虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳統(tǒng)村落保護(hù)中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀和展望

李悅彤，溫萱，席瑞，李凱欣，薛夢琪

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北保定071000）

1 研究背景

近年來，我國發(fā)展越來越迅速，城市化水平也越來越高，對(duì)傳統(tǒng)村落的保護(hù)需求也越來越急迫。盡管近年來國家不斷加大針對(duì)傳統(tǒng)村落的保護(hù)力度，出臺(tái)了以“實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”以及“傳承優(yōu)秀傳統(tǒng)文化精神”為核心的諸多保護(hù)政策，先后公布了4153個(gè)國家級(jí)傳統(tǒng)村落，但相對(duì)于全國范圍內(nèi)數(shù)以十萬計(jì)的傳統(tǒng)村落巨大基數(shù)來說，依然是杯水車薪。如何更高效率的保護(hù)傳統(tǒng)村落已成為亟待解決的難題。[1]

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜述

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一系列高新技術(shù)的匯集，是能建造一個(gè)精確反映現(xiàn)實(shí)的物理性質(zhì)及動(dòng)態(tài)行為的人造環(huán)境的技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一種虛擬環(huán)境，利用人類的感官系統(tǒng)，讓人有一種身臨其境的感覺。在這個(gè)環(huán)境中，參與者可通過各種虛擬現(xiàn)實(shí)工具與環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)地交流與聯(lián)系，從而更能體現(xiàn)虛擬環(huán)境的真實(shí)感。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展歷程

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)演變發(fā)展史大體上可以分為四個(gè)階段：1963年以前，蘊(yùn)涵虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)思想的第一階段；1963年～1972年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的萌芽階段；1973年～1989年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念和理論產(chǎn)生的初步階段；1990年至今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)理論的完善和應(yīng)用階段。[5]

第一階段:蘊(yùn)涵虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)思想的第一階段。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真技術(shù)是有關(guān)聯(lián)的，是對(duì)生物在大自然中的行為和感覺的一種模擬交互技術(shù)。風(fēng)箏，是中國古代人試驗(yàn)飛行器模型的最早發(fā)明，它是模擬飛行動(dòng)物和人之間交流聯(lián)系的自然場景，風(fēng)箏的形象、飛行的聲音以及空中飛行的軌跡是仿真技術(shù)在中國最早的應(yīng)用。西方發(fā)明家Edwin A.Link根據(jù)中國古代風(fēng)箏的原理發(fā)明了飛行模擬器，讓操作者能體會(huì)到真正乘坐飛機(jī)的感覺。1962年，Morton Heilig的“全傳感仿真器”的發(fā)明，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)理論的前身，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)理論提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。這三個(gè)較典型的發(fā)明，都為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)理論提供了理論基礎(chǔ)，有較為突出的貢獻(xiàn)。[5]

第二階段:虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的萌芽階段。1968年美國計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父Ivan Sutherlan創(chuàng)造了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑，它開發(fā)了第一個(gè)計(jì)算機(jī)圖形驅(qū)動(dòng)的頭盔顯示器HMD及頭部位置跟蹤系統(tǒng)。此階段為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本思想產(chǎn)生和理論發(fā)展開創(chuàng)了良好的開端，并且為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的探索奠定了良好的基礎(chǔ)。[5]

第三階段:虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念和理論產(chǎn)生的初步階段。這一時(shí)期出現(xiàn)了個(gè)比較典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，分別是VIDEOPLA?CE與VIEW。[5]

第四階段:虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)理論的完善和應(yīng)用階段。這一階段是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理想應(yīng)用性階段，在一些發(fā)達(dá)國家中及少數(shù)發(fā)展中國家中，此技術(shù)將普遍應(yīng)用到科研、飛行、醫(yī)學(xué)、軍事等人類生活的各個(gè)方面中。[5]

3 傳統(tǒng)村落保護(hù)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用研究

3.1 研究現(xiàn)狀

3.1.1 基于SU和3DSMAX的傳統(tǒng)村落建筑數(shù)字化重建

這一過程是整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵所在。在進(jìn)行三維建模之前，需對(duì)傳統(tǒng)村落進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集工作，并且掌握精確的數(shù)據(jù)。為更好地展現(xiàn)傳統(tǒng)村落中重點(diǎn)建筑的整體風(fēng)貌，需利用計(jì)算機(jī)3D軟件進(jìn)行這種由二維的規(guī)劃向三維的研究分析的轉(zhuǎn)型。

如劉媛等以衡陽市中田村為例，使用ArcGIS CityEngine軟件開展傳統(tǒng)民居建筑群三維建模。結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需要和傳統(tǒng)村落的實(shí)際狀況，選擇Sketch Up和3DSMAX進(jìn)行三維模型建立。[2]

3.1.1.1 利用Sketch Up的傳統(tǒng)村落三維建模

Sketch Up建模速度快，對(duì)于測繪數(shù)據(jù)的精確度要求較低，但同時(shí)建模精確度也較低，表現(xiàn)力較差。故利用Sketch Up進(jìn)行傳統(tǒng)村落建筑體量的表現(xiàn)以及位置關(guān)系的數(shù)字化重建工作。如段林峰等在贛縣白鷺傳統(tǒng)村落的保護(hù)工作中，利用Skecth Up對(duì)傳統(tǒng)村落中重點(diǎn)保護(hù)建筑進(jìn)行了三維模型建立。[3]

3.1.1.2 利用3DSMAX的傳統(tǒng)村落三維建模

3DSMAX的建模速度慢，對(duì)于測繪數(shù)據(jù)的精確度要求較高，同時(shí)模型的精確度也更高，表現(xiàn)力更強(qiáng)。故利用3DSMAX來表現(xiàn)傳統(tǒng)村落的重要的位置、體量和建筑風(fēng)貌。[6]

