基于3D虚拟现实技术的民族建筑游览教学平台的设计

陈文进 郭明明 吴昊远 郑奋 李东方谢长勇

摘要：民族建筑是民族文化的承载物，蕴藏着深厚的人文信息。新时代下如何运用虚拟现实技术对中华民族传统文化和民族建筑进行数字化开发，已成为国内传统文化推广教育的重要问题。本文介绍了一种基于Unity平台的3D民族建筑交互游览平台，该平台以动画导览、沙盘模型、交互游览、游戏模式等不同模式为框架，将傣族三大著名建筑——曼飞龙塔、景真八角亭、曼阁佛寺在MAYA中制作出3D模型，还原了实际建筑的形状特点、雕刻装饰以及设计细节，并可通过交互体验建筑特色，这是一种提升民族文化教学趣味性和生动性的新模式。

关键词：虚拟现实；民族建筑；文化教育；数字化教育

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1164-2117（2018）13/14-0180-05

华夏文明源远流长，中国是统一的多民族国家，在绵延数千年的文明长河中，各族人民运用想象力和智慧创造了无数各具特色的文明瑰宝，为人类留下了丰富而宝贵的文化遗产。历史表明，中华民族优秀的传统文化是国家稳定、社会进步的重要基础和动力之一。少族民族文化是中华民族文化大家庭的重要组成部分，就少数民族建筑来说，它们风格迥异、形态万千，透露了各地少数民族的生活环境及情景，体现了少数民族人民的思想观念和宗教信仰，其蕴含的历史信息、文化价值、建筑工艺以及审美形态都值得我们学习和研究。然而在我国，由于城镇化的推进，人民住房的需求以及偶然发生的大规模地质灾害，少数民族建筑的现状令人担忧，损坏、重建甚至拆毁现象让少数民族建筑的保护工作和实地教育活动的开展尤为困难。[1]

民族文化是一个民族屹立于世界民族之林的基础，如何传承和发扬好民族文化，如何对民族文化展开教学使之更容易被接受，是当今社会的重要课题。民族建筑与民族文化关系密不可分，对民族建筑所体现的文化内涵的研究和教学当然不可或缺。然而目前对于民族传统建筑的研究和教学大多还停留在史料、图片和实地考察层次，其依据非常有限[2]，这不仅不利于科研人员和学生获取相关信息，更不便于传播。当下科学技术飞速发展，三维虚拟现实技术因其具有易修改、操作简单、效果逼真的特点以及在Unity 3D可实现人机交互的功能，可以对这些珍稀的民族建筑进行及时的信息挖掘与交流。[3]因此，利用3D虚拟现实技术将其转化为PC端具有可操作性的交互应用，可以弥补传统方法在研究和教学效果上的缺陷。

● 设计背景

少数民族传统建筑始建年代大多久远，其建筑特色在时代变迁中保存着历史的烙印，并作为一种载体给人们展现出文化深厚的积淀。对于少数民族文化的学习，其中一个重要的方式就是通过学习少数民族建筑来把握其民族特色。然而少数民族大杂居小聚居的分布方式，以及一些少数民族位置偏远，导致即使是在今天，仍有很多颇具特色的民族建筑不被国人熟知，更谈不上在课堂上系统地教学。

傣族是一个有着悠久历史和灿烂文化的少数民族，其居民主要分布在云南西双版纳靠边境的弧型地带。[4]傣族的建筑各具特色，尤其是上座部佛教传入后，四处可见的佛教建筑更是别具一格，展现着傣族人民的聪明才智。傣族传统文化的教育离不开佛教教育，其教育内容必须根植于固有的文化资源，另外，其教育要想获取自身发展，还必须从傣族文化中获取动力。[5]针对现代化发展对傣族建筑的冲击和地理位置偏远不利于傣族建筑文化传播的现状，结合3D技术，对傣族三大著名传统佛教建筑曼飞龙塔、曼阁佛寺以及景真八角亭进行模型还原和交互的实现，是我们这项设计的主要目的。

1.曼飞龙塔

砖石结构，塔身洁白，当地傣家称它为“塔诺”，意思是“笋塔”，层与层之间有环形仰莲浮雕。塔刹是喇叭形的莲瓣立雕。每座小塔的塔座都有一个屋脊外延的佛龛，里面安放着一尊佛像，内壁则排列着整齐的佛像浮雕。佛龛正脊和垂脊上均饰有孔雀等陶塑，佛龛券门沿面有花草、卷云纹饰。刹杆上装置着上下串连的华盖和风铎。历史悠久的曼飞龙塔展现了傣族人民在建筑技术上的成就，更体现了中外建筑技术和文化的交流，1988年被国务院公布为全国重点文物保护单位。曼飞龙塔不但在国内信仰南傳上座部佛教的各族人民群众中有很大的影响，而且在缅甸、老挝、泰国的小乘佛教的信徒中也产生深远的影响，每年均有成百上千的信徒不远千里前来朝拜，虔诚地敬献上自己心爱的礼物，表达对佛祖的崇拜和敬仰。[6-7]

