基于VR技術的沉浸式建筑漫游與交互設計

趙鋒 程科 靖亮

摘? 要：通過分析虛擬現實技術在建筑漫游中的應用，探討了沉浸式建筑漫游與交互設計制作過程，并以武漢中共五大會址紀念館為實景開發虛擬漫游交互系統，通過添加人機交互碰撞檢測和HTC Vive頭戴顯示設備，借助操控手柄實現沉浸式建筑漫游和交互系統。體驗結果表明，全方位的沉浸式漫游使體驗者與建筑的互動性更加強烈，心理上更加親近，人與建筑關系更為融合。

關鍵詞：中共五大會址;建筑漫游;虛擬漫游;交互設計

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）24-0105-05

Immersive Architecture Roaming and Interactive Design Based on VR Technology

——A Case Study of the Memorial Hall of the Fifth National Congress of the CPC

ZHAO Feng1，2，CHENG Ke1，2，JING Liang1

（1.Research Center of Modern Public Visual Art and Design，Hubei Institute of Fine Arts，Wuhan? 430060，China;

2.Hubei Institute of Fine Arts，Wuhan? 430205，China）

Abstract：By analyzing the application of VR technology in architecture roaming ，this paper discusses the making process of immersive architectural roaming and interactive design，and virtual roaming interactive system is developed with the Memorial Hall of the Fifth National Congress of the CPC in Wuhan as the real scene. By adding human-computer interaction collision detection and HTC Vive headset display device，the immersive architecture roaming and interactive system is realized with the help of the control handle. The experience results show that the omni-directional immersive roaming makes the interaction between experiencers and buildings more strongly，closer psychologically，and the relationship between people and buildings is more harmonious.

Keywords：site of the Fifth National Congress of the CPC;architecture roaming;virtual roaming;interactive design

0? 引? 言

虛擬現實技術（VR）是一種多學科綜合交叉應用的人機交互技術，利用這種技術開發的虛擬場景漫游通過創建一個形象逼真的虛擬感覺空間，可以讓用戶體驗到身臨其境的感覺，因此，近年來越來越受到文化遺產復原和文物保護界的重視和應用。虛擬現實技術的發展，三維建模和沉浸式虛擬現實工具的使用，可以進一步促進人與文化遺產的距離[1]。沉浸式漫游具有高度的沉浸感、多感知性和交互性特征，更容易產生心理沉浸和共鳴?；赩R技術的沉浸式建筑漫游以其獨特的第一視角鏡頭和實時交互的優勢應用到建筑文化遺產保護中，能有力增強建筑文化遺產的影響力，也為其知識傳承提供了新的發展動力和活力。

1? 虛擬現實技術在建筑漫游中的應用

建筑漫游是對建筑的空間、布局、景觀、裝飾、家居陳設和材質等進行的三維虛擬仿真，是突破時間和空間限制對建筑進行數字化還原和零距離接觸的展示應用。目前，國內對文化遺產的數字復原和虛擬漫游呈現出兩大特點：一是內容上主要集中在古遺址、古建筑、古村落和一些具有重要文化符號代表性質的壁畫、石刻、雕像、繪畫等，這些虛擬漫游場景本身涵蓋有建筑的漫游和交互實踐內容，包括較多具有革命紀念意義的紅色建筑。二是技術上多采用三維全景動態交互的方式，通過固定視點360度環視，利用實景照片構建出立體空間形態，從而還原最真實的展示現場，其優勢是拍攝制作速度快，畫面質量高，無須復雜的建模和貼圖，缺點是自主交互性差，視點固定有較大局限性。

近年來，隨著虛擬現實技術的進步和國家對該領域的投資開發，依托虛擬引擎和外接頭顯設備實現的實時沉浸式漫游系統在建筑文化領域獲得廣泛運用，并逐漸展現出其全方位、多維度、自主和交互性體驗優勢。2006年，清華大學就開始研究虛擬重建并率先在國內實現了圓明園部分建筑的虛擬漫游[2]。2018年，“萬物有靈·清華大學文化遺產保護與創新成果展”中展示了基于沉浸體驗設備開發的湖南益陽虛擬明清古巷。國內建筑漫游系統還有廣東韶關的南華寺、四川樂山文廟大成殿，山西榆次老城街道等數不勝數。在紅色建筑領域，全國各地開發和推廣的虛擬漫游項目也不計其數，內容涉及革命博物館、紀念館、會議舊址、舊居、烈士陵園等，使紅色文化遺產在新時代依舊煥發著青春的活力和獨特的價值。

