VR技術在歷史文化街區保護中的應用研究

摘 要：以贛州宋城歷史文化街區為例，探究VR技術在歷史文化街區保護中的應用。首先針對數字化復原的作用進行概述，并分析其在歷史文化街區保護中的不足之處。其次提出基于VR技術的贛州宋城歷史文化街區復原項目，完成項目流程設計和項目情景設計，然后開發出對應的贛州宋城VR歷史文化街區數字化項目。通過部署項目實證得出結論，VR技術在歷史文化街區保護中的應用取得了顯著成果，為歷史文化街區的傳承與弘揚提供了新的途徑。

關鍵詞：虛擬現實技術；歷史文化街區；數字化復原

隨著科技的進步，虛擬現實（VR）技術作為一種新興的媒介，被廣泛應用于各個領域。在歷史文化街區保護中，VR技術具有重要的價值和廣闊的應用前景。本文以贛州宋城為例，旨在探討VR技術在歷史文化街區保護、數字化復原以及旅游體驗方面的應用。

一、數字化復原

數字化復原在歷史文化街區保護中扮演著至關重要的角色[1]，它通過將歷史建筑的材料、紋理和結構等信息進行數字化處理，為保護和修復工作提供了精確的依據。該技術不僅提高了保護的精確性和全面性，還實現了對歷史街區的實時監測和損壞處理，確保了歷史建筑的安全。同時，數字化復原在歷史街區修復中發揮著關鍵作用，通過精確模擬和預測，提升了修復效果，保留了歷史街區的原貌。此外，數字化技術還通過創建虛擬現實場景，促進了歷史街區的展示和推廣，增強了其知名度和影響力。盡管數字化復原技術面臨成本和技術人才等挑戰，但其對歷史文化街區保護的貢獻顯著，需要持續研究和探索以克服現有障礙。

數字化復原在歷史文化街區保護中的應用尚有不足之處，主要表現為技術手段單一、數據準確性不足和缺乏交互性。這些缺陷限制了數字化復原的深度和廣度，影響了保護效果[2]。為提升數字化復原技術的應用效果，建議采用更多元的技術手段，如高分辨率掃描和激光掃描，以提高數據采集的精確度。同時，應優化數據處理流程，減少操作失誤，確保數據的準確性。此外，開發基于VR技術的交互式數字化復原軟件，增強用戶體驗，使公眾能更深入地參與歷史文化保護[3]。通過這些措施，數字化復原技術將更有效地保護和展示歷史文化遺產。

二、基于VR技術的贛州宋城歷史文化街區

復原項目設計

（一）開發設計思路

圖1展示了基于VR技術的贛州宋城歷史文化街區復原項目的開發設計思路。

在前期開發階段，使用3D掃描技術結合次世代建模方法制作模型。首先是進行3D掃描建模，獲取歷史建筑的三維數據[4]。其次是完成次世代建模，這是基于歷史建筑的三維數據對其進行高精度的數字化建模，以更好地還原歷史建筑的原貌。再次，進行音頻數據制作，生成包含歷史建筑相關信息的音頻數據。最后完善照片采集，收集歷史建筑的高清照片，以增強用戶的沉浸式體驗。

在中期開發階段，需要完成VR平臺、VR框架的搭建，結合通用的VR引擎及VR SDK來實現，調用SDK接口實現功能交互，完成VR移動、VR抓取、VR觸摸等交互方式。此外，還需要進行場景構建及渲染，生成包含歷史建筑相關的場景，以提高系統的仿真度和逼真度。

在后期開發階段，需進行功能維護和功能升級，優化系統的各項功能，提升用戶體驗。在這個階段，項目測試是必不可少的環節，通過對VR系統的測試，查找和修復可能存在的問題。最后基于項目的宣傳和發布策略，進行多平臺發布。

（二）VR情景設計

本項目針對不同的場景設計了不同的交互方式，使用者可以自主選擇想要觀賞的景點，從而深入感受贛南宋城的歷史文化底蘊。該項目共設計四個主要情景：一是古浮橋。該場景主要展現宋城古浮橋的歷史韻味，根據史實，實現開橋、合橋的功能。開橋后龍舟駛入另一側，使用者可以登上龍舟進行比賽。二是宋城街區。使用者可以在場景中自由行走，漫步在商業街區，感受踩高蹺、畫糖畫等街市生活。三是郁孤臺。該場景主要展示郁孤臺及院內景觀，觀者進入郁孤臺的每一樓層，均可看到相應的歷史名人在吟誦詩詞。四是陽明書院。該書院主要展示王陽明教書的情景，使用者可以近距離欣賞王陽明的詩詞。

