基于3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的民族建筑游覽教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

陳文進(jìn) 郭明明 吳昊遠(yuǎn) 鄭奮 李東方謝長(zhǎng)勇

摘要：民族建筑是民族文化的承載物，蘊(yùn)藏著深厚的人文信息。新時(shí)代下如何運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)中華民族傳統(tǒng)文化和民族建筑進(jìn)行數(shù)字化開發(fā)，已成為國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)文化推廣教育的重要問題。本文介紹了一種基于Unity平臺(tái)的3D民族建筑交互游覽平臺(tái)，該平臺(tái)以動(dòng)畫導(dǎo)覽、沙盤模型、交互游覽、游戲模式等不同模式為框架，將傣族三大著名建筑——曼飛龍塔、景真八角亭、曼閣佛寺在MAYA中制作出3D模型，還原了實(shí)際建筑的形狀特點(diǎn)、雕刻裝飾以及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，并可通過交互體驗(yàn)建筑特色，這是一種提升民族文化教學(xué)趣味性和生動(dòng)性的新模式。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；民族建筑；文化教育；數(shù)字化教育

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1164-2117（2018）13/14-0180-05

華夏文明源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，中國(guó)是統(tǒng)一的多民族國(guó)家，在綿延數(shù)千年的文明長(zhǎng)河中，各族人民運(yùn)用想象力和智慧創(chuàng)造了無數(shù)各具特色的文明瑰寶，為人類留下了豐富而寶貴的文化遺產(chǎn)。歷史表明，中華民族優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化是國(guó)家穩(wěn)定、社會(huì)進(jìn)步的重要基礎(chǔ)和動(dòng)力之一。少族民族文化是中華民族文化大家庭的重要組成部分，就少數(shù)民族建筑來說，它們風(fēng)格迥異、形態(tài)萬千，透露了各地少數(shù)民族的生活環(huán)境及情景，體現(xiàn)了少數(shù)民族人民的思想觀念和宗教信仰，其蘊(yùn)含的歷史信息、文化價(jià)值、建筑工藝以及審美形態(tài)都值得我們學(xué)習(xí)和研究。然而在我國(guó)，由于城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，人民住房的需求以及偶然發(fā)生的大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害，少數(shù)民族建筑的現(xiàn)狀令人擔(dān)憂，損壞、重建甚至拆毀現(xiàn)象讓少數(shù)民族建筑的保護(hù)工作和實(shí)地教育活動(dòng)的開展尤為困難。[1]

民族文化是一個(gè)民族屹立于世界民族之林的基礎(chǔ)，如何傳承和發(fā)揚(yáng)好民族文化，如何對(duì)民族文化展開教學(xué)使之更容易被接受，是當(dāng)今社會(huì)的重要課題。民族建筑與民族文化關(guān)系密不可分，對(duì)民族建筑所體現(xiàn)的文化內(nèi)涵的研究和教學(xué)當(dāng)然不可或缺。然而目前對(duì)于民族傳統(tǒng)建筑的研究和教學(xué)大多還停留在史料、圖片和實(shí)地考察層次，其依據(jù)非常有限[2]，這不僅不利于科研人員和學(xué)生獲取相關(guān)信息，更不便于傳播。當(dāng)下科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)因其具有易修改、操作簡(jiǎn)單、效果逼真的特點(diǎn)以及在Unity 3D可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能，可以對(duì)這些珍稀的民族建筑進(jìn)行及時(shí)的信息挖掘與交流。[3]因此，利用3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為PC端具有可操作性的交互應(yīng)用，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法在研究和教學(xué)效果上的缺陷。

● 設(shè)計(jì)背景

少數(shù)民族傳統(tǒng)建筑始建年代大多久遠(yuǎn)，其建筑特色在時(shí)代變遷中保存著歷史的烙印，并作為一種載體給人們展現(xiàn)出文化深厚的積淀。對(duì)于少數(shù)民族文化的學(xué)習(xí)，其中一個(gè)重要的方式就是通過學(xué)習(xí)少數(shù)民族建筑來把握其民族特色。然而少數(shù)民族大雜居小聚居的分布方式，以及一些少數(shù)民族位置偏遠(yuǎn)，導(dǎo)致即使是在今天，仍有很多頗具特色的民族建筑不被國(guó)人熟知，更談不上在課堂上系統(tǒng)地教學(xué)。

