虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在歷史文化保護(hù)的應(yīng)用

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〔摘要〕簡(jiǎn)要說(shuō)明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和歷史文化街區(qū)的概念，然后結(jié)合南通寺街的虛擬現(xiàn)實(shí)作品的特色，介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在歷史文化街區(qū)保護(hù)中的制作流程和技術(shù)路線，從前期的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪、拍照到后期的建模、修圖、全景渲染、720平臺(tái)VR制作，展示了制作過(guò)程和部分技巧。

〔關(guān)鍵詞〕虛擬現(xiàn)實(shí)；VR；歷史文化街區(qū)；寺街

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱VR，是近年來(lái)廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的新型體驗(yàn)技術(shù)，借助VR眼鏡等穿戴設(shè)備讓人們實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)，有豐富的交互性，本文以南通的省級(jí)歷史文化街區(qū)寺街為例，結(jié)合已經(jīng)完成的寺街VR作品，研究和探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在歷史文化街區(qū)保護(hù)中的應(yīng)用。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（英文名稱：VirtualReality，縮寫(xiě)為VR），又稱靈境技術(shù)，是20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)。它是利用計(jì)算機(jī)建立的虛擬仿真系統(tǒng)，具有沉浸性、多感知性、交互性等特點(diǎn)，人們?cè)赩R設(shè)備的協(xié)助下，能依靠視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)來(lái)多角度地體驗(yàn)虛擬場(chǎng)景。關(guān)鍵技術(shù)主要包括：動(dòng)態(tài)環(huán)境建模、實(shí)時(shí)三維圖形生成、立體現(xiàn)實(shí)和傳感器技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等。目前在教育、醫(yī)療、軍事、設(shè)計(jì)等方面有廣泛應(yīng)用。文中所重點(diǎn)講述的則是在歷史文化的保護(hù)與傳播中的應(yīng)用。

二、歷史文化街區(qū)（南通寺街）概述

歷史文化街區(qū)，是指經(jīng)省、自治區(qū)、直轄市人民政府核定公布的保存文物特別豐富、歷史建筑集中成片、能夠較完整和真實(shí)地體現(xiàn)傳統(tǒng)格局和歷史風(fēng)貌，并具有一定規(guī)模的區(qū)域。南通寺街是江蘇省2016年公布的第一批歷史文化街區(qū)。寺街是一條南北走向的古街，全長(zhǎng)600余米，因街內(nèi)有天寧寺而得名。寺街和與其平行的官地街住宅群組成南通舊城西北部的古街區(qū)。寺街古街區(qū)以寺街為主干，其東側(cè)延伸著大巷、小巷、三衙墩巷、中學(xué)堂街；西側(cè)延伸著石橋頭、育嬰堂巷、侯家巷、胡家園等。寺街已有千年歷史，是南通市古老歷史的見(jiàn)證，其中古跡眾多：全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位、始建于唐朝、規(guī)模較大而又保存較好的佛教寺院———天寧寺；建于宋代的紫薇書(shū)院和清代辦學(xué)時(shí)間最長(zhǎng)的紫瑯書(shū)院；清末狀元張謇和他的同道們創(chuàng)辦的全國(guó)第一所設(shè)本科的通州女子師范學(xué)校；清朝狀元胡長(zhǎng)齡、清朝大畫(huà)家李方膺故居等等。2017年，南通政府開(kāi)始啟動(dòng)寺街保護(hù)與搬遷計(jì)劃，原住居民將在2021年之前陸續(xù)遷走，故筆者于2019年帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)著手寺街街區(qū)共計(jì)9條巷子的數(shù)字化保護(hù)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，借助720云平臺(tái)，向人們重點(diǎn)展示了10個(gè)場(chǎng)景的原景復(fù)原，從而實(shí)現(xiàn)歷史文化的保護(hù)與傳播。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在歷史文化街區(qū)保護(hù)中的應(yīng)用

