馮裕良(黃山學(xué)院 藝術(shù)學(xué)院，安徽 黃山 245041)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)徽州古建筑傳承保護(hù)的方法

馮裕良
(黃山學(xué)院 藝術(shù)學(xué)院，安徽 黃山 245041)

徽州古建筑近年來(lái)由于自然和人為原因損壞和盜失嚴(yán)重，因此對(duì)古建筑的保護(hù)傳承亟待改善和保護(hù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)古建筑的保存和傳承有著自身特有的優(yōu)勢(shì)，本文從虛擬現(xiàn)實(shí)的特征、關(guān)鍵技術(shù)和保護(hù)方案提出可行性分析，供相關(guān)同行參考。

虛擬現(xiàn)實(shí)；徽州；古建筑

近幾年網(wǎng)絡(luò)媒體和電視中虛擬現(xiàn)實(shí)是出現(xiàn)頻率較高的詞匯。在國(guó)內(nèi)發(fā)達(dá)城市出現(xiàn)了較多的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)館，讓普通人也能體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來(lái)不同的視覺(jué)感受。其實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的歷史并不是近年出現(xiàn)的，早在20世紀(jì)末就受到了相關(guān)科技工作者的廣泛重視。近些年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市化進(jìn)行的發(fā)展，徽州古建筑的保護(hù)面臨著岌岌可危的現(xiàn)狀。政府部門和民間組織投入一定的保護(hù)措施，但仍急需要一種新型的手段來(lái)保護(hù)和傳承這些文化遺產(chǎn)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要特征

虛擬現(xiàn)實(shí)能夠有效的呈現(xiàn)真實(shí)世界中的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)等，同時(shí)讓體驗(yàn)者得到真實(shí)感受，使體驗(yàn)者參與到虛擬的環(huán)境當(dāng)中而不能分辨出真實(shí)與虛假的境界。如奧迪汽車虛擬展示：當(dāng)你進(jìn)入一個(gè)虛擬的汽車展銷現(xiàn)場(chǎng)，你會(huì)看到汽車的各種款式、配置。并結(jié)合實(shí)景操作進(jìn)入汽車內(nèi)部進(jìn)行真實(shí)駕駛活動(dòng)，得到與現(xiàn)實(shí)當(dāng)中一樣的駕駛感受。汽車的轟鳴、推背感、漂移感這些使你身臨奇境。

1.1 沉浸感 沉浸感又稱臨場(chǎng)感，他是指體驗(yàn)者在虛擬環(huán)境中的感受真實(shí)程度。虛擬現(xiàn)實(shí)讓體驗(yàn)者最大程度在計(jì)算機(jī)所模擬的三維虛幻環(huán)境中產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)感。當(dāng)參觀者進(jìn)入徽派建筑虛擬世界當(dāng)中時(shí)，可以瞬間回到明清時(shí)代具有穿越歷史的真實(shí)感，能看到建筑的外貌同時(shí)能感受當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境。

1.2 互動(dòng)性 互動(dòng)性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)增加真實(shí)感的又一特點(diǎn)。在現(xiàn)實(shí)世界中人與空間、物體、人物等都有相應(yīng)的接觸和反饋。當(dāng)人進(jìn)入虛擬世界抓取一個(gè)物體，它的重量、光滑度、溫度等時(shí)時(shí)反饋給體驗(yàn)者，同時(shí)物體的移動(dòng)跟隨達(dá)到現(xiàn)實(shí)的真實(shí)性。當(dāng)參觀者進(jìn)入徽派古建筑內(nèi)部，你可以自由行走到建筑的每一個(gè)角落，能夠全方位觀察每一個(gè)感興趣的構(gòu)件，同時(shí)對(duì)建筑本身的功能進(jìn)行操作，如：推門進(jìn)入、搬動(dòng)相應(yīng)的椅子等。

1.3 實(shí)時(shí)性 實(shí)時(shí)性是指在模擬的環(huán)境中物體根據(jù)自然物理定律的動(dòng)作得到相應(yīng)的反應(yīng)程度，讓計(jì)算機(jī)模擬相應(yīng)的響應(yīng)效果。比如模擬同一個(gè)玻璃瓶從不同的高度扔下來(lái)，得到不同的破碎效果。在徽派建筑的體驗(yàn)中用手輕輕觸碰桌子上的青花碗，碗能夠根據(jù)力度的方向、大小、做出現(xiàn)實(shí)中的物理反應(yīng)。根據(jù)不同的季節(jié)實(shí)時(shí)變化相應(yīng)的外部自然面貌等等。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)保存和展示古建筑的關(guān)鍵技術(shù)

在對(duì)徽州古建筑虛擬現(xiàn)實(shí)模擬的過(guò)程中，首先要保證對(duì)建筑的真實(shí)保存，這對(duì)計(jì)算機(jī)的復(fù)制提出了較高的要求。

