基于虚拟现实技术的传统村落保护手段研究

基于虚拟现实技术的传统村落保护手段研究

连海涛白梅汪永赫王若楠

连海涛白梅汪永赫王若楠

河北工程大学建筑与艺术学院河北邯郸056038

摘要：针对我国传统村落保护现状存在的问题，探究基于虚拟现实技术的村落保护手段。以构建邯郸市涉县赤岸村信息模型为例，进行人机交互模拟实验，采集皮电、心电、肌电与脑电数据。研究表明虚拟体验可以获取实地游访时的情感体验，其为虚拟现实在传统村落保护领域的应用提供新的发展思路。

关键词：传统村落保护；虚拟现实技术；涉县赤岸村；人机交互

1研究背景

目前，对于传统村落的保护已成为社会热点，传统村落能够反映和传承中国传统文化，成为延续中国传统精神的重要载体。然而随着我国城市化进程的大规模推进，传统乡村被逐渐侵蚀。各地推行的“新农村建设”为村民提供诸多便利，但也不可避免的使传统村落历史文脉发生断裂。红色基地邯郸涉县赤岸村传统村落正处在十分危急的状态，对于传统村落的保护研究已显得十分迫切与重要。尽管近年来国家不断加大针对传统村落的保护力度，出台了以“乡村振兴战略”为核心的诸多保护政策，但是由于传统的方法难以满足当前社会对传统村落保护不断增长的需求，运用虚拟现实技术，为探究传统村落保护新模式注入活力。

传统村落建筑与虚拟现实技术结合，存在如下特点：材料单一、结构体系明确、平面组织关系明确、装饰构建重复使用以及重视场景体验。这些特点使得传统村落数字虚拟化具备优势。我国在虚拟现实技术与传统村落保护应用领域研究起步较晚，目前还处于初级阶段，随着计算机图形学、计算机系统工程技术的高速发展，以及国家相关部门和学术界的重视，诸多高校在虚拟现实领域开展研究。例如：2006年北京建筑工程学院与故宫博物馆合作构建“数字化圆明园方壶胜境”。2013年园林博览会采用NEC投影机炫动技术，展示《卢沟运筏图》宏大场景。但是很少有学者利用虚拟现实技术与传统村落保护领域相结合，此项研究因此更为必要。

2赤岸村调研

赤岸村位于涉县城西北约4.4公里处，东经113.6°北纬36.3°，东临清漳河西接山西省黎城县，地势西南高东北低，总面积约5平方公里。该村为129师司令部晋冀鲁豫军区所在地，是中国第二代领导核心的摇篮。运用虚拟现实技术对其保护与传承显得十分重要。调研采用航拍方法获取赤岸村的建筑群肌理和街道尺寸，明确图底关系，并量取各个建筑的具体尺度，获取门窗、台阶、等建模所需的数据。

3构建模型

SketchUp2017（简称SU）在软件开发与功能设计阶段，不仅实现了快速生成三维模型的要求，同时将虚拟现实的开发理念融合其中。基于建模功能的开发设计，SU软件最大的优势在于操作简便，通过降低模型的细节构建精度实现快速建模。软件的UI设计简洁明了，功能设计较全面，减轻计算机的运算负担，提升建模效率。在建筑修建实践中，根据传统村落与民居的现场状况，使用SU能快速构思初步修复方案，并构建草图模型。SU软件提供了强大的三维可视化功能，极大的丰富了空间的视觉呈现，实现了效果适时预览。在协调修建阶段，无需依靠完整的工程施工图纸即可实现建筑效果快速预览，设计师与专家的修改意见可便捷明确地落实到模型中。基于虚拟现实的功能开发与功能架构，结合互联网平台并将其导出至平台，建立模型与现实场景的虚拟展示系统，实现直观展示效果，极大改善了视觉体验。因此SU强大的功能与传统村落全面数字化虚拟现实场景构建极为契合。

赤岸村三维模型建构主要采用了SU以及Unity-3D2018.2.0软件。前者具有快速建模以及易于操作的特点，而后者具有很强的交互性，能实现体验者在模型中的随意走动。目前我国虚拟现实技术处于摸索阶段，虽然与世界顶尖水平存在较大差距，但是本次建构在SU的基础上运用Unity-3D2018.2.0虚拟引擎，使得虚拟场景的还原更加完善与真实。

创建3D虚拟现实与仿真实验环境，可实时替换多个可视化设计，例如如建筑结构，室内布局等，自由为环境添加或删除3D模块，例如家具，石材等，还可为模块内的任意结构添加音频，为体验者全比例空间体验进行设计。在进行传统村落建筑三维建模时，遵循如下4个原则：其一还原整个村落的环境肌理，确保建筑与环境在虚拟世界里与现实一致；其二在虚拟场景中构建原有建筑的比例尺度，使得体验者的体验更符合实际；其三注重表现建筑材料和材质，保留原有建筑的历史感与沧桑感；其四分析现状，将加建改建部分还原，填补修复缺失的建筑构件（图1）。

图1上：赤岸村入口处（左：实景中：建模右：模拟场景）

下：129师司令部入口处（左：实景中：建模右：模拟场景）

4交互体验实验

在建立了虚拟漫游系统之后，需要让使用者进行体验，并且对于整个系统进行膨胀检测。虚拟环境中用户的交互和物体的运动可能会导致物体间发生膨胀，并计算相应的碰撞反应，更新绘制结果。否则物体间会发生穿透现象。发现问题需要及时反馈修改，保证最终的漫游体验的真实感。

人-机-环境同步技术运用手柄头盔等设备同步采集并分析多因素数据（图2），包括物理环境或工作环境变化、人体生理状况、眼睛运动或视线关注点情况、头部和表情的变化情况、人类外显行为的视频数据等，完成在同一时间段内人-机-环境数据实时同步记录、追踪与分析（图3右）。

图2上：场景感应设备场景感应设备接口摄像头(从左到右)

下：手柄1手柄2头盔(从左到右)

整个实验室空间均为可穿戴行走的实验场地，体验者可以不受任何限制的在虚拟赤岸村中自由行走，结合运动捕捉系统观察任何角度的场景（图3左），完全自然状态下的行走使得人类行为研究数据采集更符合实际，结果分析更为严谨科学。通过数据分析可以得出，实验者在虚拟空间中能够获得现实世界中的情感体验。同时，体验者突破时空限制，感受赤岸村的历史气息。

图3左：体验者行为状态右:眼动皮电脑电肌电(自上而下)

5结论

本文围绕虚拟现实技术在传统村落保护中的应用，通过对国内邯郸市涉县赤岸村的案例分析，论证了本研究的可行性。虚拟现实技术在传统村落保护中应用是全新尝试，并取得良好效果。相较于传统的保护方式，虚拟现实技术能全方位还原呈现传统村落面貌与文化，无需消耗大量的人力物力。随着虚拟现实技术不断发展进步，传统村落数字化保护正被推广至各大研究机构，全面实现传统村落数字化保护也将是未来的发展趋势。

参考文献：

[1]连海涛，袁雪，杨彩虹.以王顺庄园为例——论建筑虚拟现实技术在传统建筑保护过程中的应用[J].科研，2015（53）：234-235.

[2]苑思楠，张玉坤.基于虚拟现实技术的城市街道网络空间认知实验[J].天津大学学报（社会科学版），2012，14（03）：228-234.

科研项目：河北省社会科学基金项目“基于虚拟现实实验的村落空间形态特征研究”，项目编号：HB18YS009。