(jìn)行逼真的3D打印[3]。Debailleux L等實(shí)現(xiàn)了歐洲文化之都比利時(shí)蒙斯市主廣場(chǎng)的虛擬漫游系統(tǒng)并對(duì)虛擬漫游的效果進(jìn)行評(píng)估[4]。早在2006年，清華大學(xué)對(duì)圓明園的部分建筑進(jìn)行了虛擬重建并實(shí)現(xiàn)虛擬漫游[5]，是國(guó)內(nèi)進(jìn)行文化遺產(chǎn)數(shù)字化的較早嘗試。張洪吉等利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)四川樂山文廟大成殿進(jìn)行三維數(shù)字化[6]。方建平等創(chuàng)建了浙江省蛇蟠島野人洞景區(qū)“洞房花燭夜”古洞室的三維虛擬場(chǎng)景[7]。高超等基于多源數(shù)據(jù)對(duì)山西海會(huì)寺宋塔進(jìn)行三維精細(xì)化建模[8]。

泉州是“海上絲綢之路”的起點(diǎn)城市[9]。泉州港被海內(nèi)外稱之為“刺桐港”，刺桐港與“海上絲綢之路”共同走過千年的興衰歷程，在元代，刺桐港成為我國(guó)最大的貿(mào)易港，被海內(nèi)外稱為“東方第一大港”[10]。對(duì)泉州古刺桐港的數(shù)字化保護(hù)對(duì)文化遺產(chǎn)的傳承與保護(hù)具有重要的意義，本文嘗試創(chuàng)建古刺桐港的虛擬場(chǎng)景并實(shí)現(xiàn)沉浸式虛擬漫游。

2 ?古刺桐港虛擬場(chǎng)景創(chuàng)建 （The construction of the virtual scene of Ancient Zayton Harbor）

古刺桐港虛擬場(chǎng)景包括港口的地形，周邊的花草、樹木、建筑物、海水及古船等。

2.1 ? 地形創(chuàng)建

泉州古刺桐港的遺址之一是目前的泉州后渚港，虛擬場(chǎng)景的地形以目前泉州后渚港為基礎(chǔ)創(chuàng)建。通過在谷歌地球下載后渚港及周邊地形圖對(duì)應(yīng)的.tiff格式的高程圖，使用Global Mapper打開高程圖文件，取消地形的梯度渲染，把地形圖轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D，導(dǎo)出為.jpg格式，利用PhotoShop打開灰度圖，調(diào)整灰度圖的大小，導(dǎo)出為.raw格式，導(dǎo)入到Unity，在Unity中適當(dāng)抬高和降低一部分地形的高度，并且添加地形貼圖、樹木和草等素材，海水使用Unity標(biāo)準(zhǔn)資源素材中的Water4Advanced水流系統(tǒng)，作為場(chǎng)景進(jìn)一步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。圖1是在上述場(chǎng)景的基礎(chǔ)上添加了港口周邊建筑及古船的虛擬場(chǎng)景。

2.2 ? 古民居三維建模

泉州的古建筑特色分明，比較鮮明的特性有皇宮起、洋樓、燕尾脊、出磚入石等。本項(xiàng)目選擇典型的泉州古民居使用3ds Max進(jìn)行三維建模，作為古刺桐港虛擬漫游場(chǎng)景中港口周邊的建筑，在古民居三維建模過程中采用如下步驟：

（1）進(jìn)行實(shí)地考察，現(xiàn)場(chǎng)從各個(gè)方位拍攝古民居的照片，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量。

（2）分別制作各個(gè)方向的墻壁，包括背面墻、側(cè)面墻及正面墻等。

（3）制作屋檐，屋檐包括橫梁、柱子、支架、文字等。

（4）制作屋頂，在屋頂制作的過程中還包括燕尾脊的制作。

（5）在制作古民居各部分模型時(shí)同時(shí)進(jìn)行上色，最后整合各部分模型。

在3ds Max中把設(shè)計(jì)完成的古民居三維模型導(dǎo)出.fbx格式文件，再導(dǎo)入U(xiǎn)nity場(chǎng)景，在Unity場(chǎng)景中如圖2所示。