2? 沉浸式建筑漫游與交互設計制作過程

虛擬建筑漫游的制作過程一般包括：首先確定需要實現漫游建筑的結構、布局和風格，進而開展基于虛擬現實技術的建筑漫游主體制作[3]，我們可以將其分成三個環節，即采集素材3D建模、導入引擎設置場景、添加交互體驗測試：

（1）采集素材3D建模。正常情況下，虛擬建筑漫游項目首先需要根據建筑實景或有確切數據的檔案、照片等來參考確定建筑的風格、大小和布局，然后通過三維建模軟件在虛擬空間中構建出具有三維數據的建筑模型。項目組在著手開始三維建模之前，多次赴現場對紀念館建筑進行了多角度和全景、特寫鏡頭拍攝，獲得了一系列寶貴的建筑實景圖片。通過查閱紀念館的圖文檔案和網絡資料，搜集了建筑的尺寸、結構、功能、裝飾紋理和陳設等紙質和電子資料，對建筑的人文脈絡和歷史變遷也做了充分的探討和分析，力求能夠讓建模場景更有穿越感，更能夠貼近現實。這一環節的制作主要借助圖像處理和三維建模軟件，目前市面上主流的適合建筑建模的軟件有3ds Max、Maya、SketchUp、Rhino等，也有部分項目借助一定的設備通過環繞圖像全自動方式三維建模。本項目采用3ds Max作為建模工具，后期對模型進行了優化處理，對貼圖進行了必要的質感和光影制作，使模型看起來更加的逼真。3D建模完成以后，將其導出為FBX格式后再導入虛擬引擎即可。

（2）導入引擎設置場景。這一環節的主要操作都集中在虛擬引擎上。目前主流的虛擬引擎主要是Unity3D和Unreal，本項目采用的是Unity3D引擎。在Unity3D中，Shader是材質的模板，Material是一個材質實例。將3D模型導入到引擎后，通過創建一個Material并將這個Material的Shader設定為準備好的材質，然后可以直接將Material逐個拖到對象上賦予材質，再調整材質參數，從而達到理想效果。由于Unity3D引擎無法讀取3D模型中的材質和燈光信息，項目組后期借助引擎的材質系統和光照系統對導入的模型進行了補充。Unity3D提供了四種不同類型的光源，并且有兩種不同的技術用于預計算實時光照和反射光。通過調整燈光的顏色、大小、方向和強度，配合材質調整中的高光、反光、折射、反射等參數，提升了場景畫面的質感和真實感。

（3）添加交互體驗測試。在虛擬漫游系統中添加交互，可以增加系統的趣味性和用戶體驗的真實性。Unity3D可以實現用戶與建筑內物品的互動，還可以通過手柄對場景中特定對象激活UI進行說明，通過射線檢測和碰撞來更改場景中物體的標簽和位移等。在建筑漫游的交互環節中尤其還需要注意避免穿墻而過以及碰撞反饋等細節，必要時可以應用動畫控制器來切換組件，以確保動作的連貫性。項目完成后根據需要先進行平臺測試發布，以檢測渲染效果和動作交互，包括多模型之間的拼接銜接、系統平臺的兼容性等，最終可以導出為一個可執行程序，借助頭顯設備，用戶可以沉浸到虛擬建筑環境中進行交互體驗。

3? 中共五大會址紀念館沉浸式漫游與交互設計實現

3.1? 項目研究背景

為迎接中國共產黨成立100周年慶祝活動，營造濃厚的學術研究氛圍，并突出新時代愛國主義教育基地的作用，從2019年開始，在湖北省教育廳和湖北美術學院現代公共視覺藝術設計研究中心項目基金支持下，通過協調湖北美術學院的專業設計和技術團隊力量，項目組先后在紅色建筑虛擬沉浸漫游和紅色文化遺產數字化復原方面開展了一系列研究和開拓工作，并以武漢革命博物館為重點，實現了涵蓋武昌農民運動講習所舊址、毛澤東同志舊居和中共五大會址紀念館在內的多所革命建筑和紅色文化遺產數字化復原及自主交互沉浸漫游，本文為項目研究系列成果之一。

