嘉興子城遺址公園VR交互式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙健 蔣麗霞 隋龍飛

收稿日期：2023-08-29

基金項(xiàng)目：2021年嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（jzyx201910）；2022年浙江省詩(shī)路文化帶專項(xiàng)資金項(xiàng)目（21408010022）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.030

摘? 要：針對(duì)嘉興子城遺址公園的歷史文化地位，提出以VR技術(shù)對(duì)景區(qū)進(jìn)行虛擬仿真數(shù)字化呈現(xiàn)的方法?；赨nity3D游戲引擎設(shè)計(jì)了一套VR交互式系統(tǒng)，采用3Ds Max對(duì)景區(qū)主體建筑進(jìn)行三維建模并通過(guò)減面插件及相關(guān)命令優(yōu)化模型，采用Unity3D進(jìn)行模型導(dǎo)入、UI設(shè)計(jì)、場(chǎng)景環(huán)境設(shè)置，利用C#腳本代碼實(shí)現(xiàn)交互設(shè)計(jì)。系統(tǒng)對(duì)子城遺址公園全貌進(jìn)行實(shí)景化還原，并能實(shí)現(xiàn)漫游、文物介紹、互動(dòng)游戲等功能，對(duì)提供教育科普與學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)、推動(dòng)旅游與文化交流、傳承和弘揚(yáng)歷史文化具有積極意義。

關(guān)鍵詞：子城遺址；VR；Unity3D；交互

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2024）06-0140-05

Design and Implementation of VR Interactive System for Jiaxing Zicheng Ruins Park

ZHAO Jian1， JIANG Lixia2， SUI Longfei1

（1.School of Internet， Jiaxing Vocational and Technical College， Jiaxing? 314036， China;

2.School of Culture and Tourism， Jiaxing Vocational and Technical College， Jiaxing? 314036， China）

Abstract： In response to the historical and cultural status of Jiaxing Zicheng Ruins Park， a virtual simulation digital presentation method for scenic spots using VR technology is proposed. Based on the Unity3D game engine， a VR interactive system is designed. The 3Ds Max is used to model the main building of the scenic spots and optimize the model through the surface reduction plug-in and related commands. Unity3D is used for model import， UI design， scene environment setting， and C # script code is used to realize interactive design. The system provides a realistic restoration of the entire landscape of the Zicheng Ruins Park， and it can achieve functions such as roaming， introducing cultural relics， and interactive games. It has a positive significance in providing education， science popularization and learning opportunities， promoting tourism and cultural exchange， and inheriting and promoting historical and cultural heritage.

Keywords： Zicheng ruins; VR; Unity3D; interaction

0? 引? 言

嘉興子城遺址公園位于中國(guó)浙江省嘉興市，是一處具有豐富歷史文化底蘊(yùn)的博物館式公園。該遺址公園是以南宋時(shí)期（公元1127—1279年）的重要軍事要塞和商貿(mào)中心——嘉興子城遺址為核心，通過(guò)保護(hù)、修復(fù)和展示，向人們呈現(xiàn)了一個(gè)古老城市的建筑風(fēng)貌和歷史變遷。遺址公園占地30余萬(wàn)平方米，其中包括子城城墻、街道、民居、官署、廟宇等建筑遺址[1]。園內(nèi)現(xiàn)代化的建筑與古老的文化遺址相得益彰，成為嘉興歷史文化旅游的重要景點(diǎn)之一，游客們?cè)谶@里能夠領(lǐng)略到豐富的歷史文化內(nèi)涵，感受到嘉興這座城市悠久而獨(dú)特的歷史傳承。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， VR）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)人文歷史和自然地理遺產(chǎn)的還原、保護(hù)和開(kāi)發(fā)，在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛的認(rèn)同[2]，也為文化旅游等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)注入了生機(jī)。利用VR開(kāi)發(fā)數(shù)字文旅項(xiàng)目，通過(guò)科技手段讓游客置身其中，超脫時(shí)空限制，體會(huì)虛擬現(xiàn)實(shí)的神秘感與科技感，既能保護(hù)文物，又有身臨其境的體驗(yàn)機(jī)會(huì)。在VR項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，深度挖掘景點(diǎn)歷史背景和文化內(nèi)涵，讓游客在深入的體驗(yàn)與互動(dòng)中，深刻了解景點(diǎn)文化，提升景點(diǎn)的社會(huì)價(jià)值，不僅有利于刺激旅游需求和旅游消費(fèi)，還有利于提高中華民族的文化自覺(jué)和文化自信，進(jìn)而激發(fā)人們對(duì)文化的熱愛(ài)和保護(hù)傳統(tǒng)的觀念。

