嘉興子城遺址公園VR交互式系統設計與實現

趙健 蔣麗霞 隋龍飛

收稿日期：2023-08-29

基金項目：2021年嘉興職業技術學院科研項目（jzyx201910）；2022年浙江省詩路文化帶專項資金項目（21408010022）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.030

摘? 要：針對嘉興子城遺址公園的歷史文化地位，提出以VR技術對景區進行虛擬仿真數字化呈現的方法。基于Unity3D游戲引擎設計了一套VR交互式系統，采用3Ds Max對景區主體建筑進行三維建模并通過減面插件及相關命令優化模型，采用Unity3D進行模型導入、UI設計、場景環境設置，利用C#腳本代碼實現交互設計。系統對子城遺址公園全貌進行實景化還原，并能實現漫游、文物介紹、互動游戲等功能，對提供教育科普與學習機會、推動旅游與文化交流、傳承和弘揚歷史文化具有積極意義。

關鍵詞：子城遺址；VR；Unity3D；交互

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）06-0140-05

Design and Implementation of VR Interactive System for Jiaxing Zicheng Ruins Park

ZHAO Jian1， JIANG Lixia2， SUI Longfei1

（1.School of Internet， Jiaxing Vocational and Technical College， Jiaxing? 314036， China;

2.School of Culture and Tourism， Jiaxing Vocational and Technical College， Jiaxing? 314036， China）

Abstract： In response to the historical and cultural status of Jiaxing Zicheng Ruins Park， a virtual simulation digital presentation method for scenic spots using VR technology is proposed. Based on the Unity3D game engine， a VR interactive system is designed. The 3Ds Max is used to model the main building of the scenic spots and optimize the model through the surface reduction plug-in and related commands. Unity3D is used for model import， UI design， scene environment setting， and C # script code is used to realize interactive design. The system provides a realistic restoration of the entire landscape of the Zicheng Ruins Park， and it can achieve functions such as roaming， introducing cultural relics， and interactive games. It has a positive significance in providing education， science popularization and learning opportunities， promoting tourism and cultural exchange， and inheriting and promoting historical and cultural heritage.

Keywords： Zicheng ruins; VR; Unity3D; interaction

0? 引? 言

嘉興子城遺址公園位于中國浙江省嘉興市，是一處具有豐富歷史文化底蘊的博物館式公園。該遺址公園是以南宋時期（公元1127—1279年）的重要軍事要塞和商貿中心——嘉興子城遺址為核心，通過保護、修復和展示，向人們呈現了一個古老城市的建筑風貌和歷史變遷。遺址公園占地30余萬平方米，其中包括子城城墻、街道、民居、官署、廟宇等建筑遺址[1]。園內現代化的建筑與古老的文化遺址相得益彰，成為嘉興歷史文化旅游的重要景點之一，游客們在這里能夠領略到豐富的歷史文化內涵，感受到嘉興這座城市悠久而獨特的歷史傳承。

利用虛擬現實（Virtual Reality， VR）技術實現對人文歷史和自然地理遺產的還原、保護和開發，在國內外都得到了廣泛的認同[2]，也為文化旅游等傳統產業注入了生機。利用VR開發數字文旅項目，通過科技手段讓游客置身其中，超脫時空限制，體會虛擬現實的神秘感與科技感，既能保護文物，又有身臨其境的體驗機會。在VR項目的設計中，深度挖掘景點歷史背景和文化內涵，讓游客在深入的體驗與互動中，深刻了解景點文化，提升景點的社會價值，不僅有利于刺激旅游需求和旅游消費，還有利于提高中華民族的文化自覺和文化自信，進而激發人們對文化的熱愛和保護傳統的觀念。

1? 嘉興子城遺址公園VR交互式系統設計

系統在文獻分析與實地考察、搜集資料的基礎上，利用子城遺址公園現有信息，深入研究子城遺址人文歷史、風俗文化、傳奇故事，遵循歷史，尊重文化，為嘉興子城遺址公園VR系統設計主要功能、展示內容與交互效果等，包括子城場景漫游、文物發掘、歷史典故情景還原，以及與子城歷史文化知識緊密相關的答題、復原文物、拼圖等互動游戲，系統功能結構如圖1所示。

2? 系統開發與實現

2.1? 開發工具

系統采用具有跨多種平臺優勢的引擎Unity3D進行開發。這是一款跨平臺的游戲開發引擎，廣泛應用于游戲制作、虛擬現實（VR）、增強現實（AR）以及其他交互性應用程序的開發。它提供了先進的圖形引擎及直觀易用的開發界面和編輯器，支持腳本編寫，擁有豐富的資源庫和插件生態系統，開發者能夠創建出高質量、逼真的游戲畫面，輕松創建場景、添加對象、配置材質等，使用C#、JavaScript、Boo等編程語言來實現游戲邏輯，下載和集成各種模型、貼圖、音頻、特效等資源來豐富游戲內容，也可使用插件來擴展引擎的功能[3]。

