三维数字技术在平城历史文化传承中的应用分析

摘要：随着现代信息技术的蓬勃发展，三维数字技术越来越多地应用于旅游景点、历史文化的宣传和传承中。文章分析北魏平城历史文化传承虚拟漫游系统所应用三维数字技术的特点，以及具体应用状况。使用Unity3D、3ds MAX、C#等工具，构建基于三维建模、三维交互以及三维动画等技术的北魏平城历史文化传承虚拟漫游系统。在三维建模部分，通过三维建模软件3D Studio Max设计制作平城历史场景中的建筑、内部展馆，解决了材质纹理映射、贴图以及光照等问题，得到逼真、高质量的历史文化建筑三维模型。在充分满足人们的心理需要的同时，引起人们对北魏平城文化的兴趣。在虚拟交互设计部分，采用Unity3D引擎作为开发平台，C#作为开发语言，创建逼真的平城历史文化场景。该虚拟系统包含三维自动漫游子系统、三维交互自主漫游子系统，并借助文本、音频、视频、动画等多媒体技术手段，使用户通过计算机或手机深入、细致地感受、学习北魏平城的建筑风格、文物和文化。同时，此系统还为文物保护和传承提供一种新的视角。

关键词：北魏平城；3D建模；虚拟交互；三维动画技术；增强现实

中图分类号：G206；G122 文献标志码：A 文章编号：1674-8883（2024）08-0055-03

基金项目：本论文为2022年度山西大同大学云冈专项“北魏平城历史文化的数字化传播研究”成果，项目编号： 2022YGZX013；2022年度山西大同大学教学改革创新项目“三维动画设计课程混合式教学设计创新 研究”成果，项目编号：XJG2022228；2022年度山西大同大学云冈专项“元宇宙视域下云冈石窟文 化传播路径与数字资源建设研究”成果，项目编号：2022YGZX035

北魏平城，指今天的山西大同。拓跋鲜卑在1600多年前定都于此，从此该地迎来北魏王朝辉煌的97年[1]。当前，虚拟现实技术已广泛应用于各领域，包括教育、娱乐、文化等[2]。在文化遗产保护领域，虚拟现实技术为保护、传承和展示历史文化遗产提供了全新的方式。北魏平城历史文化传承虚拟漫游系统（下文简称“平城漫游系统”）基于对北魏时期平城历史和文化的研究，采用三维建模技术、三维交互技术和三维动画技术，对平城的物质与非物质遗产进行展示[3]，带领使用者穿越时空，感受北魏平城历史文化的博大精深。

一、平城漫游系统三维数字技术的特点

北魏是中国历史上一个重要的朝代，对我国历史具有深远的影响。自从平城被确定为都城后，便开展了规模宏大的宫殿建设。同时，北魏对汉族文化的吸收和融合，也促进了文化的发展和繁荣，例如形成寺庙建筑、书法、雕塑等各种艺术形式。在北魏一百多年的历史中，鲜卑人在平城留下了丰富的历史遗迹。通过虚拟现实技术，可以对平城的历史建筑、文物进行精确的三维模拟，并对其历史文化进行数字化传播，使人们能够真正了解平城的辉煌历史。

近年来，我国对文化遗产数字化传播模式的研究主要包含以下四类。

第一类是基于大众传媒如电视、电影和专题节目的数字化传播模式[4]。

第二类是数字典藏传播模式。主要指文化遗产保护单位通过对遗产资源的数字化，构建专题数据库，受众通过自主查阅各种媒介的方式推动文化遗产的传播[5]。

第三类是指利用互联网的交互优势，实时传播文化遗产相关活动和知识。

第四类是利用3D技术、虚拟现实等技术将受众拉入场景，让人们身临其境地体验[6]。

平城漫游系统使用的三维数字技术具有显著的特点。

第一，注重全感官式体验。使用者进入平城漫游系统中，即可享受沉浸式的全感官体验。即眼睛能全方位观赏北魏平城时代的历史遗迹、建筑和文物，耳朵能听到智能语音讲解，让使用者有身临其境的感觉，增强学习、研究北魏平城历史的兴趣，并增强其传播力。

第二，注重智能化展现。使用者进入系统后，若选择自动漫游模式，系统将智能生成游览路线，提高游览效率。同时，系统贴心地为使用者提供自主漫游模式，并对一些具有代表性的建筑物、文物、“非遗”产品等进行高亮标识提示，点击即可呈现文字、语音或二维/三维动画，让使用者可以更快捷地定位、欣赏到自己感兴趣的内容。

第三，注重幽默风趣的语言。系统具有语音讲解功能，特别注重讲解的幽默风趣，增强语音讲解服务的趣味性和吸引力，有助于加深对“非遗”、历史的理解。第四，注重简洁明了的交互。系统提供样式各异的图标、易于识别的按钮，使用者只需点击相应的图标即可高效交互。

