大运河景观的虚拟再现数字化实现*

河北金融学院 钟文洋 苗志刚 曲耕渔 蒋婧婧 胡栌心

为积极响应中共中央办公厅 国务院办公厅印发《大运河文化保护传承利用规划纲要》，本文以虚拟现实技术在大运河文化中的应用为例，讲述大运河景观基于虚拟现实技术的再现。数字运河公园主要通过AR、VR、Unity3D等技术相结合的方式，将运河的形象进行虚拟再现，充分还原大运河的壮丽景观，开启视觉盛宴，重现大运河的昔日风采，为用户提供真实的旅游和地质文化体验，让更多人感受大运河文化的魅力，以推动运河智慧文旅的发展。

中国大运河是世界文化遗产，是古代中华民族劳动的璀璨结晶，更为重要的是，中国大运河所代表的运河文化，是极为独有、难得的一种文化，运河文化是一种活态文化，运河文化至今都在不断地发展、创新。近年来随着科技和生产力的发展，虚拟现实技术的产品以一种高科技，高技术含量，令人耳目一新的高姿态夺人眼球，而将虚拟现实技术融入到运河文旅中，不仅是为了打破人们思维中虚拟现实产品绝大多数以游戏为核心的固有印象，更是为了将新技术、新思维融入到中国大运河的运河文化中去，为活态文化带去新的活力。该平台旨在通过建模对大运河景观进行还原再现，加强对运河古迹的保护、研究、利用，让运河拥有最纯真的面貌，让人们更了解运河，贴近运河，真真切切地使人们对大运河文化有了更深的理解，增强民族自豪感和文化自信，深入挖掘大运河文化、生动讲述大运河故事、坚持传承大运河精神、创新传播大运河品牌文化。在十四五规划和2035远景目标建议中提到，传承弘扬中华优秀传统文化，建设长城、大运河、长征、黄河等国家文化公园。中国大运河是中华民族的绚丽瑰宝。在我们身边了解运河的多为老一辈，很少有小一辈的人能够真正了解运河。为积极响应国家政策的号召，运用科技力量将运河景观进行虚拟再现，提高用户的体验兴趣，扩大用户范围，有利于弘扬优秀的运河文化。

1 大运河文化再现策略

1.1 景观选择

弯弯运河，悠悠故城。运河承载着几代人的记忆，运河文化影响着运河居民的衣食住行、民居建筑、民风习俗等。大运河贯通南北，来往的不仅仅是货物，还有南北之间的文化思想、风俗习惯，在大运河沿岸，更是有着无数的非物质文化遗产和建筑，比如桥梁码头、漕运衙门、船闸、会馆河埠等。随着时间的推移，这些建筑都会一点点的老化，甚至失去这些建筑原有的风貌，数字运河公园初步选取运河各段具代表性的景观进行建模还原，实现运河景观的虚拟再现。大运河是一条巨型的文化长廊，其包括古代遗址和近现代遗址，包括物质和非物质的空间在景观选择时应实地考察运河文化带，避免缺失特色古迹系统的筛选和整理。作品数字运河公园主要分为码头、船只、船闸等九个运河模块，旨在将大运河一整条航线纳入到数字文化主题公园。

通州历来为京东交通要道。如今的通州高楼大厦，一派现代化的景象，通州区运河两岸的景观已进行主体化建设，初步形成了景观长廊。通州码头又称漕运码头，是之前维持国家运转的生命线，但是如今却很少有人了解漕运，如今的护城河也早已被填埋，但是漕运是一代人一代城的历史不能就此在人们心中散去。

1.1.2 郑和宝船

船艏正面有浮雕装饰，浮雕呈现威猛的虎头样式，两舷侧前部浮雕或彩绘是庄严的飞龙，艉部板上方绘有展翅欲飞的大鹏鸟，无处不体现出郑和宝船的气势。郑和宝船是当时人们团结协作的成果，郑和下西洋无疑是伟大的壮举，是航海史上的奇迹，人们对奇迹的了解不能随着时间烟消云散。

1.1.3 临清钞关

临清运河钞关位于会通河临清段西岸。随着时代的变迁，钞关原有的80问房被拆迁，如今所剩无几，现在能看见的仅剩几座古建筑和一些复原的地基，临清钞关丢失了本有的样貌。

1.1.4 淮安府署

淮安府署是明洪武元年知府范中在元淮安路总管府府署(现漕运总督部院处)加以修整而来，曾掌管全国漕运，漕运作为古代中国运河文化中最浓墨重彩的一笔，其对中国大运河文化价值的重要性不言而喻。淮安府署已成为国家4A级旅游景点。

