虚拟现实技术在传统民居再现中的应用研究

权亚楠，王梦蝶

（1.江西理工大学，江西 赣州 341000；2.江西应用技术职业学院，江西 赣州 341000）

一、虚拟现实技术简述

虚拟现实技术是一种新兴的高新技术，涉及人工智能、传感技术、网络、计算机图形学等多个方面，利用计算机强大的计算与图形处理能力，根据原物又脱离原物来构建一种可以通过视觉、触觉、听觉多种手段来感受的虚拟环境。

虚拟现实有其自身的特点，如可以让参与者有真实的体验感并完全沉浸其中；人们还可以通过设备与这种虚拟的世界进行交互；它可以再现真实的环境和物体，也可以构建完全不存在或科幻的事物。

虚拟现实系统的实现需要综合应用多种技术。其一，三维建模技术。三维建模技术可以实现虚拟再现，也就是对真实的环境进行仿真。在建模之前，通过拍照、激光扫描、传统测绘等手段获取所需建模的三维数据，整理后并将其导入计算机三维建模软件中。其二，真实绘制技术。只有具备真实的绘制技术，人们才会有置身其中的感觉，从而实现虚拟场景的真实感。针对此，虚拟现实就要模拟真实的视觉元素，如模拟对象的光学性质、纹理、光滑程度、颜色、立体结构等，最终使得虚拟效果接近真实的物体或环境。其三，三维全景技术。简单而言，就是用相机对物体或环境进行360度全景拍摄，然后后期进行拼接和三维效果的展示，虚拟现实系统通过运用这种技术使得表现的画面更加真实。

二、传统民居简述

传统民居就是我们通常所说的“古村落”，是传统聚落中的一种基本类型，古村落伴随着人类文明的发展而逐步演化。我国的传统民居深受中国传统思想的影响，注重与自然的和谐统一，布局特征上体现了宗教、风水、防御、诗画意境等多个方面。

随着经济和社会的快速发展，我国的一些传统民居遭到了破坏甚至已经消失，如何保护并传承这些古村落文化是一项非常重要的任务。我国的传统民居范围十分广大，包括的形式也十分多样，文化资源十分丰富。通常我们习惯采用纸质记载、图片记录、数据测绘等来记录这些传统民居，但这些方法存在一定的局限性，不能全方位、立体化地进行展示，不能满足人们可视化和形象化的要求。虚拟现实技术很好地契合了这一点，通过对数据的采集、加工和整理，进行虚拟的构建，最终进行展示和传播。

三、虚拟现实技术在传统民居再现中的应用价值

将数字影像处理技术、计算机模拟技术等与历史建筑相结合，对于保护和复建历史建筑具有重要的意义。

虚拟现实技术对于传统民居的重建和内涵的重现的关键在于交互性的实现。借助计算机，我们可以更加深入地感受环境的空间变化，并沉浸其中。此时，我们对虚拟环境的操作也会再次得到相应的反馈。交互的本质在于高效的信息循环，与真实的环境或物体相比，虚拟空间的交互性可以达到信息的即时更新与即时互动。

以往，人们限于时间和费用，往往不能亲身到历史建筑景区实地进行体验，但数字化的虚拟空间给公众提供了一种便利的、自由的、灵活的参与体验的机会，公众就此可以了解我国的传统民居，从而激发自身保护传统民居的意识。虚拟现实技术为我们架构起了一座桥梁，让我们可以即时地在网络平台上参观传统民居，这大大提高了人们的参与度。

四、虚拟现实技术在传统民居再现中的应用原则和要求

虚拟现实技术虚拟传统民居的最重要原则就是真实生动的还原。人们打开传统民居的虚拟系统，凭借其导航，可以对自己的位置进行调整，一般利用鼠标或者键盘或者是通过佩戴头盔来实现。如在一个传统民居的门口，通过双击可以打开门，然后沿着弯弯曲曲的小路一直往前走，仿佛置身其中，边走边感受浓郁的乡村特色。

基于此，对传统民居的虚拟场景评价可以从五个方面来进行：真实度、交互度、使用度、沉浸度和专业度。真实度的衡量标准包括听觉质量、触觉质量、视觉质量；交互度的评价指标包括畅通性、准确性和合理性；沉浸度的指标包括元素的多样性、元素的运动属性以及物理状态等。

五、虚拟现实技术在传统民居再现中的应用过程

将虚拟现实技术应用到传统民居的再现中，大体分为三个阶段：建筑数据收集阶段、建立三维模型阶段和虚拟现实场景应用阶段。

第一，传统民居数据收集阶段。在数据收集之前，首先需要对传统民居的历史文化、保护现状以及与再现相关的一些信息制定一个书面形式的策划书，让所有参与人员对其都有所了解，明确各自的注意事项。（1）要结合项目的实际情况来确定虚拟现实的表现手法、交互的操作方法、渲染的过程、模型的制作等。根据项目团队成员的技术情况选定好虚拟交互、虚拟漫游需要用到的软件。（2）针对最终虚拟现实作品的应用平台不同，其中需要注意的问题也不同，比如是用在虚拟实验室还是将其放在普通的计算机上。（3）结合项目要求，确定虚拟现实作品的文件大小、分辨率要求等。（4）根据完成项目的时间，制定详细的工作计划，其中包括每个人的分工、工作量、质量保证等。

数据收集的主要手段就是照片的拍摄。照片能真实地反映传统民居的变化，这是再现传统民居的重要的参考资料，比如门窗汇编等。拍摄照片时全景、近景、局部特写相结合，同时要分类拍摄，如建筑的构建、装饰的细节、结构形式等，然后依次对这些照片进行编号，资料分类整理能够提高开发效率，为后期模型制作人员提供便利。这些照片信息密度高，具有很强的完整性，能够还原民居的大量细节。

第二，建立三维模型阶段。三维建模软件主要有Sketch Up和3DSMAX。Sketch Up优点在于生成的文件体积小，能够满足大部分的建模需求，缺点是精度不高。Sketch Up建模具有快捷性，操作界面简洁，在传统民居再现应用中，可以快速地进行效果预览。其强大的可视化功能也极大地丰富了空间的视觉呈现，可以提供实时预览服务。Sketch Up建模软件导入了虚拟现实的开发理念，强调建模的速度与操作的便捷，简化模型的细节和精度，降低了对CAD图纸的要求，因此大大简化了操作界面，并设置了强大的功能，以此提高建模效率，减轻计算机的运行负担。

3DSMAX较Sketch Up有了更高的精度，渲染的画面效果十分精良，能够完美地呈现细节，但是由于体积大，设备的计算压力非常大。3DSMAX对CAD图纸的要求比较高，绘制的重点应该是立面图和剖面图，而且应该实现一一对应。此外，前期的数据测量，其误差越小，则最终的呈现效果与真实的场景越接近。

Lumion可以对地形或场景进行强大的优化处理，比如想改变地形表面的粗糙程度，可以通过其拉伸功能，也可以生成与真实的环境相接近的自然肌理，比如梯田，可以优化成岩石砌面；又如村庄，可以优化为被湖泊环绕。

第三，虚拟场景应用阶段。首先是基于虚拟现实的编辑和浏览，主要是Lumion和Sketch Up结合使用，不同材质的物品可以通过导入不同的色块进行区分，然后利用Lumion进行贴材质，并进行优化修改。其次是基于虚拟现实的静态图渲染与动画制作。Lumion与其他三维软件比较具有渲图快的特点，同等条件下比其他软件比较，渲图时间可以快十倍，这极大地提高了工作效率，它还具有夜间可视化渲染系统，比如它可以把天空转换成壮观的星空景象，当然还会辉映着淡淡的月光，该渲染引擎的另一特色是改进了色调映射和屏幕空间环境光遮蔽，Act-3D的演示场景效果看起来相当不错。然后是实验体验检测。在基本建立了虚拟漫游系统之后，需要让使用者进行实验体验，并且对整个系统进行检测，比如膨胀检测。虚拟环境中，用户的交互和物体的运动可能会导致物体间经常发生膨胀，并计算相应的碰撞反应，更新绘制结果。否则，物体间会发生穿透现象。发生问题需要及时反馈修改，保证最终的漫游体验的真实感。

第四，测试阶段。对虚拟现实作品进行测试、调整和改进。测试虚拟现实作品的兼容性、稳定性和通用性是测试的主要目标，测试方法分为多种：一是在不同的操作平台进行测试；二是在不同配置的机器设备进行测试；三是由不同的使用者来进行测试；四是在前面三种方式的基础上进行交叉测试。

六、总结与展望

目前，很多虚拟再现应用得到广泛应用。越来越多的传统民居被还原，政府、科研机构、博物馆、大学、公司、个人都不断地参与到虚拟现实的应用和研究上，设计团队日趋合理。

但是，仍然有一些困难存在，比如对传统民居周边环境的再现是十分困难的，一方面是由于其周边环境是不规则的物体，模型制作难度大；另一方面，这种复杂的环境对计算机的渲染能力要求很高，将实际的周边环境和虚拟的古传统民居结合起来将会是一个方向。

相信随着科学的不断进步将会出现越来越多的优良的设备，也会出现越来越多的专业人才，只有设备和技术更好地结合起来，才能更好地对我国传统的民居进行虚拟再现。