广西少数民族建筑文物虚拟仿真系统关键技术研究

黄丽达 甘广欣 冯文苑 魏源良

摘要

以广西少数民族建筑文物数字化保护为目的，对一个基于网络接口的建筑虚拟仿真展示系统进行关键技术论述，研究系统的体系架构、人机交互模块设计和功能实现，从而使得用户通过网络接入系统，并通过Web端浏览场景，使用鼠标或佩戴虚拟现实眼镜和手柄在建筑虚拟场景中进行交互控制，浏览和信息查看。

【关键词】虚拟仿真 人机交互 广西少数民族 建筑文物

广西具有我国较大规模的少数民族建筑文物群，例如侗族风雨桥、苗族吊脚楼、瑶族谷仓、壮族木楼等，其中多数是我国的宝贵物质遗产和非物质遗产的载体。随着“一带一路”沿线文化遗产保护的推进，推广和宣传民族核心文化是提升文化软实力的重要举措，因而利用虚拟仿真技术对侗族建筑实施数字化构建和保护具有很高的现实意义和技术价值。虚拟仿真，又称为虚拟现实，是集计算机图形学、仿真技术、模式识别技术、三维技术等的交叉学科。随着计算机图形技术和硬件设备的发展，人们可以通过视觉、触觉、嗅觉等多维感官实时感受计算机合成的虚拟环境。虚拟仿真系统具有三个与传统计算机图形图像的显著区别：交互性、实时性、沉浸感。虚拟仿真系统能够融入侗族建筑的木构特点和营造技艺，通过网络或可执行文件使用户获得身临其境的建筑场景展示。

在少数民族建筑的数字化图像研究中，有学者以侗族建筑为代表对建筑虚拟仿真开展了部分预研究。桂林电子科技大学针对侗族村寨三维虚拟模型构建与展示提出了应用构想和文献探讨，但是仅局限于对侗族建筑模型特点和3DSMAX、Maya及AutoCAD等三维建模软件应用进行理论论述，并未对虚拟现实和人机交互技术开展深度研究和技术实现。贵州民族大学分析了少数民族建筑三维数字模型的构建方法，以一个侗族建筑具体案例详述了三维数字模型的制作过程，对前者的三维建模理论论述进行了实践论证和文献补充，然而，虚拟仿真人机交互的技术特点仍未得到探索应用。

虚拟仿真系统基于图像实时渲染、人机交互、网络兼容等特性以及目前的硬件技术水平，其技术与单纯的三维数字化建模有着显著区别。因此，有必要以广西少数民族建筑文物为研究对象，深入全面地开展虚拟仿真应用研究，完善少数民族的虚拟仿真保护技术。针对上述研究现状，本文以一侗族建筑文物为例，着重讨论以下两个关键问题，一是建筑虚拟仿真系统的交互设计，二是三维建筑模型基于Web端访问实现场景漫游和人机交互的模块开发。

1 系统交互设计

1.1 系统架构

从应用效果来看，与传统的三维数字化展示相比，人机交互虚拟仿真的区别在于：能够在互联网上实现远程虚拟展示；同时用户能够通过虚拟现实视野对场景进行沉浸式漫游、视野缩放和信息查看等交互控制。通过以上两点实现系统的实时展示、交互和沉浸感。系统具体架构为：数据库——服务器——浏览器。系统从底层至顶层架构总体分为三个执行层：数据库服务层、应用服务层、用户界面层。数据库由建筑三维模型和与之对应的属性数据构成，用于实现系统的数据存取和调用，虚拟仿真数据库要求三维建筑场景模型简单，信息数据量尽可能压缩，减小对网络带宽的占用，确保实时渲染交互解析快速；服务器实现系统的人机交互功能，是提供Web服务、完成用户请求和场景文件检测描述的中转站；Web浏览器面向用户，为网络终端的用户提供远程数据访问和交互控制，实现网页形式的少數民族建筑文物数字化资源共享。

1.2 交互模块

人机交互是虚拟仿真系统的关键技术，交互功能是实现场景漫游、选择操纵、建筑数据访问的方式。本文系统的交互模块基于Unity3D平台进行脚本开发。将完成的三维建筑模型以.FBX文件格式导入Unity3D项目文件中，实现三维全景的虚拟侗族建筑案例展示和场景漫游。接着，系统采用Java Script和Unity3D的GUI界面完成Web端的相关行为，搭建交互功能，增强用户体验感。

系统的交互模式被分为两种，一种为动态漫游模式，另一种为查询模式。动态漫游模式也是默认模式，包括用户以第一视野对场景的缩放、移动、旋转及点击查看窗口。基于鼠标或游戏手柄拖动、键盘控制触发交互，设置实时渲染和交互控制脚本的逻辑，提高对三维建筑场景的控制触发精确度，避免系统场景延迟。

2 结果与分析

在上述核心交互模块之上，本文进一步完成了整个虚拟仿真系统，在试行中取得了良好的交互体验。图3展示的是3D模式下用户利用Web端浏览器进行虚拟漫游的界面。界面的主菜单栏提供了主界面、选择场景、查询关键字三个选项，分别满足用户采用动态漫游模式或查询模式进行漫游交互。界面右侧具有地图导航、语音介绍开关及VR模式开关。当佩戴VR眼镜进行观看时，则开启VR模式进入全息场景。Web环境下的VR模式有利于移动端用户使用和多平台推广。

3结论

本文针对广西少数民族建筑文物保护，提出了一种基于Web端的虚拟仿真人机交互系统，并提出了系统的交互设计方案和人机交互模块涉及的关键问题技术。以一少数民族建筑文物为例，在Web环境中实现了三维建筑虚拟仿真系统漫游和交互。该系统的应用能够为文物保护者和游览者还原建筑文物场景和属性信息，使广西少数民族文物保护提升至数字化保护，具有良好的展示效果和应用价值。

参考文献

[1]闵祥鹏，卢勇.“一带一路”文化发源地挖掘与当代重建——以文化遗产的数字保护与虚拟重建为例[J].淮阴工学院学报，2016，25（02）：22-26.

[2]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学（F辑：信息科学），2009（01）：2-46.

[3]杨倩，罗兴华.侗族木结构古住宅三维虚拟展示设计研究[J].大众文艺：学术版，2015（24）：56—57.

[4]罗兴华，彭国斌，赵勤恒.三江侗族木架构古建筑三维虚拟展示设计的思考[J].艺术百家，2012（08）：170-172.