虚拟现实技术在传统村落保护中应用的研究现状和展望

李悦彤，温萱，席瑞，李凯欣，薛梦琪

（河北农业大学，河北保定071000）

1 研究背景

近年来，我国发展越来越迅速，城市化水平也越来越高，对传统村落的保护需求也越来越急迫。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“实施乡村振兴战略”以及“传承优秀传统文化精神”为核心的诸多保护政策，先后公布了4153个国家级传统村落，但相对于全国范围内数以十万计的传统村落巨大基数来说，依然是杯水车薪。如何更高效率的保护传统村落已成为亟待解决的难题。[1]

2 虚拟现实技术综述

2.1 虚拟现实技术简介

虚拟现实技术是一系列高新技术的汇集，是能建造一个精确反映现实的物理性质及动态行为的人造环境的技术。此项技术是通过计算机创建一种虚拟环境，利用人类的感官系统，让人有一种身临其境的感觉。在这个环境中，参与者可通过各种虚拟现实工具与环境进行实时地交流与联系，从而更能体现虚拟环境的真实感。

2.2 虚拟现实技术发展历程

虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段：1963年以前，蕴涵虚拟现实技术思想的第一阶段；1963年～1972年，虚拟现实技术的萌芽阶段；1973年～1989年，虚拟现实技术概念和理论产生的初步阶段；1990年至今，虚拟现实技术理论的完善和应用阶段。[5]

第一阶段:蕴涵虚拟现实技术思想的第一阶段。虚拟现实技术和仿真技术是有关联的，是对生物在大自然中的行为和感觉的一种模拟交互技术。风筝，是中国古代人试验飞行器模型的最早发明，它是模拟飞行动物和人之间交流联系的自然场景，风筝的形象、飞行的声音以及空中飞行的轨迹是仿真技术在中国最早的应用。西方发明家Edwin A.Link根据中国古代风筝的原理发明了飞行模拟器，让操作者能体会到真正乘坐飞机的感觉。1962年，Morton Heilig的“全传感仿真器”的发明，是虚拟现实技术理论的前身，为虚拟现实技术理论提供了现实依据。这三个较典型的发明，都为虚拟现实技术理论提供了理论基础，有较为突出的贡献。[5]

第二阶段:虚拟现实技术的萌芽阶段。1968年美国计算机图形学之父Ivan Sutherlan创造了虚拟现实技术发展史上一个重要的里程碑，它开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器HMD及头部位置跟踪系统。此阶段为虚拟现实技术的基本思想产生和理论发展开创了良好的开端，并且为虚拟现实技术的探索奠定了良好的基础。[5]

第三阶段:虚拟现实技术概念和理论产生的初步阶段。这一时期出现了个比较典型的虚拟现实系统，分别是VIDEOPLA⁃CE与VIEW。[5]

第四阶段:虚拟现实技术理论的完善和应用阶段。这一阶段是虚拟现实技术的理想应用性阶段，在一些发达国家中及少数发展中国家中，此技术将普遍应用到科研、飞行、医学、军事等人类生活的各个方面中。[5]

3 传统村落保护中虚拟现实技术的应用研究

3.1 研究现状

3.1.1 基于SU和3DSMAX的传统村落建筑数字化重建

这一过程是整个项目的关键所在。在进行三维建模之前，需对传统村落进行数据信息采集工作，并且掌握精确的数据。为更好地展现传统村落中重点建筑的整体风貌，需利用计算机3D软件进行这种由二维的规划向三维的研究分析的转型。

如刘媛等以衡阳市中田村为例，使用ArcGIS CityEngine软件开展传统民居建筑群三维建模。结合项目的实际需要和传统村落的实际状况，选择Sketch Up和3DSMAX进行三维模型建立。[2]

3.1.1.1 利用Sketch Up的传统村落三维建模

Sketch Up建模速度快，对于测绘数据的精确度要求较低，但同时建模精确度也较低，表现力较差。故利用Sketch Up进行传统村落建筑体量的表现以及位置关系的数字化重建工作。如段林峰等在赣县白鹭传统村落的保护工作中，利用Skecth Up对传统村落中重点保护建筑进行了三维模型建立。[3]

