赵锋 程科 靖亮
摘 要：通过分析虚拟现实技术在建筑漫游中的应用，探讨了沉浸式建筑漫游与交互设计制作过程，并以武汉中共五大会址纪念馆为实景开发虚拟漫游交互系统，通过添加人机交互碰撞检测和HTC Vive头戴显示设备，借助操控手柄实现沉浸式建筑漫游和交互系统。体验结果表明，全方位的沉浸式漫游使体验者与建筑的互动性更加强烈，心理上更加亲近，人与建筑关系更为融合。
关键词：中共五大会址;建筑漫游;虚拟漫游;交互设计
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）24-0105-05
Immersive Architecture Roaming and Interactive Design Based on VR Technology
——A Case Study of the Memorial Hall of the Fifth National Congress of the CPC
ZHAO Feng1，2，CHENG Ke1，2，JING Liang1
（1.Research Center of Modern Public Visual Art and Design，Hubei Institute of Fine Arts，Wuhan 430060，China;
2.Hubei Institute of Fine Arts，Wuhan 430205，China）
Abstract：By analyzing the application of VR technology in architecture roaming ，this paper discusses the making process of immersive architectural roaming and interactive design，and virtual roaming interactive system is developed with the Memorial Hall of the Fifth National Congress of the CPC in Wuhan as the real scene. By adding human-computer interaction collision detection and HTC Vive headset display device，the immersive architecture roaming and interactive system is realized with the help of the control handle. The experience results show that the omni-directional immersive roaming makes the interaction between experiencers and buildings more strongly，closer psychologically，and the relationship between people and buildings is more harmonious.
Keywords：site of the Fifth National Congress of the CPC;architecture roaming;virtual roaming;interactive design
0 引 言
虚拟现实技术（VR）是一种多学科综合交叉应用的人机交互技术，利用这种技术开发的虚拟场景漫游通过创建一个形象逼真的虚拟感觉空间，可以让用户体验到身临其境的感觉，因此，近年来越来越受到文化遗产复原和文物保护界的重视和应用。虚拟现实技术的发展，三维建模和沉浸式虚拟现实工具的使用，可以进一步促进人与文化遗产的距离[1]。沉浸式漫游具有高度的沉浸感、多感知性和交互性特征，更容易产生心理沉浸和共鸣。基于VR技术的沉浸式建筑漫游以其独特的第一视角镜头和实时交互的优势应用到建筑文化遗产保护中，能有力增强建筑文化遗产的影响力，也为其知识传承提供了新的发展动力和活力。