2.曼阁佛寺

曼阁佛寺屹立在风光旖旎的澜沧江东岸，位于素有“黎明城”之称的西双版纳傣族自治州首府景洪市，是景洪市最古老的佛寺建筑。傣语中叫“洼曼阁”，意为中心佛寺。佛殿是佛寺的主体建筑，是一座无柱式重檐三坡面建筑。殿内十六根刷着红漆、雕刻花纹的红香椿圆木柱，顶天立地支撑着一个诸葛亮帽似的寺顶。佛殿中堂的西侧，置一个两米高的须弥座，上面供着四米高的镀金释迦牟尼像。檐边的瓦饰为卷叶状的“咪来”，这些装饰代表云彩，表示天界周围飘浮着云彩。[8]

3.景真八角亭

吸收东南亚建筑风格，又具有中国古代建筑的特点。亭室设有东、南、西、北四道门，寓意佛教传播四方。正门呈拱形，拱门上方设有卷龛，供奉铜质佛像一尊，两扇用红椿板制作的大门上，分别雕有傣式太阳花和双龙绞尾图案。八角亭阁呈八角状，代表帕召身边的8个“麻哈厅”（高僧），所有的角都由人字形的屋宇组成。屋宇共有十层，呈台阶形状，越往上越小。屋面覆盖着精制的鱼鳞形琉璃片瓦，屋上装置着傣族艺人精心制作的陶质花卉、宝塔。八个亭角上都塑有金鸡、凤凰，风檐板间雕刻着色彩鲜艳的异卉奇葩。1988年被中华人民共和国国务院公布为全国重点文物保护单位。[9-10]

● 设计内容

在设计层面上，我们要处理模型和场景的切换以及Xml文件的读取和存储等一系列问题。此软件的设计功能概述如上页图1所示，其中包括模型管理、场景管理以及系统管理三个模块。模型管理主要是对人物、建筑以及小游戏模型的移动转换，场景管理针对UI、摄像机以及模型事件进行展开，而在系统管理中则主要对数据文件、场景以及变量的输入与输出做调整。

民族建筑学习系统利用Unity平台，以3D动画导览、交互游览以及模型搭建游戏的方式，打破了课堂教学的时间及空间限制，实现学生以自主探索为导向的学习，具体分为四种模式（如图2）：①仿真游览模式（如图3）。在这一模式下，学生可通过键盘和鼠标在建筑周围及内部进行游览，这也是本软件交互的体现之处，交互也就意味着自主学习，并且有利于建筑细节的展示。②自动导览模式（如图4）。这一模式中，场景与前一模式相同，不同点在于它自动展示观察建筑的方法，并且给各个建筑配有特定的语音解说，适用于不知道如何使用该软件或者对学习建筑的方法不清楚的学生。③搭建游戏模式（如图5）。将建筑模型进行拆分和拼搭，有利于学生对模型构造的掌握，同时，游戏的方式更能方便知识的接受和学习效果的检测。④动画导览模式（如下页图6）。在这一模式下，我们利用MAYA制作出3D动画，配以音乐及人声解说，让学生有一个初步的印象，精致的画面、详细的介绍配合生动的语言可以激发学生的学习兴趣，并且作为最后一个模式，还可以起到很好的回顾和复习效果。

后期可以通过MAYA等软件构建更多风格的建筑模型丰富建筑库。细分建筑结构零部件增加小游戏的复杂程度，以及增加搭建方式提高搭建技术性，同时优化场景比例以适应更多移动设备。在导览模式下设计更多人物与建筑的交互，提升体验效果。增加多种天气效果，提高建筑逼真度。增加时间轴，设计不同时间段建筑老化效果。增设NPC，设计人物对话提升体验效果。加入局域网模式，拓展小游戏交互方式。

该民族建筑学习系统以计算机技术为核心，建立在民族建筑相关知识和史料的基础上，实现了模型的搭建与拆分、多模式学习、及时测试的融合，通过嵌入虚拟现实技术和3D动画，提高了学生对民族建筑以及民族文化的学习兴趣，不仅高效便捷，而且可以节约学习资源和克服实地学习的不便利性。

● 技术特色

模型的建模是软件设计的重中之重，前期首先要针对此三大建筑历史背景、人文环境、发展历程收集资料。通过实地测量和建筑照片的拍摄，全面了解少数民族建筑文化的背景和内涵，同时可以将其作为后续交互系统的文字图片素材。

在MAYA里将建筑整体素材分别显示在正视图与侧视图，按数量添加预设Box、Sphere Cylinder等，按素材比例调节大小，根据建筑需要，挤出特定面。分别命名分组，方便后续贴图、制作动画等。除建筑主体外，增加了树木、草地、河流等细节。

