VR技術(shù)在古建類產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)及建筑教學(xué)中的應(yīng)用

李紀(jì)偉 ，曹迎春，句建國

（河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002）

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的概念最早形成于40年前[1]，初期發(fā)展相對緩慢，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，該技術(shù)的發(fā)展也越來越快，應(yīng)用場景也越來越豐富[2]。目前，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、課程教學(xué)等方面[3]。然而，隨著VR技術(shù)的發(fā)展和普及，與之對應(yīng)的文化產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)意卻相對不足，用戶對優(yōu)質(zhì)VR內(nèi)容需求愈發(fā)強(qiáng)烈，找到適合VR技術(shù)的切入點(diǎn)，研發(fā)優(yōu)質(zhì)的VR產(chǎn)品與應(yīng)用迫在眉睫。中國古建筑展示著我國的傳統(tǒng)文化，承載著中華民族的文明和底蘊(yùn)，是非常優(yōu)質(zhì)的VR內(nèi)容。而且VR技術(shù)在古建類產(chǎn)品開發(fā)和教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，可以擺脫傳統(tǒng)意義上的時(shí)空限制，使用戶及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生能夠更清楚地認(rèn)知、了解古代建筑藝術(shù)，并可以傳播建筑本體之外的文化、歷史。因此，研究和開發(fā)古建類產(chǎn)品并在教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用具有重要的意義與價(jià)值。

2 古建類虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的開發(fā)需求

中國古建筑是我國歷史文化的重要載體，現(xiàn)存最早的建筑距今已有1200年的歷史[4]。在歷史發(fā)展的過程中出現(xiàn)了多種多樣的建筑形式，包括宮殿建筑、園林建筑、陵寢建筑、民居建筑等，這些建筑形式的空間要求、建造方法、組成部分各不相同。一般人和初學(xué)者很難進(jìn)行區(qū)分辨認(rèn)，更加難以進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。只有通過接觸大量的實(shí)物才能更好的掌握這些知識。

然而中國古建筑遍布全國各地，而且很大一部分古建筑已經(jīng)消失，采用實(shí)物學(xué)習(xí)的方法難度較大。通過開發(fā)相關(guān)的古建類虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品可以彌補(bǔ)這些不足，使初學(xué)者和感興趣的人通過電腦和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)，能夠極大的提高學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)習(xí)質(zhì)量，使學(xué)習(xí)者更加方便快捷的獲取相關(guān)知識。然而目前針對古建類虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品開發(fā)過程的研究相對較少，因此需要對這類產(chǎn)品的開發(fā)過程展開研究。

3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的古建類產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)

圖1 古建類虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品開發(fā)流程

開發(fā)古建類虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，并達(dá)到理想的使用效果，首先需要對古建筑的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，分析其空間特點(diǎn)、文化特點(diǎn)、建筑特點(diǎn)。獲取這些信息后，控制其主要的空間效果和建筑構(gòu)成，之后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字還原，具體開發(fā)流程如圖1所示，主要分為以下幾個(gè)步驟。

3.1 確定開發(fā)對象，制定制作計(jì)劃

不同的開發(fā)對象具有不同的側(cè)重點(diǎn)，園林類古建側(cè)重于空間環(huán)境的營造；宮殿類建筑側(cè)重于建筑空間布局與氣氛；單體類建筑則側(cè)重于建筑構(gòu)造組成與細(xì)節(jié)，需要根據(jù)這些開發(fā)對象的不同進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)并制定相應(yīng)的計(jì)劃。

3.2 總平面勘測

確定開發(fā)對象后需要對總平面進(jìn)行勘測，主要通過現(xiàn)場調(diào)研、文獻(xiàn)查閱等技術(shù)手段采集相關(guān)信息，將建筑、場地、植物的具體信息進(jìn)行收集，整理成總圖數(shù)據(jù)資料。在此階段需要重點(diǎn)勘測地形，記錄建筑的位置與總體尺寸，并注意采集總圖中的紋理信息、植被信息等，使整個(gè)空間場景形成清晰完整的數(shù)據(jù)資料。

3.3 單體測繪

總圖信息采集完成后，開始對單體建筑進(jìn)行測繪，單體測繪需要測量建筑的平面、立面以及剖面，并且需要對建筑的構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)的測量，尤其需要注意構(gòu)件上的彩繪及雕刻，這主要是由于單體類產(chǎn)品將以虛擬拆裝組合作為產(chǎn)品的核心功能，所以需要盡可能的獲取細(xì)致的構(gòu)件信息。

3.4 計(jì)算機(jī)建模

將上一階段收集整理完成的數(shù)據(jù)資料輸入計(jì)算機(jī)，形成計(jì)算機(jī)可以識別的信息，然后使用計(jì)算機(jī)建模系統(tǒng)將構(gòu)件、建筑、場地、植被等轉(zhuǎn)化成為三維的計(jì)算機(jī)模型，為虛擬仿真構(gòu)建數(shù)字基礎(chǔ)。