1 虚拟现实技术在建筑漫游中的应用
建筑漫游是对建筑的空间、布局、景观、装饰、家居陈设和材质等进行的三维虚拟仿真，是突破时间和空间限制对建筑进行数字化还原和零距离接触的展示应用。目前，国内对文化遗产的数字复原和虚拟漫游呈现出两大特点：一是内容上主要集中在古遗址、古建筑、古村落和一些具有重要文化符号代表性质的壁画、石刻、雕像、绘画等，这些虚拟漫游场景本身涵盖有建筑的漫游和交互实践内容，包括较多具有革命纪念意义的红色建筑。二是技术上多采用三维全景动态交互的方式，通过固定视点360度环视，利用实景照片构建出立体空间形态，从而还原最真实的展示现场，其优势是拍摄制作速度快，画面质量高，无须复杂的建模和贴图，缺点是自主交互性差，视点固定有较大局限性。
近年来，随着虚拟现实技术的进步和国家对该领域的投资开发，依托虚拟引擎和外接头显设备实现的实时沉浸式漫游系统在建筑文化领域获得广泛运用，并逐渐展现出其全方位、多维度、自主和交互性体验优势。2006年，清华大学就开始研究虚拟重建并率先在国内实现了圆明园部分建筑的虚拟漫游[2]。2018年，“万物有灵·清华大学文化遗产保护与创新成果展”中展示了基于沉浸体验设备开发的湖南益阳虚拟明清古巷。国内建筑漫游系统还有广东韶关的南华寺、四川乐山文庙大成殿，山西榆次老城街道等数不胜数。在红色建筑领域，全国各地开发和推广的虚拟漫游项目也不计其数，内容涉及革命博物馆、纪念馆、会议旧址、旧居、烈士陵园等，使红色文化遗产在新时代依旧焕发着青春的活力和独特的价值。
2 沉浸式建筑漫游与交互设计制作过程
虚拟建筑漫游的制作过程一般包括：首先确定需要实现漫游建筑的结构、布局和风格，进而开展基于虚拟现实技术的建筑漫游主体制作[3]，我们可以将其分成三个环节，即采集素材3D建模、导入引擎设置场景、添加交互体验测试：
（1）采集素材3D建模。正常情况下，虚拟建筑漫游项目首先需要根据建筑实景或有确切数据的档案、照片等来参考确定建筑的风格、大小和布局，然后通过三维建模软件在虚拟空间中构建出具有三维数据的建筑模型。项目组在着手开始三维建模之前，多次赴现场对纪念馆建筑进行了多角度和全景、特写镜头拍摄，获得了一系列宝贵的建筑实景图片。通过查阅纪念馆的图文档案和网络资料，搜集了建筑的尺寸、结构、功能、装饰纹理和陈设等纸质和电子资料，对建筑的人文脉络和历史变迁也做了充分的探讨和分析，力求能够让建模场景更有穿越感，更能够贴近现实。这一环节的制作主要借助图像处理和三维建模软件，目前市面上主流的适合建筑建模的软件有3ds Max、Maya、SketchUp、Rhino等，也有部分项目借助一定的设备通过环绕图像全自动方式三维建模。本项目采用3ds Max作为建模工具，后期对模型进行了优化处理，对贴图进行了必要的质感和光影制作，使模型看起来更加的逼真。3D建模完成以后，将其导出为FBX格式后再导入虚拟引擎即可。
（2）导入引擎设置场景。这一环节的主要操作都集中在虚拟引擎上。目前主流的虚拟引擎主要是Unity3D和Unreal，本项目采用的是Unity3D引擎。在Unity3D中，Shader是材质的模板，Material是一个材质实例。将3D模型导入到引擎后，通过创建一个Material并将这个Material的Shader设定为准备好的材质，然后可以直接将Material逐个拖到对象上赋予材质，再调整材质参数，从而达到理想效果。由于Unity3D引擎无法读取3D模型中的材质和灯光信息，项目组后期借助引擎的材质系统和光照系统对导入的模型进行了补充。Unity3D提供了四种不同类型的光源，并且有两种不同的技术用于预计算实时光照和反射光。通过调整灯光的颜色、大小、方向和强度，配合材质调整中的高光、反光、折射、反射等参数，提升了场景画面的质感和真实感。
