基于VR技術(shù)的沉浸式建筑漫游與交互設(shè)計(jì)

趙鋒 程科 靖亮

摘? 要：通過(guò)分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑漫游中的應(yīng)用，探討了沉浸式建筑漫游與交互設(shè)計(jì)制作過(guò)程，并以武漢中共五大會(huì)址紀(jì)念館為實(shí)景開發(fā)虛擬漫游交互系統(tǒng)，通過(guò)添加人機(jī)交互碰撞檢測(cè)和HTC Vive頭戴顯示設(shè)備，借助操控手柄實(shí)現(xiàn)沉浸式建筑漫游和交互系統(tǒng)。體驗(yàn)結(jié)果表明，全方位的沉浸式漫游使體驗(yàn)者與建筑的互動(dòng)性更加強(qiáng)烈，心理上更加親近，人與建筑關(guān)系更為融合。

關(guān)鍵詞：中共五大會(huì)址;建筑漫游;虛擬漫游;交互設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）24-0105-05

Immersive Architecture Roaming and Interactive Design Based on VR Technology

——A Case Study of the Memorial Hall of the Fifth National Congress of the CPC

ZHAO Feng1，2，CHENG Ke1，2，JING Liang1

（1.Research Center of Modern Public Visual Art and Design，Hubei Institute of Fine Arts，Wuhan? 430060，China;

2.Hubei Institute of Fine Arts，Wuhan? 430205，China）

Abstract：By analyzing the application of VR technology in architecture roaming ，this paper discusses the making process of immersive architectural roaming and interactive design，and virtual roaming interactive system is developed with the Memorial Hall of the Fifth National Congress of the CPC in Wuhan as the real scene. By adding human-computer interaction collision detection and HTC Vive headset display device，the immersive architecture roaming and interactive system is realized with the help of the control handle. The experience results show that the omni-directional immersive roaming makes the interaction between experiencers and buildings more strongly，closer psychologically，and the relationship between people and buildings is more harmonious.

Keywords：site of the Fifth National Congress of the CPC;architecture roaming;virtual roaming;interactive design

0? 引? 言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）是一種多學(xué)科綜合交叉應(yīng)用的人機(jī)交互技術(shù)，利用這種技術(shù)開發(fā)的虛擬場(chǎng)景漫游通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)形象逼真的虛擬感覺空間，可以讓用戶體驗(yàn)到身臨其境的感覺，因此，近年來(lái)越來(lái)越受到文化遺產(chǎn)復(fù)原和文物保護(hù)界的重視和應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，三維建模和沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)工具的使用，可以進(jìn)一步促進(jìn)人與文化遺產(chǎn)的距離[1]。沉浸式漫游具有高度的沉浸感、多感知性和交互性特征，更容易產(chǎn)生心理沉浸和共鳴?；赩R技術(shù)的沉浸式建筑漫游以其獨(dú)特的第一視角鏡頭和實(shí)時(shí)交互的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)中，能有力增強(qiáng)建筑文化遺產(chǎn)的影響力，也為其知識(shí)傳承提供了新的發(fā)展動(dòng)力和活力。

1? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑漫游中的應(yīng)用

建筑漫游是對(duì)建筑的空間、布局、景觀、裝飾、家居陳設(shè)和材質(zhì)等進(jìn)行的三維虛擬仿真，是突破時(shí)間和空間限制對(duì)建筑進(jìn)行數(shù)字化還原和零距離接觸的展示應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)文化遺產(chǎn)的數(shù)字復(fù)原和虛擬漫游呈現(xiàn)出兩大特點(diǎn)：一是內(nèi)容上主要集中在古遺址、古建筑、古村落和一些具有重要文化符號(hào)代表性質(zhì)的壁畫、石刻、雕像、繪畫等，這些虛擬漫游場(chǎng)景本身涵蓋有建筑的漫游和交互實(shí)踐內(nèi)容，包括較多具有革命紀(jì)念意義的紅色建筑。二是技術(shù)上多采用三維全景動(dòng)態(tài)交互的方式，通過(guò)固定視點(diǎn)360度環(huán)視，利用實(shí)景照片構(gòu)建出立體空間形態(tài)，從而還原最真實(shí)的展示現(xiàn)場(chǎng)，其優(yōu)勢(shì)是拍攝制作速度快，畫面質(zhì)量高，無(wú)須復(fù)雜的建模和貼圖，缺點(diǎn)是自主交互性差，視點(diǎn)固定有較大局限性。