中共五大會址紀念館是武漢革命博物館下轄場館之一，建筑面積約3 611平方米，舊址原為1918年創辦的國立武昌高等師范附屬小學，現保存有4棟原建筑。該館建筑最大的特點是中西合璧，臨街二層門樓為西方古典主義風格，上有巴洛克式花雕，館內建筑呈三面合圍院落。建筑群為內廊式布局，相互之間設有通廊和環繞四周的游廊，建筑內設有推拉式玻璃窗和隱蔽通風窗，具有鮮明的地域特征。整體色調為青瓦灰磚紅柱，古樸典雅。

優秀歷史建筑的建筑樣式、施工工藝和工程技術具有建筑藝術特色和科學研究價值[4]。本項目以武漢中共五大會址紀念館為實景開發虛擬漫游交互系統，內容包括臨街門樓、庭院、小禮堂和陳列館等。項目規劃通過三維建模后進行紋理映射材質貼圖，并結合實景布置花草樹木，實現數字建筑與周圍環境的緊密結合。運用虛擬引擎實時渲染，通過C#代碼實現碰撞交互，利用HTCVIVE虛擬設備進行體驗，用戶可以深入到虛擬空間沉浸漫游，全方位參觀紀念館的每個角落和物件，并可以借助操控手柄實現虛擬空間內的自由移動和交互操作。

3.2? 構建中共五大會址紀念館三維模型

虛擬景觀漫游在場景建模盡可能精致和還原的基礎上，能給未能前往該景觀的觀眾提供第一視角觀看的效果[5]。在具體創作過程中，首先利用Maya對建筑進行逐個三維建模，然后分別導入FBX文件到Unity地形中進行場景構建，再綜合考慮光照、材質、貼圖和花草樹木等環境素材并設定好漫游范圍。三維建模過程中，幾個關鍵部分的建模思路為：

（1）臨街門樓。臨街門樓由于采用了中西融合風格，建筑內外立面迥然不同。入口為圓形拱門，上端設有凹型圓玻璃亮窗，門兩側各設立柱兩根，形成一個中式牌坊框架，居中有矩形雕花匾額，頂端飾有祥云拱衛的立柱和旗桿。門樓外側開間二層各設有一個挑空小陽臺，裝飾有鐵花欄桿，內側為紅柱支撐連廊連接的上下兩層開窗白墻居室，兩側房屋覆蓋青色小瓦。二層安裝有紅色立柱和木質扶手欄桿，環繞整個連廊，紅色立柱沿入口分列貫穿建筑上下兩層，有石質柱礎保護底座柱腳，防止受潮和地面塌陷。為保持虛擬漫游過程中該建筑的獨特性，項目組對臨街門樓進行了單獨建模并上色，在建筑結構上與實景保持一致，如圖1所示。

（2）裝飾雕花。在入口拱門兩端和居中位置，以及兩側四根立柱上，分別刻有不同類型的雕花，如圖2所示。拱門門柱雕刻疑為君子蘭，左右對稱陳列，古語有“與人之善，如入芝蘭之室，久不聞則其香化矣”，建筑雕刻中人們習慣芝蘭同用，比喻君子之交。兩側立柱上雕刻比較復雜，有梅、蘭、竹、菊等四季花卉配合葡萄瓜果紋樣，寓意“四季如意”。這些雕刻紋飾樣式各異，風格獨特，極富情趣和寓意，項目組經過建模上色后，再逐一貼合到墻壁特定的位置。

（3）內部建筑。進入拱門后有一個庭院，中央鋪設草坪，一棟西式風格的學宮式兩層建筑最為顯眼，紅色立柱連廊與入口建筑相互映襯。該建筑為原學校風雨操場，即五大會議開幕式會場，其左側為一棟歐式拱形門窗的兩層建筑，右側為一棟單層居室。通過Maya把設計完成的建筑模型導出為FBX格式文件，再導入Unity場景中進行了整合，圖3為五大開幕式會場所在地風雨操場模型圖，供雨雪天氣學生室內運動使用。