1.寺街虛擬現(xiàn)實(shí)作品介紹寺街VR借助720云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全景交互功能，通過(guò)平臺(tái)提供的VR相關(guān)設(shè)置，可以借助手機(jī)和VR眼鏡進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)，觀者通過(guò)掃二維碼的方式進(jìn)入寺街，作品共選取了10個(gè)典型場(chǎng)景，如圖1所示；場(chǎng)景之間能通過(guò)圖1中的沙盤進(jìn)行切換，也可以通過(guò)箭頭導(dǎo)航跳轉(zhuǎn)，如圖2所示。寺街VR作品特色有以下幾點(diǎn)：（1）為了更好地對(duì)歷史文化街區(qū)進(jìn)行保護(hù)，能在政府改造前盡量記錄保留原貌，整個(gè)作品中的所有墻體和門、窗等畫(huà)面都取自寺街。（2）對(duì)建筑景觀進(jìn)行了適當(dāng)?shù)娜∩幔热缱钗髅娴墓俚亟炙R的是一排樓房，為了更符合作品主題，讓畫(huà)面更和諧一致，將現(xiàn)代建筑元素舍去，用高大綠植進(jìn)行了裝飾，既不影響寺街景觀，又避免了建筑風(fēng)格的沖突。（3）因?yàn)榻謪^(qū)歷史悠久，有的局部年久失修，顯得有些破舊，制作團(tuán)隊(duì)利用數(shù)字建模技術(shù)將破舊的地方進(jìn)行了“翻新”，并加入了一些生活和勞動(dòng)器具，讓場(chǎng)景即真實(shí)又美觀，富有生活氣息。圖3為“石橋頭”的虛擬景象，圖4為天寧寺的實(shí)景，圖5為天寧寺加工以后的面貌，去掉了沿街的商販。（4）動(dòng)、靜相結(jié)合的展示方式。如圖5下方所示，有個(gè)自動(dòng)播放的“屏幕”，所播放的是天寧寺內(nèi)部的漫游動(dòng)畫(huà)，此動(dòng)畫(huà)也是團(tuán)隊(duì)利用數(shù)字技術(shù)重建的虛擬景象，當(dāng)進(jìn)入到“天寧寺”場(chǎng)景，就會(huì)開(kāi)始自動(dòng)播放。（5）圖、文相結(jié)合的展示方式。如圖6所示，對(duì)于街區(qū)中的古跡、名人故居，在VR中利用了圖文相結(jié)合的方式，讓觀者可以更詳細(xì)地了解街區(qū)文化。2.作品制作流程與技術(shù)路線寺街VR整個(gè)制作流程和技術(shù)路線大致包含以下內(nèi)容：（1）前期測(cè)繪和圖片收集帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)共6名學(xué)生，分組對(duì)9條巷子進(jìn)行了測(cè)繪和拍攝。測(cè)繪利用了卷尺、皮尺、紅外激光測(cè)距儀等工具，對(duì)墻體等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)。由于墻體不夠平整，巷子有歪斜，所以在有的場(chǎng)景紅外線激光測(cè)距儀不能充分發(fā)揮作用，就使用更加靈活的30米皮尺。圖片的收集我們建議使用單反，手機(jī)的分辨率經(jīng)過(guò)嘗試，證明是不夠用的，最終的VR場(chǎng)景會(huì)出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象。半畫(huà)幅單反基本能滿足硬件要求。在拍攝中我們要求從正面拍攝，鏡頭鏡片要平行于被攝墻面，建議使用廣角鏡頭，24mm的廣角鏡頭比較合適，這樣可以盡量多地拍攝到墻面內(nèi)容。有的墻體很長(zhǎng)，連續(xù)上百米，這就需要連續(xù)拍攝，然后后期用軟件拼接圖片，在拍攝中焦距一般比廣角端略收一點(diǎn)，比如24mm的廣角端我們選擇28mm焦段拍攝，這樣能保證畫(huà)面邊緣的畫(huà)質(zhì)，同時(shí)減少?gòu)V角的畸變，有利于后期接圖。在需要后期接圖的時(shí)候，連續(xù)拍攝的畫(huà)面，建議使用M檔，從而避免相機(jī)自動(dòng)測(cè)光形成的明暗偏差。（2）根據(jù)測(cè)繪數(shù)據(jù)三維建模三維建模的軟件有很多，在這里我們推薦使用SU草圖大師，該軟件的優(yōu)點(diǎn)在于使用方便，學(xué)生易于掌握，相比3dsmax而言文件所占用的機(jī)器資源較少。因?yàn)槊織l巷子都很長(zhǎng)，所以我們采取分組建模，最后部分拼接的方式。