基于数字交互技术的凤羽镇古建筑数字展示设计

任宝锴

【摘 要】随着科学技术的进步，越来越多的领域开始了向网络化、交互设计、虚拟仿真方向发展。利用数字交互技术在引擎平台上完美地还原现实中古建筑的原貌，可以让观众在家就能体验凤羽古建筑的魅力。本文主要研究数字交互技术在古建筑数字展示中的应用，重点分析了视觉效果部分。本文对古建筑设计了一套数字交互展示程序，观众可以通过点击屏幕上的按钮来获取建筑的历史背景、建筑布局、建筑构造的拆解和组合、建筑构件的作用和意义，了解古建筑的建造过程等。

【关键词】数字交互技术；虚拟展示；交互设计

中图分类号：TP231 文献标志码：A 文章编号：1007-0125（2019）23-0141-02

数字交互技术是通过计算机技术、网络技术、数字通信技术等科学技术在引擎平台上模拟出真实效果，利用人性化的人机交互界面来和观众进行互动的一种虚拟仿真技术。随着科学技术的发展，数字交互技术不断蔓延到医疗、教育、产品设计、建筑展示等各个领域。在坚持科学与艺术统一的基础上，通过数字交互技术，对凤羽古建筑进行数字化仿真，对保护和传承古建筑文化遗产具有重要意义。

一、国内外研究的现状及需求分析

（一）国内外研究现状分析

国外最早将数字技术用于古建筑的展示工作，其中洛杉矶和费城的城市虚拟仿真被认为是三维数字仿真展示的典范。罗马古城的三维虚拟仿真展示，让人们可以在电脑前，近距离地感受罗马斗兽场的壮观。

国内的虚拟仿真作品《紫禁城·天子的宫殿》，可以让游客超越现实条件的制约，近距离观赏故宫。2018年8月在重庆举办的“中国国际智能博览会”上，展示了很多通过数字呈现的作品。比如“内蒙古吐尔基山辽墓彩棺”，观众通过与屏幕互动既可以观看彩棺的外貌，也可以观看彩棺被分解的结构。又如展示兵马俑的AR互动作品，可以让观众和几千年前的兵马俑合照，还有由于三峡蓄水消失的“白鹤梁题刻”，也一览无余地呈现在观众的视野。

（二）应用开发的需求分析

从市场需求来说，数字化古建筑互动展示系统的目的就是让受众能够在不同的区域身临其境地浏览古建筑遗产，以一种全新的视角，便捷地展示凤羽古建筑，让凤羽古建筑文化在全世界人类文化遗产中大放异彩。同时也可以在景区放置互动展示应用，让游客更全面更深刻地了解凤羽民居的背景和建造方式。从教育需求来说，古建筑数字展示应用可以让学校授课的方式变得更加丰富生动，教师在讲解古代文化的时候，可以把古建筑以数字媒体的方式展现给学生，学生可以通过数字交互方式“穿越”到特定的历史背景中，从构造方式、建筑材料、背景故事等多方面了解中国的传统文化，更好地传承中国古建筑文化遗产。

二、应用开发的背景及数字交互技术的作用

（一）凤羽镇的历史及古建筑的现状

凤羽镇是云南历史文化名镇之一，2000年被列为“省级历史文化名镇”。目前保留比较完整的古建筑有一千多栋，建造时间最久远的建筑可以追溯到明朝，具有较高的建筑艺术性和文化价值。随着时间的推移，凤羽古建筑经过长期日晒雨淋，很多建筑遭到了不同程度的损坏，有些甚至已经消失不见。古建筑是历史文化的见证者和传承者，它记录了先辈们的智慧。伴随着物质和精神文明的快速发展，古建筑文化遗产的保护、传播及所承载的文化传播功能日益受到重视。

（二）数字交互技术对宣传和保护古建筑的积极影响

通过数字交互技术把古建筑在虚拟平台上保存下来，通过网络让更多的人了解它，促进了古代建筑优秀文化的传承。古建筑数字展示为体验者提供特色的音乐、模拟现实的古建筑以及实现和谐的人机交互，最大限度地便捷体验者的操作。人们可以了解古建筑的建造过程、功能布局、建造材料等，通过宣传凤羽古建筑，让更多的人了解并保护白族的特色民居。