3.1.1.2 利用3DSMAX的传统村落三维建模

3DSMAX的建模速度慢，对于测绘数据的精确度要求较高，同时模型的精确度也更高，表现力更强。故利用3DSMAX来表现传统村落的重要的位置、体量和建筑风貌。[6]

3.1.2 基于Lumion对传统村落的混合现实平台的搭建

初期的混合现实场景类似于goole地图中的街景，为再处理的真实影像，经过特殊的技术和二维照片的变形来还原场景，这种方法效率较低、对硬件设备的要求较高，交互性也比较差。

3.2 虚拟现实技术在传统村落保护中的优势

3.2.1 保护成本低

培养人员学会测绘工具的使用，数据的录入，3D模型的制作就可以开展工作，不像传统村落保护技术对工作人员的要求精度之高，而且省去部分修补工作，节省大量资金。

3.2.2 多感官效果

用户处在模拟环境中不仅可以看到3D展示效果，而且听觉触觉和嗅觉与视觉都是同步的，产生身临其境的感觉，对于传统习俗文化的传承有重要意义。[4]

3.2.3 全方位立体化展示

利用虚拟现实技术可以模拟出几乎与现实一样的环境，在建筑物旁边能看到什么，利用虚拟现实技术就可以还原出相似度极高的环境，使用户可以从多个角度立体观察建筑物和环境。

3.3 虚拟现实技术在传统村落保护中存在的缺陷

虚拟现实技术虽适合应用于传统村落保护，但仍存在很多问题。虚拟现实技术本身仍然存在着一些关键技术改善和突破的问题，主要可以概括为以下三点：1）大规模多目标准确及时定位。目前在已经走向人们生活的VR产品中，当数HTCVivePre的定位精确度最高，时间延迟最短。 2）感知的延伸。视觉是人体最重要、最繁杂、感受信息最多的传感器。人类大部分的动作的进行都须要依托视觉，例如日常对障碍的躲避、抓取、识别等，但视觉并不是人们独一无二的感受外界的通道。3）减轻眩晕和人眼疲劳。当下所有上市的VR产品都会有使体验者产生眩晕和人眼疲劳的问题。

4 传统村落保护中虚拟现实技术应用的改进方向和展望

目前虚拟现实技术的体现形式较为单一，主要体现在听觉和视觉上，而传统村落保护中人们更需要置身于其中的真实感，有以下几种发展方向：1）虚拟动态环境。为了真实地还原动态三维场景，将三维静态坏境进一步深入刻画，增加虚拟场景的丰满程度与内容体系的成熟程度。2）多感交互。在建立虚拟动态环境的基础上，增加参与者对虚拟环境多方位的感受，不仅在听觉和视觉上，更要在嗅觉和味觉上，通过物体感官的综合反应，深入体会传统村落的文化魅力。[4]3）新型交互设备的研制。4）显示技术。目前虚拟现实的展现方式有两种，一是桌面级虚拟现实，二是高性能沉浸式虚拟现实。第一种形式虽简便，但感觉不真实，第二种形式给人更真实的感受，但需要佩戴很繁重的设备，才能有更真实的感受，我们需要努力的即是场景的真实化以及设备的简便化，使参与者能够接受感官输入。5）实时三维图形生成。目前数据信息日新月异，数据需实时更新，虽然三维虚拟图形的生成技术已经较为成熟，但我们的关键目标是实现“实时生成”。提高传统村落数据的刷新速度，体现传统村落的时间变迁，是我们纵向深度的研究目标。6）商业化合作。为带动传统村落的经济，深入挖掘传统村落内在的价值，应与当地的公司、企业进行商业合作，加大对传统村落虚拟现实技术的研究。

5 总结

随着数字技术的日益更新，传统村落整体完成数字化虚拟现实保护将会成为未来的发展方向，新技术的加入会对传统村落文化遗产保护水平的提高起到关键性作用。本文围绕虚拟现实技术在传统村落保护中的应用这个课题，首先对虚拟现实技术以及虚拟现实技术在传统村落保护中应用的研究现状进行了分析，进而提出虚拟现实技术在传统村落保护领域的实际应用技术和现存问题，针对问题提出了虚拟现实技术在传统村落保护领域的优势，而后对虚拟现实技术在传统村落保护中的未来发展方向进行了展望。