傣族是一個(gè)有著悠久歷史和燦爛文化的少數(shù)民族，其居民主要分布在云南西雙版納靠邊境的弧型地帶。[4]傣族的建筑各具特色，尤其是上座部佛教傳入后，四處可見的佛教建筑更是別具一格，展現(xiàn)著傣族人民的聰明才智。傣族傳統(tǒng)文化的教育離不開佛教教育，其教育內(nèi)容必須根植于固有的文化資源，另外，其教育要想獲取自身發(fā)展，還必須從傣族文化中獲取動(dòng)力。[5]針對(duì)現(xiàn)代化發(fā)展對(duì)傣族建筑的沖擊和地理位置偏遠(yuǎn)不利于傣族建筑文化傳播的現(xiàn)狀，結(jié)合3D技術(shù)，對(duì)傣族三大著名傳統(tǒng)佛教建筑曼飛龍塔、曼閣佛寺以及景真八角亭進(jìn)行模型還原和交互的實(shí)現(xiàn)，是我們這項(xiàng)設(shè)計(jì)的主要目的。

1.曼飛龍塔

磚石結(jié)構(gòu)，塔身潔白，當(dāng)?shù)卮黾曳Q它為“塔諾”，意思是“筍塔”，層與層之間有環(huán)形仰蓮浮雕。塔剎是喇叭形的蓮瓣立雕。每座小塔的塔座都有一個(gè)屋脊外延的佛龕，里面安放著一尊佛像，內(nèi)壁則排列著整齊的佛像浮雕。佛龕正脊和垂脊上均飾有孔雀等陶塑，佛龕券門沿面有花草、卷云紋飾。剎桿上裝置著上下串連的華蓋和風(fēng)鐸。歷史悠久的曼飛龍塔展現(xiàn)了傣族人民在建筑技術(shù)上的成就，更體現(xiàn)了中外建筑技術(shù)和文化的交流，1988年被國(guó)務(wù)院公布為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。曼飛龍塔不但在國(guó)內(nèi)信仰南傳上座部佛教的各族人民群眾中有很大的影響，而且在緬甸、老撾、泰國(guó)的小乘佛教的信徒中也產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，每年均有成百上千的信徒不遠(yuǎn)千里前來朝拜，虔誠(chéng)地敬獻(xiàn)上自己心愛的禮物，表達(dá)對(duì)佛祖的崇拜和敬仰。[6-7]

2.曼閣佛寺

曼閣佛寺屹立在風(fēng)光旖旎的瀾滄江東岸，位于素有“黎明城”之稱的西雙版納傣族自治州首府景洪市，是景洪市最古老的佛寺建筑。傣語中叫“洼曼閣”，意為中心佛寺。佛殿是佛寺的主體建筑，是一座無柱式重檐三坡面建筑。殿內(nèi)十六根刷著紅漆、雕刻花紋的紅香椿圓木柱，頂天立地支撐著一個(gè)諸葛亮帽似的寺頂。佛殿中堂的西側(cè)，置一個(gè)兩米高的須彌座，上面供著四米高的鍍金釋迦牟尼像。檐邊的瓦飾為卷葉狀的“咪來”，這些裝飾代表云彩，表示天界周圍飄浮著云彩。[8]

3.景真八角亭

吸收東南亞建筑風(fēng)格，又具有中國(guó)古代建筑的特點(diǎn)。亭室設(shè)有東、南、西、北四道門，寓意佛教傳播四方。正門呈拱形，拱門上方設(shè)有卷龕，供奉銅質(zhì)佛像一尊，兩扇用紅椿板制作的大門上，分別雕有傣式太陽花和雙龍絞尾圖案。八角亭閣呈八角狀，代表帕召身邊的8個(gè)“麻哈廳”（高僧），所有的角都由人字形的屋宇組成。屋宇共有十層，呈臺(tái)階形狀，越往上越小。屋面覆蓋著精制的魚鱗形琉璃片瓦，屋上裝置著傣族藝人精心制作的陶質(zhì)花卉、寶塔。八個(gè)亭角上都塑有金雞、鳳凰，風(fēng)檐板間雕刻著色彩鮮艷的異卉奇葩。1988年被中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院公布為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。[9-10]

● 設(shè)計(jì)內(nèi)容

在設(shè)計(jì)層面上，我們要處理模型和場(chǎng)景的切換以及Xml文件的讀取和存儲(chǔ)等一系列問題。此軟件的設(shè)計(jì)功能概述如上頁圖1所示，其中包括模型管理、場(chǎng)景管理以及系統(tǒng)管理三個(gè)模塊。模型管理主要是對(duì)人物、建筑以及小游戲模型的移動(dòng)轉(zhuǎn)換，場(chǎng)景管理針對(duì)UI、攝像機(jī)以及模型事件進(jìn)行展開，而在系統(tǒng)管理中則主要對(duì)數(shù)據(jù)文件、場(chǎng)景以及變量的輸入與輸出做調(diào)整。