如前所述，昆曲过腔音乐材料有来自本唱调音阶中的任一级音和昆曲剧种主调两种。音乐材料以及各种材料的不同组合和连接次数的多寡，可以影响乃至决定过腔的结构和结构形式（下称“构式”）；音乐在运动过程中，亦有音势顺畅或转折、气息顿挫或断连之异，也会导致乐汇或“句型”的变化，过腔结构的多样性亦由此产生。

1.1.5 杭州拱宸桥

杭州拱宸桥是中国大运河的终点，其承担着极大的文化意义，古人有一个约定俗成，每当在运河驶船时，看见了拱宸桥，便代表着杭州到了，这体现了其极具地理代表性。拱宸桥是大运河杭州段珍贵而古老的文物遗产。它不仅见证了两岸的历史变迁，也见证着杭州这座城市的成长。该桥东西方向横跨大运河，桥长98m，高达16m。

1.1.6 水上立交

大运河上的水上立交工程是亚洲最大水上立交。大运河立交在淮河入海水道与京杭大运河立体交汇，上行大运河，下行淮河入海水道，互不干扰。承接着京杭运河南北航运的上部航槽，船队如麻，在进出口段采用独特的水泥砌块作为护坡，为淮安枢纽工程添姿加彩。桥头堡建筑钢索缆桥，更是运河文化和现代工程的完美结合，因此也成为淮安水利风景区的特别景观。

1.1.7 船闸

船闸体现了大运河在承载漕运方面的文化、科技结晶，一个船闸，利用了地势的高低对船的通行提供了便利，体现了古代人民的智慧，是运河文化不可缺少的一部分。

1.1.8 堰埭

堰埭是壅水的土坝，用于提高上游水位，便于用水和灌溉。运河建设者们为保证运河航行充足的水量和稳定的水流筑堰用来挡水，这是建设者们精心设计的杰作，体现了古代人民的智慧，同样体现了大运河文化的魅力。

1.1.9 贯穿南北勾连西东

大运河贯穿南北勾连西东，是全国经济和文化沟通的纽带，呈现运河的枢纽作用，也是对运河景观完美再现的关键要素。中国大运河历经岁月的打磨，饱受时光的风霜，也是时光为我们打开的一扇窗，透过这扇窗我们看到了大运河文化，更看到了中华优秀传统文化。

1.2 模型化处理

1.2.1 测绘

通过实地考察观察各个景观的特征和比例，通过百度地图VR全景以及谷歌地图仔细观测，按建筑实际比例1∶1还原。

1.2.2 建模

利用SketchUp、3Ds Max等专业3D建模软件，对已测量好的运河景观代表建筑进行等比例三维建模，在生产三维模型过程中，本平台利用了SketchUp进行了初期的简单三维模型的构建，再利用3Ds Max进行较为复杂的，含有多曲面的模型进行创建。

1.2.3 贴图

利用3Ds Max对模型进行贴图制作。为增加三维模型真的真实感，根据运河景观代表建筑的原型，利用Photoshop处理好贴图图片后，在3Ds Max中为模型制作贴图。这一过程就像是黑白电影发展成彩色电影的过程，让用户从观感上更有真实感，更有体验感。

1.2.4 展示平台的选择

本平台经过在多次建模过程中的反复测试，以及用户反馈的意见上，最终选择了功能强大的UE4（Unreal Engine 4，虚幻4引擎）作为本平台的展示平台。从起初的Enscape这一体积小，功能强的渲染平台的测试中我们发现，虽然Enscape能够将静态的运河建筑展示出好的效果，但是该平台在运河文化展示上总是很难能够将流动的水的渲染出好的效果，对于运河文化来讲，水才是这一活态文化的灵魂所在，而这一渲染平台的天然缺陷，让我们不得不放弃对该平台的使用。随后我们利用了Unity 3D这一老牌游戏引擎进行搭载，发现Unity 3D对于我们开发的运河文化展示平台对手机端的AR开发的需求十分契合，我们便开发了一款手机AR识别App。但是Unity 3D在PC端的开发上却存在一些弊端，对于本平台的特殊性，我们开发本平台交互性，游戏性的时候发现，Unity 3D的交互脚本较难维护。相比较之下我们选择了虚幻4引擎，该引擎能够搭载我们所创建的三维模型，并且在开发交互功能时，成本较低，使用方便，并且代码耦合度较低，便于维护，也增加了后续弘扬运河文化时平台可维护性，并且该引擎展示效果极为逼真。

