嘉兴子城遗址公园VR交互式系统设计与实现

赵健 蒋丽霞 隋龙飞

收稿日期：2023-08-29

基金项目：2021年嘉兴职业技术学院科研项目（jzyx201910）；2022年浙江省诗路文化带专项资金项目（21408010022）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.030

摘  要：针对嘉兴子城遗址公园的历史文化地位，提出以VR技术对景区进行虚拟仿真数字化呈现的方法。基于Unity3D游戏引擎设计了一套VR交互式系统，采用3Ds Max对景区主体建筑进行三维建模并通过减面插件及相关命令优化模型，采用Unity3D进行模型导入、UI设计、场景环境设置，利用C#脚本代码实现交互设计。系统对子城遗址公园全貌进行实景化还原，并能实现漫游、文物介绍、互动游戏等功能，对提供教育科普与学习机会、推动旅游与文化交流、传承和弘扬历史文化具有积极意义。

关键词：子城遗址；VR；Unity3D；交互

中图分类号：TP391.9    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）06-0140-05

Design and Implementation of VR Interactive System for Jiaxing Zicheng Ruins Park

ZHAO Jian1， JIANG Lixia2， SUI Longfei1

（1.School of Internet， Jiaxing Vocational and Technical College， Jiaxing  314036， China;

2.School of Culture and Tourism， Jiaxing Vocational and Technical College， Jiaxing  314036， China）

Abstract： In response to the historical and cultural status of Jiaxing Zicheng Ruins Park， a virtual simulation digital presentation method for scenic spots using VR technology is proposed. Based on the Unity3D game engine， a VR interactive system is designed. The 3Ds Max is used to model the main building of the scenic spots and optimize the model through the surface reduction plug-in and related commands. Unity3D is used for model import， UI design， scene environment setting， and C # script code is used to realize interactive design. The system provides a realistic restoration of the entire landscape of the Zicheng Ruins Park， and it can achieve functions such as roaming， introducing cultural relics， and interactive games. It has a positive significance in providing education， science popularization and learning opportunities， promoting tourism and cultural exchange， and inheriting and promoting historical and cultural heritage.

Keywords： Zicheng ruins; VR; Unity3D; interaction

0  引  言

嘉興子城遗址公园位于中国浙江省嘉兴市，是一处具有丰富历史文化底蕴的博物馆式公园。该遗址公园是以南宋时期（公元1127—1279年）的重要军事要塞和商贸中心——嘉兴子城遗址为核心，通过保护、修复和展示，向人们呈现了一个古老城市的建筑风貌和历史变迁。遗址公园占地30余万平方米，其中包括子城城墙、街道、民居、官署、庙宇等建筑遗址[1]。园内现代化的建筑与古老的文化遗址相得益彰，成为嘉兴历史文化旅游的重要景点之一，游客们在这里能够领略到丰富的历史文化内涵，感受到嘉兴这座城市悠久而独特的历史传承。

利用虚拟现实（Virtual Reality， VR）技术实现对人文历史和自然地理遗产的还原、保护和开发，在国内外都得到了广泛的认同[2]，也为文化旅游等传统产业注入了生机。利用VR开发数字文旅项目，通过科技手段让游客置身其中，超脱时空限制，体会虚拟现实的神秘感与科技感，既能保护文物，又有身临其境的体验机会。在VR项目的设计中，深度挖掘景点历史背景和文化内涵，让游客在深入的体验与互动中，深刻了解景点文化，提升景点的社会价值，不仅有利于刺激旅游需求和旅游消费，还有利于提高中华民族的文化自觉和文化自信，进而激发人们对文化的热爱和保护传统的观念。

1  嘉兴子城遗址公园VR交互式系统设计

系统在文献分析与实地考察、搜集资料的基础上，利用子城遗址公园现有信息，深入研究子城遗址人文历史、风俗文化、传奇故事，遵循历史，尊重文化，为嘉兴子城遗址公园VR系统设计主要功能、展示内容与交互效果等，包括子城场景漫游、文物发掘、历史典故情景还原，以及与子城历史文化知识紧密相关的答题、复原文物、拼图等互动游戏，系统功能结构如图1所示。