3.1.2 基于Lumion對(duì)傳統(tǒng)村落的混合現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的搭建

初期的混合現(xiàn)實(shí)場景類似于goole地圖中的街景，為再處理的真實(shí)影像，經(jīng)過特殊的技術(shù)和二維照片的變形來還原場景，這種方法效率較低、對(duì)硬件設(shè)備的要求較高，交互性也比較差。

3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳統(tǒng)村落保護(hù)中的優(yōu)勢

3.2.1 保護(hù)成本低

培養(yǎng)人員學(xué)會(huì)測繪工具的使用，數(shù)據(jù)的錄入，3D模型的制作就可以開展工作，不像傳統(tǒng)村落保護(hù)技術(shù)對(duì)工作人員的要求精度之高，而且省去部分修補(bǔ)工作，節(jié)省大量資金。

3.2.2 多感官效果

用戶處在模擬環(huán)境中不僅可以看到3D展示效果，而且聽覺觸覺和嗅覺與視覺都是同步的，產(chǎn)生身臨其境的感覺，對(duì)于傳統(tǒng)習(xí)俗文化的傳承有重要意義。[4]

3.2.3 全方位立體化展示

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬出幾乎與現(xiàn)實(shí)一樣的環(huán)境，在建筑物旁邊能看到什么，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就可以還原出相似度極高的環(huán)境，使用戶可以從多個(gè)角度立體觀察建筑物和環(huán)境。

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳統(tǒng)村落保護(hù)中存在的缺陷

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)雖適合應(yīng)用于傳統(tǒng)村落保護(hù)，但仍存在很多問題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身仍然存在著一些關(guān)鍵技術(shù)改善和突破的問題，主要可以概括為以下三點(diǎn)：1）大規(guī)模多目標(biāo)準(zhǔn)確及時(shí)定位。目前在已經(jīng)走向人們生活的VR產(chǎn)品中，當(dāng)數(shù)HTCVivePre的定位精確度最高，時(shí)間延遲最短。 2）感知的延伸。視覺是人體最重要、最繁雜、感受信息最多的傳感器。人類大部分的動(dòng)作的進(jìn)行都須要依托視覺，例如日常對(duì)障礙的躲避、抓取、識(shí)別等，但視覺并不是人們獨(dú)一無二的感受外界的通道。3）減輕眩暈和人眼疲勞。當(dāng)下所有上市的VR產(chǎn)品都會(huì)有使體驗(yàn)者產(chǎn)生眩暈和人眼疲勞的問題。

4 傳統(tǒng)村落保護(hù)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的改進(jìn)方向和展望

目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體現(xiàn)形式較為單一，主要體現(xiàn)在聽覺和視覺上，而傳統(tǒng)村落保護(hù)中人們更需要置身于其中的真實(shí)感，有以下幾種發(fā)展方向：1）虛擬動(dòng)態(tài)環(huán)境。為了真實(shí)地還原動(dòng)態(tài)三維場景，將三維靜態(tài)壞境進(jìn)一步深入刻畫，增加虛擬場景的豐滿程度與內(nèi)容體系的成熟程度。2）多感交互。在建立虛擬動(dòng)態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上，增加參與者對(duì)虛擬環(huán)境多方位的感受，不僅在聽覺和視覺上，更要在嗅覺和味覺上，通過物體感官的綜合反應(yīng)，深入體會(huì)傳統(tǒng)村落的文化魅力。[4]3）新型交互設(shè)備的研制。4）顯示技術(shù)。目前虛擬現(xiàn)實(shí)的展現(xiàn)方式有兩種，一是桌面級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)，二是高性能沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)。第一種形式雖簡便，但感覺不真實(shí)，第二種形式給人更真實(shí)的感受，但需要佩戴很繁重的設(shè)備，才能有更真實(shí)的感受，我們需要努力的即是場景的真實(shí)化以及設(shè)備的簡便化，使參與者能夠接受感官輸入。5）實(shí)時(shí)三維圖形生成。目前數(shù)據(jù)信息日新月異，數(shù)據(jù)需實(shí)時(shí)更新，雖然三維虛擬圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但我們的關(guān)鍵目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)生成”。提高傳統(tǒng)村落數(shù)據(jù)的刷新速度，體現(xiàn)傳統(tǒng)村落的時(shí)間變遷，是我們縱向深度的研究目標(biāo)。6）商業(yè)化合作。為帶動(dòng)傳統(tǒng)村落的經(jīng)濟(jì)，深入挖掘傳統(tǒng)村落內(nèi)在的價(jià)值，應(yīng)與當(dāng)?shù)氐墓?、企業(yè)進(jìn)行商業(yè)合作，加大對(duì)傳統(tǒng)村落虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究。

5 總結(jié)

隨著數(shù)字技術(shù)的日益更新，傳統(tǒng)村落整體完成數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)保護(hù)將會(huì)成為未來的發(fā)展方向，新技術(shù)的加入會(huì)對(duì)傳統(tǒng)村落文化遺產(chǎn)保護(hù)水平的提高起到關(guān)鍵性作用。本文圍繞虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳統(tǒng)村落保護(hù)中的應(yīng)用這個(gè)課題，首先對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳統(tǒng)村落保護(hù)中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳統(tǒng)村落保護(hù)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)和現(xiàn)存問題，針對(duì)問題提出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳統(tǒng)村落保護(hù)領(lǐng)域的優(yōu)勢，而后對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳統(tǒng)村落保護(hù)中的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。