虚拟仿真在陕西汉唐文化空间立体投影数字化设计中的应用

胡宇婷

（西安美术学院 动画专业，陕西 西安 710065）

0 引言

汉朝和唐朝在中国社会和中华民族发展的历史中占有重要地位，陕西作为十三朝古都，是汉唐文化的最佳代表。为响应国家“一带一路”倡议和党的十八大对于“促进文化和科技融合、发展新型文化业态”的战略部署，西安欧亚学院结合陕西地域汉唐文化资源，利用虚拟仿真技术，以汉唐文化推广空间为实验场景，研发虚拟仿真实验，使学生能够通过学习掌握空间立体投影的数字化设计流程，并应用与汉唐文化推广之中。本实验项目适应我国数字媒体艺术领域对于人才培养的需求，以培养能运用数字媒介和数字技术进行设计、展示和传播，并解决综合问题能力的创新型实践人才为目标。

传统的实验教学在内容选取和实施中，不能充分满足各层次学生个体发展需求[1]。虚拟仿真实验项目符合艺术学科注重学生设计思维训练和设计方法应用的教学需求，是对艺术设计类课程教学形式和内容创新的探索。利用虚拟仿真技术，能够解决在投影设计教学和实践过程中的诸多客观限制，包括场地限制、时间限制、经费不足和安全保障等问题，是一种有利于自主学习、主动实验、共享开放的教学模式[2-3]，是教育信息化背景下教学改革的发展方向和人才培养的重要手段[4-5]。

1 设计思路

虚拟实验系统本质上也属于实验教学系统，在系统构建过程中同样应遵循“技术设计为教学设计服务”的原则[6-7]。实验中的仿真场景分为经典案例和设计练习两部分。其中经典案例部分场景包括西安永宁门城墙和南广场环境、西安永宁门瓮城环境、西安钟楼及周边环境，分别对应单面投影、多面外环投影和多面内环投影三种教学实验学习投影设计流程，学生可自主学习或教师辅助完成学习。学生通过综合性实验可以有效的将理论知识转化为实践能力，设计练习部分场景未来将增加大明宫遗址建筑、陕西省历史博物馆、乾陵等陕西特色古代建筑，用于学生的进阶类案例设计实验，是学生获得实践技能和提升综合素质的重要途径[8]。

2 系统设计

陕西汉唐文化空间立体投影数字化设计应用虚拟仿真实验项目建立于开放式虚拟仿真实验教学管理平台之上，学生可以通过浏览器登录教学管理平台并进入本实验项目，并在平台的指引下自主完成实验过程。

本虚拟仿真实验项目的系统架构与其他仿真实验项目类似[9-10]，如图1所示，整体项目架构分为五层，包括存放实验组件和数据的数据层，负责系统运行管理的支撑层，虚拟仿真教学管理平台所在的通用服务层，呈现实验虚拟场景的仿真层，以及提供底层服务的应用层。他们由下至上相互支撑构建起实验环境。

图1 系统总体架构图

3 应用操作

在经典案例中包含难度初级、中级、高级三个学习步骤。初级以西安永宁门南门投影为案例，学习单面类型投影设计；中级以西安永宁门瓮城为案例，学习多面外环类型投影设计；高级以西安钟楼为例，学习多面内环类型投影设计。

实验界面主要分为总进度栏和编辑区两部分，如图2所示。总进度栏位于界面左侧，显示该设计项目总进度，包含需求分析、内容设计、设备认知、现场控制、成本表、输出方案。编辑区在界面右侧，根据总进度栏内所选不同进度选项有所变化。

图2 实验界面

以初级案例为例，界面左侧显示总进度栏，该选项对应学习步骤，学生将逐一使用。平台首先提出设计需求，右侧编辑界面说明案例背景情况，并提供关键信息提示。例如图2提出的设计需求，经过提炼形成四个关键词和对应解释说明。确认设计需求后通过点击总进度栏“内容设计”按钮进入视频编辑界面，学生可在素材库中选择并合成视频素材和声音素材。完成内容设计后进入设备认知阶段，右侧编辑界面显示常用投影、音响设备的参数和使用场景，以及脚手架、绗架、电缆等辅助设备。学生在本界面可对常用设备和辅助工具性能进行阅览和学习。点击总进度栏“现场控制”按钮即可进入虚拟仿真场景（见图3），初级阶段编辑界面中间显示永宁门南广场环境3D仿真空间，右侧显示可用素材库（视频、音频、投影仪、音响、辅助设备），下方为选中素材属性编辑区。

图3 现场控制界面

学生使用鼠标+键盘控制视角对场景进行观察。可将右侧素材置入场景，然后对场景中的3D素材进行移动、旋转、缩放等操作，例如将投影仪放至合适的位置。在下方素材编辑栏可以选择调节该投影仪的亮度、焦距或更换视频、音频等编辑操作。学生需要逐一完成置入投影仪、音响、绗架等设备，调节视频、线缆、设置安全护栏等操作。完成场景设置后，学生可进入成本表界面，了解前置步骤所选用的硬件总成本费用表，并导出为表格格式文件。选择输出方案按钮，学生将视频导出成为视频格式，提供给教师评价。

4 结语

陕西汉唐文化空间立体投影数字化设计应用虚拟仿真实验项目在学习阶段提供了三个西安著名文化场景，以历史文化场景为依托，利用虚拟仿真技术实时展现高逼真投影效果，让学生在虚拟仿真场景中充分发挥设计潜能，综合锻炼学生的空间立体投影设计能力。通过虚拟仿真实验系统学习，学生能够掌握数字化投影的基本原理，了解常用投影设备特征和使用需求，运用投影点位布置的通用原则，并能够理解在不同应用场景下投影视频在造型、视觉表达、氛围营造等方面的作用。学习成果应用于汉唐文化推广中，未来不仅可以服务于数字媒体艺术专业实验课程教学，还可在汉唐文化场景复原、扩展立体空间投影展示形式等方向持续开展科学研究。实验平台可与行业和企业实践项目结合，与产业前沿和理论发展前沿一致，学生在学习过程中可以接触到实际的社会需求，让设计教学有基于陕西地方文化特征在地化应用的可能。