李鸿章故居虚拟现实系统的设计与开发

张翔

关键词：李鸿章故居；虚拟现实技术；Unity 3D

0 引言

李鸿章故居，又名李府，是晚清名臣李鸿章的家宅，位于安徽省合肥市庐阳区淮河路步行街中段208 号，现已列为全国重点文物保护单位、国家AAAA级旅游景区[1]。李鸿章是晚清时期极具重要的人物，其家宅的建筑风格具有明显的徽派建筑特色，布局整齐，结构严谨，是典型的晚清江淮地区民居建筑。作为珍贵的建筑文化遗产，李府历经百年风雨，仍保有独特的风貌。然而，由于战争和年久失修，再加上位于市区中心，李府已日渐荒废。近年来，合肥市政府对李鸿章故居采取了多项保护措施，在原址进行了修缮。虽然基本保留其原貌，但现存规模已不到原来的十二分之一。由于其地理位置特殊，李府作为景区的拓展性受到了很大制约。目前，李鸿章故居每日接待游客数维持在500人左右，这对游客体验及景区收入产生了不良影响[1]。那么，这样一座历史悠久底蕴丰富的古代文化遗产建筑，应当如何保护，值得我们深入探索与研究。

1 李鸿章故居系统的总体设计

本文基于虚拟现实技术和旅游体验的有机结合，力求将单调、枯燥的文字和局限于平面的图片立体化，将原本很难呈现的建筑细节之美展现在游客面前。我们利用物联网及各种智能云技术，让游客足不出户，就可以随时获得最新的旅游动态和相关讯息，同时也可以轻而易举调整、安排时间，随意更改旅游行程。

近年来，因经年累月游客络绎不绝，我国有许多对外开放的古代建筑损毁严重，如何保护这些文物是一个亟待解决的问题。随着计算机科学家和考古学家的共同努力，虚拟现实漫游系统应运而生。我国历史上无与伦比的辉煌建筑杰作——故宫，就得到了这样的保护[2]。鉴于此，本文研究运用三维技术和Unity3D实现对李鸿章故居中重要的几处景点，使用手动或自动方式，对入口、前厅、福寿堂、走马楼、淮军展厅、游客服务中心等实现漫游。李鸿章故居的虚拟现实系统主要采用第一人称视觉的漫游效果来展现，这样能够更好地模拟景区真实存在的效果。同时在很大程度上，能够给游客带来耳目一新的观赏体验。值得注意的是第一人称漫游是漫游系统中最重要的功能，也是实现系统交互必需的功能[3]。李鸿章故居系统把虚拟现实技术与景区的全景规划紧密结合起来，无论是对古代建筑文化遗产的传承和保护，还是营销模式都是切实可行的。

2 需求分析

李鸿章故居系统作为虚拟现实技术在旅游景区上的应用，区别于其他项目在硬件上的应用与研究，主要侧重向用户展示功能。让游客足不出户，便可对整个项目进行深度体验；此外，还可以深入开发交互系统，让用户自己“动手”了解系统的房屋建筑模型，并从另一个角度体会我国古代建筑文化遗产的独特魅力。

2.1 用户需求

如今，随着旅游经济的快速增长，我国已稳居世界旅游经济前列。2023年五一小长假期间，全国各景区共接待游客2.74亿人次，同比增长70.83%，这对景区的最大接待负荷产生了较大压力。游客在景区观赏时，由于人流量过大，可能无法全身心投入，导致很难深入了解文化建筑背后悠久的历史文化。因此，用户对游览的文化体验需求越来越强烈，本文也正是立足于提升用户体验进行的以下方面设计[4]：

1） 通过三维建筑可视化完美还原建筑特色，让用户充分了解到李鸿章故居的整体建筑风格和内部展厅的陈设、空间布局。

2） 针对性还原景区原貌，对李鸿章故居的建筑面积、表面材质、灯光效果、植物配置等力求复原，进而达到完美的模拟效果。

3） 通过深度开发的交互技术，用户可以根据自身需求和习惯，自主选择游览路线，任意角度观察景点。且在游览过程中，游客能够通过实时语音或文字了解景区信息。

4） 设置碰撞效果，用户游览时不会穿过物体或墙面，并且可以真实地走楼梯、跨门槛，获得与真实世界一样的游览体验。

5） 多平台应用。基于PC、手机、VR眼镜等多种设备，让用户的选择性更广。

2.2 功能需求

本文主要通过对虚拟现实技术的反复研究、观察、修改得到完整的系统，向用户进行完善的数字化建筑交互展示，主要体现在以下两个方面：

1） 展示。用户通过第一人称视角，观察出动态的画面效果，包含游览路线、物体碰撞、景点陈设等。用户亦可通过系统默认的游览路线，不进行自主控制，依照既定路线进行自动游览。

