虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳統(tǒng)民居再現(xiàn)中的應(yīng)用研究

權(quán)亞楠，王夢(mèng)蝶

（1.江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000；2.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000）

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種新興的高新技術(shù)，涉及人工智能、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多個(gè)方面，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算與圖形處理能力，根據(jù)原物又脫離原物來(lái)構(gòu)建一種可以通過(guò)視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)多種手段來(lái)感受的虛擬環(huán)境。

虛擬現(xiàn)實(shí)有其自身的特點(diǎn)，如可以讓參與者有真實(shí)的體驗(yàn)感并完全沉浸其中；人們還可以通過(guò)設(shè)備與這種虛擬的世界進(jìn)行交互；它可以再現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境和物體，也可以構(gòu)建完全不存在或科幻的事物。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要綜合應(yīng)用多種技術(shù)。其一，三維建模技術(shù)。三維建模技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)虛擬再現(xiàn)，也就是對(duì)真實(shí)的環(huán)境進(jìn)行仿真。在建模之前，通過(guò)拍照、激光掃描、傳統(tǒng)測(cè)繪等手段獲取所需建模的三維數(shù)據(jù)，整理后并將其導(dǎo)入計(jì)算機(jī)三維建模軟件中。其二，真實(shí)繪制技術(shù)。只有具備真實(shí)的繪制技術(shù)，人們才會(huì)有置身其中的感覺(jué)，從而實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感。針對(duì)此，虛擬現(xiàn)實(shí)就要模擬真實(shí)的視覺(jué)元素，如模擬對(duì)象的光學(xué)性質(zhì)、紋理、光滑程度、顏色、立體結(jié)構(gòu)等，最終使得虛擬效果接近真實(shí)的物體或環(huán)境。其三，三維全景技術(shù)。簡(jiǎn)單而言，就是用相機(jī)對(duì)物體或環(huán)境進(jìn)行360度全景拍攝，然后后期進(jìn)行拼接和三維效果的展示，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)用這種技術(shù)使得表現(xiàn)的畫(huà)面更加真實(shí)。

二、傳統(tǒng)民居簡(jiǎn)述

傳統(tǒng)民居就是我們通常所說(shuō)的“古村落”，是傳統(tǒng)聚落中的一種基本類(lèi)型，古村落伴隨著人類(lèi)文明的發(fā)展而逐步演化。我國(guó)的傳統(tǒng)民居深受中國(guó)傳統(tǒng)思想的影響，注重與自然的和諧統(tǒng)一，布局特征上體現(xiàn)了宗教、風(fēng)水、防御、詩(shī)畫(huà)意境等多個(gè)方面。

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)的一些傳統(tǒng)民居遭到了破壞甚至已經(jīng)消失，如何保護(hù)并傳承這些古村落文化是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。我國(guó)的傳統(tǒng)民居范圍十分廣大，包括的形式也十分多樣，文化資源十分豐富。通常我們習(xí)慣采用紙質(zhì)記載、圖片記錄、數(shù)據(jù)測(cè)繪等來(lái)記錄這些傳統(tǒng)民居，但這些方法存在一定的局限性，不能全方位、立體化地進(jìn)行展示，不能滿(mǎn)足人們可視化和形象化的要求。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)很好地契合了這一點(diǎn)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、加工和整理，進(jìn)行虛擬的構(gòu)建，最終進(jìn)行展示和傳播。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳統(tǒng)民居再現(xiàn)中的應(yīng)用價(jià)值

將數(shù)字影像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)等與歷史建筑相結(jié)合，對(duì)于保護(hù)和復(fù)建歷史建筑具有重要的意義。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于傳統(tǒng)民居的重建和內(nèi)涵的重現(xiàn)的關(guān)鍵在于交互性的實(shí)現(xiàn)。借助計(jì)算機(jī)，我們可以更加深入地感受環(huán)境的空間變化，并沉浸其中。此時(shí)，我們對(duì)虛擬環(huán)境的操作也會(huì)再次得到相應(yīng)的反饋。交互的本質(zhì)在于高效的信息循環(huán)，與真實(shí)的環(huán)境或物體相比，虛擬空間的交互性可以達(dá)到信息的即時(shí)更新與即時(shí)互動(dòng)。

以往，人們限于時(shí)間和費(fèi)用，往往不能親身到歷史建筑景區(qū)實(shí)地進(jìn)行體驗(yàn)，但數(shù)字化的虛擬空間給公眾提供了一種便利的、自由的、靈活的參與體驗(yàn)的機(jī)會(huì)，公眾就此可以了解我國(guó)的傳統(tǒng)民居，從而激發(fā)自身保護(hù)傳統(tǒng)民居的意識(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為我們架構(gòu)起了一座橋梁，讓我們可以即時(shí)地在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上參觀傳統(tǒng)民居，這大大提高了人們的參與度。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳統(tǒng)民居再現(xiàn)中的應(yīng)用原則和要求