民族建筑學(xué)習(xí)系統(tǒng)利用Unity平臺(tái)，以3D動(dòng)畫導(dǎo)覽、交互游覽以及模型搭建游戲的方式，打破了課堂教學(xué)的時(shí)間及空間限制，實(shí)現(xiàn)學(xué)生以自主探索為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)，具體分為四種模式（如圖2）：①仿真游覽模式（如圖3）。在這一模式下，學(xué)生可通過鍵盤和鼠標(biāo)在建筑周圍及內(nèi)部進(jìn)行游覽，這也是本軟件交互的體現(xiàn)之處，交互也就意味著自主學(xué)習(xí)，并且有利于建筑細(xì)節(jié)的展示。②自動(dòng)導(dǎo)覽模式（如圖4）。這一模式中，場(chǎng)景與前一模式相同，不同點(diǎn)在于它自動(dòng)展示觀察建筑的方法，并且給各個(gè)建筑配有特定的語音解說，適用于不知道如何使用該軟件或者對(duì)學(xué)習(xí)建筑的方法不清楚的學(xué)生。③搭建游戲模式（如圖5）。將建筑模型進(jìn)行拆分和拼搭，有利于學(xué)生對(duì)模型構(gòu)造的掌握，同時(shí)，游戲的方式更能方便知識(shí)的接受和學(xué)習(xí)效果的檢測(cè)。④動(dòng)畫導(dǎo)覽模式（如下頁圖6）。在這一模式下，我們利用MAYA制作出3D動(dòng)畫，配以音樂及人聲解說，讓學(xué)生有一個(gè)初步的印象，精致的畫面、詳細(xì)的介紹配合生動(dòng)的語言可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且作為最后一個(gè)模式，還可以起到很好的回顧和復(fù)習(xí)效果。

后期可以通過MAYA等軟件構(gòu)建更多風(fēng)格的建筑模型豐富建筑庫。細(xì)分建筑結(jié)構(gòu)零部件增加小游戲的復(fù)雜程度，以及增加搭建方式提高搭建技術(shù)性，同時(shí)優(yōu)化場(chǎng)景比例以適應(yīng)更多移動(dòng)設(shè)備。在導(dǎo)覽模式下設(shè)計(jì)更多人物與建筑的交互，提升體驗(yàn)效果。增加多種天氣效果，提高建筑逼真度。增加時(shí)間軸，設(shè)計(jì)不同時(shí)間段建筑老化效果。增設(shè)NPC，設(shè)計(jì)人物對(duì)話提升體驗(yàn)效果。加入局域網(wǎng)模式，拓展小游戲交互方式。

該民族建筑學(xué)習(xí)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，建立在民族建筑相關(guān)知識(shí)和史料的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了模型的搭建與拆分、多模式學(xué)習(xí)、及時(shí)測(cè)試的融合，通過嵌入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和3D動(dòng)畫，提高了學(xué)生對(duì)民族建筑以及民族文化的學(xué)習(xí)興趣，不僅高效便捷，而且可以節(jié)約學(xué)習(xí)資源和克服實(shí)地學(xué)習(xí)的不便利性。

● 技術(shù)特色

模型的建模是軟件設(shè)計(jì)的重中之重，前期首先要針對(duì)此三大建筑歷史背景、人文環(huán)境、發(fā)展歷程收集資料。通過實(shí)地測(cè)量和建筑照片的拍攝，全面了解少數(shù)民族建筑文化的背景和內(nèi)涵，同時(shí)可以將其作為后續(xù)交互系統(tǒng)的文字圖片素材。

在MAYA里將建筑整體素材分別顯示在正視圖與側(cè)視圖，按數(shù)量添加預(yù)設(shè)Box、Sphere Cylinder等，按素材比例調(diào)節(jié)大小，根據(jù)建筑需要，擠出特定面。分別命名分組，方便后續(xù)貼圖、制作動(dòng)畫等。除建筑主體外，增加了樹木、草地、河流等細(xì)節(jié)。

貼圖方面，在MAYA中針對(duì)不同建筑部分分別展開UV，在Photoshop中調(diào)節(jié)素材大小、顏色、亮度等與UV匹配，通過調(diào)節(jié)透明度、添加遮罩等對(duì)貼圖做舊，表現(xiàn)建筑年代感。

在模型的優(yōu)化方面，根據(jù)MAYA模型文件大小由面片數(shù)多少?zèng)Q定的原理，刪除多余的面來達(dá)到減少文件數(shù)量的目的。例如，在表現(xiàn)少數(shù)民族建筑的樓閣時(shí)，模型背部、內(nèi)部的面被遮擋，渲染畫面看不到，可逐片找到并刪除。對(duì)球體狀建筑結(jié)構(gòu)，在保證精度的條件下，控制面數(shù)大小。另外，由于建筑的對(duì)稱性，一座建筑往往需要多個(gè)相同的結(jié)構(gòu)，可以通過將相同模型實(shí)例化，減少內(nèi)存的載入來實(shí)現(xiàn)。貼圖方面，為了同時(shí)得到真實(shí)的光影效果及系統(tǒng)較高的運(yùn)行速度，需要將貼圖進(jìn)行烘焙，通過軟件UVW展開將AO貼圖、透明貼圖展開，導(dǎo)出到Photoshop中編輯得更加精細(xì)，再通過材質(zhì)編輯器反貼回去。