1? 嘉興子城遺址公園VR交互式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在文獻(xiàn)分析與實(shí)地考察、搜集資料的基礎(chǔ)上，利用子城遺址公園現(xiàn)有信息，深入研究子城遺址人文歷史、風(fēng)俗文化、傳奇故事，遵循歷史，尊重文化，為嘉興子城遺址公園VR系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要功能、展示內(nèi)容與交互效果等，包括子城場(chǎng)景漫游、文物發(fā)掘、歷史典故情景還原，以及與子城歷史文化知識(shí)緊密相關(guān)的答題、復(fù)原文物、拼圖等互動(dòng)游戲，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.1? 開(kāi)發(fā)工具

系統(tǒng)采用具有跨多種平臺(tái)優(yōu)勢(shì)的引擎Unity3D進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這是一款跨平臺(tái)的游戲開(kāi)發(fā)引擎，廣泛應(yīng)用于游戲制作、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）以及其他交互性應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。它提供了先進(jìn)的圖形引擎及直觀易用的開(kāi)發(fā)界面和編輯器，支持腳本編寫，擁有豐富的資源庫(kù)和插件生態(tài)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)者能夠創(chuàng)建出高質(zhì)量、逼真的游戲畫面，輕松創(chuàng)建場(chǎng)景、添加對(duì)象、配置材質(zhì)等，使用C#、JavaScript、Boo等編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)游戲邏輯，下載和集成各種模型、貼圖、音頻、特效等資源來(lái)豐富游戲內(nèi)容，也可使用插件來(lái)擴(kuò)展引擎的功能[3]。

各類模型采用由Autodesk公司開(kāi)發(fā)的三維計(jì)算機(jī)圖形軟件3Ds Max進(jìn)行創(chuàng)建，這是一款功能強(qiáng)大的專業(yè)級(jí)三維建模、動(dòng)畫和渲染軟件，可以簡(jiǎn)潔高效地創(chuàng)建各類模型，通過(guò)渲染營(yíng)造逼真的效果，廣泛應(yīng)用于電影、電視、游戲、建筑和設(shè)計(jì)等行業(yè)[4]。

交互開(kāi)發(fā)采用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。這是一種通用、面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，由微軟公司開(kāi)發(fā)。它是基于C和C++語(yǔ)言的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，并融入了Java和其他編程語(yǔ)言的一些特性，具有簡(jiǎn)單易學(xué)、強(qiáng)大的框架支持和跨平臺(tái)能力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

2.2? 三維模型創(chuàng)建

本系統(tǒng)三維建模對(duì)象主要是子城中的建筑，包括秀洲古治牌坊、譙樓、端本堂、花月亭等。在建模前，項(xiàng)目組多次到子城遺址公園進(jìn)行實(shí)地考察，對(duì)子城全貌及公園內(nèi)各個(gè)建筑進(jìn)多角度的拍攝，以了解建筑物結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)并為貼圖做準(zhǔn)備。每個(gè)物體都具有傳統(tǒng)的中國(guó)建筑風(fēng)格，注重對(duì)稱美和整體布局的和諧，建筑物的屋頂都采用曲線狀的重檐歇山式屋頂，并采用雕花窗欞等雕刻元素來(lái)豐富建筑物的外觀。在3Ds Max中，使用基礎(chǔ)幾何體工具（如盒子、圓柱、圓錐等）來(lái)創(chuàng)建古建筑的基本形狀。根據(jù)參考資料，逐步建立建筑物的整體結(jié)構(gòu)。使用編輯多邊形工具，對(duì)建筑物進(jìn)行細(xì)節(jié)的塑造和調(diào)整，例如，通過(guò)添加分割線、擠出、倒角等操作，來(lái)創(chuàng)造出窗戶、門、屋頂和裝飾等細(xì)節(jié)部分，如圖3所示。