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬傳統(tǒng)民居的最重要原則就是真實(shí)生動(dòng)的還原。人們打開(kāi)傳統(tǒng)民居的虛擬系統(tǒng)，憑借其導(dǎo)航，可以對(duì)自己的位置進(jìn)行調(diào)整，一般利用鼠標(biāo)或者鍵盤(pán)或者是通過(guò)佩戴頭盔來(lái)實(shí)現(xiàn)。如在一個(gè)傳統(tǒng)民居的門(mén)口，通過(guò)雙擊可以打開(kāi)門(mén)，然后沿著彎彎曲曲的小路一直往前走，仿佛置身其中，邊走邊感受濃郁的鄉(xiāng)村特色。

基于此，對(duì)傳統(tǒng)民居的虛擬場(chǎng)景評(píng)價(jià)可以從五個(gè)方面來(lái)進(jìn)行：真實(shí)度、交互度、使用度、沉浸度和專(zhuān)業(yè)度。真實(shí)度的衡量標(biāo)準(zhǔn)包括聽(tīng)覺(jué)質(zhì)量、觸覺(jué)質(zhì)量、視覺(jué)質(zhì)量；交互度的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括暢通性、準(zhǔn)確性和合理性；沉浸度的指標(biāo)包括元素的多樣性、元素的運(yùn)動(dòng)屬性以及物理狀態(tài)等。

五、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳統(tǒng)民居再現(xiàn)中的應(yīng)用過(guò)程

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)民居的再現(xiàn)中，大體分為三個(gè)階段：建筑數(shù)據(jù)收集階段、建立三維模型階段和虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景應(yīng)用階段。

第一，傳統(tǒng)民居數(shù)據(jù)收集階段。在數(shù)據(jù)收集之前，首先需要對(duì)傳統(tǒng)民居的歷史文化、保護(hù)現(xiàn)狀以及與再現(xiàn)相關(guān)的一些信息制定一個(gè)書(shū)面形式的策劃書(shū)，讓所有參與人員對(duì)其都有所了解，明確各自的注意事項(xiàng)。（1）要結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況來(lái)確定虛擬現(xiàn)實(shí)的表現(xiàn)手法、交互的操作方法、渲染的過(guò)程、模型的制作等。根據(jù)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員的技術(shù)情況選定好虛擬交互、虛擬漫游需要用到的軟件。（2）針對(duì)最終虛擬現(xiàn)實(shí)作品的應(yīng)用平臺(tái)不同，其中需要注意的問(wèn)題也不同，比如是用在虛擬實(shí)驗(yàn)室還是將其放在普通的計(jì)算機(jī)上。（3）結(jié)合項(xiàng)目要求，確定虛擬現(xiàn)實(shí)作品的文件大小、分辨率要求等。（4）根據(jù)完成項(xiàng)目的時(shí)間，制定詳細(xì)的工作計(jì)劃，其中包括每個(gè)人的分工、工作量、質(zhì)量保證等。

數(shù)據(jù)收集的主要手段就是照片的拍攝。照片能真實(shí)地反映傳統(tǒng)民居的變化，這是再現(xiàn)傳統(tǒng)民居的重要的參考資料，比如門(mén)窗匯編等。拍攝照片時(shí)全景、近景、局部特寫(xiě)相結(jié)合，同時(shí)要分類(lèi)拍攝，如建筑的構(gòu)建、裝飾的細(xì)節(jié)、結(jié)構(gòu)形式等，然后依次對(duì)這些照片進(jìn)行編號(hào)，資料分類(lèi)整理能夠提高開(kāi)發(fā)效率，為后期模型制作人員提供便利。這些照片信息密度高，具有很強(qiáng)的完整性，能夠還原民居的大量細(xì)節(jié)。

第二，建立三維模型階段。三維建模軟件主要有Sketch Up和3DSMAX。Sketch Up優(yōu)點(diǎn)在于生成的文件體積小，能夠滿(mǎn)足大部分的建模需求，缺點(diǎn)是精度不高。Sketch Up建模具有快捷性，操作界面簡(jiǎn)潔，在傳統(tǒng)民居再現(xiàn)應(yīng)用中，可以快速地進(jìn)行效果預(yù)覽。其強(qiáng)大的可視化功能也極大地豐富了空間的視覺(jué)呈現(xiàn)，可以提供實(shí)時(shí)預(yù)覽服務(wù)。Sketch Up建模軟件導(dǎo)入了虛擬現(xiàn)實(shí)的開(kāi)發(fā)理念，強(qiáng)調(diào)建模的速度與操作的便捷，簡(jiǎn)化模型的細(xì)節(jié)和精度，降低了對(duì)CAD圖紙的要求，因此大大簡(jiǎn)化了操作界面，并設(shè)置了強(qiáng)大的功能，以此提高建模效率，減輕計(jì)算機(jī)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。

