基于文化体验的天水古民居虚拟交互设计初探

陆娜 张莅

（1兰州工业学院，甘肃.兰州 730050；2深圳市碧鑫设计有限公司，深圳 518129）

1 引言

随着网络信息技术快速多样化体验开发，虚拟交互沉浸方式在近几年日趋成熟，应用领域不断扩大，越来越多的历史文化保护及城市旅游推广工作都在尝试采用虚拟现实技术提高影响力，使快节奏下的现代人能多角度、深层次、日常化的接触稀缺历史文化资源，对价值颇深的精神层面之抽象资产滋生沉浸愿望，优化升级受众文化体验。

本文以位于甘肃省天水市民主路的胡氏古民居为研究对象，通过技术优化，借助Unity3D平台开发了一款古民居漫游系统，以便于用户通过交互体验对天水古民居产生深入细腻的文化认知，助力提升城市文化传播效率。

2 天水古民居文化价值概述

上世纪70年代境内发掘的大地湾文化遗址中珍贵文物证明：早在8000多年前，我们的祖先就在这片土地修造屋舍、繁衍生息。它不仅是位列“三皇之首”的伏羲氏的诞生地，而且南通巴蜀，东系关中，北接古丝绸之路，天水古民居见证了天水历史和古城发展演进的历程，堪称天水文化滋长的土壤和基石。

2.1 人文价值

天水地处陕、甘、川三省交界，自古就是塞内外文化交汇之地，古民居的构建特征也是汇集了当时西域、中原民居特点。房屋骨架为木质结构，墙体是以麦草混合泥土特制而成的土坯墙。在封建礼教等级观念下，古民居中的主院与偏院、主房与耳房等格局的主次、里外划分，屋间大小，屋高尺度，雕件主题，色彩应用等都有着严格划分。受天水伏羲文化影响，八卦“风水”习俗在古民居制式中也是应用得当，坐北朝南表示面南而治，四房中圆形花坛寓意天圆地方，四个方位屋舍居住不同的身份地位人物来对应阴阳、五行。院落建筑以厅房为正中分布成中轴对称格局、两侧厢房左右排布，以中正精神对应庭院四周由屋舍围布。整体院落外观封闭，墙高巷深；房屋体量适宜，尺度适中。每座四合院都有一个精致机巧、富丽堂皇的垂花门和二面雕刻精细的砖雕影壁组成的院外天井。整体布局设置精巧细致、大气质朴，有较高的人文价值。

2.2 艺术价值

天水古民居建筑群大部分建筑为明代及清代乾隆年间建造，比山西平遥民居还要早数百年，建筑本身符合实用、坚固、美观的基本原则。其艺术价值充分体现在建筑造型、环境空间、工艺美术、实用艺术四个方面：第一，建筑造型。组群院落的恢宏与个体建筑的质朴对比，整体的统一与局部的变化对比，外观的简单与内饰的繁复对比，整体建筑造型极富节奏韵律之美；不仅具有西北的质朴敦厚、庄重开朗，也有江南的隽秀精巧。第二，环境空间。屋内以正屋厅房为轴心，两侧对称，中高两低的环境空间，由主街入正门，形成从廊到院的建筑实体与建筑空间的虚实过渡；不论是影壁墙的精致砖雕，还是土墙黛瓦和绿植园景的色彩应用，都体现着人工建构与自然之间的高度和谐。第三，工艺美术。从垂花柱、瓦当到窗棂影壁，天水古民居都充分体现了古代天水地区石刻木雕技艺的精湛，其造型生动逼真，刀工深厚细腻，内容寓意丰富。门窗摆件图案主题种类繁多，祥云、蝙蝠、八卦图等等都栩栩如生，雕刻技术既有粗犷流畅又有精雕细琢，甚至还有精巧玲珑的微雕作品，真不愧“东方木雕艺术馆”之美誉。第四，实用艺术。由于地理位置因素，民居整体院落群东西窄、南北长以保证正房充分接受阳光照射，房屋墙体以砖石为基避免木质柱根霉潮，墙头砌以青砖以防雨水渗入墙内；屋顶倾斜结构利于雨雪疏落，在屋顶下与顶棚之间的过渡空间形成很好的保温层，使屋内冬暖夏凉；外院墙体高耸密闭，大门双层门扉建构，安全防盗性极好。

