VR技術(shù)在歷史文化街區(qū)保護(hù)中的應(yīng)用研究

摘 要：以贛州宋城歷史文化街區(qū)為例，探究VR技術(shù)在歷史文化街區(qū)保護(hù)中的應(yīng)用。首先針對(duì)數(shù)字化復(fù)原的作用進(jìn)行概述，并分析其在歷史文化街區(qū)保護(hù)中的不足之處。其次提出基于VR技術(shù)的贛州宋城歷史文化街區(qū)復(fù)原項(xiàng)目，完成項(xiàng)目流程設(shè)計(jì)和項(xiàng)目情景設(shè)計(jì)，然后開發(fā)出對(duì)應(yīng)的贛州宋城VR歷史文化街區(qū)數(shù)字化項(xiàng)目。通過部署項(xiàng)目實(shí)證得出結(jié)論，VR技術(shù)在歷史文化街區(qū)保護(hù)中的應(yīng)用取得了顯著成果，為歷史文化街區(qū)的傳承與弘揚(yáng)提供了新的途徑。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；歷史文化街區(qū)；數(shù)字化復(fù)原

隨著科技的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)作為一種新興的媒介，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在歷史文化街區(qū)保護(hù)中，VR技術(shù)具有重要的價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。本文以贛州宋城為例，旨在探討VR技術(shù)在歷史文化街區(qū)保護(hù)、數(shù)字化復(fù)原以及旅游體驗(yàn)方面的應(yīng)用。

一、數(shù)字化復(fù)原

數(shù)字化復(fù)原在歷史文化街區(qū)保護(hù)中扮演著至關(guān)重要的角色[1]，它通過將歷史建筑的材料、紋理和結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行數(shù)字化處理，為保護(hù)和修復(fù)工作提供了精確的依據(jù)。該技術(shù)不僅提高了保護(hù)的精確性和全面性，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)歷史街區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和損壞處理，確保了歷史建筑的安全。同時(shí)，數(shù)字化復(fù)原在歷史街區(qū)修復(fù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，通過精確模擬和預(yù)測(cè)，提升了修復(fù)效果，保留了歷史街區(qū)的原貌。此外，數(shù)字化技術(shù)還通過創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，促進(jìn)了歷史街區(qū)的展示和推廣，增強(qiáng)了其知名度和影響力。盡管數(shù)字化復(fù)原技術(shù)面臨成本和技術(shù)人才等挑戰(zhàn)，但其對(duì)歷史文化街區(qū)保護(hù)的貢獻(xiàn)顯著，需要持續(xù)研究和探索以克服現(xiàn)有障礙。

數(shù)字化復(fù)原在歷史文化街區(qū)保護(hù)中的應(yīng)用尚有不足之處，主要表現(xiàn)為技術(shù)手段單一、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足和缺乏交互性。這些缺陷限制了數(shù)字化復(fù)原的深度和廣度，影響了保護(hù)效果[2]。為提升數(shù)字化復(fù)原技術(shù)的應(yīng)用效果，建議采用更多元的技術(shù)手段，如高分辨率掃描和激光掃描，以提高數(shù)據(jù)采集的精確度。同時(shí)，應(yīng)優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程，減少操作失誤，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此外，開發(fā)基于VR技術(shù)的交互式數(shù)字化復(fù)原軟件，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，使公眾能更深入地參與歷史文化保護(hù)[3]。通過這些措施，數(shù)字化復(fù)原技術(shù)將更有效地保護(hù)和展示歷史文化遺產(chǎn)。

二、基于VR技術(shù)的贛州宋城歷史文化街區(qū)

復(fù)原項(xiàng)目設(shè)計(jì)

（一）開發(fā)設(shè)計(jì)思路

圖1展示了基于VR技術(shù)的贛州宋城歷史文化街區(qū)復(fù)原項(xiàng)目的開發(fā)設(shè)計(jì)思路。

在前期開發(fā)階段，使用3D掃描技術(shù)結(jié)合次世代建模方法制作模型。首先是進(jìn)行3D掃描建模，獲取歷史建筑的三維數(shù)據(jù)[4]。其次是完成次世代建模，這是基于歷史建筑的三維數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行高精度的數(shù)字化建模，以更好地還原歷史建筑的原貌。再次，進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)制作，生成包含歷史建筑相關(guān)信息的音頻數(shù)據(jù)。最后完善照片采集，收集歷史建筑的高清照片，以增強(qiáng)用戶的沉浸式體驗(yàn)。