近年來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)家對(duì)該領(lǐng)域的投資開發(fā)，依托虛擬引擎和外接頭顯設(shè)備實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)沉浸式漫游系統(tǒng)在建筑文化領(lǐng)域獲得廣泛運(yùn)用，并逐漸展現(xiàn)出其全方位、多維度、自主和交互性體驗(yàn)優(yōu)勢(shì)。2006年，清華大學(xué)就開始研究虛擬重建并率先在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了圓明園部分建筑的虛擬漫游[2]。2018年，“萬(wàn)物有靈·清華大學(xué)文化遺產(chǎn)保護(hù)與創(chuàng)新成果展”中展示了基于沉浸體驗(yàn)設(shè)備開發(fā)的湖南益陽(yáng)虛擬明清古巷。國(guó)內(nèi)建筑漫游系統(tǒng)還有廣東韶關(guān)的南華寺、四川樂山文廟大成殿，山西榆次老城街道等數(shù)不勝數(shù)。在紅色建筑領(lǐng)域，全國(guó)各地開發(fā)和推廣的虛擬漫游項(xiàng)目也不計(jì)其數(shù)，內(nèi)容涉及革命博物館、紀(jì)念館、會(huì)議舊址、舊居、烈士陵園等，使紅色文化遺產(chǎn)在新時(shí)代依舊煥發(fā)著青春的活力和獨(dú)特的價(jià)值。

2? 沉浸式建筑漫游與交互設(shè)計(jì)制作過(guò)程

虛擬建筑漫游的制作過(guò)程一般包括：首先確定需要實(shí)現(xiàn)漫游建筑的結(jié)構(gòu)、布局和風(fēng)格，進(jìn)而開展基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建筑漫游主體制作[3]，我們可以將其分成三個(gè)環(huán)節(jié)，即采集素材3D建模、導(dǎo)入引擎設(shè)置場(chǎng)景、添加交互體驗(yàn)測(cè)試：

（1）采集素材3D建模。正常情況下，虛擬建筑漫游項(xiàng)目首先需要根據(jù)建筑實(shí)景或有確切數(shù)據(jù)的檔案、照片等來(lái)參考確定建筑的風(fēng)格、大小和布局，然后通過(guò)三維建模軟件在虛擬空間中構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的建筑模型。項(xiàng)目組在著手開始三維建模之前，多次赴現(xiàn)場(chǎng)對(duì)紀(jì)念館建筑進(jìn)行了多角度和全景、特寫鏡頭拍攝，獲得了一系列寶貴的建筑實(shí)景圖片。通過(guò)查閱紀(jì)念館的圖文檔案和網(wǎng)絡(luò)資料，搜集了建筑的尺寸、結(jié)構(gòu)、功能、裝飾紋理和陳設(shè)等紙質(zhì)和電子資料，對(duì)建筑的人文脈絡(luò)和歷史變遷也做了充分的探討和分析，力求能夠讓建模場(chǎng)景更有穿越感，更能夠貼近現(xiàn)實(shí)。這一環(huán)節(jié)的制作主要借助圖像處理和三維建模軟件，目前市面上主流的適合建筑建模的軟件有3ds Max、Maya、SketchUp、Rhino等，也有部分項(xiàng)目借助一定的設(shè)備通過(guò)環(huán)繞圖像全自動(dòng)方式三維建模。本項(xiàng)目采用3ds Max作為建模工具，后期對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化處理，對(duì)貼圖進(jìn)行了必要的質(zhì)感和光影制作，使模型看起來(lái)更加的逼真。3D建模完成以后，將其導(dǎo)出為FBX格式后再導(dǎo)入虛擬引擎即可。