三、基于VR技術的贛州宋城歷史文化街區

復原項目開發實踐策略

（一）素材獲取與處理

其一，素材獲取。在VR技術應用于歷史文化街區保護與數字化復原的研究中，贛州宋城作為研究案例，其前期資料采集工作至關重要。為此，本文采取了系統性的資料搜集策略，以確保復原工作的精確性和全面性。首先，收集歷史文獻，深入圖書館、檔案館以及相關的文化機構，結合對宋城景區的相關人員的訪談和實地考察，搜尋與贛州宋城相關的地圖、文獻等，了解贛州宋城的歷史沿革、建筑風格、文化特征等重要信息，尤其是整個宋城的新舊建筑結構信息。其次，在建筑圖片的采集方面，利用高分辨率相機對贛州宋城的建筑立面、細節裝飾、雕刻圖案等進行詳盡的拍攝，主要涉及宋城城門、四賢坊、文化街區等區域。拍攝的內容包括建筑構造、建筑表面細節、物品細節等。由于后期的模型構建需要用到圖片制作貼圖，因此盡量以垂直于物體的形式進行拍攝，拍攝到的圖片不能有陰影或者其他雜質。此外，為了獲取贛州宋城的空中視角和整體布局，可采用無人機進行航拍。

其二，素材處理。根據贛州宋城的歷史文獻、考古發掘報告、現場照片和現有的測繪數據，對這些資料進行詳細分析，確定復原的范圍和重點，提取建筑結構、裝飾風格和文化元素的關鍵特征，然后從以下方面進行處理：

照片選擇與預處理：挑選清晰且光線均勻的照片作為建模和貼圖的基礎。使用圖像處理軟件（如Adobe Photoshop）進行預處理，包括裁剪、旋轉和調整亮度，以更好地捕捉細節。

幾何校正：對拼接后的圖片進行幾何校正，確保圖片的透視正確無誤，為后續的3D建模提供準確的參考。

細節增強與調整：對紋理進行細節增強，如增加對比度和飽和度，以突出材質的特征。調整紋理的色彩平衡，使其更符合實際的視覺效果。

（二）VR模型構建

其一，手動建模實現。使用3Ds Max或Maya等3D建模軟件，依據分析得到的資料，開始進行初步的三維建模。在這一階段，重點是建立建筑的大體輪廓和結構，忽略細節部分，以快速形成模型的基本形態。在初步模型的基礎上，逐步增加細節，包括雕刻門窗的精細圖案、屋頂的瓦片紋理、墻壁的磚石紋理等。此步驟需要高水平的手工技藝和對歷史文化的深刻理解，以確保模型的真實性和歷史準確性。為了給模型添加顏色和材質，需要進行UV展開，即將3D模型的表面展平到二維平面上，然后根據展開圖制作紋理貼圖。貼圖內容可能包括磚石的色澤、木材的紋理、油漆的光澤等。在VR環境中，光照對于氛圍的營造至關重要。因此，需要根據贛州宋城的地理位置和歷史時期，設置合理的日照角度和強度。同時，配置適當的陰影、反射和環境光效果，以增強模型的真實感。完成模型后，還要對其優化，以適應VR環境的性能要求，包括減少模型面數、合并相似材質、優化骨骼動畫等，目的是提高渲染效率，確保VR體驗的流暢性。

其二，生成建模實現。生成建模是指通過圖片、視頻或其他數據構建三維模型[5]。筆者使用Reality Capture（捕捉現實）進行模型生成，它是一款先進的一體化攝影測量軟件，可以從一組普通的圖像或激光掃描數據中自動提取逼真和精確的3D模型。本次生成建模的數據主要是視頻序列，因此前期需要拍攝多個角度的視頻序列，數據越完善，生成的模型質量越高。導入素材后，針對場景的地面、區域、法線等進行設置，初步生成模型點云[6]，然后再生成三維模型。最后，還需要修復和完善生成的模型，針對破面、物體銜接處等部位進行處理。

