泉州古刺桐港虛擬漫游系統

鄭小武 王榮海 范燁 莊樹涌 李錦程 陳明玉

摘 ?要：泉州古刺桐港是古代海上絲綢之路的起點。以古刺桐港的遺址為參照創建古刺桐港虛擬場景。通過研究泉州古民居特點，并進行實地考察，選取典型古民居進行三維建模，作為古刺桐港虛擬場景周邊的建筑。考察泉州海外交通史博物館中已出土的宋代古船，參照陳列的復原古船模型，對宋代古船進行三維建模。在Unity3D中整合古刺桐港虛擬場景、古民居三維模型、古船模型及其他元素，結合虛擬現實頭盔HTC VIVE，實現古刺桐港沉浸式虛擬漫游系統。實驗表明古刺桐港虛擬漫游系統運行流暢，沉浸感強，為海絲文化遺產的傳承與保護提供了一種新的形式。

關鍵詞：古刺桐港;虛擬場景;泉州古民居;宋代古船;虛擬漫游

中圖分類號：TP391.9 ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Ancient Zayton Harbor in Quanzhou was the starting point of the ancient Maritime Silk Road. With reference to this site， a virtual scene of Ancient Zayton Harbor is created. The typical ancient dwellings are selected for 3D modeling as the buildings around the virtual scene of Ancient Zayton Harbor， through studying the characteristics of the ancient dwellings and carrying out fieldwork in Quanzhou. And a 3D modeling of the ancient ship of the Song Dynasty is constructed based on the restored ship model displayed in the Quanzhou Maritime Museum. Thus， the virtual scene of Ancient Zayton Harbor， the ancient dwellings 3D models， the ancient ship models and other elements are integrated with virtual reality headset HTC VIVE in Unity3D， to achieve the immersive virtual roaming system of Ancient Zayton Harbor. The result of the experiment shows that the virtual roaming system runs smoothly and immersively， providing a new form of inheritance and protection of the Maritime Silk cultural heritage.

Keywords： Ancient Zayton Harbor; virtual scene; the ancient dwellings in Quanzhou; the ancient ship of the Song dynasty; virtual Roaming

1 ? 引言（Introduction）

虛擬現實技術為文化遺產的傳承與保護提供了一種新的形式。三維建模及創新的沉浸式虛擬現實工具的使用可以進一步促進人們以更有吸引力和創新的方式獲取文化遺產[1]。有研究表明，特定的年齡段和背景的人特別喜歡用虛擬現實來體驗和學習文化遺產[2]。Madison Kramert等對19世紀流行的美式第二帝國風格的標志性建筑物進行三維建模并對模型進行逼真的3D打印[3]。Debailleux L等實現了歐洲文化之都比利時蒙斯市主廣場的虛擬漫游系統并對虛擬漫游的效果進行評估[4]。早在2006年，清華大學對圓明園的部分建筑進行了虛擬重建并實現虛擬漫游[5]，是國內進行文化遺產數字化的較早嘗試。張洪吉等利用三維激光掃描技術對四川樂山文廟大成殿進行三維數字化[6]。方建平等創建了浙江省蛇蟠島野人洞景區“洞房花燭夜”古洞室的三維虛擬場景[7]。高超等基于多源數據對山西海會寺宋塔進行三維精細化建模[8]。

泉州是“海上絲綢之路”的起點城市[9]。泉州港被海內外稱之為“刺桐港”，刺桐港與“海上絲綢之路”共同走過千年的興衰歷程，在元代，刺桐港成為我國最大的貿易港，被海內外稱為“東方第一大港”[10]。對泉州古刺桐港的數字化保護對文化遺產的傳承與保護具有重要的意義，本文嘗試創建古刺桐港的虛擬場景并實現沉浸式虛擬漫游。

