虛擬現實技術在傳統村落保護中應用的研究現狀和展望

李悅彤，溫萱，席瑞，李凱欣，薛夢琪

（河北農業大學，河北保定071000）

1 研究背景

近年來，我國發展越來越迅速，城市化水平也越來越高，對傳統村落的保護需求也越來越急迫。盡管近年來國家不斷加大針對傳統村落的保護力度，出臺了以“實施鄉村振興戰略”以及“傳承優秀傳統文化精神”為核心的諸多保護政策，先后公布了4153個國家級傳統村落，但相對于全國范圍內數以十萬計的傳統村落巨大基數來說，依然是杯水車薪。如何更高效率的保護傳統村落已成為亟待解決的難題。[1]

2 虛擬現實技術綜述

2.1 虛擬現實技術簡介

虛擬現實技術是一系列高新技術的匯集，是能建造一個精確反映現實的物理性質及動態行為的人造環境的技術。此項技術是通過計算機創建一種虛擬環境，利用人類的感官系統，讓人有一種身臨其境的感覺。在這個環境中，參與者可通過各種虛擬現實工具與環境進行實時地交流與聯系，從而更能體現虛擬環境的真實感。

2.2 虛擬現實技術發展歷程

虛擬現實技術演變發展史大體上可以分為四個階段：1963年以前，蘊涵虛擬現實技術思想的第一階段；1963年～1972年，虛擬現實技術的萌芽階段；1973年～1989年，虛擬現實技術概念和理論產生的初步階段；1990年至今，虛擬現實技術理論的完善和應用階段。[5]

第一階段:蘊涵虛擬現實技術思想的第一階段。虛擬現實技術和仿真技術是有關聯的，是對生物在大自然中的行為和感覺的一種模擬交互技術。風箏，是中國古代人試驗飛行器模型的最早發明，它是模擬飛行動物和人之間交流聯系的自然場景，風箏的形象、飛行的聲音以及空中飛行的軌跡是仿真技術在中國最早的應用。西方發明家Edwin A.Link根據中國古代風箏的原理發明了飛行模擬器，讓操作者能體會到真正乘坐飛機的感覺。1962年，Morton Heilig的“全傳感仿真器”的發明，是虛擬現實技術理論的前身，為虛擬現實技術理論提供了現實依據。這三個較典型的發明，都為虛擬現實技術理論提供了理論基礎，有較為突出的貢獻。[5]

第二階段:虛擬現實技術的萌芽階段。1968年美國計算機圖形學之父Ivan Sutherlan創造了虛擬現實技術發展史上一個重要的里程碑，它開發了第一個計算機圖形驅動的頭盔顯示器HMD及頭部位置跟蹤系統。此階段為虛擬現實技術的基本思想產生和理論發展開創了良好的開端，并且為虛擬現實技術的探索奠定了良好的基礎。[5]

第三階段:虛擬現實技術概念和理論產生的初步階段。這一時期出現了個比較典型的虛擬現實系統，分別是VIDEOPLA?CE與VIEW。[5]

第四階段:虛擬現實技術理論的完善和應用階段。這一階段是虛擬現實技術的理想應用性階段，在一些發達國家中及少數發展中國家中，此技術將普遍應用到科研、飛行、醫學、軍事等人類生活的各個方面中。[5]

3 傳統村落保護中虛擬現實技術的應用研究

3.1 研究現狀

3.1.1 基于SU和3DSMAX的傳統村落建筑數字化重建

這一過程是整個項目的關鍵所在。在進行三維建模之前，需對傳統村落進行數據信息采集工作，并且掌握精確的數據。為更好地展現傳統村落中重點建筑的整體風貌，需利用計算機3D軟件進行這種由二維的規劃向三維的研究分析的轉型。

如劉媛等以衡陽市中田村為例，使用ArcGIS CityEngine軟件開展傳統民居建筑群三維建模。結合項目的實際需要和傳統村落的實際狀況，選擇Sketch Up和3DSMAX進行三維模型建立。[2]

3.1.1.1 利用Sketch Up的傳統村落三維建模

Sketch Up建模速度快，對于測繪數據的精確度要求較低，但同時建模精確度也較低，表現力較差。故利用Sketch Up進行傳統村落建筑體量的表現以及位置關系的數字化重建工作。如段林峰等在贛縣白鷺傳統村落的保護工作中，利用Skecth Up對傳統村落中重點保護建筑進行了三維模型建立。[3]