（2）導(dǎo)入引擎設(shè)置場(chǎng)景。這一環(huán)節(jié)的主要操作都集中在虛擬引擎上。目前主流的虛擬引擎主要是Unity3D和Unreal，本項(xiàng)目采用的是Unity3D引擎。在Unity3D中，Shader是材質(zhì)的模板，Material是一個(gè)材質(zhì)實(shí)例。將3D模型導(dǎo)入到引擎后，通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)Material并將這個(gè)Material的Shader設(shè)定為準(zhǔn)備好的材質(zhì)，然后可以直接將Material逐個(gè)拖到對(duì)象上賦予材質(zhì)，再調(diào)整材質(zhì)參數(shù)，從而達(dá)到理想效果。由于Unity3D引擎無(wú)法讀取3D模型中的材質(zhì)和燈光信息，項(xiàng)目組后期借助引擎的材質(zhì)系統(tǒng)和光照系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行了補(bǔ)充。Unity3D提供了四種不同類型的光源，并且有兩種不同的技術(shù)用于預(yù)計(jì)算實(shí)時(shí)光照和反射光。通過(guò)調(diào)整燈光的顏色、大小、方向和強(qiáng)度，配合材質(zhì)調(diào)整中的高光、反光、折射、反射等參數(shù)，提升了場(chǎng)景畫面的質(zhì)感和真實(shí)感。

（3）添加交互體驗(yàn)測(cè)試。在虛擬漫游系統(tǒng)中添加交互，可以增加系統(tǒng)的趣味性和用戶體驗(yàn)的真實(shí)性。Unity3D可以實(shí)現(xiàn)用戶與建筑內(nèi)物品的互動(dòng)，還可以通過(guò)手柄對(duì)場(chǎng)景中特定對(duì)象激活UI進(jìn)行說(shuō)明，通過(guò)射線檢測(cè)和碰撞來(lái)更改場(chǎng)景中物體的標(biāo)簽和位移等。在建筑漫游的交互環(huán)節(jié)中尤其還需要注意避免穿墻而過(guò)以及碰撞反饋等細(xì)節(jié)，必要時(shí)可以應(yīng)用動(dòng)畫控制器來(lái)切換組件，以確保動(dòng)作的連貫性。項(xiàng)目完成后根據(jù)需要先進(jìn)行平臺(tái)測(cè)試發(fā)布，以檢測(cè)渲染效果和動(dòng)作交互，包括多模型之間的拼接銜接、系統(tǒng)平臺(tái)的兼容性等，最終可以導(dǎo)出為一個(gè)可執(zhí)行程序，借助頭顯設(shè)備，用戶可以沉浸到虛擬建筑環(huán)境中進(jìn)行交互體驗(yàn)。

3? 中共五大會(huì)址紀(jì)念館沉浸式漫游與交互設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1? 項(xiàng)目研究背景

為迎接中國(guó)共產(chǎn)黨成立100周年慶?；顒?dòng)，營(yíng)造濃厚的學(xué)術(shù)研究氛圍，并突出新時(shí)代愛國(guó)主義教育基地的作用，從2019年開始，在湖北省教育廳和湖北美術(shù)學(xué)院現(xiàn)代公共視覺藝術(shù)設(shè)計(jì)研究中心項(xiàng)目基金支持下，通過(guò)協(xié)調(diào)湖北美術(shù)學(xué)院的專業(yè)設(shè)計(jì)和技術(shù)團(tuán)隊(duì)力量，項(xiàng)目組先后在紅色建筑虛擬沉浸漫游和紅色文化遺產(chǎn)數(shù)字化復(fù)原方面開展了一系列研究和開拓工作，并以武漢革命博物館為重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了涵蓋武昌農(nóng)民運(yùn)動(dòng)講習(xí)所舊址、毛澤東同志舊居和中共五大會(huì)址紀(jì)念館在內(nèi)的多所革命建筑和紅色文化遺產(chǎn)數(shù)字化復(fù)原及自主交互沉浸漫游，本文為項(xiàng)目研究系列成果之一。