三、应用的功能分析及人机界面设计

（一）功能需求分析

功能需求分析的目标是尽可能全面地展示出凤羽镇古建筑的背景和特点及建筑构件和建造过程，分析出观众要完成浏览该应用需要完成的操作及要完成这些操作相关的控制，同时也尽量做到符合人机界面的合理性。在数字展示设计应用中人机交互界面的合理与否直接关系到观众浏览的舒适度。该应用的人机界面是在参考主流媒体的屏幕大小基础上利用Unity平台自带的UGUI自适应功能来设计的，可以保证在使用的设备上完整地呈现出来。

（二）人机交互界面设计

该应用的界面分为登录页面和主页面，登录页面展示古建筑的全貌和建造的过程。在主页面设计了凤羽介绍、民居构造、民居模型、施工过程、分解展示、功能分区、自动展示、背景音乐、退出九个功能按钮。凤羽介绍按钮下设三个二级按钮，分别是凤羽简介、民居简介、民居选址，介绍了古建筑的背景和民居选址的依據。民居构造按钮是介绍凤羽建筑的房屋布局和结构，下设五个二级按钮，分别为一坊一耳、一坊两耳、三坊一照壁、榫卯结构、民居大门。民居模型按钮展示了古建筑的风貌，下设了一个菜单用于介绍旋转、放大模型的操作方法，可以让观众全方位自由观看建筑模型。施工过程按钮可以播放在Unity3D里制作的一段展示建筑建造过程的动画。分解展示按钮控制建筑模型构件的分解，展示了建筑主要构件的名称和功能，并且带有点击构件本身，可以放大显示文字介绍的功能，让观众更清晰地看到构件的介绍。功能分区按钮用于展示古建筑每个房间的名称和用途。自动展示按钮用于模型的自动旋转，主要用于没有观众操作时模型的自动展示状态。背景音乐按钮可以控制背景音乐的开关。退出按钮用于控制应用的退出功能。

四、应用的开发流程分析

（一）开发平台分析

Unity是现在很普遍的引擎之一，大部分的手机游戏和虚拟现实、增强现实、交互应用都通过它来制作。可以利用其可视化和交互的方式开发出博物馆互动展示、交互多媒体、产品展示等功能。它可以发布到PC平台也可以发布到移动平台，方便观众观看。

（二）应用开发流程

1.资料搜集，详细研究凤羽古建筑土库房的结构特点。

凤羽古建筑土库房以石头为主要材料，营造质朴的质感。民居的主要形式有一坊一耳、一坊两耳、两坊一耳、三坊一照壁、四合五井天、六合同春等。“一坊两耳”的建筑布局是由一坊正房和两侧的耳房组成的院落。三坊房屋一字排列相连，形成7间排房形式，但耳房的进深要比正房浅，层高要比正房低。“三坊一照壁”的建筑布局是白族民居的传统布局，由一坊正房、两坊厢房、一座照壁和中间的天井组成的方形院落。“四合五井天”建筑布局是由四坊房屋围合而成的方形院落，院落四角有四坊耳房和四个小天井，中间为大天井。

单体房屋俗称的“一坊”普遍为三开间建筑，中间为堂屋，两次间为卧室。一般堂屋的开间为4米，两次间为3.86米，进深为6米。出厦（廊深）前檐柱至厦柱中距为1.67米。厦柱至台阶边为0.73米。单体建筑占地长12.72米，宽8.9米，面积为108.58平方米。