在建模的基礎(chǔ)上，利用Photoshop將實(shí)地拍攝的照片及網(wǎng)絡(luò)圖片進(jìn)行修改，對(duì)模型進(jìn)行貼圖，以增加建筑物的真實(shí)感和質(zhì)感，如圖4所示。

圖3? 秀洲古治牌坊和花月亭模型

2.3? 系統(tǒng)模型優(yōu)化

由于系統(tǒng)資源有限，在建模完成后需要通過(guò)多種方式對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，原因有以下幾點(diǎn)：一是提高性能，優(yōu)化模型可以降低程序的運(yùn)行負(fù)載，提高性能。在三維場(chǎng)景中，復(fù)雜的模型會(huì)占用更多的計(jì)算資源，例如處理、渲染和動(dòng)畫播放等。通過(guò)優(yōu)化模型，減少多邊形數(shù)量和紋理大小等操作，可以降低程序的運(yùn)行時(shí)消耗，提高幀率和響應(yīng)速度。二是節(jié)省內(nèi)存，優(yōu)化模型可以減少模型所需的內(nèi)存空間。高多邊形數(shù)量和大尺寸紋理會(huì)占用大量?jī)?nèi)存，特別是在同時(shí)加載多個(gè)模型的情況下。通過(guò)減少模型的多邊形數(shù)量、合并網(wǎng)格和簡(jiǎn)化紋理等操作，可以顯著降低內(nèi)存使用量。三是加快渲染速度，優(yōu)化模型可以減少渲染所需的時(shí)間。渲染引擎需要處理和繪制模型的多邊形、紋理、光照等信息，復(fù)雜的模型會(huì)增加渲染時(shí)間。通過(guò)減少多邊形數(shù)量、簡(jiǎn)化紋理和刪除隱藏物體等操作，可以加快渲染速度，提高效率。四是便于導(dǎo)出和分享，優(yōu)化模型可以減少模型文件的大小，使其更易于導(dǎo)出和分享。尤其是在需要將模型用于游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)或在線平臺(tái)時(shí)，較小的文件大小可以減少加載時(shí)間，提高用戶體驗(yàn)[5]。

本項(xiàng)目的模型優(yōu)化采用以下步驟：使用3Ds Max的減面插件Polygon Cruncher將模型中不必要的細(xì)節(jié)減少，特別是隱藏在視覺(jué)上不明顯的部分。通過(guò)減少多邊形數(shù)量來(lái)降低模型的復(fù)雜度，提高程序的性能[6]。使用3Ds Max的ProOptimizer和Attach命令來(lái)合并模型中重疊的網(wǎng)格或相同材質(zhì)的部分，減少繪制調(diào)用和渲染負(fù)擔(dān)。太高的紋理分辨率會(huì)增加內(nèi)存和渲染開(kāi)銷，影響程序性能，因此可以優(yōu)化模型的紋理貼圖，使其分辨率適合實(shí)際需求。檢查并刪除模型中隱藏、遮擋或不可見(jiàn)的物體。這些物體雖然不會(huì)直接顯示在場(chǎng)景中，但仍會(huì)占用計(jì)算資源。同時(shí)使用LOD技術(shù)為模型創(chuàng)建不同層次的細(xì)節(jié)模型，根據(jù)物體離相機(jī)的距離動(dòng)態(tài)地切換模型細(xì)節(jié)級(jí)別[7]。這樣可以在保持視覺(jué)質(zhì)量的同時(shí)，降低模型復(fù)雜度和渲染開(kāi)銷。

2.4? Unity3D設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.4.1? 模型導(dǎo)入

將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D之前須將模型在3Ds Max中導(dǎo)出為FBX格式，因?yàn)榇烁袷皆?Ds Max和Unity3D之間具有更好的兼容性和功能支持。3Ds Max和Unity3D使用不同的坐標(biāo)系統(tǒng)和軸向約定，因此在導(dǎo)出模型之前，要正確調(diào)整模型的比例和坐標(biāo)系統(tǒng)，以便在Unity3D中保持正確的尺寸和方向。