中共五大會(huì)址紀(jì)念館是武漢革命博物館下轄場(chǎng)館之一，建筑面積約3 611平方米，舊址原為1918年創(chuàng)辦的國(guó)立武昌高等師范附屬小學(xué)，現(xiàn)保存有4棟原建筑。該館建筑最大的特點(diǎn)是中西合璧，臨街二層門樓為西方古典主義風(fēng)格，上有巴洛克式花雕，館內(nèi)建筑呈三面合圍院落。建筑群為內(nèi)廊式布局，相互之間設(shè)有通廊和環(huán)繞四周的游廊，建筑內(nèi)設(shè)有推拉式玻璃窗和隱蔽通風(fēng)窗，具有鮮明的地域特征。整體色調(diào)為青瓦灰磚紅柱，古樸典雅。

優(yōu)秀歷史建筑的建筑樣式、施工工藝和工程技術(shù)具有建筑藝術(shù)特色和科學(xué)研究?jī)r(jià)值[4]。本項(xiàng)目以武漢中共五大會(huì)址紀(jì)念館為實(shí)景開發(fā)虛擬漫游交互系統(tǒng)，內(nèi)容包括臨街門樓、庭院、小禮堂和陳列館等。項(xiàng)目規(guī)劃通過(guò)三維建模后進(jìn)行紋理映射材質(zhì)貼圖，并結(jié)合實(shí)景布置花草樹木，實(shí)現(xiàn)數(shù)字建筑與周圍環(huán)境的緊密結(jié)合。運(yùn)用虛擬引擎實(shí)時(shí)渲染，通過(guò)C#代碼實(shí)現(xiàn)碰撞交互，利用HTCVIVE虛擬設(shè)備進(jìn)行體驗(yàn)，用戶可以深入到虛擬空間沉浸漫游，全方位參觀紀(jì)念館的每個(gè)角落和物件，并可以借助操控手柄實(shí)現(xiàn)虛擬空間內(nèi)的自由移動(dòng)和交互操作。

3.2? 構(gòu)建中共五大會(huì)址紀(jì)念館三維模型

虛擬景觀漫游在場(chǎng)景建模盡可能精致和還原的基礎(chǔ)上，能給未能前往該景觀的觀眾提供第一視角觀看的效果[5]。在具體創(chuàng)作過(guò)程中，首先利用Maya對(duì)建筑進(jìn)行逐個(gè)三維建模，然后分別導(dǎo)入FBX文件到Unity地形中進(jìn)行場(chǎng)景構(gòu)建，再綜合考慮光照、材質(zhì)、貼圖和花草樹木等環(huán)境素材并設(shè)定好漫游范圍。三維建模過(guò)程中，幾個(gè)關(guān)鍵部分的建模思路為：

（1）臨街門樓。臨街門樓由于采用了中西融合風(fēng)格，建筑內(nèi)外立面迥然不同。入口為圓形拱門，上端設(shè)有凹型圓玻璃亮窗，門兩側(cè)各設(shè)立柱兩根，形成一個(gè)中式牌坊框架，居中有矩形雕花匾額，頂端飾有祥云拱衛(wèi)的立柱和旗桿。門樓外側(cè)開間二層各設(shè)有一個(gè)挑空小陽(yáng)臺(tái)，裝飾有鐵花欄桿，內(nèi)側(cè)為紅柱支撐連廊連接的上下兩層開窗白墻居室，兩側(cè)房屋覆蓋青色小瓦。二層安裝有紅色立柱和木質(zhì)扶手欄桿，環(huán)繞整個(gè)連廊，紅色立柱沿入口分列貫穿建筑上下兩層，有石質(zhì)柱礎(chǔ)保護(hù)底座柱腳，防止受潮和地面塌陷。為保持虛擬漫游過(guò)程中該建筑的獨(dú)特性，項(xiàng)目組對(duì)臨街門樓進(jìn)行了單獨(dú)建模并上色，在建筑結(jié)構(gòu)上與實(shí)景保持一致，如圖1所示。