2  系统开发与实现

2.1  开发工具

系统采用具有跨多种平台优势的引擎Unity3D进行开发。这是一款跨平台的游戏开发引擎，广泛应用于游戏制作、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）以及其他交互性应用程序的开发。它提供了先进的图形引擎及直观易用的开发界面和编辑器，支持脚本编写，拥有丰富的资源库和插件生态系统，开发者能够创建出高质量、逼真的游戏画面，轻松创建场景、添加对象、配置材质等，使用C#、JavaScript、Boo等编程语言来实现游戏逻辑，下载和集成各种模型、贴图、音频、特效等资源来丰富游戏内容，也可使用插件来扩展引擎的功能[3]。

各类模型采用由Autodesk公司开发的三维计算机图形软件3Ds Max进行创建，这是一款功能强大的专业级三维建模、动画和渲染软件，可以简洁高效地创建各类模型，通过渲染营造逼真的效果，广泛应用于电影、电视、游戏、建筑和设计等行业[4]。

交互开发采用C#语言实现。这是一种通用、面向对象的编程语言，由微软公司开发。它是基于C和C++语言的语法结构，并融入了Java和其他编程语言的一些特性，具有简单易学、强大的框架支持和跨平台能力，系统设计框架如图2所示。

2.2  三维模型创建

本系统三维建模对象主要是子城中的建筑，包括秀洲古治牌坊、谯楼、端本堂、花月亭等。在建模前，项目组多次到子城遗址公园进行实地考察，对子城全貌及公园内各个建筑进多角度的拍摄，以了解建筑物结构细节并为贴图做准备。每个物体都具有传统的中国建筑风格，注重对称美和整体布局的和谐，建筑物的屋顶都采用曲线状的重檐歇山式屋顶，并采用雕花窗棂等雕刻元素来丰富建筑物的外观。在3Ds Max中，使用基础几何体工具（如盒子、圆柱、圆锥等）来创建古建筑的基本形状。根据参考资料，逐步建立建筑物的整体结构。使用编辑多边形工具，对建筑物进行细节的塑造和调整，例如，通过添加分割线、挤出、倒角等操作，来创造出窗户、门、屋顶和装饰等细节部分，如图3所示。

在建模的基础上，利用Photoshop将实地拍摄的照片及网络图片进行修改，对模型进行贴图，以增加建筑物的真实感和质感，如图4所示。

图3  秀洲古治牌坊和花月亭模型

2.3  系统模型优化

由于系统资源有限，在建模完成后需要通过多种方式对模型进行优化，原因有以下几点：一是提高性能，优化模型可以降低程序的运行负载，提高性能。在三维场景中，复杂的模型会占用更多的计算资源，例如处理、渲染和动画播放等。通过优化模型，减少多边形数量和纹理大小等操作，可以降低程序的运行时消耗，提高帧率和响应速度。二是节省内存，优化模型可以减少模型所需的内存空间。高多边形数量和大尺寸纹理会占用大量内存，特别是在同时加载多个模型的情况下。通过减少模型的多边形数量、合并网格和简化纹理等操作，可以显著降低内存使用量。三是加快渲染速度，优化模型可以减少渲染所需的时间。渲染引擎需要处理和绘制模型的多边形、纹理、光照等信息，复杂的模型会增加渲染时间。通过减少多边形数量、简化纹理和删除隐藏物体等操作，可以加快渲染速度，提高效率。四是便于导出和分享，优化模型可以减少模型文件的大小，使其更易于导出和分享。尤其是在需要将模型用于游戏、虚拟现实或在线平台时，较小的文件大小可以减少加载时间，提高用户体验[5]。

