陸娜 張蒞

（1蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅.蘭州 730050；2深圳市碧鑫設(shè)計(jì)有限公司，深圳 518129）

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)快速多樣化體驗(yàn)開(kāi)發(fā)，虛擬交互沉浸方式在近幾年日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的歷史文化保護(hù)及城市旅游推廣工作都在嘗試采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高影響力，使快節(jié)奏下的現(xiàn)代人能多角度、深層次、日?；慕佑|稀缺歷史文化資源，對(duì)價(jià)值頗深的精神層面之抽象資產(chǎn)滋生沉浸愿望，優(yōu)化升級(jí)受眾文化體驗(yàn)。

本文以位于甘肅省天水市民主路的胡氏古民居為研究對(duì)象，通過(guò)技術(shù)優(yōu)化，借助Unity3D平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一款古民居漫游系統(tǒng)，以便于用戶通過(guò)交互體驗(yàn)對(duì)天水古民居產(chǎn)生深入細(xì)膩的文化認(rèn)知，助力提升城市文化傳播效率。

2 天水古民居文化價(jià)值概述

上世紀(jì)70年代境內(nèi)發(fā)掘的大地灣文化遺址中珍貴文物證明：早在8000多年前，我們的祖先就在這片土地修造屋舍、繁衍生息。它不僅是位列“三皇之首”的伏羲氏的誕生地，而且南通巴蜀，東系關(guān)中，北接古絲綢之路，天水古民居見(jiàn)證了天水歷史和古城發(fā)展演進(jìn)的歷程，堪稱(chēng)天水文化滋長(zhǎng)的土壤和基石。

2.1 人文價(jià)值

天水地處陜、甘、川三省交界，自古就是塞內(nèi)外文化交匯之地，古民居的構(gòu)建特征也是匯集了當(dāng)時(shí)西域、中原民居特點(diǎn)。房屋骨架為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，墻體是以麥草混合泥土特制而成的土坯墻。在封建禮教等級(jí)觀念下，古民居中的主院與偏院、主房與耳房等格局的主次、里外劃分，屋間大小，屋高尺度，雕件主題，色彩應(yīng)用等都有著嚴(yán)格劃分。受天水伏羲文化影響，八卦“風(fēng)水”習(xí)俗在古民居制式中也是應(yīng)用得當(dāng)，坐北朝南表示面南而治，四房中圓形花壇寓意天圓地方，四個(gè)方位屋舍居住不同的身份地位人物來(lái)對(duì)應(yīng)陰陽(yáng)、五行。院落建筑以廳房為正中分布成中軸對(duì)稱(chēng)格局、兩側(cè)廂房左右排布，以中正精神對(duì)應(yīng)庭院四周由屋舍圍布。整體院落外觀封閉，墻高巷深；房屋體量適宜，尺度適中。每座四合院都有一個(gè)精致機(jī)巧、富麗堂皇的垂花門(mén)和二面雕刻精細(xì)的磚雕影壁組成的院外天井。整體布局設(shè)置精巧細(xì)致、大氣質(zhì)樸，有較高的人文價(jià)值。

2.2 藝術(shù)價(jià)值

天水古民居建筑群大部分建筑為明代及清代乾隆年間建造，比山西平遙民居還要早數(shù)百年，建筑本身符合實(shí)用、堅(jiān)固、美觀的基本原則。其藝術(shù)價(jià)值充分體現(xiàn)在建筑造型、環(huán)境空間、工藝美術(shù)、實(shí)用藝術(shù)四個(gè)方面：第一，建筑造型。組群院落的恢宏與個(gè)體建筑的質(zhì)樸對(duì)比，整體的統(tǒng)一與局部的變化對(duì)比，外觀的簡(jiǎn)單與內(nèi)飾的繁復(fù)對(duì)比，整體建筑造型極富節(jié)奏韻律之美；不僅具有西北的質(zhì)樸敦厚、莊重開(kāi)朗，也有江南的雋秀精巧。第二，環(huán)境空間。屋內(nèi)以正屋廳房為軸心，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，中高兩低的環(huán)境空間，由主街入正門(mén)，形成從廊到院的建筑實(shí)體與建筑空間的虛實(shí)過(guò)渡；不論是影壁墻的精致磚雕，還是土墻黛瓦和綠植園景的色彩應(yīng)用，都體現(xiàn)著人工建構(gòu)與自然之間的高度和諧。第三，工藝美術(shù)。從垂花柱、瓦當(dāng)?shù)酱皺粲氨?，天水古民居都充分體現(xiàn)了古代天水地區(qū)石刻木雕技藝的精湛，其造型生動(dòng)逼真，刀工深厚細(xì)膩，內(nèi)容寓意豐富。門(mén)窗擺件圖案主題種類(lèi)繁多，祥云、蝙蝠、八卦圖等等都栩栩如生，雕刻技術(shù)既有粗獷流暢又有精雕細(xì)琢，甚至還有精巧玲瓏的微雕作品，真不愧“東方木雕藝術(shù)館”之美譽(yù)。第四，實(shí)用藝術(shù)。由于地理位置因素，民居整體院落群東西窄、南北長(zhǎng)以保證正房充分接受陽(yáng)光照射，房屋墻體以磚石為基避免木質(zhì)柱根霉潮，墻頭砌以青磚以防雨水滲入墻內(nèi)；屋頂傾斜結(jié)構(gòu)利于雨雪疏落，在屋頂下與頂棚之間的過(guò)渡空間形成很好的保溫層，使屋內(nèi)冬暖夏涼；外院墻體高聳密閉，大門(mén)雙層門(mén)扉建構(gòu)，安全防盜性極好。