（2）裝飾雕花。在入口拱門兩端和居中位置，以及兩側(cè)四根立柱上，分別刻有不同類型的雕花，如圖2所示。拱門門柱雕刻疑為君子蘭，左右對(duì)稱陳列，古語(yǔ)有“與人之善，如入芝蘭之室，久不聞則其香化矣”，建筑雕刻中人們習(xí)慣芝蘭同用，比喻君子之交。兩側(cè)立柱上雕刻比較復(fù)雜，有梅、蘭、竹、菊等四季花卉配合葡萄瓜果紋樣，寓意“四季如意”。這些雕刻紋飾樣式各異，風(fēng)格獨(dú)特，極富情趣和寓意，項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)建模上色后，再逐一貼合到墻壁特定的位置。

（3）內(nèi)部建筑。進(jìn)入拱門后有一個(gè)庭院，中央鋪設(shè)草坪，一棟西式風(fēng)格的學(xué)宮式兩層建筑最為顯眼，紅色立柱連廊與入口建筑相互映襯。該建筑為原學(xué)校風(fēng)雨操場(chǎng)，即五大會(huì)議開幕式會(huì)場(chǎng)，其左側(cè)為一棟歐式拱形門窗的兩層建筑，右側(cè)為一棟單層居室。通過(guò)Maya把設(shè)計(jì)完成的建筑模型導(dǎo)出為FBX格式文件，再導(dǎo)入U(xiǎn)nity場(chǎng)景中進(jìn)行了整合，圖3為五大開幕式會(huì)場(chǎng)所在地風(fēng)雨操場(chǎng)模型圖，供雨雪天氣學(xué)生室內(nèi)運(yùn)動(dòng)使用。

（4）室內(nèi)物件。開幕式會(huì)場(chǎng)建模過(guò)程中除了常規(guī)的發(fā)言席、主席臺(tái)和臺(tái)下條凳外，同時(shí)還原了當(dāng)年會(huì)場(chǎng)的很多附屬擺設(shè)，如會(huì)場(chǎng)兩側(cè)供參會(huì)者休憩使用的書桌、茶壺、水杯，用來(lái)記錄會(huì)議紀(jì)要的手動(dòng)打字機(jī)，用來(lái)存放會(huì)議文件的皮箱等，墻上的標(biāo)語(yǔ)和橫幅完全參照當(dāng)年記錄進(jìn)行了貼圖處理。這些室內(nèi)物件在漫游過(guò)程中可以通過(guò)手柄進(jìn)行觸碰交互，能更好體驗(yàn)當(dāng)年參會(huì)者的感受與狀態(tài)。

3.3? 沉浸漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沉浸漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)為使用VR設(shè)備進(jìn)行自主漫游，用戶戴上HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，通過(guò)頭部轉(zhuǎn)向即可實(shí)現(xiàn)自主控制漫游方向，利用瞬移系統(tǒng)的拋物線實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)位移，降低用戶的疲勞和眩暈感。在特定落腳點(diǎn)會(huì)顯示操作菜單，通過(guò)手柄射線可以激活菜單選項(xiàng)，扣動(dòng)扳機(jī)實(shí)現(xiàn)菜單功能，通過(guò)手柄觸碰可以對(duì)室內(nèi)部分物品進(jìn)行抓取、旋轉(zhuǎn)瀏覽、改變位置等，從而獲得交互漫游體驗(yàn)。