3 虚拟交互设计在古建民居文化体验推广中的应用现状

虚拟交互技术在对古代建筑、古民居及文物存档及文化推广方面具有重要的意义，国内在这一领域的实践应用日渐成熟。浙江大学心理学国家重点实验室开发制作的虚拟故宫交互平台，真实呈现故宫内部建筑方位、文物信息等内容，故宫信息技术中心开发研制的三维虚拟紫禁城交互平台系统，以高分辨率、精细的3D建模技术虚拟再现出宫殿建筑、文物和人物动态，自主互动性及沉浸感颇高。除此之外，在古民居数字文化保护及建设方面，黄山市于2015年完成“百村千幢”古民居数字保护工程，这其中主要包括将计算机虚拟现实及可视化技术用于古民居的检测展示，利用数字化手段开发古建筑的三维影像系统等。广东省梅州市2017年着手“元数据国际交换共享的客家古民居数字记忆工程建设”计划，其目的也是通过数字虚拟及相关技术，对客家文化及客家古民居进行艺术展示与空间保护。

虚拟交互技术在古民居文化保护、文化传承、文化创新和文化体验的优化升级中具有鲜明的时代感和实用性，但是对于地处西部，文化艺术价值较高的天水古民居在数字交互体验领域涉足尚无。

4 天水古民居虚拟交互设计系统实现策略

4.1 前期测绘及素材特征提取

笔者团队在进行设计初期，主要通过航拍器采集、三维激光扫描和近景摄影测量等方式实地对胡氏古民居整体院落布局、结构形式、构建元素进行了数据采集，以便于将天水古民居建筑文化特点在交互技术实现环节作以表现参考。

根据对天水古民居文化价值梳理，采集内容设计包括三部分：1）组群院落布局。包括连进四院的串联式中轴对称宅院，并沿开间横向组合多轴线并联式建筑群格局采集。倒座楼房和厅房的楼房形式和庭院布局。以及屋廊，庭院环廊、廊室衔接处和车、池、花木盆景的样式采集。2）构建及结构形式。主要包括柱梁的间架单元，屋顶的曲面翼檐、灰瓦兽脊，墙面自下而上的砖石、土坯和青砖材质。3）代表构件采集。此内容包括木雕垂花柱廊室门，砖木结合、构图细腻的影壁墙，样式丰富雕法各异的窗棂等。

针对以上内容中的重点构造进行三视图及结构大样图的绘制，对材质纹理形态丰富的结构进行多角度采集拍摄，以获取更详细的代表天水古民居文化价值的结构细节。

4.2 精细三维模型的制作

模型创建过程中，笔者团队考虑受众文化体验的真实性要求，在主体建筑物结构模型搭建时分材质进行解构创建，以确保模型在交互漫游过程中多角度的立体呈现，针对损毁较为严重的木雕垂花门柱等构件进行了真实比例的雕刻复原建模。考虑整个场景运算速度问题，模型的精细建模区域集中在民居建筑代表特点构件部分，同时，该区域也是交互漫游路径重点沉浸表现部分。

4.3 纹理及材质的赋予

将前期采集的高品质材质贴图素材进行加工优化，在模型表面实现真实的纹理映射效果，在实现丰富细节表现的同时，一定程度上可分担精细模型的运算压力。但要注意的是，在交互漫游的视角选择过程中不易对低模纹理部分构件进行细致的多方位表现，以防止出现模型的伪真实纰漏。

4.4 文化体验感受的交互生成

包括地形、建筑物以及小型构筑物在内的民居主体部件在3Dmax中创建完成后，其余的环境部分，包括天空，树木和花草均可在Unity3D中进行选择应用，出于对文化氛围的真实表现，本案例选用了具有天水地域特征的松柏和竹菊等植被模型。在整体模型烘焙过程中需要注意的是多边形模型的优化，整个胡氏古民居虚拟场景较大，对模型充分的优化可以减小最后网络文件的大小，利于受众的沉浸浏览，在模型的优化之外，在Unity3D平台贴图的应用一定要尽量真实，同时要注意贴图的名称不可使用中文，否则无法识别。

图1 天水古民居场景在Unity3D软件平台调试

最后，用户可以通过浏览器直接打开软件，进入到操作界面，系统平台提供包括地图导航、自动导航、手动导航等多种漫游模式选择进行交互体验，路径的设计以规定的线路指引用户参观，因此，建筑细节表现区域也成为了路径设计之处。除视觉沉浸外，系统还可加载体现陇原文化特色的音频作为背景烘托虚拟表现的文化呼应。

5 结语

近几年，各类交互系统应用在古建筑虚拟表现中的真实感、沉浸感愈加提升，作为世界百大濒临危险的文化遗址，对天水古民居的保护应该是多手段、深层次的，深入挖掘其在建筑形态、图形样式、构造表现等多方面的极具代表性的文化视觉要素，以呈现数字化重建及交互系统。从文化传承的角度来看，对文化因素的强调从而提升环境的可参与感是在构建作品时的基本和重要的目标。天水古民居虚拟交互系统的文化体验重点应将先进技术与文化现实感受作以深入结合，这也是团队下一步要进行的工作。