本项目的模型优化采用以下步骤：使用3Ds Max的减面插件Polygon Cruncher将模型中不必要的细节减少，特别是隐藏在视觉上不明显的部分。通过减少多边形数量来降低模型的复杂度，提高程序的性能[6]。使用3Ds Max的ProOptimizer和Attach命令来合并模型中重叠的网格或相同材质的部分，减少绘制调用和渲染负担。太高的纹理分辨率会增加内存和渲染开销，影响程序性能，因此可以优化模型的纹理贴图，使其分辨率适合实际需求。检查并删除模型中隐藏、遮挡或不可见的物体。这些物体虽然不会直接显示在场景中，但仍会占用计算资源。同时使用LOD技术为模型创建不同层次的细节模型，根据物体离相机的距离动态地切換模型细节级别[7]。这样可以在保持视觉质量的同时，降低模型复杂度和渲染开销。

2.4  Unity3D设计与实现

2.4.1  模型导入

将模型导入Unity3D之前须将模型在3Ds Max中导出为FBX格式，因为此格式在3Ds Max和Unity3D之间具有更好的兼容性和功能支持。3Ds Max和Unity3D使用不同的坐标系统和轴向约定，因此在导出模型之前，要正确调整模型的比例和坐标系统，以便在Unity3D中保持正确的尺寸和方向。

2.4.2  UI设计

系统UI以古风作为整体风格，视觉效果自然流畅，简单统一，根据实景进行色彩搭配，以期真实还原子城遗址风貌，给用户最佳的体验。启动界面以水墨画为主体，体现烟雨江南的朦胧美，同时融入古建及草木元素，并为背景设置动态效果，为整体界面增加灵动感，如图5所示。

图5  启动界面

交互界面依然延续古典风格，将祥云、如意、印章元素融入边框及按钮等对象，在填色时做出斑驳的效果，体现子城遗址的年代感，如图6所示。

2.4.3  环境设置

项目的环境设置包括场景构建、碰撞检测、灯光设置等。利用Unity3D中的Terrain创建地形对象，通过高度工具提高或降低地形高度，利用平滑工具平滑地形表面，利用贴图处理地面的砖石与草地效果。环境中的花草树木通过Unity3D Asset Store资源网站下载现成的植物模型，将其导入到Unity3D中，并根据需求调整植物的形状、细节和材质，同时使用Skybox来创建逼真的天空效果，如图7所示。

图6  答题界面

图7  场景设置效果

为了确保体验者能够感受到漫游的乐趣，项目没有设计指定的路线以及游玩顺序，而是需要体验者在场景中去自行探索，为避免体验者在环境中丢失，项目通过碰撞检测设置了空气围栏，确保体验者不会走到外部空间中。

碰撞检測是Unity3D中一个非常重要的功能，它用于检测游戏对象之间的碰撞或触发事件。当游戏对象之间发生碰撞时，可以定义相应的行为和反应，例如反弹、爆炸效果、伤害计算等。通过使用碰撞检测，可以实现实时的交互效果，并根据碰撞发生的情况来改变游戏对象的状态[8]。在一些情况下，并不需要物体之间发生实际的碰撞，而是希望在接触或进入特定区域时触发事件。使用触发器组件，可以检测到游戏对象与触发器之间的接触，并执行相应的代码逻辑。这可以用于触发剧情事件、收集物品、进入新场景等。通过进行碰撞检测，可以避免游戏对象产生重叠或穿过其他物体的情况。这对于保持游戏世界的稳定性和合理性非常重要[9]。例如，阻止玩家角色穿墙、防止物品重叠等。

此外，还需要对对模型添加适当的光照效果，可以使物体表面产生阴影、高光和反射等效果，使场景看起来更加真实。合理的光照能够提升项目的质感和视觉品质。同时，光照可以为场景增加深度和层次感。通过设置不同方向、强度和颜色的光源，可以模拟不同的光照条件，使物体之间产生明暗对比。这样可以让场景中的物体在视觉上更加立体感，并增加体验者与场景的沉浸感。精心设置的光照可以增加应用的可视化效果，提升用户体验。当环境中的物体能够根据光源的位置和属性进行逼真的反射、投影和阴影时，体验者将感受到更加真实和令人愉悦的视觉效果。良好的光照设计可以使游戏或应用更加吸引人，并增加与用户的情感连接[10]，如图8所示。