（3）添加交互体验测试。在虚拟漫游系统中添加交互，可以增加系统的趣味性和用户体验的真实性。Unity3D可以实现用户与建筑内物品的互动，还可以通过手柄对场景中特定对象激活UI进行说明，通过射线检测和碰撞来更改场景中物体的标签和位移等。在建筑漫游的交互环节中尤其还需要注意避免穿墙而过以及碰撞反馈等细节，必要时可以应用动画控制器来切换组件，以确保动作的连贯性。项目完成后根据需要先进行平台测试发布，以检测渲染效果和动作交互，包括多模型之间的拼接衔接、系统平台的兼容性等，最终可以导出为一个可执行程序，借助头显设备，用户可以沉浸到虚拟建筑环境中进行交互体验。
3 中共五大会址纪念馆沉浸式漫游与交互设计实现
3.1 项目研究背景
为迎接中国共产党成立100周年庆祝活动，营造浓厚的学术研究氛围，并突出新时代爱国主义教育基地的作用，从2019年开始，在湖北省教育厅和湖北美术学院现代公共视觉艺术设计研究中心项目基金支持下，通过协调湖北美术学院的专业设计和技术团队力量，项目组先后在红色建筑虚拟沉浸漫游和红色文化遗产数字化复原方面开展了一系列研究和开拓工作，并以武汉革命博物馆为重点，实现了涵盖武昌农民运动讲习所旧址、毛泽东同志旧居和中共五大会址纪念馆在内的多所革命建筑和红色文化遗产数字化复原及自主交互沉浸漫游，本文为项目研究系列成果之一。
中共五大会址纪念馆是武汉革命博物馆下辖场馆之一，建筑面积约3 611平方米，旧址原为1918年创办的国立武昌高等师范附属小学，现保存有4栋原建筑。该馆建筑最大的特点是中西合璧，临街二层门楼为西方古典主义风格，上有巴洛克式花雕，馆内建筑呈三面合围院落。建筑群为内廊式布局，相互之间设有通廊和环绕四周的游廊，建筑内设有推拉式玻璃窗和隐蔽通风窗，具有鲜明的地域特征。整体色调为青瓦灰砖红柱，古朴典雅。
优秀历史建筑的建筑样式、施工工艺和工程技术具有建筑艺术特色和科学研究价值[4]。本项目以武汉中共五大会址纪念馆为实景开发虚拟漫游交互系统，内容包括临街门楼、庭院、小礼堂和陈列馆等。项目规划通过三维建模后进行纹理映射材质贴图，并结合实景布置花草树木，实现数字建筑与周围环境的紧密结合。运用虚拟引擎实时渲染，通过C#代码实现碰撞交互，利用HTCVIVE虚拟设备进行体验，用户可以深入到虚拟空间沉浸漫游，全方位参观纪念馆的每个角落和物件，并可以借助操控手柄实现虚拟空间内的自由移动和交互操作。
3.2 构建中共五大会址纪念馆三维模型
虚拟景观漫游在场景建模尽可能精致和还原的基础上，能给未能前往该景观的观众提供第一视角观看的效果[5]。在具体创作过程中，首先利用Maya对建筑进行逐个三维建模，然后分别导入FBX文件到Unity地形中进行场景构建，再综合考虑光照、材质、贴图和花草树木等环境素材并设定好漫游范围。三维建模过程中，几个关键部分的建模思路为：
（1）临街门楼。临街门楼由于采用了中西融合风格，建筑内外立面迥然不同。入口为圆形拱门，上端设有凹型圆玻璃亮窗，门两侧各设立柱两根，形成一个中式牌坊框架，居中有矩形雕花匾额，顶端饰有祥云拱卫的立柱和旗杆。门楼外侧开间二层各设有一个挑空小阳台，装饰有铁花栏杆，内侧为红柱支撑连廊连接的上下两层开窗白墙居室，两侧房屋覆盖青色小瓦。二层安装有红色立柱和木质扶手栏杆，环绕整个连廊，红色立柱沿入口分列贯穿建筑上下两层，有石质柱础保护底座柱脚，防止受潮和地面塌陷。为保持虚拟漫游过程中该建筑的独特性，项目组对临街门楼进行了单独建模并上色，在建筑结构上与实景保持一致，如图1所示。
（2）装饰雕花。在入口拱门两端和居中位置，以及两侧四根立柱上，分别刻有不同类型的雕花，如图2所示。拱门门柱雕刻疑为君子兰，左右对称陈列，古语有“与人之善，如入芝兰之室，久不闻则其香化矣”，建筑雕刻中人们习惯芝兰同用，比喻君子之交。两侧立柱上雕刻比较复杂，有梅、兰、竹、菊等四季花卉配合葡萄瓜果纹样，寓意“四季如意”。这些雕刻纹饰样式各异，风格独特，极富情趣和寓意，项目组经过建模上色后，再逐一贴合到墙壁特定的位置。