2 ?古刺桐港虛擬場景創建 （The construction of the virtual scene of Ancient Zayton Harbor）

古刺桐港虛擬場景包括港口的地形，周邊的花草、樹木、建筑物、海水及古船等。

2.1 ? 地形創建

泉州古刺桐港的遺址之一是目前的泉州后渚港，虛擬場景的地形以目前泉州后渚港為基礎創建。通過在谷歌地球下載后渚港及周邊地形圖對應的.tiff格式的高程圖，使用Global Mapper打開高程圖文件，取消地形的梯度渲染，把地形圖轉變為灰度圖，導出為.jpg格式，利用PhotoShop打開灰度圖，調整灰度圖的大小，導出為.raw格式，導入到Unity，在Unity中適當抬高和降低一部分地形的高度，并且添加地形貼圖、樹木和草等素材，海水使用Unity標準資源素材中的Water4Advanced水流系統，作為場景進一步設計的基礎。圖1是在上述場景的基礎上添加了港口周邊建筑及古船的虛擬場景。

2.2 ? 古民居三維建模

泉州的古建筑特色分明，比較鮮明的特性有皇宮起、洋樓、燕尾脊、出磚入石等。本項目選擇典型的泉州古民居使用3ds Max進行三維建模，作為古刺桐港虛擬漫游場景中港口周邊的建筑，在古民居三維建模過程中采用如下步驟：

（1）進行實地考察，現場從各個方位拍攝古民居的照片，并進行適當的測量。

（2）分別制作各個方向的墻壁，包括背面墻、側面墻及正面墻等。

（3）制作屋檐，屋檐包括橫梁、柱子、支架、文字等。

（4）制作屋頂，在屋頂制作的過程中還包括燕尾脊的制作。

（5）在制作古民居各部分模型時同時進行上色，最后整合各部分模型。

在3ds Max中把設計完成的古民居三維模型導出.fbx格式文件，再導入Unity場景，在Unity場景中如圖2所示。

2.3 ? 宋代古船三維建模

1973年，在泉州后渚港發現泉州宋代古船，該古船被發掘重新拼裝后，陳列于泉州開元寺的泉州海外交通史博物館[11]。在博物館中還陳列了根據該古船復原的等比例縮小的實物模型，圖3為到博物館拍攝的實物模型照片，本項目參考該實物模型使用3ds Max對宋代古船進行三維建模。

宋代古船的建模主要分為船身、樓梯及船帆三部分，各部分建模思路如下。

（1）船身建模。使用3ds Max中的線、點、殼等工具及連接、拉伸等操作，制作出船身的框架，不斷調整盡可能的接近實物模型。使用類似的工具和操作，制作出船上的東西，將二者結合，形成船身。

（2）樓梯建模。使用3ds Max的長方體工具，對其進行拉伸、復制及調整等操作，形成船上的樓梯。

（3）船帆建模。使用3ds Max的線、點、殼等工具，并進行調整，形成船帆。

除了主要部分外，再對欄桿、擺件等進行建模，最后組合成古船的三維模型，再導出.fbx格式文件，導入Unity場景中并進行貼圖，如圖4所示。

3 ? 虛擬漫游系統設計與實現（Design and realization of virtual roaming system）

3.1 ? 虛擬漫游系統設計

虛擬漫游系統設計為可用兩種方式使用VR設備進行漫游。

（1）自動漫游。體驗者戴上HTC VIVE虛擬現實頭盔，根據預先確定好的漫游路線對古刺桐港及周邊環境、宋代古船進行游覽，類似于看電影的方式。

（2自主漫游。體驗者戴上HTC VIVE虛擬現實頭盔，使用操作手柄控制漫游路線，使用操作手柄的傳送功能漫游港口及周邊環境，并登上古船，對古船的各組成部分進行沉浸式的漫游。

虛擬漫游系統中體驗者的狀態圖如圖5所示。

根據狀態圖及HTC VIVE設備提供的功能，設計體驗者虛擬漫游的過程如下：

（1）啟動虛擬漫游系統，進入系統主界面，等待體驗者進行操作。

（2）體驗者扣動HTC VIVE的扳機鍵（Trigger Button）點擊界面中的“開始漫游”，進入“自主漫游”狀態，在“自主漫游”狀態，體驗者通過戴著頭盔在HTC VIVE的作用范圍內走動進行虛擬漫游，當虛擬場景中出現傳送點時，可通過長按觸控板（Touchpad）跳轉場景位置。

