虛擬仿真在陜西漢唐文化空間立體投影數(shù)字化設計中的應用

胡宇婷

（西安美術學院 動畫專業(yè)，陜西 西安 710065）

0 引言

漢朝和唐朝在中國社會和中華民族發(fā)展的歷史中占有重要地位，陜西作為十三朝古都，是漢唐文化的最佳代表。為響應國家“一帶一路”倡議和黨的十八大對于“促進文化和科技融合、發(fā)展新型文化業(yè)態(tài)”的戰(zhàn)略部署，西安歐亞學院結合陜西地域漢唐文化資源，利用虛擬仿真技術，以漢唐文化推廣空間為實驗場景，研發(fā)虛擬仿真實驗，使學生能夠通過學習掌握空間立體投影的數(shù)字化設計流程，并應用與漢唐文化推廣之中。本實驗項目適應我國數(shù)字媒體藝術領域對于人才培養(yǎng)的需求，以培養(yǎng)能運用數(shù)字媒介和數(shù)字技術進行設計、展示和傳播，并解決綜合問題能力的創(chuàng)新型實踐人才為目標。

傳統(tǒng)的實驗教學在內容選取和實施中，不能充分滿足各層次學生個體發(fā)展需求[1]。虛擬仿真實驗項目符合藝術學科注重學生設計思維訓練和設計方法應用的教學需求，是對藝術設計類課程教學形式和內容創(chuàng)新的探索。利用虛擬仿真技術，能夠解決在投影設計教學和實踐過程中的諸多客觀限制，包括場地限制、時間限制、經(jīng)費不足和安全保障等問題，是一種有利于自主學習、主動實驗、共享開放的教學模式[2-3]，是教育信息化背景下教學改革的發(fā)展方向和人才培養(yǎng)的重要手段[4-5]。

1 設計思路

虛擬實驗系統(tǒng)本質上也屬于實驗教學系統(tǒng)，在系統(tǒng)構建過程中同樣應遵循“技術設計為教學設計服務”的原則[6-7]。實驗中的仿真場景分為經(jīng)典案例和設計練習兩部分。其中經(jīng)典案例部分場景包括西安永寧門城墻和南廣場環(huán)境、西安永寧門甕城環(huán)境、西安鐘樓及周邊環(huán)境，分別對應單面投影、多面外環(huán)投影和多面內環(huán)投影三種教學實驗學習投影設計流程，學生可自主學習或教師輔助完成學習。學生通過綜合性實驗可以有效的將理論知識轉化為實踐能力，設計練習部分場景未來將增加大明宮遺址建筑、陜西省歷史博物館、乾陵等陜西特色古代建筑，用于學生的進階類案例設計實驗，是學生獲得實踐技能和提升綜合素質的重要途徑[8]。

2 系統(tǒng)設計

陜西漢唐文化空間立體投影數(shù)字化設計應用虛擬仿真實驗項目建立于開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺之上，學生可以通過瀏覽器登錄教學管理平臺并進入本實驗項目，并在平臺的指引下自主完成實驗過程。

本虛擬仿真實驗項目的系統(tǒng)架構與其他仿真實驗項目類似[9-10]，如圖1所示，整體項目架構分為五層，包括存放實驗組件和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)層，負責系統(tǒng)運行管理的支撐層，虛擬仿真教學管理平臺所在的通用服務層，呈現(xiàn)實驗虛擬場景的仿真層，以及提供底層服務的應用層。他們由下至上相互支撐構建起實驗環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

3 應用操作

在經(jīng)典案例中包含難度初級、中級、高級三個學習步驟。初級以西安永寧門南門投影為案例，學習單面類型投影設計；中級以西安永寧門甕城為案例，學習多面外環(huán)類型投影設計；高級以西安鐘樓為例，學習多面內環(huán)類型投影設計。

實驗界面主要分為總進度欄和編輯區(qū)兩部分，如圖2所示。總進度欄位于界面左側，顯示該設計項目總進度，包含需求分析、內容設計、設備認知、現(xiàn)場控制、成本表、輸出方案。編輯區(qū)在界面右側，根據(jù)總進度欄內所選不同進度選項有所變化。

圖2 實驗界面

以初級案例為例，界面左側顯示總進度欄，該選項對應學習步驟，學生將逐一使用。平臺首先提出設計需求，右側編輯界面說明案例背景情況，并提供關鍵信息提示。例如圖2提出的設計需求，經(jīng)過提煉形成四個關鍵詞和對應解釋說明。確認設計需求后通過點擊總進度欄“內容設計”按鈕進入視頻編輯界面，學生可在素材庫中選擇并合成視頻素材和聲音素材。完成內容設計后進入設備認知階段，右側編輯界面顯示常用投影、音響設備的參數(shù)和使用場景，以及腳手架、絎架、電纜等輔助設備。學生在本界面可對常用設備和輔助工具性能進行閱覽和學習。點擊總進度欄“現(xiàn)場控制”按鈕即可進入虛擬仿真場景（見圖3），初級階段編輯界面中間顯示永寧門南廣場環(huán)境3D仿真空間，右側顯示可用素材庫（視頻、音頻、投影儀、音響、輔助設備），下方為選中素材屬性編輯區(qū)。

圖3 現(xiàn)場控制界面

學生使用鼠標+鍵盤控制視角對場景進行觀察。可將右側素材置入場景，然后對場景中的3D素材進行移動、旋轉、縮放等操作，例如將投影儀放至合適的位置。在下方素材編輯欄可以選擇調節(jié)該投影儀的亮度、焦距或更換視頻、音頻等編輯操作。學生需要逐一完成置入投影儀、音響、絎架等設備，調節(jié)視頻、線纜、設置安全護欄等操作。完成場景設置后，學生可進入成本表界面，了解前置步驟所選用的硬件總成本費用表，并導出為表格格式文件。選擇輸出方案按鈕，學生將視頻導出成為視頻格式，提供給教師評價。

4 結語

陜西漢唐文化空間立體投影數(shù)字化設計應用虛擬仿真實驗項目在學習階段提供了三個西安著名文化場景，以歷史文化場景為依托，利用虛擬仿真技術實時展現(xiàn)高逼真投影效果，讓學生在虛擬仿真場景中充分發(fā)揮設計潛能，綜合鍛煉學生的空間立體投影設計能力。通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)學習，學生能夠掌握數(shù)字化投影的基本原理，了解常用投影設備特征和使用需求，運用投影點位布置的通用原則，并能夠理解在不同應用場景下投影視頻在造型、視覺表達、氛圍營造等方面的作用。學習成果應用于漢唐文化推廣中，未來不僅可以服務于數(shù)字媒體藝術專業(yè)實驗課程教學，還可在漢唐文化場景復原、擴展立體空間投影展示形式等方向持續(xù)開展科學研究。實驗平臺可與行業(yè)和企業(yè)實踐項目結合，與產(chǎn)業(yè)前沿和理論發(fā)展前沿一致，學生在學習過程中可以接觸到實際的社會需求，讓設計教學有基于陜西地方文化特征在地化應用的可能。