2） 交互。交互技术的编程主要依托于引擎平台开发技术，通过对景区内相应的模型进行编程，从而达到界面操作、实时查看与行走、路线选择、碰撞检测等交互技术。这种交互设计，更通俗易懂，更模块化，也更方便用户操作。各种年龄段的用户基本都能很快熟悉交互系统的架构和使用方法，从而达到快速熟练操作。

3 李鸿章故居三维构建

3.1 三维构建的前期准备

李鸿章故居三维模型构建的首要前提是了解故居的整体结构和内部建筑区域的划分，这就需要对故居的建筑信息进行收集、测量与整理。笔者基于实地考察和拍摄，再结合景区内的导游图等信息，绘制出平面结构图，如图1所示。

3.2 李鸿章故居三维建模

根据测量与收集的系统信息，笔者通过CAD绘制出后缀名为.dwg格式的故居平面图，再导入3D Max 进行模型构建。本文以入口部分为例，在实地考察过程中，要考虑到建筑中复杂的雕刻花纹，在三维模型中如何体现？主要利用次世代游戏模型的制作方法，去制作逼真而又复杂的模型：首先，用数字雕刻软件Zbrush制作高精度模型，高度还原出实景中建筑特色的一些细节。再通过凹凸贴图烘焙技术，从高精度模型上烘焙出法线贴图。最后，在低精度模型的凹凸属性上贴上烘焙出的法线。这样可以减少模型面数，优化场景缓存，增强场景运算能力。这也是本系统的模型制作特色，这种方法可以通过精美的雕刻制作水平和逼真的纹理效果，利用生动的角色形象吸引一批又一批的游戏玩家和观众。而故居系统里入口处的石狮、抱鼓石、立柱木雕、铜门兽头拉环，均采用这种制作方法，如图2所示。

李鸿章故居的三维模型完成后，要对整体模型进行检查和优化。删除废弃的面和数据缓存，优化场景模型，提高硬件运算能力。这对后期导入Unity3D中的效率，包括交互设计和展示功能都卓有成效，能够为下一步工作夯实基础。

4 系统平台的应用

4.1 引擎平台中三维场景的设置

三维模型导入到引擎平台后，由于前期工作只绘制了三维模型和材质，加上大量的数据信息迁移，各项设置都需要重新调整和加入。例如，单位设置、灯光建立、材质映射、天空和地形创建、植物布置等，这些设置对于提高三维场景的真实感和精细度有着至关重要的作用。此外，绘制三维场景环境是整个系统中数字可视化部分最重要的环节。其内容包括地形绘制和天空盒两部分。Unity3D中的地形可以绘制出层峦叠嶂的山脉、迂回盘曲的峡谷、广阔无垠的草原和碧波浩渺的湖泊，这部分强大的功能可以让用户在虚拟环境中流连忘返[5]；天空盒可以模拟出真实的天空效果，根据场景的风格和需要来呈现效果，也可以对盒子进行不同的设置，从而达到拟真的程度。这两部分的叠加使整座三维故居充满人文思想和历史积淀。

4.2 交互式技术系统实现方案

游客在景区游览时的体验是一个漫长的过程，包括但不限于景区入口、项目游览的排队，整个景区游览的时间及体力消耗等。李鸿章故居系统的数据信息十分庞大，对于PC平台设备的硬件水平和制作时间都有极高的要求。因此将整个故居系统设计为入口、前厅、福寿堂、走马楼的一楼展厅和二楼走廊、淮军一楼的淮系展馆、游客服务中心（出口）等6个部分作为系统可游览的区域。为了让用户获得更好的游览体验，在游览路径上我们将模式分为手动游览和自动游览。

手动游览模式中，用户可以自主进行操作，根据喜好进行游览。如果用户在游览中迷路了，只需点击界面上的场景切换，即可轻松回到景区入口。如果想快速游览，可通过场景切换，快速任意切换到故居系统的6个景区部分，再进行自主游览，完成景区的体验。自动游览模式下用户完全不需要进行任何操作，系统会根据设定好的路径方案，自动带领用户对李鸿章故居进行游览，与导游带领游客游览一致，用户只需观看，即可轻松完成故居系统的体验。因此系统中场景的切换是本系统交互方案的核心设计环节，界面登录和快速游览也均是基于此进行交互的。