2.3 ? 宋代古船三維建模

1973年，在泉州后渚港發(fā)現(xiàn)泉州宋代古船，該古船被發(fā)掘重新拼裝后，陳列于泉州開元寺的泉州海外交通史博物館[11]。在博物館中還陳列了根據(jù)該古船復(fù)原的等比例縮小的實(shí)物模型，圖3為到博物館拍攝的實(shí)物模型照片，本項(xiàng)目參考該實(shí)物模型使用3ds Max對(duì)宋代古船進(jìn)行三維建模。

宋代古船的建模主要分為船身、樓梯及船帆三部分，各部分建模思路如下。

（1）船身建模。使用3ds Max中的線、點(diǎn)、殼等工具及連接、拉伸等操作，制作出船身的框架，不斷調(diào)整盡可能的接近實(shí)物模型。使用類似的工具和操作，制作出船上的東西，將二者結(jié)合，形成船身。

（2）樓梯建模。使用3ds Max的長(zhǎng)方體工具，對(duì)其進(jìn)行拉伸、復(fù)制及調(diào)整等操作，形成船上的樓梯。

（3）船帆建模。使用3ds Max的線、點(diǎn)、殼等工具，并進(jìn)行調(diào)整，形成船帆。

除了主要部分外，再對(duì)欄桿、擺件等進(jìn)行建模，最后組合成古船的三維模型，再導(dǎo)出.fbx格式文件，導(dǎo)入U(xiǎn)nity場(chǎng)景中并進(jìn)行貼圖，如圖4所示。

3 ? 虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（Design and realization of virtual roaming system）

3.1 ? 虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可用兩種方式使用VR設(shè)備進(jìn)行漫游。

（1）自動(dòng)漫游。體驗(yàn)者戴上HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，根據(jù)預(yù)先確定好的漫游路線對(duì)古刺桐港及周邊環(huán)境、宋代古船進(jìn)行游覽，類似于看電影的方式。

（2自主漫游。體驗(yàn)者戴上HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，使用操作手柄控制漫游路線，使用操作手柄的傳送功能漫游港口及周邊環(huán)境，并登上古船，對(duì)古船的各組成部分進(jìn)行沉浸式的漫游。

虛擬漫游系統(tǒng)中體驗(yàn)者的狀態(tài)圖如圖5所示。

根據(jù)狀態(tài)圖及HTC VIVE設(shè)備提供的功能，設(shè)計(jì)體驗(yàn)者虛擬漫游的過程如下：

（1）啟動(dòng)虛擬漫游系統(tǒng)，進(jìn)入系統(tǒng)主界面，等待體驗(yàn)者進(jìn)行操作。

（2）體驗(yàn)者扣動(dòng)HTC VIVE的扳機(jī)鍵（Trigger Button）點(diǎn)擊界面中的“開始漫游”，進(jìn)入“自主漫游”狀態(tài)，在“自主漫游”狀態(tài)，體驗(yàn)者通過戴著頭盔在HTC VIVE的作用范圍內(nèi)走動(dòng)進(jìn)行虛擬漫游，當(dāng)虛擬場(chǎng)景中出現(xiàn)傳送點(diǎn)時(shí)，可通過長(zhǎng)按觸控板（Touchpad）跳轉(zhuǎn)場(chǎng)景位置。

（3）體驗(yàn)者在自主漫游過程中，通過拾取HTC VIVE的左手手柄控制器可進(jìn)入顯示操作菜單狀態(tài)。在操作菜單顯示狀態(tài)下，移動(dòng)手柄至某一菜單項(xiàng)并且扣動(dòng)扳機(jī)鍵可以激活菜單項(xiàng)對(duì)應(yīng)功能。選擇界面中的“返回首頁(yè)”，將回到系統(tǒng)主界面;選擇界面中的“開始自動(dòng)漫游”，將按照預(yù)先設(shè)定的固定路線進(jìn)行自動(dòng)漫游;選擇界面中的“上船漫游”，將進(jìn)入宋代古船進(jìn)行漫游，在古船的各個(gè)部分設(shè)置了傳送點(diǎn)，通過長(zhǎng)按觸控板在古船的各個(gè)部分進(jìn)行切換，也可以移動(dòng)身體站到船邊觀察海面場(chǎng)景。在“自動(dòng)漫游”與“漫游古船”狀態(tài)，可通過拾取左手手柄進(jìn)入顯示操作菜單狀態(tài)。