9條巷子先分開(kāi)建模，當(dāng)要表現(xiàn)石橋頭場(chǎng)景的時(shí)候，就將寺街模型和石橋頭巷子的模型拼接在一起，形成“T”字形的三岔路口，然后攝像機(jī)架設(shè)于三岔路口構(gòu)建全景，類似的手法還應(yīng)用于“天寧寺”、“侯家巷”等場(chǎng)景，這樣可以盡量減少文件的容量，提高電腦運(yùn)行速度。（3）修圖并在模型中貼上圖片前期在現(xiàn)場(chǎng)收集的共計(jì)2000多張照片，要能貼到三維模型中，還需要做一些后期修圖工作。照片多少會(huì)有透視變形與鏡頭的畸變，線條不能做到橫平豎直，建議在PS軟件中進(jìn)行修正，在拼接圖片時(shí)要注意銜接自然過(guò)渡。一般在拍攝時(shí)，兩張需要拼接的照片至少有1/4的重合部分。拼接完后在SU軟件中將模型中貼上貼圖，調(diào)整比例大小，盡量做到和現(xiàn)實(shí)相符合。地面現(xiàn)實(shí)中已經(jīng)不再是過(guò)去的面貌，有不少地方用了水泥地面，我們根據(jù)《寺街》這本書(shū)的記載，查找了部分資料，根據(jù)資料中的描述，將地面盡量還原成過(guò)去古老的面貌。（4）導(dǎo)入lumion軟件配上植物、人物、器具等，然后全景渲染當(dāng)模型建好并上好貼圖后，渲染的工作由lumion完成。在軟件中加入陽(yáng)光、人物、植物花草樹(shù)木、生活器具的模型，調(diào)整好位置，設(shè)置好輸出參數(shù)，以8000×4000像素的分辨率輸出全景單張圖片，10個(gè)場(chǎng)景共計(jì)10張全景圖片。在配置植物的時(shí)候，要注意到花卉和灌木、高大樹(shù)木相結(jié)合，植物要設(shè)置合理，有的地方可以適當(dāng)?shù)丶尤肴绶选⑶嗖酥惖霓r(nóng)作物，從而更好地體現(xiàn)生活氣息。而現(xiàn)實(shí)中，的確在比較寬敞的地方，有的住戶會(huì)選擇種植一些蔬菜瓜果。因?yàn)榻謪^(qū)古老，很多老宅子里面有較大的樹(shù)木，比如香樟樹(shù)、銀杏樹(shù)、桂花樹(shù)，我們都能通過(guò)軟件較真實(shí)地還原出來(lái)。（5）輸出的全景圖，導(dǎo)入至720云平臺(tái)，生成VR作品720云平臺(tái)是全行業(yè)高效易用的VR全景線上制作工具。用于全景圖片，VR帶看，360效果圖，街景地圖，無(wú)人機(jī)全景航拍，大像素高清矩陣等制作，是目前普及率很高的VR全景平臺(tái)，大部分功能可以免費(fèi)使用。在寺街VR作品中，主要使用了小行星開(kāi)局、自動(dòng)陀螺儀、插入音效、插入視頻、插入圖片和文字、沙盤、熱點(diǎn)導(dǎo)航、留言互動(dòng)、導(dǎo)覽等功能，由于形式豐富多樣，交互豐富，所以能給觀者較好的觀賞體驗(yàn)。所選取的10個(gè)場(chǎng)景，大多數(shù)位于拐角處，這樣可以更多地展示各個(gè)巷道的細(xì)節(jié)，其余的則是比較有代表性的地點(diǎn)，比如官地街和育嬰堂巷，雖然場(chǎng)景沒(méi)選在路口，但是所處位置是整條巷子中最有表現(xiàn)力和最有特色的區(qū)域。3.還需完善的內(nèi)容與功能在內(nèi)容上，作品還是需要不斷充實(shí)的。因?yàn)橐咔榈仍颍謪^(qū)有的遺址與古跡2020年沒(méi)能進(jìn)去采集數(shù)據(jù)，所以未能用虛擬現(xiàn)實(shí)的形式表現(xiàn)出來(lái)，這是個(gè)遺憾。我們團(tuán)隊(duì)一直在積極地聯(lián)系有關(guān)部門，希望能進(jìn)一步完善和充實(shí)內(nèi)容。在功能上，有的重要場(chǎng)景比如天寧寺，除了目前配有漫游動(dòng)畫(huà)外，后續(xù)還需要配上語(yǔ)音講解，從而讓人們有更好的觀看體驗(yàn)。

四、結(jié)語(yǔ)

建筑是有壽命的，寺街很多地方已經(jīng)成為危房，政府正在積極保護(hù)，所以歷史文化街區(qū)的數(shù)字化保護(hù)勢(shì)在必行，復(fù)原原始面貌并以VR的形式傳播給大眾是有其可行性、必要性、緊迫性的。

參考文獻(xiàn)

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作者：郭熙 單位：南通科技職業(yè)學(xué)院