（3）體驗者在自主漫游過程中，通過拾取HTC VIVE的左手手柄控制器可進入顯示操作菜單狀態。在操作菜單顯示狀態下，移動手柄至某一菜單項并且扣動扳機鍵可以激活菜單項對應功能。選擇界面中的“返回首頁”，將回到系統主界面;選擇界面中的“開始自動漫游”，將按照預先設定的固定路線進行自動漫游;選擇界面中的“上船漫游”，將進入宋代古船進行漫游，在古船的各個部分設置了傳送點，通過長按觸控板在古船的各個部分進行切換，也可以移動身體站到船邊觀察海面場景。在“自動漫游”與“漫游古船”狀態，可通過拾取左手手柄進入顯示操作菜單狀態。

3.2 ? 虛擬漫游系統實現

虛擬漫游系統使用Unity3D結合HTC VIVE虛擬現實頭盔實現，要點如下：

（1）設置開發環境。安裝、連接HTC VIVE硬件設備及相應的軟件，安裝Steam VR，Unity版本使用Unity2017.3.1f1。

（2）在Unity中設計場景及實現場景跳轉。為了實現虛擬漫游系統的功能，設計了若干個場景，如表1所示，在Unity中通過using UnityEngine.SceneManagement加載場景管理相關的命名空間，在C#代碼中通過調用SceneManager類的LoadScene方法實現場景的跳轉，例如代碼“SceneManager.LoadScene（"boat"）;”實現跳轉到漫游古船主場景。

（3）在Unity中導入SteamVR Plugin插件，實現對HTC VIVE中手柄控制器與UI元素的交互及傳送功能。

（4）通過Unity的發布功能導出可在各種平臺上運行的可執行文件，本項目導出在Windows操作系統中運行的.Exe可執行文件及相關的支持文件。為了提高虛擬現實頭盔渲染速度、減少場景卡頓，在導出可執行文件前使用Polygon Cruncher減面工具對古民居三維模型進行減面優化處理。

4 ? 系統運行效果（Effect of system execution）

古刺桐港虛擬漫游系統在處理器為Intel Xeon E5-1630v4 3.7 10M 2400 4C，內存為64GB DDR4-2400 RegRAM，顯卡為NVIDIA Quadro M2000 4GB 1st GFX，操作系統為Windows10 Pro 64位版本，并且連接HTC VIVE虛擬現實頭盔的圖形工作站上運行。

圖6為體驗者配戴HTC VIVE進行漫游體驗。圖7為自主漫游時港口及周邊環境的場景。圖8為在古船上漫游的場景，場景中有若干傳送點，當手柄指向傳送點后，通過長按觸控板可以跳轉到古船的相應部分。

5 ? 結論（Conclusion）

隨著虛擬現實消費級設備的逐步普及，虛擬現實技術在各領域得到廣泛的應用。本文以“海上絲綢之路”的起點泉州古刺桐港為虛擬漫游的研究對象，構建了沉浸式的虛擬漫游系統。實驗表明體驗者在使用虛擬現實頭盔HTC VIVE體驗古刺桐港虛擬漫游系統時系統運行流暢，沉浸感強，為海絲文化遺產的傳承與保護提供了一種新的形式。后續將進一步完善虛擬漫游系統的功能，提供體驗者更豐富的內容，并以更多的交互方式體驗古刺桐港的風采。

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作者簡介：

鄭小武（1995-），男，本科生.研究領域：虛擬現實.

王榮海（1972-），男，碩士，副教授.研究領域：虛擬現實，移動互聯網，軟件工程.本文通訊作者.

范 ? 燁（1996-），男，本科生.研究領域：虛擬現實.

莊樹涌（1997-），男，本科生.研究領域：虛擬現實.

李錦程（1997-），男，本科生.研究領域：虛擬現實.

陳明玉（1963-），男，本科，教授.研究領域：微分方程理論與應用，虛擬現實.