（三）VR平臺與框架搭建

在本項目中，主要使用Unity平臺作為開發引擎。Unity平臺具有高度靈活性、強大的跨平臺能力以及龐大的開發者社區，能夠提供一整套工具和服務，使開發者更高效地創建、渲染和優化3D內容，同時支持多種VR硬件，這對于開發一個面向不同用戶群體的VR項目來說至關重要[7]。為了實現與HTC VIVE設備的兼容，本項目采用了SteamVR框架進行開發。SteamVR是由Valve公司開發的一個開源框架，它為HTC VIVE及其他支持的VR頭顯提供了統一的接口和驅動程序。使用SteamVR框架，開發者可以輕松地訪問VIVE設備的跟蹤、輸入和顯示功能，從而為用戶提供沉浸式的VR體驗。

（四）場景構建及渲染

首先是整體布局，將3D模型按照對應場景的實際布局放置到虛擬環境中，還原贛州宋城每個場景的空間關系。在開發每個場景時，設計好具體建筑的方位，根據現實場景還原區域的樣貌。其次是環境設置，即為場景添加光照、霧效、聲音等環境元素，尤其是通過添加古代角色，營造出逼真的歷史文化氛圍。最后是渲染優化場景，如圖2所示，在Unity引擎中調整渲染參數，如光照貼圖、陰影質量等，添加光照探針和反射探針，設計后處理特效，以達到最佳的視覺效果，同時保證VR運行的流暢性。

四、試用反饋

通過將項目部署在文旅展廳、數字化博物館等處，吸引了大批體驗者前來游玩。他們普遍表示該項目有著不錯的游玩體驗，反饋的內容如下：

第一，提供了新穎的體驗。許多體驗者認為該項目利用VR技術提供了一種全新的探索歷史文化的方式，尤其是賽龍舟的交互感非常強烈，與傳統的觀看和閱讀相比，更加生動和有趣。

第二，增強了沉浸感。體驗者普遍感到通過VR頭盔等設備，仿佛身臨其境地走進了歷史文化街區，感受到了歷史的氛圍。

第三，技術實現印象深刻。一些對技術感興趣的體驗者對項目的高清晰圖像、流暢的交互和精確的3D建模表示贊賞。

第四，操作簡便易懂。大多數體驗者認為該項目的操作指南清晰，易于上手，即使是初次接觸VR的用戶也能快速適應。

第五，期待更多互動。一些體驗者希望該項目能夠增加更多的互動元素，如模擬歷史事件的參與、與虛擬角色的對話等。

總之，歷史文化街區的保護與開發有著多種途徑，活化利用需要通過多種手段實現，例如旅游開發、技術宣傳等[8]。本文深入探討了VR技術在歷史文化街區保護與數字化復原中的應用，并通過贛州宋城的案例研究，展示了VR技術在這一領域的實際效果和潛在價值。研究發現，VR技術不僅能夠為歷史文化街區的保護提供新的視角和方法，還能夠通過打造沉浸式場景，增強公眾對歷史文化的認識和興趣。贛州宋城的實證研究表明，VR技術在重現歷史場景、提升游客體驗以及促進文化教育方面發揮了重要作用。這一技術的應用不僅為歷史文化街區的保護與傳承開辟了新途徑，也為未來的文化保護和旅游發展提供了新的思路。

參考文獻：

[1]劉延斌，蘇明哲.古建筑遺址數字化藝術復原對文物保護的作用[J].建筑經濟，2022（8）：115-116.

[2]李雅箏，周軒.虛擬現實技術在非物質文化遺產保護與傳承中的應用[J].科教文匯，2022（16）：132-134.

[3]陳均亮，王榮海，陳柏言.虛擬與增強現實互動旅游系統的設計與實現：以非物質文化遺產南音為例[J].軟件工程，2021（5）：47-50.

[4]周恩博.虛擬現實技術下古建筑數字化復原設計的實踐與研究[J].藝術與設計（理論），2023（3）：86-88.

[5]曲家成.三維重建中的細節優化關鍵技術研究[D].濟南：齊魯工業大學，2024.

[6]張瀟涵，程子倩，張寧.從視點到空間：基于點云的景觀空間視覺特征量化分析方法[J].風景園林，2024（7）：115-121.

[7]魏三強.一種基于Unity 3D的VR歷史展館設計[J].蘇州科技大學學報（自然科學版），2023（1）：74-78.

[8]許熙巍，高思琪，劉樹鵬，等.基于機器學習的歷史文化街區游客感知多維度評價研究：以西安市北院門歷史文化街區為例[J].西部人居環境學刊，2024（3）：109-115.

作者簡介：

張玉平，碩士，江西應用技術職業學院設計工程學院助教。研究方向：虛擬現實技術應用。