各類模型采用由Autodesk公司開發的三維計算機圖形軟件3Ds Max進行創建，這是一款功能強大的專業級三維建模、動畫和渲染軟件，可以簡潔高效地創建各類模型，通過渲染營造逼真的效果，廣泛應用于電影、電視、游戲、建筑和設計等行業[4]。

交互開發采用C#語言實現。這是一種通用、面向對象的編程語言，由微軟公司開發。它是基于C和C++語言的語法結構，并融入了Java和其他編程語言的一些特性，具有簡單易學、強大的框架支持和跨平臺能力，系統設計框架如圖2所示。

2.2? 三維模型創建

本系統三維建模對象主要是子城中的建筑，包括秀洲古治牌坊、譙樓、端本堂、花月亭等。在建模前，項目組多次到子城遺址公園進行實地考察，對子城全貌及公園內各個建筑進多角度的拍攝，以了解建筑物結構細節并為貼圖做準備。每個物體都具有傳統的中國建筑風格，注重對稱美和整體布局的和諧，建筑物的屋頂都采用曲線狀的重檐歇山式屋頂，并采用雕花窗欞等雕刻元素來豐富建筑物的外觀。在3Ds Max中，使用基礎幾何體工具（如盒子、圓柱、圓錐等）來創建古建筑的基本形狀。根據參考資料，逐步建立建筑物的整體結構。使用編輯多邊形工具，對建筑物進行細節的塑造和調整，例如，通過添加分割線、擠出、倒角等操作，來創造出窗戶、門、屋頂和裝飾等細節部分，如圖3所示。

在建模的基礎上，利用Photoshop將實地拍攝的照片及網絡圖片進行修改，對模型進行貼圖，以增加建筑物的真實感和質感，如圖4所示。

圖3? 秀洲古治牌坊和花月亭模型

2.3? 系統模型優化

由于系統資源有限，在建模完成后需要通過多種方式對模型進行優化，原因有以下幾點：一是提高性能，優化模型可以降低程序的運行負載，提高性能。在三維場景中，復雜的模型會占用更多的計算資源，例如處理、渲染和動畫播放等。通過優化模型，減少多邊形數量和紋理大小等操作，可以降低程序的運行時消耗，提高幀率和響應速度。二是節省內存，優化模型可以減少模型所需的內存空間。高多邊形數量和大尺寸紋理會占用大量內存，特別是在同時加載多個模型的情況下。通過減少模型的多邊形數量、合并網格和簡化紋理等操作，可以顯著降低內存使用量。三是加快渲染速度，優化模型可以減少渲染所需的時間。渲染引擎需要處理和繪制模型的多邊形、紋理、光照等信息，復雜的模型會增加渲染時間。通過減少多邊形數量、簡化紋理和刪除隱藏物體等操作，可以加快渲染速度，提高效率。四是便于導出和分享，優化模型可以減少模型文件的大小，使其更易于導出和分享。尤其是在需要將模型用于游戲、虛擬現實或在線平臺時，較小的文件大小可以減少加載時間，提高用戶體驗[5]。

本項目的模型優化采用以下步驟：使用3Ds Max的減面插件Polygon Cruncher將模型中不必要的細節減少，特別是隱藏在視覺上不明顯的部分。通過減少多邊形數量來降低模型的復雜度，提高程序的性能[6]。使用3Ds Max的ProOptimizer和Attach命令來合并模型中重疊的網格或相同材質的部分，減少繪制調用和渲染負擔。太高的紋理分辨率會增加內存和渲染開銷，影響程序性能，因此可以優化模型的紋理貼圖，使其分辨率適合實際需求。檢查并刪除模型中隱藏、遮擋或不可見的物體。這些物體雖然不會直接顯示在場景中，但仍會占用計算資源。同時使用LOD技術為模型創建不同層次的細節模型，根據物體離相機的距離動態地切換模型細節級別[7]。這樣可以在保持視覺質量的同時，降低模型復雜度和渲染開銷。

2.4? Unity3D設計與實現

2.4.1? 模型導入

將模型導入Unity3D之前須將模型在3Ds Max中導出為FBX格式，因為此格式在3Ds Max和Unity3D之間具有更好的兼容性和功能支持。3Ds Max和Unity3D使用不同的坐標系統和軸向約定，因此在導出模型之前，要正確調整模型的比例和坐標系統，以便在Unity3D中保持正確的尺寸和方向。

2.4.2? UI設計

系統UI以古風作為整體風格，視覺效果自然流暢，簡單統一，根據實景進行色彩搭配，以期真實還原子城遺址風貌，給用戶最佳的體驗。啟動界面以水墨畫為主體，體現煙雨江南的朦朧美，同時融入古建及草木元素，并為背景設置動態效果，為整體界面增加靈動感，如圖5所示。