2.1 三維模型創(chuàng)建技術(shù)

在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)世界，客戶看到的任何物體都是計(jì)算機(jī)進(jìn)行創(chuàng)建的三維模型，對(duì)于模型的創(chuàng)建目前有多種方法實(shí)現(xiàn)。

a、對(duì)于現(xiàn)實(shí)當(dāng)中真實(shí)存在的徽派建筑，可利用三維掃描設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，盡可能加大模型采集精度保正模型的真實(shí)還原度。同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理，減少模型數(shù)據(jù)量以保證系統(tǒng)運(yùn)行效果。

b、對(duì)于已經(jīng)損壞或消失的徽派建筑或構(gòu)建，可以通過(guò)前期數(shù)據(jù)收集保證數(shù)據(jù)模型真實(shí)程度，利用三維計(jì)算機(jī)軟件3DMAX、MAYA、zbrush等三維制作軟件進(jìn)行重建復(fù)原。

2.2 三維實(shí)時(shí)技術(shù)

在目前三維圖像實(shí)時(shí)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，成功案例較多分布在游戲類型的產(chǎn)品當(dāng)中?，F(xiàn)階段主流使用的Unity Technologies公司開(kāi)發(fā)的unit3D引擎軟件、Epic Games公司開(kāi)發(fā)的虛幻引擎4軟件都能達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的效果，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)刷新率達(dá)到90-120幀/s。在保證圖形質(zhì)量和圖片內(nèi)容復(fù)雜程度，這樣的刷新率已經(jīng)能保證客戶避免出現(xiàn)暈眩感和失真度。同時(shí)計(jì)算機(jī)自身硬件的計(jì)算速度和顯存度在目前高配置的硬件已經(jīng)能夠滿足虛擬現(xiàn)實(shí)的運(yùn)行計(jì)算速度。如：因特爾cpu第七代、英特爾獨(dú)立顯卡GTX980以上型號(hào)均可運(yùn)行相應(yīng)VR程序。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備及追蹤感應(yīng)技術(shù)

Virtual Reality是在三維環(huán)境中進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，要求人物動(dòng)作信息被計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確捕捉并做出相應(yīng)回應(yīng)。要求傳感技術(shù)精度高、反應(yīng)快。目前市場(chǎng)上在售的HTCvive頭盔設(shè)備搭載兩個(gè)定位設(shè)備、兩個(gè)手柄外設(shè)設(shè)備，基本上滿足現(xiàn)有VR交互程序運(yùn)行。通過(guò)將近一年的市場(chǎng)運(yùn)作后近期推出無(wú)線傳輸設(shè)備，改變了現(xiàn)有的有線傳輸方案。同時(shí)此頭盔的畫面刷新率達(dá)到90幀/S，基本解決了佩戴者暈眩問(wèn)題。Sony、Google、小米等科技公司都推出了相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔設(shè)備，這些頭盔目前都還有一定的缺陷，但隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步將會(huì)有很大的改變。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)保護(hù)傳承古建筑方法

黃山地區(qū)是徽州古建筑分布較為集中的地區(qū)，黃山市政府實(shí)施了“千村百幢”古民居保護(hù)利用工程，對(duì)文化遺產(chǎn)起到一定的保護(hù)作用，但對(duì)于古徽州的建筑保護(hù)來(lái)說(shuō)只是很小的一部分。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用是一個(gè)有效的辦法。

3.1 三維建筑數(shù)據(jù)采集創(chuàng)建模型

在三維建筑數(shù)據(jù)采集過(guò)程中較多采用三維激光掃描技術(shù)如：托普康GLS1500，通過(guò)非接觸式的掃描手段進(jìn)行采集，它不僅能夠適用于簡(jiǎn)單場(chǎng)景，同樣適用復(fù)雜測(cè)量問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查掌握建筑基本的情況，設(shè)定測(cè)算機(jī)器掃描范圍并同時(shí)標(biāo)注設(shè)備架設(shè)點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定掃描路徑。為避免出現(xiàn)銜接錯(cuò)誤問(wèn)題，盡量掃描范圍有重疊區(qū)域。在實(shí)施過(guò)程中必須設(shè)定合理的掃描距離范圍，并圈定掃描目標(biāo)，提高工作效率。在點(diǎn)云密度的設(shè)置方面根據(jù)建筑表面細(xì)節(jié)多少來(lái)確定，較多細(xì)節(jié)一般設(shè)置為1CM激光點(diǎn)位間隔，平滑部分設(shè)置2CM以上間隔。本設(shè)備自帶目標(biāo)拍照功能，因此同時(shí)可以采集建筑表面紋理貼圖。通過(guò)以上設(shè)置操作便可以采集需要的建筑模型，通過(guò)相應(yīng)設(shè)備軟件進(jìn)行保存成OBJ或FBX格式備用。