3DSMAX較Sketch Up有了更高的精度，渲染的畫(huà)面效果十分精良，能夠完美地呈現(xiàn)細(xì)節(jié)，但是由于體積大，設(shè)備的計(jì)算壓力非常大。3DSMAX對(duì)CAD圖紙的要求比較高，繪制的重點(diǎn)應(yīng)該是立面圖和剖面圖，而且應(yīng)該實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)。此外，前期的數(shù)據(jù)測(cè)量，其誤差越小，則最終的呈現(xiàn)效果與真實(shí)的場(chǎng)景越接近。

Lumion可以對(duì)地形或場(chǎng)景進(jìn)行強(qiáng)大的優(yōu)化處理，比如想改變地形表面的粗糙程度，可以通過(guò)其拉伸功能，也可以生成與真實(shí)的環(huán)境相接近的自然肌理，比如梯田，可以?xún)?yōu)化成巖石砌面；又如村莊，可以?xún)?yōu)化為被湖泊環(huán)繞。

第三，虛擬場(chǎng)景應(yīng)用階段。首先是基于虛擬現(xiàn)實(shí)的編輯和瀏覽，主要是Lumion和Sketch Up結(jié)合使用，不同材質(zhì)的物品可以通過(guò)導(dǎo)入不同的色塊進(jìn)行區(qū)分，然后利用Lumion進(jìn)行貼材質(zhì)，并進(jìn)行優(yōu)化修改。其次是基于虛擬現(xiàn)實(shí)的靜態(tài)圖渲染與動(dòng)畫(huà)制作。Lumion與其他三維軟件比較具有渲圖快的特點(diǎn)，同等條件下比其他軟件比較，渲圖時(shí)間可以快十倍，這極大地提高了工作效率，它還具有夜間可視化渲染系統(tǒng)，比如它可以把天空轉(zhuǎn)換成壯觀的星空景象，當(dāng)然還會(huì)輝映著淡淡的月光，該渲染引擎的另一特色是改進(jìn)了色調(diào)映射和屏幕空間環(huán)境光遮蔽，Act-3D的演示場(chǎng)景效果看起來(lái)相當(dāng)不錯(cuò)。然后是實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)檢測(cè)。在基本建立了虛擬漫游系統(tǒng)之后，需要讓使用者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，并且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，比如膨脹檢測(cè)。虛擬環(huán)境中，用戶(hù)的交互和物體的運(yùn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致物體間經(jīng)常發(fā)生膨脹，并計(jì)算相應(yīng)的碰撞反應(yīng)，更新繪制結(jié)果。否則，物體間會(huì)發(fā)生穿透現(xiàn)象。發(fā)生問(wèn)題需要及時(shí)反饋修改，保證最終的漫游體驗(yàn)的真實(shí)感。

第四，測(cè)試階段。對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)作品進(jìn)行測(cè)試、調(diào)整和改進(jìn)。測(cè)試虛擬現(xiàn)實(shí)作品的兼容性、穩(wěn)定性和通用性是測(cè)試的主要目標(biāo)，測(cè)試方法分為多種：一是在不同的操作平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試；二是在不同配置的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行測(cè)試；三是由不同的使用者來(lái)進(jìn)行測(cè)試；四是在前面三種方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行交叉測(cè)試。

六、總結(jié)與展望

目前，很多虛擬再現(xiàn)應(yīng)用得到廣泛應(yīng)用。越來(lái)越多的傳統(tǒng)民居被還原，政府、科研機(jī)構(gòu)、博物館、大學(xué)、公司、個(gè)人都不斷地參與到虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用和研究上，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)日趨合理。

但是，仍然有一些困難存在，比如對(duì)傳統(tǒng)民居周邊環(huán)境的再現(xiàn)是十分困難的，一方面是由于其周邊環(huán)境是不規(guī)則的物體，模型制作難度大；另一方面，這種復(fù)雜的環(huán)境對(duì)計(jì)算機(jī)的渲染能力要求很高，將實(shí)際的周邊環(huán)境和虛擬的古傳統(tǒng)民居結(jié)合起來(lái)將會(huì)是一個(gè)方向。

相信隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步將會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的優(yōu)良的設(shè)備，也會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的專(zhuān)業(yè)人才，只有設(shè)備和技術(shù)更好地結(jié)合起來(lái)，才能更好地對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)的民居進(jìn)行虛擬再現(xiàn)。