3 虛擬交互設(shè)計(jì)在古建民居文化體驗(yàn)推廣中的應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬交互技術(shù)在對(duì)古代建筑、古民居及文物存檔及文化推廣方面具有重要的意義，國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用日漸成熟。浙江大學(xué)心理學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)制作的虛擬故宮交互平臺(tái)，真實(shí)呈現(xiàn)故宮內(nèi)部建筑方位、文物信息等內(nèi)容，故宮信息技術(shù)中心開(kāi)發(fā)研制的三維虛擬紫禁城交互平臺(tái)系統(tǒng)，以高分辨率、精細(xì)的3D建模技術(shù)虛擬再現(xiàn)出宮殿建筑、文物和人物動(dòng)態(tài)，自主互動(dòng)性及沉浸感頗高。除此之外，在古民居數(shù)字文化保護(hù)及建設(shè)方面，黃山市于2015年完成“百村千幢”古民居數(shù)字保護(hù)工程，這其中主要包括將計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)及可視化技術(shù)用于古民居的檢測(cè)展示，利用數(shù)字化手段開(kāi)發(fā)古建筑的三維影像系統(tǒng)等。廣東省梅州市2017年著手“元數(shù)據(jù)國(guó)際交換共享的客家古民居數(shù)字記憶工程建設(shè)”計(jì)劃，其目的也是通過(guò)數(shù)字虛擬及相關(guān)技術(shù)，對(duì)客家文化及客家古民居進(jìn)行藝術(shù)展示與空間保護(hù)。

虛擬交互技術(shù)在古民居文化保護(hù)、文化傳承、文化創(chuàng)新和文化體驗(yàn)的優(yōu)化升級(jí)中具有鮮明的時(shí)代感和實(shí)用性，但是對(duì)于地處西部，文化藝術(shù)價(jià)值較高的天水古民居在數(shù)字交互體驗(yàn)領(lǐng)域涉足尚無(wú)。

4 天水古民居虛擬交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)策略

4.1 前期測(cè)繪及素材特征提取

筆者團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行設(shè)計(jì)初期，主要通過(guò)航拍器采集、三維激光掃描和近景攝影測(cè)量等方式實(shí)地對(duì)胡氏古民居整體院落布局、結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)建元素進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，以便于將天水古民居建筑文化特點(diǎn)在交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)作以表現(xiàn)參考。

根據(jù)對(duì)天水古民居文化價(jià)值梳理，采集內(nèi)容設(shè)計(jì)包括三部分：1）組群院落布局。包括連進(jìn)四院的串聯(lián)式中軸對(duì)稱(chēng)宅院，并沿開(kāi)間橫向組合多軸線并聯(lián)式建筑群格局采集。倒座樓房和廳房的樓房形式和庭院布局。以及屋廊，庭院環(huán)廊、廊室銜接處和車(chē)、池、花木盆景的樣式采集。2）構(gòu)建及結(jié)構(gòu)形式。主要包括柱梁的間架單元，屋頂?shù)那嬉黹?、灰瓦獸脊，墻面自下而上的磚石、土坯和青磚材質(zhì)。3）代表構(gòu)件采集。此內(nèi)容包括木雕垂花柱廊室門(mén)，磚木結(jié)合、構(gòu)圖細(xì)膩的影壁墻，樣式豐富雕法各異的窗欞等。

針對(duì)以上內(nèi)容中的重點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行三視圖及結(jié)構(gòu)大樣圖的繪制，對(duì)材質(zhì)紋理形態(tài)豐富的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多角度采集拍攝，以獲取更詳細(xì)的代表天水古民居文化價(jià)值的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