在中期開發(fā)階段，需要完成VR平臺(tái)、VR框架的搭建，結(jié)合通用的VR引擎及VR SDK來實(shí)現(xiàn)，調(diào)用SDK接口實(shí)現(xiàn)功能交互，完成VR移動(dòng)、VR抓取、VR觸摸等交互方式。此外，還需要進(jìn)行場(chǎng)景構(gòu)建及渲染，生成包含歷史建筑相關(guān)的場(chǎng)景，以提高系統(tǒng)的仿真度和逼真度。

在后期開發(fā)階段，需進(jìn)行功能維護(hù)和功能升級(jí)，優(yōu)化系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，提升用戶體驗(yàn)。在這個(gè)階段，項(xiàng)目測(cè)試是必不可少的環(huán)節(jié)，通過對(duì)VR系統(tǒng)的測(cè)試，查找和修復(fù)可能存在的問題。最后基于項(xiàng)目的宣傳和發(fā)布策略，進(jìn)行多平臺(tái)發(fā)布。

（二）VR情景設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目針對(duì)不同的場(chǎng)景設(shè)計(jì)了不同的交互方式，使用者可以自主選擇想要觀賞的景點(diǎn)，從而深入感受贛南宋城的歷史文化底蘊(yùn)。該項(xiàng)目共設(shè)計(jì)四個(gè)主要情景：一是古浮橋。該場(chǎng)景主要展現(xiàn)宋城古浮橋的歷史韻味，根據(jù)史實(shí)，實(shí)現(xiàn)開橋、合橋的功能。開橋后龍舟駛?cè)肓硪粋?cè)，使用者可以登上龍舟進(jìn)行比賽。二是宋城街區(qū)。使用者可以在場(chǎng)景中自由行走，漫步在商業(yè)街區(qū)，感受踩高蹺、畫糖畫等街市生活。三是郁孤臺(tái)。該場(chǎng)景主要展示郁孤臺(tái)及院內(nèi)景觀，觀者進(jìn)入郁孤臺(tái)的每一樓層，均可看到相應(yīng)的歷史名人在吟誦詩詞。四是陽明書院。該書院主要展示王陽明教書的情景，使用者可以近距離欣賞王陽明的詩詞。

三、基于VR技術(shù)的贛州宋城歷史文化街區(qū)

復(fù)原項(xiàng)目開發(fā)實(shí)踐策略

（一）素材獲取與處理

其一，素材獲取。在VR技術(shù)應(yīng)用于歷史文化街區(qū)保護(hù)與數(shù)字化復(fù)原的研究中，贛州宋城作為研究案例，其前期資料采集工作至關(guān)重要。為此，本文采取了系統(tǒng)性的資料搜集策略，以確保復(fù)原工作的精確性和全面性。首先，收集歷史文獻(xiàn)，深入圖書館、檔案館以及相關(guān)的文化機(jī)構(gòu)，結(jié)合對(duì)宋城景區(qū)的相關(guān)人員的訪談和實(shí)地考察，搜尋與贛州宋城相關(guān)的地圖、文獻(xiàn)等，了解贛州宋城的歷史沿革、建筑風(fēng)格、文化特征等重要信息，尤其是整個(gè)宋城的新舊建筑結(jié)構(gòu)信息。其次，在建筑圖片的采集方面，利用高分辨率相機(jī)對(duì)贛州宋城的建筑立面、細(xì)節(jié)裝飾、雕刻圖案等進(jìn)行詳盡的拍攝，主要涉及宋城城門、四賢坊、文化街區(qū)等區(qū)域。拍攝的內(nèi)容包括建筑構(gòu)造、建筑表面細(xì)節(jié)、物品細(xì)節(jié)等。由于后期的模型構(gòu)建需要用到圖片制作貼圖，因此盡量以垂直于物體的形式進(jìn)行拍攝，拍攝到的圖片不能有陰影或者其他雜質(zhì)。此外，為了獲取贛州宋城的空中視角和整體布局，可采用無人機(jī)進(jìn)行航拍。

其二，素材處理。根據(jù)贛州宋城的歷史文獻(xiàn)、考古發(fā)掘報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)照片和現(xiàn)有的測(cè)繪數(shù)據(jù)，對(duì)這些資料進(jìn)行詳細(xì)分析，確定復(fù)原的范圍和重點(diǎn)，提取建筑結(jié)構(gòu)、裝飾風(fēng)格和文化元素的關(guān)鍵特征，然后從以下方面進(jìn)行處理：