3.5 導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件

綜合三維信息模型，同時(shí)參考根據(jù)開發(fā)對象的不同對每個(gè)文件進(jìn)行分析、研究、調(diào)試、整理，最后完成整個(gè)古建產(chǎn)品的虛擬三維場景再現(xiàn)，把制作好的文件信息導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件進(jìn)行整合、調(diào)整、修改，使其盡量達(dá)到再現(xiàn)古建筑真實(shí)效果的程度。

3.6 信息交互反饋，完成產(chǎn)品開發(fā)

將完成的信息模型導(dǎo)入交互系統(tǒng)，通過外界的信息輸入與操作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和信息反饋，最終實(shí)現(xiàn)完美的仿真效果，再現(xiàn)古建筑的真實(shí)風(fēng)采，完成古建筑虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的開發(fā)。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品案例開發(fā)及在教學(xué)中的應(yīng)用

4.1 案例的選擇

本次開發(fā)案例選擇保定市古蓮花池作為研究對象，以驗(yàn)證前期研究成果。古蓮花池為歷史上的“十大名園”之一，在中國園林歷史發(fā)展過程中具有重要?dú)v史意義，且具有極大的歷史與文化價(jià)值。

保定古蓮花池具有獨(dú)特的北方園林空間，與南方園林的曲徑通幽不同，其空間更注重地形的利用和開闊景觀的營造，因此具有獨(dú)特的歷史文化價(jià)值。園林在景觀布置時(shí)結(jié)合地形巧妙的設(shè)置亭、臺、樓、閣，有“小西湖”之稱[5]。目前園內(nèi)尚存藻泳樓、寒綠軒、君子長生館等古建筑。由于經(jīng)過歷史上的多次破壞與損毀，而且地處與保定市裕華路商業(yè)街，周邊商業(yè)氛圍濃厚，已經(jīng)完全沒有古代時(shí)候的空間環(huán)境。且由于場地、建筑的變遷與破壞，最初建造時(shí)候的意境已經(jīng)消失殆盡，乾隆時(shí)期的“蓮池十二景”也已經(jīng)殘缺不全。由于其重要的文化價(jià)值和在園林史中的地位，需要將其開發(fā)為虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，展示其重要文化內(nèi)涵，挖掘其歷史文化價(jià)值。

4.2 虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品開發(fā)過程

首先，根據(jù)開發(fā)要求，對古蓮花池周邊環(huán)境地形地貌等進(jìn)行考察，采用圖像拍攝，實(shí)地勘察的調(diào)研方法，對現(xiàn)存古建、道路、景觀等進(jìn)行測繪。通過這些進(jìn)行分析和比對，對當(dāng)時(shí)園林內(nèi)的情況進(jìn)行細(xì)致的分析與處理。結(jié)合歷史資料中的建筑形制，建筑規(guī)模，建筑位置，園林平面等具體信息，對要開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的地形、河岸、建筑、景觀小品、山石、植物進(jìn)行空間整體布局分析。

接下來，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的錄入及幾何模型的創(chuàng)建。利用AutoCAD等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行平面的分布數(shù)據(jù)整理，把各個(gè)位置的建筑場景信息繪制在電子圖紙上。再運(yùn)用3Dmax等三維建模軟件進(jìn)行建筑、地形、河岸、池塘、植物的模型制作，將采集的真實(shí)紋理還原到模型上。在模型建立過程中要注意模型的精簡和面域的合并，盡可能的減少模型數(shù)據(jù)信息，以便提高計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理速度，高速還原場景。隨后，在三維建模軟件中進(jìn)行烘焙處理，將紋理和光影信息賦予到模型上，導(dǎo)入虛擬漫游處理軟件，進(jìn)行空間分析和調(diào)試，創(chuàng)建和還原真實(shí)場景，如圖2所示。

圖2 古蓮花池虛擬全景

最后，進(jìn)行綜合調(diào)整，實(shí)現(xiàn)古蓮花池的虛擬漫游，通過外部輸入信息，計(jì)算機(jī)發(fā)生反饋，逐步調(diào)試，試驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)了古蓮花池的建筑復(fù)原及虛擬漫游產(chǎn)品的開發(fā)。

4.3 在教學(xué)中的應(yīng)用

將開發(fā)出的古蓮花池虛擬漫游系統(tǒng)在建筑學(xué)專業(yè)的建筑設(shè)計(jì)及建筑歷史課程中進(jìn)行應(yīng)用，學(xué)生在課堂上可以使用這個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，在虛擬場景里進(jìn)行自由學(xué)習(xí)。通過在虛擬的場景里的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠更好地把握古園林的空間意境，更深入的了解古建筑的構(gòu)造細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了良好的教學(xué)效果。

5 結(jié)語

中國的古建筑記錄著歷史發(fā)展的滄桑歲月，承載著中華的文明，具有極高的歷史價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值和科研價(jià)值，體現(xiàn)了歷史的變遷、興衰、演化，也體現(xiàn)了人類文化的進(jìn)化脈絡(luò)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對古代建筑進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，能夠讓這些人類文化發(fā)展的產(chǎn)物生動(dòng)的呈現(xiàn)在我們面前，更好的來延續(xù)中華民族的文明。