如图3所示，笔者对登录界面的两种模式进行了程序设计。首先，在Assets资源器中，分别新建两个场景文件作为自动游览模式和手动游览模式。登录界面的场景文件命名为“login”，在该文件中将设计好的登录背景.jpg格式的文件拖入Assets资源器中，将Texture Type设置为Sprite（2D and UI），对背景图进行识别导入后，再将Color 选项中的不透明度设置为100%。在第二个场景中，导入Button按钮，将两个按钮命名为“自动游览模式”和“手动游览模式”，然后通过新建C#脚本文件将其添加到相应模式的按钮文件中进行一一映射。随后，在“Game”模式下，进入Build Setting中分别添加对应三个场景的文件后，系统登录界面即设置完成。

此外，快速游览的交互设计原理是将场景切换成故居系统中的6个部分进行游览。这种交互设计也是基于登录界面的设置，进行更深层次的开发。通过之前的方法，分别创建“入口”“前厅”“福寿堂”“走马楼”“淮系展馆”“游客服务中心（出口）”等6个场景文件。除了添加6个场景的切换脚本外，还要添加场景切换的主菜单，将设计好的主菜单UI界面添加到系统中，再将主菜单的脚本文件拖入到主摄像机的Inspector 属性上，通过Edit Script对脚本进行编译，将主菜单的按钮挂载到主摄像机上，并给按钮添加函数OnLogin?ButtonClick 0。整个场景切换的交互设置随即完成。

4.3 界面的视觉设计

在虚拟现实系统的视觉设计中，主要分为环境设计和界面设计两个部分。当用户戴上VR设备后，这个未知的环境需要设计开发成用户所要看到的三维空间。用户在观看和控制时，界面设计的美感必须与环境相匹配，这样才不会让用户从虚拟的环境思维中抽离。因此，界面设计是十分关键的一步。

李鸿章故居系统的界面设计主要是用户登录的背景界面、场景切换和音乐开关的UI设计等。在整个设计中，参考了故居的年代和历史背景等相关信息，为了让更多人领略到故居的文化气息，弘扬传统文化，笔者将界面设计的风格定义为水墨风格。这种独有的艺术形式具有强烈的民族特色和独特的艺术魅力。同时，这种风格在百花争艳的虚拟现实系统中也别具一格，与整个系统主题相得益彰[6]。

系统中的UI界面通过Photoshop进行创作设计，并存储为.png 格式导入到系统中进行运用，如图4 所示。

5 系统的测试与发布

李鸿章故居虚拟现实系统已经开发完成，但能否最终发布，还需要进行系统完整的测试。由于系统数据资源十分庞大，多种软件之间进行数据转换可能会出现场景模型错位、贴图显示报错、模型与模型之间的缝隙衔接不到位、胶囊体与场景模型之间的物理碰撞不合理、系统运行速度不流畅、场景切换不正确等一系列问题。因此，进行相关测试是十分必要的。通过不断测试、修改、二次测试和返修等反复循环的过程，才能最终使系统的开发应用达到完善的程度。

系统的测试可以实时通过Unity 3D的游戏运行窗口进行，如图5所示。点击播放按钮后，窗口显示的画面就是游戏发布时的正式画面。在该窗口下运行系统，对系统中的物体进行修改或移动，退出游戏运行模式后，之前的修改并不会保存，系统会自动返回到未编辑的状态。在Game下面的Free Aspect按钮可以调整整个窗口的比例，也可以设置最终系统发布的窗口比例；Maximize On Play按钮具备视图窗口全屏显示的功能；Stats按钮是游戏运行模式下显示系统中各项参数的开关；在游戏模式运行下，除了对上述问题进行检查外，我们还对故居系统的模式选择、手动漫游、自动漫游、场景切换等进行了反复测试。经过多次测试和修改，已解决了场景内法线显示不统一、贴图错位、部分立柱模型错位等一系列问题，并对场景内的贴图进行了优化和适当的压缩，系统已达到较为完善的水平。

Unity3D的发布平台可以输出到计算机平台（Win?dows平台和MAC平台）、苹果iOS平台、安卓手机平台、索尼PlayStation平台、微软Xbox平台、H5平台等。本系统的发布：进入Unity3D的Build Setting选项中，选择PC 平台，选择32 位和64 位兼容的Windows 系统，可通过Player Setting进行参数设置，包括效果，系统程序添加应用图标等；点击Build后，输出一个.exe 的应用程序，会随应用程序打包一个需要使用到系统资源信息的工程文件夹，该程序打开后，可以对应用程序系统显示分辨率大小、质量和操作映射等，最终完成故居系统的发布到运行。

6 结束语

李鸿章故居的虚拟现实系统已经开发完成，通过测试和修改，可以实现对李鸿章故居中各个景点的漫游。本文主要通过详细介绍系统的总体设计、需求分析、三维构建、系统平台应用、系统测试与发布等，将虚拟现实技术应用到李鸿章故居中，力求在景区虚拟现实漫游系统的开发与应用道路上迈出坚实的一步。