图8  光照效果

2.4.4  交互功能实现

为便于在网络传播，本项目的交互设计通过鼠标和键盘完成。交互以漫游为基础，添加文物挖掘、答题、拼图等游戏增加趣味性。

1）环视的实现。项目利用C#语言编写交互脚本，通过GetMouseButton方法获取鼠标的按键动作，通过GetAxis方法获取到鼠标的X轴移动，最后完成摄像头的Y轴旋转，让体验者能够通过鼠标实现镜头的旋转，关键代码如图9所示。

2）移动的实现。在项目开始运行的时候，体验者位置在城门口，体验者可以通过键盘上的wasd移动人物位置，通过GetKey方法可以获取到键盘的操作，然后使用transform.Translate方法移动人物，移动速度通过Vector3.forward * m_speed * Time.deltaTime公式计算出人物移动的速度，关键代码如图10所示。

图10  移动的实现

3）对话框弹出的实现。在需要检测碰撞的物体上添加Box Collider组件，如图11所示。碰撞之后显示出文本框，并且实现打字机效果，用来介绍这一物体的典故，关键代码如图12所示。并且使用协程，实现石狮子的延迟出现以及碎片的获得，关键代码如图13所示。

图11  碰撞盒

图12  打字机效果关键代码

图13  石狮重现及碎片效果关键代码

3  结  论

系统利用3Ds Max进行主体建筑建模，结合Unity3D的虚拟场景创建和交互技术，对嘉兴子城遗址公园进行全方位、立体化、数字化呈现，使景区具有更强的展示效果和视觉表现力，沉浸式的体验方式让人们打破时空障碍，更深入地了解和欣赏嘉兴历史文化遗产，对提供教育科普与学习机会、推动旅游与文化交流、传承和弘扬历史文化具有积极意义。

参考文献：

[1] 王兴鲁.基于Unity3D与Kinect的体感交互技术应用研究 [D].兰州：兰州交通大学，2017.

[2] 习建军，梁有祥，胡昆，等.基于Unity的江西白梅古村落虚拟漫游VR软件开发 [J].新余学院学报，2022，27（3）：22-26.

[3] 梁金峰，陈小霞，李华新.基于虚拟现实技术的湖湘文化旅游系统设计与实现 [J].软件导刊，2017，16（4）：86-88.

[4] 李丽丽.北京天坛虚拟旅游系统的设计及其用户体验研究 [D].成都：西南交通大学，2021.

[5] 王之千.基于虚拟现实技术的自然景观建筑空间设计与规划 [J].重庆理工大学学报：自然科学，2020，34（3）：152-157.

[6] 姜学娟.基于虚拟现实技术的漫游系统研究 [D].长春：长春理工大学，2008.

[7] 魏娜娣，段再超，魏占杰，等.基于Unity 3D的白洋淀文化旅游仿真系统研究 [J].计算机仿真，2019，36（9）：365-370.

[8] 汤劲松.基于虚拟现实的城市规划空间格局三维展示系统设计 [J].现代电子技术，2023，46（11）：66-70.

[9] 郭亮亮，刘书廷.基于VR技术的长白山讷殷古城遗址的还原与再现研究 [J].文化创新与比较研究，2019，3（29）：51-52.

[10] 张灵睿，程明智，岳学行，等.虚拟现实技术视域下投壶游戏交互体验系统设计与实现[J].北京印刷学院学报，2022，30（11）：58-61.

作者简介：赵健（1982—），女，汉族，浙江湖州人，讲师，硕士，研究方向：虚拟现实应开发、Web前端开发；蒋丽霞（1978—），女，汉族，天津人，副教授，硕士，研究方向：非遗与文旅融合；隋龙飞（1992—），男，汉族，辽宁朝阳人，助教，硕士，研究方向：虚拟现实应用开发。