2.对资料分类归纳，总结出行之有效的建模途径，建立虚拟的模型。

目前主流的三维软件有3dsmax、Maya、Zbrush、Sketchup等。制作贴图的软件有Photoshop、Substance Designer 和Bodypaint3d等。对制作模型有一些行业的要求，如模型的单位、尺寸、命名规范，模型的坐标轴、贴图的格式、材质球等。在使用Unity3D平台制作数字交互时，没有特殊要求的情况下，3dsmax里的显示单位设为米，系统单位设为厘米，因为Unity3D的单位为米。在建模时，要注意把隐藏的面删掉，同时不能有完全重合的两个面，这样做是为了节省面数，也是为了避免出现在平台上运行时模型面闪烁的情况。相同的物体不需要在三维软件里制作，可以去引擎里复制，更好地发挥引擎的性能。

当一栋建筑物建模、贴图之后就是将模型塌陷，塌陷完成以后，把模型的坐标轴放到中心点。经过缩放和旋转的物体要在3dsmax里进行重置变换的操作。如果模型带有修改器，要把修改器塌陷之后再导出，导出格式为Fbx格式。如无需要，不必导出动画。导出时模型的命名要规范，不能出现中文字符，要使用英文或者拼音命名。

由于Unity3D和UE4等引擎平台并不支持三维软件里的所有材质，如3dsmax里只支持标准材质和多维子对象材质，同时贴图类型也只支持位图贴图类型。在制作模型和贴图时需要注意，贴图的尺寸必须是2的N次方。制作用于在Unity3D里展示的古建筑模型一般需要颜色贴图、法线贴图、高光贴图、自发光贴图等。这样做区别于传统的只用一张颜色的贴图，其优势在于，模型在引擎里可以随着光源的变化而产生不同的光影效果和很多细微的变化。颜色贴图主要是反映模型所表现物体的颜色和贴图信息。高光贴图记录了反映模型材质的高光细节，模型的质感不同，所对应的高光也是不同的。制作贴图时，可以针对不同部分的质感，调整对应的高光亮度。法线贴图记录了每个贴图里像素的法线方向，用于在低模上体现出高模的细节。自发光贴图是用来表现物体自身发光的效果。在为模型分UV时可以制作两套UV，一套贴图UV和一套光照UV。光照UV用来在引擎里烘焙光影信息。

3.运用Photoshop制作人机交互界面。

交互界面包括主界面、按钮、消息提示框等。整个设计加入了大理建筑中的设计元素，使之更能体现出大理凤羽的特色。然后新建图层，分别创建出按钮和弹出的对话框。根据需要把按钮和对话框等元素切成需要的尺寸，保存成PNG格式背景透明的图片。

4.在Unity3D里用UGUI布局界面。

UGUI的锚点位置可以调整屏幕的自适度。锚点位置决定了按钮移动的位置，当屏幕的分辨率发生变化时，按钮移动的标准点锚点一般根据就近原则来确定。如按钮在屏幕的右上角，那么锚点也放在屏幕的右上角。然后通过UGUI的按钮工具，制作按钮的点击功能。通过UGUI的Scroll Rect和Scrollbar制作滑动页面和滑动条。通过Unity里的动画面板来制作古建筑搭建的动画过程和古建筑构件分解展示的过程。编写C#代码来实现登录界面的转场、模型的自动旋转和放大缩小、背景音乐的添加等功能。

鳳羽镇古建筑历经岁月的沉淀，饱经风霜雨雪，刻下了深深的历史痕迹，它们记录着先辈们的智慧，传承着一代又一代的文化。数字交互技术可以为古建筑的保护工作提供有效的支持，同时也能为宣传展示凤羽古建筑创造更好的条件，让更多的人了解它。数字交互技术既需要制作逼真的物体模型，也需要设计一个合理的人机交互界面，当然更少不了通过代码脚本身来完善交互的功能。我们需要分析项目的市场需求和功能定位，也需要严谨的态度来实地考察，只有这样才能实现艺术与科技的统一。

参考文献：

[1]马晓娜，图拉，徐迎庆.非物质文化遗产数字化发展现状.中国科学：信息科学，2019.

[2]姜珺珺.基于数字交互技术的博物馆展陈设计.西部皮革，2018.

[3]周诚.数字交互技术在陶瓷造型设计教学中的运用.艺术科技，2016.

[4]张崇礼.白族传统民居建筑.云南民族出版社，2007.