3.2 虛擬模型創(chuàng)建及UV、材質(zhì)

對(duì)于損壞較為嚴(yán)重的建筑構(gòu)件及遺失建筑，只能通過(guò)三維軟件進(jìn)行三維建模重建。在模型制作過(guò)程中應(yīng)該遵循細(xì)節(jié)充分、面數(shù)適中、布線均勻規(guī)矩的建模方法。利用UNFOLD軟件進(jìn)行UV設(shè)定，要注意UV拆割合理性避免軟件計(jì)算提示拆分錯(cuò)誤。同時(shí)可以通過(guò)相機(jī)拍照、網(wǎng)絡(luò)搜集等方法收集模型材質(zhì)，并通過(guò)PHOTOSHOP軟件或三維貼圖材質(zhì)制作軟件進(jìn)行材質(zhì)繪制。

3.3 虛幻引擎制作

目前用于虛擬現(xiàn)實(shí)制作的軟件虛幻引擎、unity3D等引擎都能實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)個(gè)人擅長(zhǎng)進(jìn)行選擇。規(guī)劃虛幻引擎設(shè)定文件路徑，進(jìn)入內(nèi)容管理器選擇導(dǎo)入命令，模型文件導(dǎo)入進(jìn)虛幻引擎。模型格式盡量采用FBX格式，F(xiàn)BX格式可以攜帶模型、紋理、材質(zhì)、動(dòng)畫等數(shù)據(jù)信息。進(jìn)入虛幻引擎后需要把每個(gè)模型數(shù)據(jù)回歸至原點(diǎn)保證不會(huì)出現(xiàn)坐標(biāo)偏移問(wèn)題。模型進(jìn)入后通過(guò)虛幻引擎自帶的材質(zhì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的材質(zhì)更換。為建筑模型添加燈光系統(tǒng)，根據(jù)客戶要求進(jìn)行設(shè)定。室內(nèi)一般使用點(diǎn)陣光源，窗外透進(jìn)室內(nèi)一般布一盞聚關(guān)燈，同時(shí)室外布天光光源，然后對(duì)每盞燈光進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整。最后要對(duì)場(chǎng)景模型進(jìn)行必要的優(yōu)化，刪除場(chǎng)景中不必要的模型，輸出適合展示設(shè)備的客戶端。

4 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在保護(hù)和傳承徽州古建筑方面有著非常廣泛的應(yīng)用空間，同時(shí)隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)實(shí)設(shè)備和硬件的便攜化，必然帶動(dòng)更多的相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用。

〔1〕馮裕良. 《數(shù)字三維動(dòng)畫MAYA》課程教學(xué)心得〔J〕. 北極光,2015(10)：57-58.

Reflect on the Inheritance and Protection of Huizhou Ancient Architecture based on Virtual Reality Technology

FENG Yu-liang

(ArtsDepartment,HuangshanUniversity,Huangshan,Anhui, 245041,China)

Recently, due to natural and artificial damage, it is necessary to improve and protect ancient architecture. The virtual reality technology has its unique advantages on preservation and inheritance of ancient architecture. Based on the characteristics, key technology and protection schemes for the virtual reality, the paper puts forward the feasibility analysis for relevant reference.

Virtual reality; Huizhou; Ancient architecture

2017-01-15

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目：基于HTCvive設(shè)備的沉浸式VR展示制作研究(l201610375031)階段性成果；安徽省高校人文社科研究重點(diǎn)項(xiàng)目：VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在徽州雕塑數(shù)字化修復(fù)及展示中的應(yīng)用研究——以徽州石雕為例，階段性成果；安徽省高校人文社科研究一般項(xiàng)目：新媒體環(huán)境下徽州漆藝傳承性研究，階段性成果；安徽省高校人文社科研究一般項(xiàng)目：基于徽州竹文化下的現(xiàn)代竹木家具設(shè)計(jì)研究，階段性成果；安徽高校人文社科研究重大項(xiàng)目《基于設(shè)計(jì)美學(xué)的徽派建筑傳承與創(chuàng)新研究》(SK2015ZD23)項(xiàng)目階段性成果；安徽省高等教育振興計(jì)劃重大教研項(xiàng)目《基于徽文化的應(yīng)用型設(shè)計(jì)學(xué)專業(yè)教學(xué)改革研究》(2014zdjy121)項(xiàng)目階段性成果。

馮裕良(1982-)，男，河北滄州人，黃山學(xué)院藝術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)閯?dòng)畫設(shè)計(jì)學(xué)。

1008-3723(2017)02-005-03

10.3969/j.issn.1008-3723.2017.02.005

TU201.4

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