贴图方面，在MAYA中针对不同建筑部分分别展开UV，在Photoshop中调节素材大小、颜色、亮度等与UV匹配，通过调节透明度、添加遮罩等对贴图做旧，表现建筑年代感。

在模型的优化方面，根据MAYA模型文件大小由面片数多少决定的原理，删除多余的面来达到减少文件数量的目的。例如，在表现少数民族建筑的楼阁时，模型背部、内部的面被遮挡，渲染画面看不到，可逐片找到并删除。对球体状建筑结构，在保证精度的条件下，控制面数大小。另外，由于建筑的对称性，一座建筑往往需要多个相同的结构，可以通过将相同模型实例化，减少内存的载入来实现。贴图方面，为了同时得到真实的光影效果及系统较高的运行速度，需要将贴图进行烘焙，通过软件UVW展开将AO贴图、透明贴图展开，导出到Photoshop中编辑得更加精细，再通过材质编辑器反贴回去。

程序运行过程中打开平台进入UI选择界面，可以选择一种模式进行导览，在仿真游览模式下，在沙盘场景中生成的人物，可自由移动选择进入提供的建筑场景，中心沙盘提供整体的缩小比例地图，通过触发传送门周围的碰撞检测实现场景切换。进入建筑场景周围可触发讲解音频，通过移动观看缩小比例的建筑结构。在游戏模式下，则可通过UI界面的按钮选择相应的结构搭建建筑。

● 软件平台设计意义

1.还原程度高

我们前期进行了大量资料搜集和实地考察，认真比对照片制作出的模型细致地还原了建筑本貌，因此本软件是一款可靠的学习软件，并且所含的建筑及文化知识丰富，内容详实，适合科普及学习。

2.交互性能好

Unity 3D作為一款游戏开发工具，其交互功能完备，适用范围广，将其运用到民族建筑的教学中能发挥其在交互方面的优点。学生只需键盘和鼠标就可以在建筑中畅游，获得身临其境的体验。

3.学习高效性

该软件打破了传统民族文化课堂枯燥、抽象的学习窘境，解决了传统教学只能通过课本和图片进行展示的问题。学生能自行搭建建筑结构并且交互游览场景，设计自动导览模式满足了不同水平的学生需求，同时以动画的方式复习所学内容，更加形象生动。

4.自主开放性

软件突破了课堂和材料的限制，节约资源，使学生学习民族文化及建筑知识不受时间和空间的限制。另外，学生通过主动参与模型结构的拼接，注意力更容易集中，也更能加深记忆。

5.内容拓展性

Unity3D对多种3D模型格式的兼容性，以及3D模型格式可以互相转化的特点，为后期丰富建筑库，在同一个系统内更新不同民族建筑模型提供了可能。增加建筑结构零部件，可以设计搭建小游戏不同难度系数模式，同时设置局域网模式，拓展小游戏交互功能，提高游戏趣味性。由于3D技术的互通性，更可搭载如VR眼镜等虚拟现实硬件设备，增强身临其境的体验。天气效果和时间轴的运用，可提升逼真程度并方便了解发展历史。

随着目前我国民族文化保护工作的发展，虚拟现实技术在民族文化教学中的应用会愈加普及、愈加深入，对民族建筑的数字化和信息化平台的开发也会迅猛发展，最终达到促进传承和发扬优秀民族传统文化的目的。

参考文献：

[1]张佳佳.少数民族建筑三维数字化模型的构建研究[J].贵阳学院学报，2016，11（1）：42-45.

[2]李芾，张仁静，苏琴.三维动画虚拟技术在少数民族建筑保护中的运用[J].华中建筑，2013（6）：178-181.

[3]张伟，姚炜.虚拟现实技术走进室内设计教学课堂[J].宿州教育学院学报，2015，18（1）：67-68.

[4]昌建纳.傣族文献资源开发的思考[J].图书情报工作，2003（12）：45-48.

[5]刘晓巍.西双版纳南传佛教教育与傣族文化发展[J].教育学报，2016，12（2）：116-123.

[6]周琼，海澄.云南傣族的佛塔文化[J].佛教文化，2007（4）：112-117.

[7]王双丽，李晓红.“少数民族之乡——云南”课堂实录及评析[J].课程教材教学研究：小教研究，2015（Z4）：68-70.

[8]浦红继.曼阁古村探秘记[J].版纳，2008（1）：55-57.

[9]刘扬武.西双版纳傣族佛教建筑艺术浅谈[J].法音，1988（10）：31.

[10]周陆寿，周厉强.华夏古亭多奇联[J].对联（民间对联故事），2011（1）：14.

作者简介：陈文进（第一作者）（1997.2—），本科在读，主要研究临床医学；郭明明（共同第一作者）（1995.7—），本科在读，主要研究中医药学；郑奋（通讯作者）（1976—），讲师，硕士，主要研究数据库程序设计、虚拟现实技术。

基金项目：2017年度海军军医大学大学生创新孵化基地项目“基于3D技术的民族建筑智能游览系统”（FH2017040）。