照片選擇與預(yù)處理：挑選清晰且光線均勻的照片作為建模和貼圖的基礎(chǔ)。使用圖像處理軟件（如Adobe Photoshop）進(jìn)行預(yù)處理，包括裁剪、旋轉(zhuǎn)和調(diào)整亮度，以更好地捕捉細(xì)節(jié)。

幾何校正：對(duì)拼接后的圖片進(jìn)行幾何校正，確保圖片的透視正確無誤，為后續(xù)的3D建模提供準(zhǔn)確的參考。

細(xì)節(jié)增強(qiáng)與調(diào)整：對(duì)紋理進(jìn)行細(xì)節(jié)增強(qiáng)，如增加對(duì)比度和飽和度，以突出材質(zhì)的特征。調(diào)整紋理的色彩平衡，使其更符合實(shí)際的視覺效果。

（二）VR模型構(gòu)建

其一，手動(dòng)建模實(shí)現(xiàn)。使用3Ds Max或Maya等3D建模軟件，依據(jù)分析得到的資料，開始進(jìn)行初步的三維建模。在這一階段，重點(diǎn)是建立建筑的大體輪廓和結(jié)構(gòu)，忽略細(xì)節(jié)部分，以快速形成模型的基本形態(tài)。在初步模型的基礎(chǔ)上，逐步增加細(xì)節(jié)，包括雕刻門窗的精細(xì)圖案、屋頂?shù)耐咂y理、墻壁的磚石紋理等。此步驟需要高水平的手工技藝和對(duì)歷史文化的深刻理解，以確保模型的真實(shí)性和歷史準(zhǔn)確性。為了給模型添加顏色和材質(zhì)，需要進(jìn)行UV展開，即將3D模型的表面展平到二維平面上，然后根據(jù)展開圖制作紋理貼圖。貼圖內(nèi)容可能包括磚石的色澤、木材的紋理、油漆的光澤等。在VR環(huán)境中，光照對(duì)于氛圍的營(yíng)造至關(guān)重要。因此，需要根據(jù)贛州宋城的地理位置和歷史時(shí)期，設(shè)置合理的日照角度和強(qiáng)度。同時(shí)，配置適當(dāng)?shù)年幱?、反射和環(huán)境光效果，以增強(qiáng)模型的真實(shí)感。完成模型后，還要對(duì)其優(yōu)化，以適應(yīng)VR環(huán)境的性能要求，包括減少模型面數(shù)、合并相似材質(zhì)、優(yōu)化骨骼動(dòng)畫等，目的是提高渲染效率，確保VR體驗(yàn)的流暢性。

其二，生成建模實(shí)現(xiàn)。生成建模是指通過圖片、視頻或其他數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型[5]。筆者使用Reality Capture（捕捉現(xiàn)實(shí)）進(jìn)行模型生成，它是一款先進(jìn)的一體化攝影測(cè)量軟件，可以從一組普通的圖像或激光掃描數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取逼真和精確的3D模型。本次生成建模的數(shù)據(jù)主要是視頻序列，因此前期需要拍攝多個(gè)角度的視頻序列，數(shù)據(jù)越完善，生成的模型質(zhì)量越高。導(dǎo)入素材后，針對(duì)場(chǎng)景的地面、區(qū)域、法線等進(jìn)行設(shè)置，初步生成模型點(diǎn)云[6]，然后再生成三維模型。最后，還需要修復(fù)和完善生成的模型，針對(duì)破面、物體銜接處等部位進(jìn)行處理。

（三）VR平臺(tái)與框架搭建

在本項(xiàng)目中，主要使用Unity平臺(tái)作為開發(fā)引擎。Unity平臺(tái)具有高度靈活性、強(qiáng)大的跨平臺(tái)能力以及龐大的開發(fā)者社區(qū)，能夠提供一整套工具和服務(wù)，使開發(fā)者更高效地創(chuàng)建、渲染和優(yōu)化3D內(nèi)容，同時(shí)支持多種VR硬件，這對(duì)于開發(fā)一個(gè)面向不同用戶群體的VR項(xiàng)目來說至關(guān)重要[7]。為了實(shí)現(xiàn)與HTC VIVE設(shè)備的兼容，本項(xiàng)目采用了SteamVR框架進(jìn)行開發(fā)。SteamVR是由Valve公司開發(fā)的一個(gè)開源框架，它為HTC VIVE及其他支持的VR頭顯提供了統(tǒng)一的接口和驅(qū)動(dòng)程序。使用SteamVR框架，開發(fā)者可以輕松地訪問VIVE設(shè)備的跟蹤、輸入和顯示功能，從而為用戶提供沉浸式的VR體驗(yàn)。