3.1.1.2 利用3DSMAX的傳統村落三維建模

3DSMAX的建模速度慢，對于測繪數據的精確度要求較高，同時模型的精確度也更高，表現力更強。故利用3DSMAX來表現傳統村落的重要的位置、體量和建筑風貌。[6]

3.1.2 基于Lumion對傳統村落的混合現實平臺的搭建

初期的混合現實場景類似于goole地圖中的街景，為再處理的真實影像，經過特殊的技術和二維照片的變形來還原場景，這種方法效率較低、對硬件設備的要求較高，交互性也比較差。

3.2 虛擬現實技術在傳統村落保護中的優勢

3.2.1 保護成本低

培養人員學會測繪工具的使用，數據的錄入，3D模型的制作就可以開展工作，不像傳統村落保護技術對工作人員的要求精度之高，而且省去部分修補工作，節省大量資金。

3.2.2 多感官效果

用戶處在模擬環境中不僅可以看到3D展示效果，而且聽覺觸覺和嗅覺與視覺都是同步的，產生身臨其境的感覺，對于傳統習俗文化的傳承有重要意義。[4]

3.2.3 全方位立體化展示

利用虛擬現實技術可以模擬出幾乎與現實一樣的環境，在建筑物旁邊能看到什么，利用虛擬現實技術就可以還原出相似度極高的環境，使用戶可以從多個角度立體觀察建筑物和環境。

3.3 虛擬現實技術在傳統村落保護中存在的缺陷

虛擬現實技術雖適合應用于傳統村落保護，但仍存在很多問題。虛擬現實技術本身仍然存在著一些關鍵技術改善和突破的問題，主要可以概括為以下三點：1）大規模多目標準確及時定位。目前在已經走向人們生活的VR產品中，當數HTCVivePre的定位精確度最高，時間延遲最短。 2）感知的延伸。視覺是人體最重要、最繁雜、感受信息最多的傳感器。人類大部分的動作的進行都須要依托視覺，例如日常對障礙的躲避、抓取、識別等，但視覺并不是人們獨一無二的感受外界的通道。3）減輕眩暈和人眼疲勞。當下所有上市的VR產品都會有使體驗者產生眩暈和人眼疲勞的問題。

4 傳統村落保護中虛擬現實技術應用的改進方向和展望

目前虛擬現實技術的體現形式較為單一，主要體現在聽覺和視覺上，而傳統村落保護中人們更需要置身于其中的真實感，有以下幾種發展方向：1）虛擬動態環境。為了真實地還原動態三維場景，將三維靜態壞境進一步深入刻畫，增加虛擬場景的豐滿程度與內容體系的成熟程度。2）多感交互。在建立虛擬動態環境的基礎上，增加參與者對虛擬環境多方位的感受，不僅在聽覺和視覺上，更要在嗅覺和味覺上，通過物體感官的綜合反應，深入體會傳統村落的文化魅力。[4]3）新型交互設備的研制。4）顯示技術。目前虛擬現實的展現方式有兩種，一是桌面級虛擬現實，二是高性能沉浸式虛擬現實。第一種形式雖簡便，但感覺不真實，第二種形式給人更真實的感受，但需要佩戴很繁重的設備，才能有更真實的感受，我們需要努力的即是場景的真實化以及設備的簡便化，使參與者能夠接受感官輸入。5）實時三維圖形生成。目前數據信息日新月異，數據需實時更新，雖然三維虛擬圖形的生成技術已經較為成熟，但我們的關鍵目標是實現“實時生成”。提高傳統村落數據的刷新速度，體現傳統村落的時間變遷，是我們縱向深度的研究目標。6）商業化合作。為帶動傳統村落的經濟，深入挖掘傳統村落內在的價值，應與當地的公司、企業進行商業合作，加大對傳統村落虛擬現實技術的研究。

5 總結

隨著數字技術的日益更新，傳統村落整體完成數字化虛擬現實保護將會成為未來的發展方向，新技術的加入會對傳統村落文化遺產保護水平的提高起到關鍵性作用。本文圍繞虛擬現實技術在傳統村落保護中的應用這個課題，首先對虛擬現實技術以及虛擬現實技術在傳統村落保護中應用的研究現狀進行了分析，進而提出虛擬現實技術在傳統村落保護領域的實際應用技術和現存問題，針對問題提出了虛擬現實技術在傳統村落保護領域的優勢，而后對虛擬現實技術在傳統村落保護中的未來發展方向進行了展望。