2 虚拟再现的优势与前景

2.1 虚拟再现的优势

近年来虚拟现实技术飞速发展，许多虚拟现实技术产品不断上线，且屡次使人耳目一新。数字运河公园基于虚拟现实技术和增强现实技术能够不受地域和时间的限制，让各地的人随时了解运河，并且通过对运河进行虚拟再现，能够更加清晰更加直观的表现出运河景观的细节，有利于人们更加深入仔细的了解运河景观，从而进一步学习运河文化。虚拟现实技术通过模型再现能够将已经毁坏的运河景观深度还原，从而让人们了解更真实的运河景观，而真实的运河景观才是一代人的血脉和感情，才是我们真正应该了解的。在运河周边，有许多大大小小的码头，但是，随着时间的打磨，一些码头已被拆为公路和街道，丧失原貌。通过虚拟再现将这些码头复原重新展现在三维环境中，使得码头的样貌复原，这是现实中做不到的。而运河文化是一代人的情结，更是中华的优秀文化，因此，将景观再现有利于修复人们的情结，同时让更多人的人了解运河更能激发并满足人们对运河文化的好奇心。另外，通过先进科技对古迹进行重现完善相对于传统的方式而言，大大节省了时间和金钱，一定程度上也提高了完成效率，并且对文明发展具有积极影响。将虚拟现实技术应用于再现运河文化带，有利于为用户打造多感观赏体验，环绕式体验虚拟界面，增强真实感。通过虚拟再现，用户在不失真实体验感的前提下，大大节省了时间，因此虚拟再现为运河文化带的宣传带来了大大的便利。虚拟再现相较于实地旅游费用低，更适用于所有经济收入的人群。虚拟环境对运河景观进行再现，弥补了一代人的历史情结，也弥补了运河文化，为更多人了解运河提供了便利，更是先进科技与优秀文化的完美结合，运河景观的虚拟再现，有利于带动运河一带旅游文化的发展，有利于促进运河一带城市经济的发展，带动依运河而生的物质文化遗产和非物质文化遗产的发展。另外，运河景观的虚拟再现，也是对运河景观的一种保护，非接触式观赏，也减少了运河古迹与外界的接触，进而减少了古迹由于人为因素例如受光、受潮、触摸、恶意损坏造成的破坏，降低了不文明旅游现象的发生频率，同时有利于规范旅游场景。

2.2 虚拟再现的前景

在疫情防控期间人们响应号召非必要不外出，但是随着人们的经济条件的提升，人们寻求足不出户形式的消费，因此旅游业的智慧化发展受到疫情的影响，“无人服务”“智能导览”和“数据监测”等项目成为各大景区智慧化建设的基本要求。另一方面，疫情也改变了消费者的消费行为，无接触度假、近郊游成为近期的热点。近年来有各种基于虚拟现实技术的教育平台、房地产平台等，此外，虚拟现实技术被应用于影视业，同时，虚拟现实技术也被广泛应用于网络游戏中，并得到快速发展，虚拟现实技术大大增强了游戏的真实感。目前，中小学和全国高校着力关注学生对中华文化的了解和学习，而数字运河公园抓住了青少年用户的使用体验感，通过虚拟再现，减小空间的局限性，增加观赏和体验的趣味性。近年来，我国旅游业快速发展，许多景区人海拥挤，越来越多的人追求旅游过程体验感，人们更倾向于以更加轻松和享受的方式体验旅游的过程。

3 景观的虚拟再现

3.1 呈现方式的选择

VR和AR是现在全球范围的热点前沿技术。虚拟现实可以模拟出能与用户交互的真实环境从而达到沉浸式体验，而增强现实则不同，增强现实可以做到虚实一体，可以将虚拟物体融入到现实，从而增强用户对“现实”的体验感，VR技术为用户提供多感官的体验，最大化地将场景再现还原，感受场景的效果与变换。AR则将构造出的虚拟场景加以处理赋予用户更强的“现实”体验感。因此，以AR为辅助，VR为主力，打造了沉浸式的数字文旅，AR与UE4游戏引擎相配合，使用户在现实世界中与虚拟画面实现交互性活动，增强用户体验感。

3.2 呈现过程

大运河景观的虚拟再现需要设计人员将大运河周围景观进行深度地还原，例如：码头、船只、船闸等。目前我们主要通过3Ds Max技术对这些景观进行设计还原，使用SketchUp和3Ds Max等建模软件对船闸、船只、码头等按其实际比例来构建模型，追求模型的真实性和完整性。在模型制作完成后，需要对所构建的虚拟景观进行贴图处理，并在必要情况下对模型进行虚拟现实技术的渲染。在呈现时，我们利用UE4作为大运河景观的展示平台，同时我们也利用了Unity 3D游戏引擎进行搭载，并开发了一款手机AR识别App，通过扫描大运河景观模型图片，便可以在手机上显示出立体景观模型。