系統(tǒng)采用Unity3D結(jié)合HTCVIVE虛擬設(shè)備實(shí)現(xiàn)，電腦處理器為Intel（R）Core（TM） i7-9750H，16 GB內(nèi)存，顯卡選擇了NVIDIA GeForce GTX 1660Ti，64位Window 10操作系統(tǒng)，預(yù)安裝有Steam VR和HTC VIVE相關(guān)軟硬件設(shè)備。Unity3D所使用的版本為2017.1.0f3，在Unity3D中通過(guò)導(dǎo)入Steam VR Plugin插件實(shí)現(xiàn)手柄與虛擬物體和UI元素的交互功能，圖4為體驗(yàn)者佩戴HTC VIVE設(shè)備進(jìn)行漫游體驗(yàn)。

圖5為臨街門樓的虛擬場(chǎng)景，外觀裝飾與內(nèi)部建筑風(fēng)格迥異。圖6為內(nèi)部庭院及花草環(huán)境場(chǎng)景，庭院中央為綠色草坪。為減少硬件設(shè)備負(fù)擔(dān)，使漫游更加流暢，增強(qiáng)沉浸體驗(yàn)，在Unity中分成了室外室內(nèi)兩個(gè)場(chǎng)景，在開幕式會(huì)場(chǎng)大門處設(shè)置有一個(gè)隱藏的場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)觸發(fā)矩形，通過(guò)加載場(chǎng)景管理相關(guān)命名空間并設(shè)置碰撞范圍，利用碰撞觸發(fā)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)室外漫游場(chǎng)景的跳轉(zhuǎn)。圖7為虛擬室內(nèi)場(chǎng)景及相關(guān)物件，借助手柄可以與物件進(jìn)行包括觸碰抓取、360度旋轉(zhuǎn)瀏覽等交互操作。

4? 結(jié)? 論

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的普及，以沉浸和交互為最大特點(diǎn)的虛擬建筑漫游越來(lái)越受歡迎。本文以中共五大會(huì)址的實(shí)景建筑為研究對(duì)象，通過(guò)建模并導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)引擎軟件，構(gòu)建了沉浸式建筑漫游與交互系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行體驗(yàn)結(jié)果表明，虛擬建筑漫游系統(tǒng)新穎、沉浸感強(qiáng)、交互方式獨(dú)特，能較為真實(shí)地體驗(yàn)會(huì)場(chǎng)原貌及庭院環(huán)境，有效地拉近了人與建筑遺產(chǎn)的距離。后續(xù)將進(jìn)一步完善沉浸漫游功能，提供不同環(huán)境氣候條件和光照下的虛擬場(chǎng)景，以更豐富的交互體驗(yàn)內(nèi)容展現(xiàn)會(huì)址建筑的風(fēng)采。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭小武，王榮海，范燁，等.泉州古刺桐港虛擬漫游系統(tǒng) [J].軟件工程，2020，23（8）：59-62.

[2] 周寧，王家廞，趙雁南，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的中國(guó)古建筑虛擬重建 [J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2006（18）：200-203.

[3] 吳文豪，周婕.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建筑室內(nèi)沉浸式漫游展示與交互設(shè)計(jì) [J].科技視界，2018（13）：20-21.

[4] 金淼，易愛華，朱家文，等.歷史保護(hù)建筑的三維全景展示研究 [J].土木建筑工程信息技術(shù)，2013，5（2）：37-40.

[5] 周玲，潘柔，韓建勤.南華寺虛擬古建筑景觀漫游的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].信息與電腦（理論版），2020，32（7）：119-121.

作者簡(jiǎn)介：趙鋒（1980.03—），男，漢族，湖北棗陽(yáng)人，副教授，碩士，研究方向：數(shù)字虛擬藝術(shù);程科（1981.07—），男，漢族，山東淄博人，講師，碩士，研究方向：影像研究;靖亮（1981. 09—），男，漢族，河南濮陽(yáng)人，講師，碩士，研究方向：游戲美術(shù)。