（3）内部建筑。进入拱门后有一个庭院，中央铺设草坪，一栋西式风格的学宫式两层建筑最为显眼，红色立柱连廊与入口建筑相互映衬。该建筑为原学校风雨操场，即五大会议开幕式会场，其左侧为一栋欧式拱形门窗的两层建筑，右侧为一栋单层居室。通过Maya把设计完成的建筑模型导出为FBX格式文件，再导入Unity场景中进行了整合，图3为五大开幕式会场所在地风雨操场模型图，供雨雪天气学生室内运动使用。
（4）室内物件。开幕式会场建模过程中除了常规的发言席、主席台和台下条凳外，同时还原了当年会场的很多附属摆设，如会场两侧供参会者休憩使用的书桌、茶壶、水杯，用来记录会议纪要的手动打字机，用来存放会议文件的皮箱等，墙上的标语和横幅完全参照当年记录进行了贴图处理。这些室内物件在漫游过程中可以通过手柄进行触碰交互，能更好体验当年参会者的感受与状态。
3.3 沉浸漫游系统设计与实现
沉浸漫游系统设计为使用VR设备进行自主漫游，用户戴上HTC VIVE虚拟现实头盔，通过头部转向即可实现自主控制漫游方向，利用瞬移系统的抛物线实现瞬时位移，降低用户的疲劳和眩晕感。在特定落脚点会显示操作菜单，通过手柄射线可以激活菜单选项，扣动扳机实现菜单功能，通过手柄触碰可以对室内部分物品进行抓取、旋转浏览、改变位置等，从而获得交互漫游体验。
系统采用Unity3D结合HTCVIVE虚拟设备实现，电脑处理器为Intel（R）Core（TM） i7-9750H，16 GB内存，显卡选择了NVIDIA GeForce GTX 1660Ti，64位Window 10操作系统，预安装有Steam VR和HTC VIVE相关软硬件设备。Unity3D所使用的版本为2017.1.0f3，在Unity3D中通过导入Steam VR Plugin插件实现手柄与虚拟物体和UI元素的交互功能，图4为体验者佩戴HTC VIVE设备进行漫游体验。
图5为临街门楼的虚拟场景，外观装饰与内部建筑风格迥异。图6为内部庭院及花草环境场景，庭院中央为绿色草坪。为减少硬件设备负担，使漫游更加流畅，增强沉浸体验，在Unity中分成了室外室内两个场景，在开幕式会场大门处设置有一个隐藏的场景跳转触发矩形，通过加载场景管理相关命名空间并设置碰撞范围，利用碰撞触发实现室内室外漫游场景的跳转。图7为虚拟室内场景及相关物件，借助手柄可以与物件进行包括触碰抓取、360度旋转浏览等交互操作。
4 结 论
随着虚拟现实技术的进步和虚拟现实设备的普及，以沉浸和交互为最大特点的虚拟建筑漫游越来越受欢迎。本文以中共五大会址的实景建筑为研究对象，通过建模并导入虚拟现实引擎软件，构建了沉浸式建筑漫游与交互系统。系统运行体验结果表明，虚拟建筑漫游系统新颖、沉浸感强、交互方式独特，能较为真实地体验会场原貌及庭院环境，有效地拉近了人与建筑遗产的距离。后续将进一步完善沉浸漫游功能，提供不同环境气候条件和光照下的虚拟场景，以更丰富的交互体验内容展现会址建筑的风采。
参考文献：
[1] 郑小武，王荣海，范烨，等.泉州古刺桐港虚拟漫游系统 [J].软件工程，2020，23（8）：59-62.
[2] 周宁，王家廞，赵雁南，等.基于虚拟现实的中国古建筑虚拟重建 [J].计算机工程与应用，2006（18）：200-203.
[3] 吴文豪，周婕.基于虚拟现实技术的建筑室内沉浸式漫游展示与交互设计 [J].科技视界，2018（13）：20-21.
[4] 金淼，易爱华，朱家文，等.历史保护建筑的三维全景展示研究 [J].土木建筑工程信息技术，2013，5（2）：37-40.
[5] 周玲，潘柔，韩建勤.南华寺虚拟古建筑景观漫游的设计与实现 [J].信息与电脑（理论版），2020，32（7）：119-121.
作者简介：赵锋（1980.03—），男，汉族，湖北枣阳人，副教授，硕士，研究方向：数字虚拟艺术;程科（1981.07—），男，汉族，山东淄博人，讲师，硕士，研究方向：影像研究;靖亮（1981. 09—），男，汉族，河南濮阳人，讲师，硕士，研究方向：游戏美术。
