廣西少數(shù)民族建筑文物虛擬仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

黃麗達 甘廣欣 馮文苑 魏源良

摘要

以廣西少數(shù)民族建筑文物數(shù)字化保護為目的，對一個基于網(wǎng)絡(luò)接口的建筑虛擬仿真展示系統(tǒng)進行關(guān)鍵技術(shù)論述，研究系統(tǒng)的體系架構(gòu)、人機交互模塊設(shè)計和功能實現(xiàn)，從而使得用戶通過網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)，并通過Web端瀏覽場景，使用鼠標(biāo)或佩戴虛擬現(xiàn)實眼鏡和手柄在建筑虛擬場景中進行交互控制，瀏覽和信息查看。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真 人機交互 廣西少數(shù)民族 建筑文物

廣西具有我國較大規(guī)模的少數(shù)民族建筑文物群，例如侗族風(fēng)雨橋、苗族吊腳樓、瑤族谷倉、壯族木樓等，其中多數(shù)是我國的寶貴物質(zhì)遺產(chǎn)和非物質(zhì)遺產(chǎn)的載體。隨著“一帶一路”沿線文化遺產(chǎn)保護的推進，推廣和宣傳民族核心文化是提升文化軟實力的重要舉措，因而利用虛擬仿真技術(shù)對侗族建筑實施數(shù)字化構(gòu)建和保護具有很高的現(xiàn)實意義和技術(shù)價值。虛擬仿真，又稱為虛擬現(xiàn)實，是集計算機圖形學(xué)、仿真技術(shù)、模式識別技術(shù)、三維技術(shù)等的交叉學(xué)科。隨著計算機圖形技術(shù)和硬件設(shè)備的發(fā)展，人們可以通過視覺、觸覺、嗅覺等多維感官實時感受計算機合成的虛擬環(huán)境。虛擬仿真系統(tǒng)具有三個與傳統(tǒng)計算機圖形圖像的顯著區(qū)別：交互性、實時性、沉浸感。虛擬仿真系統(tǒng)能夠融入侗族建筑的木構(gòu)特點和營造技藝，通過網(wǎng)絡(luò)或可執(zhí)行文件使用戶獲得身臨其境的建筑場景展示。

在少數(shù)民族建筑的數(shù)字化圖像研究中，有學(xué)者以侗族建筑為代表對建筑虛擬仿真開展了部分預(yù)研究。桂林電子科技大學(xué)針對侗族村寨三維虛擬模型構(gòu)建與展示提出了應(yīng)用構(gòu)想和文獻探討，但是僅局限于對侗族建筑模型特點和3DSMAX、Maya及AutoCAD等三維建模軟件應(yīng)用進行理論論述，并未對虛擬現(xiàn)實和人機交互技術(shù)開展深度研究和技術(shù)實現(xiàn)。貴州民族大學(xué)分析了少數(shù)民族建筑三維數(shù)字模型的構(gòu)建方法，以一個侗族建筑具體案例詳述了三維數(shù)字模型的制作過程，對前者的三維建模理論論述進行了實踐論證和文獻補充，然而，虛擬仿真人機交互的技術(shù)特點仍未得到探索應(yīng)用。

虛擬仿真系統(tǒng)基于圖像實時渲染、人機交互、網(wǎng)絡(luò)兼容等特性以及目前的硬件技術(shù)水平，其技術(shù)與單純的三維數(shù)字化建模有著顯著區(qū)別。因此，有必要以廣西少數(shù)民族建筑文物為研究對象，深入全面地開展虛擬仿真應(yīng)用研究，完善少數(shù)民族的虛擬仿真保護技術(shù)。針對上述研究現(xiàn)狀，本文以一侗族建筑文物為例，著重討論以下兩個關(guān)鍵問題，一是建筑虛擬仿真系統(tǒng)的交互設(shè)計，二是三維建筑模型基于Web端訪問實現(xiàn)場景漫游和人機交互的模塊開發(fā)。