（4）室內物件。開幕式會場建模過程中除了常規的發言席、主席臺和臺下條凳外，同時還原了當年會場的很多附屬擺設，如會場兩側供參會者休憩使用的書桌、茶壺、水杯，用來記錄會議紀要的手動打字機，用來存放會議文件的皮箱等，墻上的標語和橫幅完全參照當年記錄進行了貼圖處理。這些室內物件在漫游過程中可以通過手柄進行觸碰交互，能更好體驗當年參會者的感受與狀態。

3.3? 沉浸漫游系統設計與實現

沉浸漫游系統設計為使用VR設備進行自主漫游，用戶戴上HTC VIVE虛擬現實頭盔，通過頭部轉向即可實現自主控制漫游方向，利用瞬移系統的拋物線實現瞬時位移，降低用戶的疲勞和眩暈感。在特定落腳點會顯示操作菜單，通過手柄射線可以激活菜單選項，扣動扳機實現菜單功能，通過手柄觸碰可以對室內部分物品進行抓取、旋轉瀏覽、改變位置等，從而獲得交互漫游體驗。

系統采用Unity3D結合HTCVIVE虛擬設備實現，電腦處理器為Intel（R）Core（TM） i7-9750H，16 GB內存，顯卡選擇了NVIDIA GeForce GTX 1660Ti，64位Window 10操作系統，預安裝有Steam VR和HTC VIVE相關軟硬件設備。Unity3D所使用的版本為2017.1.0f3，在Unity3D中通過導入Steam VR Plugin插件實現手柄與虛擬物體和UI元素的交互功能，圖4為體驗者佩戴HTC VIVE設備進行漫游體驗。

圖5為臨街門樓的虛擬場景，外觀裝飾與內部建筑風格迥異。圖6為內部庭院及花草環境場景，庭院中央為綠色草坪。為減少硬件設備負擔，使漫游更加流暢，增強沉浸體驗，在Unity中分成了室外室內兩個場景，在開幕式會場大門處設置有一個隱藏的場景跳轉觸發矩形，通過加載場景管理相關命名空間并設置碰撞范圍，利用碰撞觸發實現室內室外漫游場景的跳轉。圖7為虛擬室內場景及相關物件，借助手柄可以與物件進行包括觸碰抓取、360度旋轉瀏覽等交互操作。

4? 結? 論

隨著虛擬現實技術的進步和虛擬現實設備的普及，以沉浸和交互為最大特點的虛擬建筑漫游越來越受歡迎。本文以中共五大會址的實景建筑為研究對象，通過建模并導入虛擬現實引擎軟件，構建了沉浸式建筑漫游與交互系統。系統運行體驗結果表明，虛擬建筑漫游系統新穎、沉浸感強、交互方式獨特，能較為真實地體驗會場原貌及庭院環境，有效地拉近了人與建筑遺產的距離。后續將進一步完善沉浸漫游功能，提供不同環境氣候條件和光照下的虛擬場景，以更豐富的交互體驗內容展現會址建筑的風采。

參考文獻：

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[3] 吳文豪，周婕.基于虛擬現實技術的建筑室內沉浸式漫游展示與交互設計 [J].科技視界，2018（13）：20-21.

[4] 金淼，易愛華，朱家文，等.歷史保護建筑的三維全景展示研究 [J].土木建筑工程信息技術，2013，5（2）：37-40.

[5] 周玲，潘柔，韓建勤.南華寺虛擬古建筑景觀漫游的設計與實現 [J].信息與電腦（理論版），2020，32（7）：119-121.

作者簡介：趙鋒（1980.03—），男，漢族，湖北棗陽人，副教授，碩士，研究方向：數字虛擬藝術;程科（1981.07—），男，漢族，山東淄博人，講師，碩士，研究方向：影像研究;靖亮（1981. 09—），男，漢族，河南濮陽人，講師，碩士，研究方向：游戲美術。