程序運(yùn)行過程中打開平臺(tái)進(jìn)入U(xiǎn)I選擇界面，可以選擇一種模式進(jìn)行導(dǎo)覽，在仿真游覽模式下，在沙盤場(chǎng)景中生成的人物，可自由移動(dòng)選擇進(jìn)入提供的建筑場(chǎng)景，中心沙盤提供整體的縮小比例地圖，通過觸發(fā)傳送門周圍的碰撞檢測(cè)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景切換。進(jìn)入建筑場(chǎng)景周圍可觸發(fā)講解音頻，通過移動(dòng)觀看縮小比例的建筑結(jié)構(gòu)。在游戲模式下，則可通過UI界面的按鈕選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)搭建建筑。

● 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)意義

1.還原程度高

我們前期進(jìn)行了大量資料搜集和實(shí)地考察，認(rèn)真比對(duì)照片制作出的模型細(xì)致地還原了建筑本貌，因此本軟件是一款可靠的學(xué)習(xí)軟件，并且所含的建筑及文化知識(shí)豐富，內(nèi)容詳實(shí)，適合科普及學(xué)習(xí)。

2.交互性能好

Unity 3D作為一款游戲開發(fā)工具，其交互功能完備，適用范圍廣，將其運(yùn)用到民族建筑的教學(xué)中能發(fā)揮其在交互方面的優(yōu)點(diǎn)。學(xué)生只需鍵盤和鼠標(biāo)就可以在建筑中暢游，獲得身臨其境的體驗(yàn)。

3.學(xué)習(xí)高效性

該軟件打破了傳統(tǒng)民族文化課堂枯燥、抽象的學(xué)習(xí)窘境，解決了傳統(tǒng)教學(xué)只能通過課本和圖片進(jìn)行展示的問題。學(xué)生能自行搭建建筑結(jié)構(gòu)并且交互游覽場(chǎng)景，設(shè)計(jì)自動(dòng)導(dǎo)覽模式滿足了不同水平的學(xué)生需求，同時(shí)以動(dòng)畫的方式復(fù)習(xí)所學(xué)內(nèi)容，更加形象生動(dòng)。

4.自主開放性

軟件突破了課堂和材料的限制，節(jié)約資源，使學(xué)生學(xué)習(xí)民族文化及建筑知識(shí)不受時(shí)間和空間的限制。另外，學(xué)生通過主動(dòng)參與模型結(jié)構(gòu)的拼接，注意力更容易集中，也更能加深記憶。

5.內(nèi)容拓展性

Unity3D對(duì)多種3D模型格式的兼容性，以及3D模型格式可以互相轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)，為后期豐富建筑庫，在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)更新不同民族建筑模型提供了可能。增加建筑結(jié)構(gòu)零部件，可以設(shè)計(jì)搭建小游戲不同難度系數(shù)模式，同時(shí)設(shè)置局域網(wǎng)模式，拓展小游戲交互功能，提高游戲趣味性。由于3D技術(shù)的互通性，更可搭載如VR眼鏡等虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備，增強(qiáng)身臨其境的體驗(yàn)。天氣效果和時(shí)間軸的運(yùn)用，可提升逼真程度并方便了解發(fā)展歷史。

隨著目前我國(guó)民族文化保護(hù)工作的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在民族文化教學(xué)中的應(yīng)用會(huì)愈加普及、愈加深入，對(duì)民族建筑的數(shù)字化和信息化平臺(tái)的開發(fā)也會(huì)迅猛發(fā)展，最終達(dá)到促進(jìn)傳承和發(fā)揚(yáng)優(yōu)秀民族傳統(tǒng)文化的目的。

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作者簡(jiǎn)介：陳文進(jìn)（第一作者）（1997.2—），本科在讀，主要研究臨床醫(yī)學(xué)；郭明明（共同第一作者）（1995.7—），本科在讀，主要研究中醫(yī)藥學(xué)；鄭奮（通訊作者）（1976—），講師，碩士，主要研究數(shù)據(jù)庫程序設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

基金項(xiàng)目：2017年度海軍軍醫(yī)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新孵化基地項(xiàng)目“基于3D技術(shù)的民族建筑智能游覽系統(tǒng)”（FH2017040）。