1 系統(tǒng)交互設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

從應(yīng)用效果來看，與傳統(tǒng)的三維數(shù)字化展示相比，人機交互虛擬仿真的區(qū)別在于：能夠在互聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)遠程虛擬展示；同時用戶能夠通過虛擬現(xiàn)實視野對場景進行沉浸式漫游、視野縮放和信息查看等交互控制。通過以上兩點實現(xiàn)系統(tǒng)的實時展示、交互和沉浸感。系統(tǒng)具體架構(gòu)為：數(shù)據(jù)庫——服務(wù)器——瀏覽器。系統(tǒng)從底層至頂層架構(gòu)總體分為三個執(zhí)行層：數(shù)據(jù)庫服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層、用戶界面層。數(shù)據(jù)庫由建筑三維模型和與之對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)構(gòu)成，用于實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取和調(diào)用，虛擬仿真數(shù)據(jù)庫要求三維建筑場景模型簡單，信息數(shù)據(jù)量盡可能壓縮，減小對網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用，確保實時渲染交互解析快速；服務(wù)器實現(xiàn)系統(tǒng)的人機交互功能，是提供Web服務(wù)、完成用戶請求和場景文件檢測描述的中轉(zhuǎn)站；Web瀏覽器面向用戶，為網(wǎng)絡(luò)終端的用戶提供遠程數(shù)據(jù)訪問和交互控制，實現(xiàn)網(wǎng)頁形式的少數(shù)民族建筑文物數(shù)字化資源共享。

1.2 交互模塊

人機交互是虛擬仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，交互功能是實現(xiàn)場景漫游、選擇操縱、建筑數(shù)據(jù)訪問的方式。本文系統(tǒng)的交互模塊基于Unity3D平臺進行腳本開發(fā)。將完成的三維建筑模型以.FBX文件格式導(dǎo)入Unity3D項目文件中，實現(xiàn)三維全景的虛擬侗族建筑案例展示和場景漫游。接著，系統(tǒng)采用Java Script和Unity3D的GUI界面完成Web端的相關(guān)行為，搭建交互功能，增強用戶體驗感。

系統(tǒng)的交互模式被分為兩種，一種為動態(tài)漫游模式，另一種為查詢模式。動態(tài)漫游模式也是默認模式，包括用戶以第一視野對場景的縮放、移動、旋轉(zhuǎn)及點擊查看窗口?；谑髽?biāo)或游戲手柄拖動、鍵盤控制觸發(fā)交互，設(shè)置實時渲染和交互控制腳本的邏輯，提高對三維建筑場景的控制觸發(fā)精確度，避免系統(tǒng)場景延遲。

2 結(jié)果與分析

在上述核心交互模塊之上，本文進一步完成了整個虛擬仿真系統(tǒng)，在試行中取得了良好的交互體驗。圖3展示的是3D模式下用戶利用Web端瀏覽器進行虛擬漫游的界面。界面的主菜單欄提供了主界面、選擇場景、查詢關(guān)鍵字三個選項，分別滿足用戶采用動態(tài)漫游模式或查詢模式進行漫游交互。界面右側(cè)具有地圖導(dǎo)航、語音介紹開關(guān)及VR模式開關(guān)。當(dāng)佩戴VR眼鏡進行觀看時，則開啟VR模式進入全息場景。Web環(huán)境下的VR模式有利于移動端用戶使用和多平臺推廣。

3結(jié)論

本文針對廣西少數(shù)民族建筑文物保護，提出了一種基于Web端的虛擬仿真人機交互系統(tǒng)，并提出了系統(tǒng)的交互設(shè)計方案和人機交互模塊涉及的關(guān)鍵問題技術(shù)。以一少數(shù)民族建筑文物為例，在Web環(huán)境中實現(xiàn)了三維建筑虛擬仿真系統(tǒng)漫游和交互。該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠為文物保護者和游覽者還原建筑文物場景和屬性信息，使廣西少數(shù)民族文物保護提升至數(shù)字化保護，具有良好的展示效果和應(yīng)用價值。

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