2.4.2? UI設(shè)計(jì)

系統(tǒng)UI以古風(fēng)作為整體風(fēng)格，視覺(jué)效果自然流暢，簡(jiǎn)單統(tǒng)一，根據(jù)實(shí)景進(jìn)行色彩搭配，以期真實(shí)還原子城遺址風(fēng)貌，給用戶最佳的體驗(yàn)。啟動(dòng)界面以水墨畫為主體，體現(xiàn)煙雨江南的朦朧美，同時(shí)融入古建及草木元素，并為背景設(shè)置動(dòng)態(tài)效果，為整體界面增加靈動(dòng)感，如圖5所示。

圖5? 啟動(dòng)界面

交互界面依然延續(xù)古典風(fēng)格，將祥云、如意、印章元素融入邊框及按鈕等對(duì)象，在填色時(shí)做出斑駁的效果，體現(xiàn)子城遺址的年代感，如圖6所示。

2.4.3? 環(huán)境設(shè)置

項(xiàng)目的環(huán)境設(shè)置包括場(chǎng)景構(gòu)建、碰撞檢測(cè)、燈光設(shè)置等。利用Unity3D中的Terrain創(chuàng)建地形對(duì)象，通過(guò)高度工具提高或降低地形高度，利用平滑工具平滑地形表面，利用貼圖處理地面的磚石與草地效果。環(huán)境中的花草樹(shù)木通過(guò)Unity3D Asset Store資源網(wǎng)站下載現(xiàn)成的植物模型，將其導(dǎo)入到Unity3D中，并根據(jù)需求調(diào)整植物的形狀、細(xì)節(jié)和材質(zhì)，同時(shí)使用Skybox來(lái)創(chuàng)建逼真的天空效果，如圖7所示。

圖6? 答題界面

圖7? 場(chǎng)景設(shè)置效果

為了確保體驗(yàn)者能夠感受到漫游的樂(lè)趣，項(xiàng)目沒(méi)有設(shè)計(jì)指定的路線以及游玩順序，而是需要體驗(yàn)者在場(chǎng)景中去自行探索，為避免體驗(yàn)者在環(huán)境中丟失，項(xiàng)目通過(guò)碰撞檢測(cè)設(shè)置了空氣圍欄，確保體驗(yàn)者不會(huì)走到外部空間中。

碰撞檢測(cè)是Unity3D中一個(gè)非常重要的功能，它用于檢測(cè)游戲?qū)ο笾g的碰撞或觸發(fā)事件。當(dāng)游戲?qū)ο笾g發(fā)生碰撞時(shí)，可以定義相應(yīng)的行為和反應(yīng)，例如反彈、爆炸效果、傷害計(jì)算等。通過(guò)使用碰撞檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的交互效果，并根據(jù)碰撞發(fā)生的情況來(lái)改變游戲?qū)ο蟮臓顟B(tài)[8]。在一些情況下，并不需要物體之間發(fā)生實(shí)際的碰撞，而是希望在接觸或進(jìn)入特定區(qū)域時(shí)觸發(fā)事件。使用觸發(fā)器組件，可以檢測(cè)到游戲?qū)ο笈c觸發(fā)器之間的接觸，并執(zhí)行相應(yīng)的代碼邏輯。這可以用于觸發(fā)劇情事件、收集物品、進(jìn)入新場(chǎng)景等。通過(guò)進(jìn)行碰撞檢測(cè)，可以避免游戲?qū)ο螽a(chǎn)生重疊或穿過(guò)其他物體的情況。這對(duì)于保持游戲世界的穩(wěn)定性和合理性非常重要[9]。例如，阻止玩家角色穿墻、防止物品重疊等。