（四）場(chǎng)景構(gòu)建及渲染

首先是整體布局，將3D模型按照對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的實(shí)際布局放置到虛擬環(huán)境中，還原贛州宋城每個(gè)場(chǎng)景的空間關(guān)系。在開發(fā)每個(gè)場(chǎng)景時(shí)，設(shè)計(jì)好具體建筑的方位，根據(jù)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景還原區(qū)域的樣貌。其次是環(huán)境設(shè)置，即為場(chǎng)景添加光照、霧效、聲音等環(huán)境元素，尤其是通過添加古代角色，營(yíng)造出逼真的歷史文化氛圍。最后是渲染優(yōu)化場(chǎng)景，如圖2所示，在Unity引擎中調(diào)整渲染參數(shù)，如光照貼圖、陰影質(zhì)量等，添加光照探針和反射探針，設(shè)計(jì)后處理特效，以達(dá)到最佳的視覺效果，同時(shí)保證VR運(yùn)行的流暢性。

四、試用反饋

通過將項(xiàng)目部署在文旅展廳、數(shù)字化博物館等處，吸引了大批體驗(yàn)者前來游玩。他們普遍表示該項(xiàng)目有著不錯(cuò)的游玩體驗(yàn)，反饋的內(nèi)容如下：

第一，提供了新穎的體驗(yàn)。許多體驗(yàn)者認(rèn)為該項(xiàng)目利用VR技術(shù)提供了一種全新的探索歷史文化的方式，尤其是賽龍舟的交互感非常強(qiáng)烈，與傳統(tǒng)的觀看和閱讀相比，更加生動(dòng)和有趣。

第二，增強(qiáng)了沉浸感。體驗(yàn)者普遍感到通過VR頭盔等設(shè)備，仿佛身臨其境地走進(jìn)了歷史文化街區(qū)，感受到了歷史的氛圍。

第三，技術(shù)實(shí)現(xiàn)印象深刻。一些對(duì)技術(shù)感興趣的體驗(yàn)者對(duì)項(xiàng)目的高清晰圖像、流暢的交互和精確的3D建模表示贊賞。

第四，操作簡(jiǎn)便易懂。大多數(shù)體驗(yàn)者認(rèn)為該項(xiàng)目的操作指南清晰，易于上手，即使是初次接觸VR的用戶也能快速適應(yīng)。

第五，期待更多互動(dòng)。一些體驗(yàn)者希望該項(xiàng)目能夠增加更多的互動(dòng)元素，如模擬歷史事件的參與、與虛擬角色的對(duì)話等。

總之，歷史文化街區(qū)的保護(hù)與開發(fā)有著多種途徑，活化利用需要通過多種手段實(shí)現(xiàn)，例如旅游開發(fā)、技術(shù)宣傳等[8]。本文深入探討了VR技術(shù)在歷史文化街區(qū)保護(hù)與數(shù)字化復(fù)原中的應(yīng)用，并通過贛州宋城的案例研究，展示了VR技術(shù)在這一領(lǐng)域的實(shí)際效果和潛在價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)，VR技術(shù)不僅能夠?yàn)闅v史文化街區(qū)的保護(hù)提供新的視角和方法，還能夠通過打造沉浸式場(chǎng)景，增強(qiáng)公眾對(duì)歷史文化的認(rèn)識(shí)和興趣。贛州宋城的實(shí)證研究表明，VR技術(shù)在重現(xiàn)歷史場(chǎng)景、提升游客體驗(yàn)以及促進(jìn)文化教育方面發(fā)揮了重要作用。這一技術(shù)的應(yīng)用不僅為歷史文化街區(qū)的保護(hù)與傳承開辟了新途徑，也為未來的文化保護(hù)和旅游發(fā)展提供了新的思路。

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作者簡(jiǎn)介：

張玉平，碩士，江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院設(shè)計(jì)工程學(xué)院助教。研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用。