廣西少數民族建筑文物虛擬仿真系統關鍵技術研究

黃麗達 甘廣欣 馮文苑 魏源良

摘要

以廣西少數民族建筑文物數字化保護為目的，對一個基于網絡接口的建筑虛擬仿真展示系統進行關鍵技術論述，研究系統的體系架構、人機交互模塊設計和功能實現，從而使得用戶通過網絡接入系統，并通過Web端瀏覽場景，使用鼠標或佩戴虛擬現實眼鏡和手柄在建筑虛擬場景中進行交互控制，瀏覽和信息查看。

【關鍵詞】虛擬仿真 人機交互 廣西少數民族 建筑文物

廣西具有我國較大規模的少數民族建筑文物群，例如侗族風雨橋、苗族吊腳樓、瑤族谷倉、壯族木樓等，其中多數是我國的寶貴物質遺產和非物質遺產的載體。隨著“一帶一路”沿線文化遺產保護的推進，推廣和宣傳民族核心文化是提升文化軟實力的重要舉措，因而利用虛擬仿真技術對侗族建筑實施數字化構建和保護具有很高的現實意義和技術價值。虛擬仿真，又稱為虛擬現實，是集計算機圖形學、仿真技術、模式識別技術、三維技術等的交叉學科。隨著計算機圖形技術和硬件設備的發展，人們可以通過視覺、觸覺、嗅覺等多維感官實時感受計算機合成的虛擬環境。虛擬仿真系統具有三個與傳統計算機圖形圖像的顯著區別：交互性、實時性、沉浸感。虛擬仿真系統能夠融入侗族建筑的木構特點和營造技藝，通過網絡或可執行文件使用戶獲得身臨其境的建筑場景展示。

在少數民族建筑的數字化圖像研究中，有學者以侗族建筑為代表對建筑虛擬仿真開展了部分預研究。桂林電子科技大學針對侗族村寨三維虛擬模型構建與展示提出了應用構想和文獻探討，但是僅局限于對侗族建筑模型特點和3DSMAX、Maya及AutoCAD等三維建模軟件應用進行理論論述，并未對虛擬現實和人機交互技術開展深度研究和技術實現。貴州民族大學分析了少數民族建筑三維數字模型的構建方法，以一個侗族建筑具體案例詳述了三維數字模型的制作過程，對前者的三維建模理論論述進行了實踐論證和文獻補充，然而，虛擬仿真人機交互的技術特點仍未得到探索應用。

虛擬仿真系統基于圖像實時渲染、人機交互、網絡兼容等特性以及目前的硬件技術水平，其技術與單純的三維數字化建模有著顯著區別。因此，有必要以廣西少數民族建筑文物為研究對象，深入全面地開展虛擬仿真應用研究，完善少數民族的虛擬仿真保護技術。針對上述研究現狀，本文以一侗族建筑文物為例，著重討論以下兩個關鍵問題，一是建筑虛擬仿真系統的交互設計，二是三維建筑模型基于Web端訪問實現場景漫游和人機交互的模塊開發。

1 系統交互設計

1.1 系統架構

從應用效果來看，與傳統的三維數字化展示相比，人機交互虛擬仿真的區別在于：能夠在互聯網上實現遠程虛擬展示；同時用戶能夠通過虛擬現實視野對場景進行沉浸式漫游、視野縮放和信息查看等交互控制。通過以上兩點實現系統的實時展示、交互和沉浸感。系統具體架構為：數據庫——服務器——瀏覽器。系統從底層至頂層架構總體分為三個執行層：數據庫服務層、應用服務層、用戶界面層。數據庫由建筑三維模型和與之對應的屬性數據構成，用于實現系統的數據存取和調用，虛擬仿真數據庫要求三維建筑場景模型簡單，信息數據量盡可能壓縮，減小對網絡帶寬的占用，確保實時渲染交互解析快速；服務器實現系統的人機交互功能，是提供Web服務、完成用戶請求和場景文件檢測描述的中轉站；Web瀏覽器面向用戶，為網絡終端的用戶提供遠程數據訪問和交互控制，實現網頁形式的少數民族建筑文物數字化資源共享。

1.2 交互模塊

人機交互是虛擬仿真系統的關鍵技術，交互功能是實現場景漫游、選擇操縱、建筑數據訪問的方式。本文系統的交互模塊基于Unity3D平臺進行腳本開發。將完成的三維建筑模型以.FBX文件格式導入Unity3D項目文件中，實現三維全景的虛擬侗族建筑案例展示和場景漫游。接著，系統采用Java Script和Unity3D的GUI界面完成Web端的相關行為，搭建交互功能，增強用戶體驗感。

系統的交互模式被分為兩種，一種為動態漫游模式，另一種為查詢模式。動態漫游模式也是默認模式，包括用戶以第一視野對場景的縮放、移動、旋轉及點擊查看窗口。基于鼠標或游戲手柄拖動、鍵盤控制觸發交互，設置實時渲染和交互控制腳本的邏輯，提高對三維建筑場景的控制觸發精確度，避免系統場景延遲。

2 結果與分析

在上述核心交互模塊之上，本文進一步完成了整個虛擬仿真系統，在試行中取得了良好的交互體驗。圖3展示的是3D模式下用戶利用Web端瀏覽器進行虛擬漫游的界面。界面的主菜單欄提供了主界面、選擇場景、查詢關鍵字三個選項，分別滿足用戶采用動態漫游模式或查詢模式進行漫游交互。界面右側具有地圖導航、語音介紹開關及VR模式開關。當佩戴VR眼鏡進行觀看時，則開啟VR模式進入全息場景。Web環境下的VR模式有利于移動端用戶使用和多平臺推廣。

3結論

本文針對廣西少數民族建筑文物保護，提出了一種基于Web端的虛擬仿真人機交互系統，并提出了系統的交互設計方案和人機交互模塊涉及的關鍵問題技術。以一少數民族建筑文物為例，在Web環境中實現了三維建筑虛擬仿真系統漫游和交互。該系統的應用能夠為文物保護者和游覽者還原建筑文物場景和屬性信息，使廣西少數民族文物保護提升至數字化保護，具有良好的展示效果和應用價值。

參考文獻

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