此外，還需要對(duì)對(duì)模型添加適當(dāng)?shù)墓庹招Ч?，可以使物體表面產(chǎn)生陰影、高光和反射等效果，使場(chǎng)景看起來(lái)更加真實(shí)。合理的光照能夠提升項(xiàng)目的質(zhì)感和視覺(jué)品質(zhì)。同時(shí)，光照可以為場(chǎng)景增加深度和層次感。通過(guò)設(shè)置不同方向、強(qiáng)度和顏色的光源，可以模擬不同的光照條件，使物體之間產(chǎn)生明暗對(duì)比。這樣可以讓場(chǎng)景中的物體在視覺(jué)上更加立體感，并增加體驗(yàn)者與場(chǎng)景的沉浸感。精心設(shè)置的光照可以增加應(yīng)用的可視化效果，提升用戶體驗(yàn)。當(dāng)環(huán)境中的物體能夠根據(jù)光源的位置和屬性進(jìn)行逼真的反射、投影和陰影時(shí)，體驗(yàn)者將感受到更加真實(shí)和令人愉悅的視覺(jué)效果。良好的光照設(shè)計(jì)可以使游戲或應(yīng)用更加吸引人，并增加與用戶的情感連接[10]，如圖8所示。

圖8? 光照效果

2.4.4? 交互功能實(shí)現(xiàn)

為便于在網(wǎng)絡(luò)傳播，本項(xiàng)目的交互設(shè)計(jì)通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤完成。交互以漫游為基礎(chǔ)，添加文物挖掘、答題、拼圖等游戲增加趣味性。

1）環(huán)視的實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目利用C#語(yǔ)言編寫交互腳本，通過(guò)GetMouseButton方法獲取鼠標(biāo)的按鍵動(dòng)作，通過(guò)GetAxis方法獲取到鼠標(biāo)的X軸移動(dòng)，最后完成攝像頭的Y軸旋轉(zhuǎn)，讓體驗(yàn)者能夠通過(guò)鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)鏡頭的旋轉(zhuǎn)，關(guān)鍵代碼如圖9所示。

2）移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。在項(xiàng)目開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)候，體驗(yàn)者位置在城門口，體驗(yàn)者可以通過(guò)鍵盤上的wasd移動(dòng)人物位置，通過(guò)GetKey方法可以獲取到鍵盤的操作，然后使用transform.Translate方法移動(dòng)人物，移動(dòng)速度通過(guò)Vector3.forward * m_speed * Time.deltaTime公式計(jì)算出人物移動(dòng)的速度，關(guān)鍵代碼如圖10所示。

圖10? 移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

3）對(duì)話框彈出的實(shí)現(xiàn)。在需要檢測(cè)碰撞的物體上添加Box Collider組件，如圖11所示。碰撞之后顯示出文本框，并且實(shí)現(xiàn)打字機(jī)效果，用來(lái)介紹這一物體的典故，關(guān)鍵代碼如圖12所示。并且使用協(xié)程，實(shí)現(xiàn)石獅子的延遲出現(xiàn)以及碎片的獲得，關(guān)鍵代碼如圖13所示。

圖11? 碰撞盒

圖12? 打字機(jī)效果關(guān)鍵代碼

圖13? 石獅重現(xiàn)及碎片效果關(guān)鍵代碼

3? 結(jié)? 論

系統(tǒng)利用3Ds Max進(jìn)行主體建筑建模，結(jié)合Unity3D的虛擬場(chǎng)景創(chuàng)建和交互技術(shù)，對(duì)嘉興子城遺址公園進(jìn)行全方位、立體化、數(shù)字化呈現(xiàn)，使景區(qū)具有更強(qiáng)的展示效果和視覺(jué)表現(xiàn)力，沉浸式的體驗(yàn)方式讓人們打破時(shí)空障礙，更深入地了解和欣賞嘉興歷史文化遺產(chǎn)，對(duì)提供教育科普與學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)、推動(dòng)旅游與文化交流、傳承和弘揚(yáng)歷史文化具有積極意義。

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作者簡(jiǎn)介：趙?。?982—），女，漢族，浙江湖州人，講師，碩士，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)開(kāi)發(fā)、Web前端開(kāi)發(fā)；蔣麗霞（1978—），女，漢族，天津人，副教授，碩士，研究方向：非遺與文旅融合；隋龍飛（1992—），男，漢族，遼寧朝陽(yáng)人，助教，碩士，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)。