圖5? 啟動界面

交互界面依然延續古典風格，將祥云、如意、印章元素融入邊框及按鈕等對象，在填色時做出斑駁的效果，體現子城遺址的年代感，如圖6所示。

2.4.3? 環境設置

項目的環境設置包括場景構建、碰撞檢測、燈光設置等。利用Unity3D中的Terrain創建地形對象，通過高度工具提高或降低地形高度，利用平滑工具平滑地形表面，利用貼圖處理地面的磚石與草地效果。環境中的花草樹木通過Unity3D Asset Store資源網站下載現成的植物模型，將其導入到Unity3D中，并根據需求調整植物的形狀、細節和材質，同時使用Skybox來創建逼真的天空效果，如圖7所示。

圖6? 答題界面

圖7? 場景設置效果

為了確保體驗者能夠感受到漫游的樂趣，項目沒有設計指定的路線以及游玩順序，而是需要體驗者在場景中去自行探索，為避免體驗者在環境中丟失，項目通過碰撞檢測設置了空氣圍欄，確保體驗者不會走到外部空間中。

碰撞檢測是Unity3D中一個非常重要的功能，它用于檢測游戲對象之間的碰撞或觸發事件。當游戲對象之間發生碰撞時，可以定義相應的行為和反應，例如反彈、爆炸效果、傷害計算等。通過使用碰撞檢測，可以實現實時的交互效果，并根據碰撞發生的情況來改變游戲對象的狀態[8]。在一些情況下，并不需要物體之間發生實際的碰撞，而是希望在接觸或進入特定區域時觸發事件。使用觸發器組件，可以檢測到游戲對象與觸發器之間的接觸，并執行相應的代碼邏輯。這可以用于觸發劇情事件、收集物品、進入新場景等。通過進行碰撞檢測，可以避免游戲對象產生重疊或穿過其他物體的情況。這對于保持游戲世界的穩定性和合理性非常重要[9]。例如，阻止玩家角色穿墻、防止物品重疊等。

此外，還需要對對模型添加適當的光照效果，可以使物體表面產生陰影、高光和反射等效果，使場景看起來更加真實。合理的光照能夠提升項目的質感和視覺品質。同時，光照可以為場景增加深度和層次感。通過設置不同方向、強度和顏色的光源，可以模擬不同的光照條件，使物體之間產生明暗對比。這樣可以讓場景中的物體在視覺上更加立體感，并增加體驗者與場景的沉浸感。精心設置的光照可以增加應用的可視化效果，提升用戶體驗。當環境中的物體能夠根據光源的位置和屬性進行逼真的反射、投影和陰影時，體驗者將感受到更加真實和令人愉悅的視覺效果。良好的光照設計可以使游戲或應用更加吸引人，并增加與用戶的情感連接[10]，如圖8所示。

圖8? 光照效果

2.4.4? 交互功能實現

為便于在網絡傳播，本項目的交互設計通過鼠標和鍵盤完成。交互以漫游為基礎，添加文物挖掘、答題、拼圖等游戲增加趣味性。

1）環視的實現。項目利用C#語言編寫交互腳本，通過GetMouseButton方法獲取鼠標的按鍵動作，通過GetAxis方法獲取到鼠標的X軸移動，最后完成攝像頭的Y軸旋轉，讓體驗者能夠通過鼠標實現鏡頭的旋轉，關鍵代碼如圖9所示。

2）移動的實現。在項目開始運行的時候，體驗者位置在城門口，體驗者可以通過鍵盤上的wasd移動人物位置，通過GetKey方法可以獲取到鍵盤的操作，然后使用transform.Translate方法移動人物，移動速度通過Vector3.forward * m_speed * Time.deltaTime公式計算出人物移動的速度，關鍵代碼如圖10所示。

圖10? 移動的實現

3）對話框彈出的實現。在需要檢測碰撞的物體上添加Box Collider組件，如圖11所示。碰撞之后顯示出文本框，并且實現打字機效果，用來介紹這一物體的典故，關鍵代碼如圖12所示。并且使用協程，實現石獅子的延遲出現以及碎片的獲得，關鍵代碼如圖13所示。

圖11? 碰撞盒

圖12? 打字機效果關鍵代碼

圖13? 石獅重現及碎片效果關鍵代碼

3? 結? 論

系統利用3Ds Max進行主體建筑建模，結合Unity3D的虛擬場景創建和交互技術，對嘉興子城遺址公園進行全方位、立體化、數字化呈現，使景區具有更強的展示效果和視覺表現力，沉浸式的體驗方式讓人們打破時空障礙，更深入地了解和欣賞嘉興歷史文化遺產，對提供教育科普與學習機會、推動旅游與文化交流、傳承和弘揚歷史文化具有積極意義。

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[10] 張靈睿，程明智，岳學行，等.虛擬現實技術視域下投壺游戲交互體驗系統設計與實現[J].北京印刷學院學報，2022，30（11）：58-61.

作者簡介：趙健（1982—），女，漢族，浙江湖州人，講師，碩士，研究方向：虛擬現實應開發、Web前端開發；蔣麗霞（1978—），女，漢族，天津人，副教授，碩士，研究方向：非遺與文旅融合；隋龍飛（1992—），男，漢族，遼寧朝陽人，助教，碩士，研究方向：虛擬現實應用開發。