4.2 精細(xì)三維模型的制作

模型創(chuàng)建過(guò)程中，筆者團(tuán)隊(duì)考慮受眾文化體驗(yàn)的真實(shí)性要求，在主體建筑物結(jié)構(gòu)模型搭建時(shí)分材質(zhì)進(jìn)行解構(gòu)創(chuàng)建，以確保模型在交互漫游過(guò)程中多角度的立體呈現(xiàn)，針對(duì)損毀較為嚴(yán)重的木雕垂花門(mén)柱等構(gòu)件進(jìn)行了真實(shí)比例的雕刻復(fù)原建模?？紤]整個(gè)場(chǎng)景運(yùn)算速度問(wèn)題，模型的精細(xì)建模區(qū)域集中在民居建筑代表特點(diǎn)構(gòu)件部分，同時(shí)，該區(qū)域也是交互漫游路徑重點(diǎn)沉浸表現(xiàn)部分。

4.3 紋理及材質(zhì)的賦予

將前期采集的高品質(zhì)材質(zhì)貼圖素材進(jìn)行加工優(yōu)化，在模型表面實(shí)現(xiàn)真實(shí)的紋理映射效果，在實(shí)現(xiàn)豐富細(xì)節(jié)表現(xiàn)的同時(shí)，一定程度上可分擔(dān)精細(xì)模型的運(yùn)算壓力。但要注意的是，在交互漫游的視角選擇過(guò)程中不易對(duì)低模紋理部分構(gòu)件進(jìn)行細(xì)致的多方位表現(xiàn)，以防止出現(xiàn)模型的偽真實(shí)紕漏。

4.4 文化體驗(yàn)感受的交互生成

包括地形、建筑物以及小型構(gòu)筑物在內(nèi)的民居主體部件在3Dmax中創(chuàng)建完成后，其余的環(huán)境部分，包括天空，樹(shù)木和花草均可在Unity3D中進(jìn)行選擇應(yīng)用，出于對(duì)文化氛圍的真實(shí)表現(xiàn)，本案例選用了具有天水地域特征的松柏和竹菊等植被模型。在整體模型烘焙過(guò)程中需要注意的是多邊形模型的優(yōu)化，整個(gè)胡氏古民居虛擬場(chǎng)景較大，對(duì)模型充分的優(yōu)化可以減小最后網(wǎng)絡(luò)文件的大小，利于受眾的沉浸瀏覽，在模型的優(yōu)化之外，在Unity3D平臺(tái)貼圖的應(yīng)用一定要盡量真實(shí)，同時(shí)要注意貼圖的名稱(chēng)不可使用中文，否則無(wú)法識(shí)別。

圖1 天水古民居場(chǎng)景在Unity3D軟件平臺(tái)調(diào)試

最后，用戶可以通過(guò)瀏覽器直接打開(kāi)軟件，進(jìn)入到操作界面，系統(tǒng)平臺(tái)提供包括地圖導(dǎo)航、自動(dòng)導(dǎo)航、手動(dòng)導(dǎo)航等多種漫游模式選擇進(jìn)行交互體驗(yàn)，路徑的設(shè)計(jì)以規(guī)定的線路指引用戶參觀，因此，建筑細(xì)節(jié)表現(xiàn)區(qū)域也成為了路徑設(shè)計(jì)之處。除視覺(jué)沉浸外，系統(tǒng)還可加載體現(xiàn)隴原文化特色的音頻作為背景烘托虛擬表現(xiàn)的文化呼應(yīng)。

5 結(jié)語(yǔ)

近幾年，各類(lèi)交互系統(tǒng)應(yīng)用在古建筑虛擬表現(xiàn)中的真實(shí)感、沉浸感愈加提升，作為世界百大瀕臨危險(xiǎn)的文化遺址，對(duì)天水古民居的保護(hù)應(yīng)該是多手段、深層次的，深入挖掘其在建筑形態(tài)、圖形樣式、構(gòu)造表現(xiàn)等多方面的極具代表性的文化視覺(jué)要素，以呈現(xiàn)數(shù)字化重建及交互系統(tǒng)。從文化傳承的角度來(lái)看，對(duì)文化因素的強(qiáng)調(diào)從而提升環(huán)境的可參與感是在構(gòu)建作品時(shí)的基本和重要的目標(biāo)。天水古民居虛擬交互系統(tǒng)的文化體驗(yàn)重點(diǎn)應(yīng)將先進(jìn)技術(shù)與文化現(xiàn)實(shí)感受作以深入結(jié)合，這也是團(tuán)隊(duì)下一步要進(jìn)行的工作。