3.2 ? 虛擬漫游系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

虛擬漫游系統(tǒng)使用Unity3D結(jié)合HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔實(shí)現(xiàn)，要點(diǎn)如下：

（1）設(shè)置開發(fā)環(huán)境。安裝、連接HTC VIVE硬件設(shè)備及相應(yīng)的軟件，安裝Steam VR，Unity版本使用Unity2017.3.1f1。

（2）在Unity中設(shè)計(jì)場(chǎng)景及實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)虛擬漫游系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)了若干個(gè)場(chǎng)景，如表1所示，在Unity中通過using UnityEngine.SceneManagement加載場(chǎng)景管理相關(guān)的命名空間，在C#代碼中通過調(diào)用SceneManager類的LoadScene方法實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的跳轉(zhuǎn)，例如代碼“SceneManager.LoadScene（"boat"）;”實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)到漫游古船主場(chǎng)景。

（3）在Unity中導(dǎo)入SteamVR Plugin插件，實(shí)現(xiàn)對(duì)HTC VIVE中手柄控制器與UI元素的交互及傳送功能。

（4）通過Unity的發(fā)布功能導(dǎo)出可在各種平臺(tái)上運(yùn)行的可執(zhí)行文件，本項(xiàng)目導(dǎo)出在Windows操作系統(tǒng)中運(yùn)行的.Exe可執(zhí)行文件及相關(guān)的支持文件。為了提高虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔渲染速度、減少場(chǎng)景卡頓，在導(dǎo)出可執(zhí)行文件前使用Polygon Cruncher減面工具對(duì)古民居三維模型進(jìn)行減面優(yōu)化處理。

4 ? 系統(tǒng)運(yùn)行效果（Effect of system execution）

古刺桐港虛擬漫游系統(tǒng)在處理器為Intel Xeon E5-1630v4 3.7 10M 2400 4C，內(nèi)存為64GB DDR4-2400 RegRAM，顯卡為NVIDIA Quadro M2000 4GB 1st GFX，操作系統(tǒng)為Windows10 Pro 64位版本，并且連接HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔的圖形工作站上運(yùn)行。

圖6為體驗(yàn)者配戴HTC VIVE進(jìn)行漫游體驗(yàn)。圖7為自主漫游時(shí)港口及周邊環(huán)境的場(chǎng)景。圖8為在古船上漫游的場(chǎng)景，場(chǎng)景中有若干傳送點(diǎn)，當(dāng)手柄指向傳送點(diǎn)后，通過長(zhǎng)按觸控板可以跳轉(zhuǎn)到古船的相應(yīng)部分。

5 ? 結(jié)論（Conclusion）

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)消費(fèi)級(jí)設(shè)備的逐步普及，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文以“海上絲綢之路”的起點(diǎn)泉州古刺桐港為虛擬漫游的研究對(duì)象，構(gòu)建了沉浸式的虛擬漫游系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明體驗(yàn)者在使用虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔HTC VIVE體驗(yàn)古刺桐港虛擬漫游系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行流暢，沉浸感強(qiáng)，為海絲文化遺產(chǎn)的傳承與保護(hù)提供了一種新的形式。后續(xù)將進(jìn)一步完善虛擬漫游系統(tǒng)的功能，提供體驗(yàn)者更豐富的內(nèi)容，并以更多的交互方式體驗(yàn)古刺桐港的風(fēng)采。

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作者簡(jiǎn)介：

鄭小武（1995-），男，本科生.研究領(lǐng)域：虛擬現(xiàn)實(shí).

王榮海（1972-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：虛擬現(xiàn)實(shí)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，軟件工程.本文通訊作者.

范 ? 燁（1996-），男，本科生.研究領(lǐng)域：虛擬現(xiàn)實(shí).

莊樹涌（1997-），男，本科生.研究領(lǐng)域：虛擬現(xiàn)實(shí).

李錦程（1997-），男，本科生.研究領(lǐng)域：虛擬現(xiàn)實(shí).

陳明玉（1963-），男，本科，教授.研究領(lǐng)域：微分方程理論與應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí).