基于VR技术在闽南传统建筑聚落虚拟体验研究——以浦西城堡为例

陈浩瀚 张子康 郑林蕊 王鹏昆 朱申荣

(厦门大学嘉庚学院建筑学院 福建漳州 363105)

0 引言

随着经济发展和城市化推进，闽南传统建筑的保护面临严峻形势。闽南建筑特征修缮困难和宣传保护不到位是主要问题。如何改善闽南传统建筑保护方式，让人们更加深入广泛了解闽南传统建筑是一个迫切的议题。VR技术作为现代信息社会的新型技术之一，其根据这些文化遗产构建的具备可视化、交互化等特点的三维虚拟仿真系统，在为闽南传统建筑的研究、保护与介绍方面起到了非常重要的作用。逼真的虚拟场景实时交互，可视的感知与操作，使得VR技术得到了业界的广泛认同。

1 VR技术简介

1.1 VR技术的概念与特点

VR技术是综合利用计算机图形图像系统和各种现实及控制等接口设备, 在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术[1]。VR技术在当今社会中不仅仅只局限于计算机领域，还运用于军事、航天、建筑、医疗、教育等领域。在建筑设计过程中，VR技术使建筑师在设计时就能更加立体化地感受自己的方案。同时在方案汇报展示时，也能使观众得到身临其境的感受。对于建筑行业来说，VR技术不仅可以更加直观地表现建筑产品的样式，给客户提供直观体验，而且还可以用于历史建筑的研究与保护，发挥巨大潜力优势。

2020年初，来势汹汹的新冠疫情打乱了人们的生活安排，衣食住行均受到较大影响。许多被限制的线下活动推动了线上活动的高度需求。线上教学、视频会议等各类远程业务及虚拟现实产业得到了飞速发展。而VR技术的普及度和认知度在疫情期间也得到明显的提高。

VR技术拥有优秀的沉浸式、交互式、构想性等特色，可以满足疫情期间在无接触的条件下让人与场景进行空间上的交流与沟通，可以打破时间、空间对旅游活动的限制，还能够通过选择固定时间游览当时的建筑特色及景观面貌。

1.2 VR技术对于闽南传统建筑的意义

传统建筑具有不可再生性,一旦遭到毁坏，便无法修缮为原样，像水车堵、对看堵、燕尾脊等闽南建筑文化特征样式是难以被完整复原的。再加上现有的保护技术有限, 也无法有效阻止部分建筑遗产因非人为原因而导致消亡[2]。如今一些古建筑原本的功能性逐渐丧失，新一代年轻人更向往大都市洁净的砖瓦水泥房。诸如漳州市的浦西城堡，防御外敌的任务早已随着历史发展消散，古堡内的古建筑保护并不能引起人们的广泛兴趣，更多年轻人选择外出务工。因此将VR技术应用于闽南传统建筑保护的主要原因有降低保护成本和提高闽南传统建筑保护的关注度。

(1)降低材料及人力成本

如今在大力推广环保、实用的前提下，各个行业都追求如何尽可能节约材料成本及人力成本。一些博物馆、景区常出现线上语音图文介绍来与游客互动。借助VR技术展示传统建筑文化，能够减少当地宣传材料、目录手册、沙盘演示及导游人力的成本。若利用VR技术的特性，在不破坏传统建筑的前提下设置虚拟导览。将设计好的VR作品上传网络进行宣传，相信古建筑保护能因此取得比传统图文宣传更好的效果。

(2)改善保护形式

随着城市化发展，古建筑保护面临严峻形势。受限于资金与技术，不可能保存每一栋传统民居。但通过实地调研进行数据采集，并将之设计制作成虚拟模型乃至VR展示作品，不失为一种可靠的保护传统古建筑的新趋势。一是当地通过与院校展开合作，以课题研究的形式，不仅使古建筑保护的理论体系得到完善与实践，还能促进更多学生了解并喜欢传统建筑，获得更多的专业人才。院校成果也能够反哺当地的古建筑保护与宣传，使古建筑保护产生良性循环。二是古建筑的修缮改造可以通过虚拟模型进行模拟改造，增加修缮改造的容错率。实地调研采集得到的数据，既能形成可靠的古建筑保护数据集，又能以数据为基础进行模拟改造，使古建筑保护形式更加多样。

(3)推动旅游发展

根据一项综合调查表明，五国(美、日、英、法、德)访华旅游动机主要是了解当地民众生活文化和历史文化，分别占比100%和80%[3]。文化旅游广受旅游者青睐的原因在于当地特色文化与古建群落别具魅力。将VR技术应用传统建筑上，游客能够在线上得到沉浸式的古建筑漫游体验，对实地旅游将更有兴趣。国内对于VR技术的研究应用要晚于国外，国外的VR技术相对成熟，应用范围也较为广泛。根据国外学者对于VR技术在旅游业中的相关研究，结合国外旅游技术在自助服务、移动技术和基于Web技术几个方向的发展，得出VR技术使游客的心理印象更加深刻，并具有超强的临场感的结论,同时VR技术有助于把这些体验转化为对品牌的感知印象。VR技术不仅改变旅游业的传统方式，还刺激了旅游业的经济增长[4]。通过VR技术推动建筑文化旅游发展，吸引游客的同时，拉动当地旅游经济发展，从而使居民自发保护古建筑。

2 基于VR技术的建筑可视化设计过程

2.1 实地测绘

实地测绘是将实体建筑与场地转化为数字模型的基础。通过实地测绘能够让设计者了解真实的尺度与空间，明白实际的建筑细部构造和场地中的特殊场景。在未来建立数字模型与VR场景时，能够更加还原真实情况，提高沉浸感。同时，实地测绘的数据也将成为历史建筑与古村落的实证资料，为历史文化建筑与历史文化街区的修缮与保护提供坚实的科学依据。

2.2 建立虚拟模型

利用实地测绘数据建立虚拟模型是VR场景设置的基础。利用CAD、SketchUp、Rhino、3Dmax等主流软件，将实地测绘得到的数据输入并转化为虚拟模型，能够得到相当仿真的虚拟场景。一些3D软件能够放置材料贴图、设计灯光、环境等，使虚拟模型达到更加贴近真实环境的效果。

2.3 建立VR场景

VR场景是基于VR技术建筑可视化的效果呈现。建筑的材质、环境、光影、空间都是通过VR场景来表达。目前国内较成熟的软件有光辉城市、Unity、酷家乐等。以光辉城市为例，它的Mars能够设置材质、天气、光照等效果，并实时渲染出来。同时也能够通过VR设备在VR模式下进行模型搭建、场景编辑、材质编辑、交互控制[5]。导出设置好的全景图后，通过它的Venus将全景图按一定顺序组合形成游览路线，并附上一些可交互的提示按钮，然后生成二维码，观众通过扫码得到一种简单的多平台的VR效果体验。在虚拟的场景中，通过对材质、光影、空间之间的交互。使观众身临其境感受环境空间和建筑构造，是建立VR场景的重要任务。

2.4 设计流程

通过以上描述，基于VR技术的建筑可视化设计过程将经历前期的实地测绘和建立虚拟模型、中期调整材质与环境并生成VR场景、后期组合VR场景形成游览路径然后给予观众欣赏。其中，中期和后期的操作可以通过光辉城市的Mars和Venus软件完成。整个操作流程如图1所示。

图1 VR作品设计流程

3 闽南传统建筑实例介绍

浦西城堡坐落于漳州市龙海市的东部，港尾镇的浦西社，始建于1561年(明朝嘉靖年间)，村内建筑布局、建筑风格统一，具有闽南文化特色，于2016年被列入我国传统村落名录，是有相当的文化价值的历史村落[6]。城堡内的建筑多为古厝的形式，道路呈网格状，建筑坐北朝南沿道路整齐排列，建筑群部分完好，很好地保留了“水车堵”“燕尾脊”“博风板” 等传统特色，建筑上保留了较多的色彩丰富的交趾陶花纹装饰等[7]。但有些古厝因为年久失修及自然原因出现了不同程度的损毁。城堡内的古厝形式多样，有南北向的和东西向的，东西向的大多没有院落，而南北向的古厝大多有一个封闭的庭院有较高的私密性，且这样的做法也使整个村落在空间布局上有了更多的趣味性。

随着时间的推进，浦西城堡防御外敌的功能已经消散，空间形态、建筑布局及建筑样式更多倾向于居住功能。为了适应这个互联网发达的时代，通过建立浦西城堡虚拟模型，并设计出具有参观价值的VR体验作品，能够吸引更多目光，使闽南古村落的保护受到更多关注。

3.1 虚拟模型构建

以浦西城堡VR的可视化研究为例，首先，需先进行浦西城堡实地勘察调研，获取场地及建筑的勘测数据，然后在AutoCAD中对数据进一步处理，绘制出详细的CAD图纸。图纸总平内容包括各建筑物的位置、道路、交通等的总体布局，建筑细部图纸包括柱子柱础尺寸及位置，门窗位置尺寸及墙体开间进深尺寸等。

CAD图纸绘制完毕后，将绘制的方案导入SketchUp软件中进行建模。使用直线绘制、推拉工具等命令绘制浦西城堡场地模型，再绘制建筑细部，并对模型进行初步材质赋予。然后对其模型分组命名，再整合到一起。最后根据现场勘察的照片对整体模型进行细微修正，检查模型准确性，保存为“.skp”格式，导入到光辉城市Mars软件平台进行可视化操作，如图2所示。

图2 CAD方案图与三维模型效果图

3.2 可视化设计

浦西城堡VR中的可视化设计可以更好地将模型展现在用户面前。用户在扫描二维码或点击手机端的VR作品网址链接观看浦西城堡普通全景图时，点击场景内相应的路径或天气按钮，就可以自由漫游浦西城堡，体验不同天气的古堡氛围，如图3所示。如果想要更进一步的沉浸式体验，只需在手机端点击右下角功能中的VR眼镜，将手机插入到VR眼镜中，配合VR眼镜就可以观到看VR端全景视图。这些环境设计、材质设计、场景设计、交互设计等可视化设计，使得浦西城堡VR作品更有沉浸性和可视性，可以更好表现VR效果。

图3 浦西城堡鸟瞰图

(1)环境设置

由于浦西城堡的地理位置位于漳州市西北部，属于南亚热带海洋性季风气候，冬无严寒，较多降水，所以在VR作品中把晴天、雨天和秋天这3种环境模板作为浦西城堡VR的特定展示环境，模拟当地环境气候特色，向用户呈现“晴空万里，艳阳普照”“天黑黑，要下雨”和“秋意浓，夕阳红”的环境特点，如图4所示。模型周围的树木种类也是选用常见的漳州本地树木如榕树、樟树、龙眼树等，使得地域与自然协调统一。

图4 浦西城堡环境切换

(2)材质设置

一个好的场景效果，有一半取决于材质。材质的视觉效果在可视化设计中占据着重要地位。因为Mars中的材质资源很丰富，而且在最开始的场地勘察中对浦西城堡的建筑材料有一定的材种鉴定，所以在Mars里对导入的浦西城堡SU裸模的材质进行了相应的材质参数调整。比如浦西城堡用的是本地红色斗底砖、红板瓦，杉木檩条等材料，那相应的在VR模型中添加的也是相同的或是接近原来材料的材质，力求达到与现实一模一样的效果，提升VR的体验感，如图5所示。

图5 Mars编辑斗底砖材质

(3)场景设置

对真实环境的模拟可以使得VR效果更加逼真，场景设置需要最大程度贴近日常生活。浦西城堡堡内按“九宫格”布局，各有南门、东门、西门3个出入口，街巷整齐、主次分明。所以在制作VR设置特定场景时，选取了东门到西门和南门到黄开胜名居作为主要的选取场景路段。这两段路呈交叉十字形，贯穿了整个浦西城堡，是重要的交通道路。当地居民也经常坐在路边乘凉聊天，所以在此设置场景，最能体现日常生活真实情境，让用户有一种身临其境的感觉。

3.3 交互设计

VR技术不同于传统技术，其丰富的交互设计让用户沉浸入虚拟环境。在浦西城堡VR体验漫游时，用户只需轻轻一点就可以切换天气，转换场景等。使用VR设备在沉浸式漫游中甚至可以进行物品增添、替换材质等操作，身临其境感受环境变化。利用好交互设计，可以带来不同的视觉感受，还原最真实的空间体验。

(1)天气切换设置

不同的天气就会呈现不同的场景效果，带给用户的体验效果也不一样。所以在浦西城堡的VR漫游中，放置了天气切换按钮，用户在体验VR时可以根据不同需求选择多种天气效果，使场景随天气变化而呈现出丰富的情境。目前浦西城堡VR展示中有晴天、雷雨和繁星这3种天气模板，在展示中可以通过点击或者触碰按钮进行切换，观看在不同天气下的VR效果。

(2)游览路径设置

VR游览路线不同于传统游览展示路线。在VR游览路线中，项目被建筑师用计算机呈现在三维的虚拟信息环境中，用户可以自由选择游览方向，能够全面了解空间布局，对于各个角落的细部设计也能一目了然。

浦西城堡的虚拟游览方式主要有两种：一种是沉浸式漫游，另一种是场景转换式漫游。沉浸式漫游相对于场景转换式漫游更加自由灵活，通过键盘鼠标或VR设备就可以在浦西城堡内自由行走，沉浸式体验感更强。场景转换式漫游是在浦西城堡内选择几个重要的节点全景图，通过串联或者并联的游览方式在Venus软件内组合而成，形成便于转发的二维码。日常的手机或者电脑设备只要扫码就可以体验到，适合用于展示传播的用途。用户可以根据自身需求选择游览方式，需要立体漫游的效果就选择沉浸式漫游，想方便快速观看重要的节点效果图就选择场景转换式漫游。

3.4 VR作品应用成果

当完成了浦西城堡VR作品设计，可以将之放置在当地游览指示牌上，方便游客使用手机扫码体验全景视图。同时设置一个专门的体验室，提供VR眼镜基于游客沉浸式体验。另外还可以建立公众号、微博等以VR作品进行对外网络宣传，如图6所示。

图6 浦西城堡VR作品二维码路牌和公众号意向图

以浦西城堡的VR作品为契机，当地积极开展校地合作，通过院校构建学术研究体系。浦西城堡是学校研究古村落演化和闽南传统文化的宝库，学校研究成果也会引导浦西城堡进行更完善的传统民居保护，形成良性循环。学生通过实地调研了解古村落，并以此构建出VR作品。利用VR技术将传统建筑以更新奇的方式展现给人们，能够提高古建筑的曝光度，吸引更多人去关注、了解古建筑、古村落的现状，以期能够形成人们自发保护古建筑的风气。

4 结语

VR技术打破了闽南传统建筑宣传展示的固有方式，通过数字化的运用，将闽南建筑文化特征鲜活立体地展示给观众。一定程度上缓解了实地体验上交通与环境气候阻碍、构件难复原、展示内容有限等困难。尽管VR技术在建筑领域已经逐渐得到肯定，但在闽南传统建筑上的应用还少之又少。随着硬件大大提升及VR技术逐渐稳固，将在文化传播领域占有不可缺少的地位，在对传统建筑上的运用也会逐渐普及。