二、平城漫游系统具体应用的三维数字技术

平城漫游系统使用三维建模技术、三维交互技术、三维动画漫游技术。应用3ds Max建模软件，以北魏平城作为背景，利用三维数字技术，制作出北魏平城宫城数字模型，以数字展馆为辅助，对北魏平城时代的各种历史文化遗产进行展示。利用Unity3D引擎作为开发平台， C#作为开发语言，实现三维交互的设计和展示。

（一）三维建模技术

平城漫游系统以北魏时期的平城为背景，采用三维建模工具3ds Max，制作出北魏平城宫城的数字模型，加以数字展馆为辅助，对北魏平城的各种历史文化遗产进行展示[7]。系统涵盖平城宫城的模型、展品等，给体验者一种身临其境的感觉[8]。

1.布局规划及场景设计

布局规划：根据资料记载，平城宫城有三条轴线，即西线，东线与中线。西轴线包含天文殿、中天殿、乾德六合殿、凉风观、玄武楼等建筑。中轴线包含朝堂、太极殿、思义殿、坤德六合殿、乾象六合殿以及东西堂等建筑。东轴线包含永安殿、安乐殿、寿安宫、太和殿、乾象六合殿等建筑[9]。

宫城场景设计：平城宫殿模型主要为红色台柱、白色墙体与绿色瓦片，整体十分宏伟。

数字展馆设计：依据每个展馆的主题与展示形式来设计。云冈石窟、悬空寺、魏碑书法展馆主要采用图文展示，而乐器、文物展馆因其陈列品的艺术价值，多以实物模型展示[10]。

2.展馆内部设计

展馆设计的关键在于其是否能够吸引人们的注意力，使参观者对所展示的内容产生强烈的兴趣，从而能够更好地宣传平城历史文化。除此之外，展馆还应该展现出人文精神[11]。最后，展馆还应具有以下特点：简洁、和谐、主题鲜明等。

文化是一个城市的灵魂，要想了解一个城市，就必然要对其历史进行深入的了解。不同文化碰撞，为平城的文化注入了新鲜的血液。因此，平城漫游系统拥有主题不同的展馆，分别是云冈石窟展馆、悬空寺展馆、魏碑书法展馆、乐器展馆、文物展馆。前三个展馆主要通过书画展柜、文化展板、文化墙等，以图片文字进行文化宣传。后两个展馆以内部陈列品展示为主，凸显北魏平城的繁荣。

3.平城漫游系统中三维建模部分的实现

（1）城墙、宫殿的三维建模。使用三维建模技术和工具对虚拟系统中的城墙、代表性宫殿进行三维建模制作。城墙主要由多个长方体堆叠而成，形成城墙的雏形。编组之后转化为可编辑多边形，通过“FFD自由变形工具”优化细节。接下来是城墙瞭望口的建模，首先在前视图运用样条线绘制出轮廓，之后是“挤出”命令，最后可进入点层级修改细节。瞭望口要与城墙对应，之后复制，最终得到城墙模型。城墙的建模尤其需要注意瞭望口与墙体要完美拼接[12]。宫殿的三维建模包括地基、栏杆、门窗、斗拱、瓦片、屋顶的建模。

（2）展馆、乐器及文物的三维建模。平城漫游系统分别对云冈石窟展馆、悬空寺展馆、魏碑书法展馆、乐器展馆、文物展馆进行三维建模。其中云冈石窟的展馆设计，主要依据石窟内形制、造像内容和样式，以及花纹设计。注重突出第二期洞窟——洞窟和龛像数量增多，说明文成帝之后孝文帝迁洛之前这个时期，北魏统治集团提倡发扬佛教文化[13]。

根据史料记载，北魏时期主要有吹奏类、弹拨类、击打类乐器。吹奏乐器主要包括横笛和排箫；弹拨乐器主要包括古琴、古筝、曲颈琵琶和阮弦；击打乐器主要包括腰鼓和铜钹[14]。

文物建模根据史料以及在大同博物馆的实地考察，主要包括饰品、室居生活文物、室外文物三大类。饰品包括珠串、簪子、耳环、手镯；室居生活文物包括陶罐、陶井、石灯、石柱、铜杯；室外文物为铺首衔环等。

（二）平城漫游系统中三维交互和漫游的实现

所使用的软件工具包括但不限于3ds MAX、Unity、Adobe Photoshop、Vuforia（高通）。

1.平城漫游系统的模块划分

该系统分为三维自动漫游和三维交互自主漫游两大子系统。其中三维交互自主漫游子系统包括殿外自主漫游模块和殿内自主漫游模块。殿外自主漫游模块分为地图导航模块、天气控制模块和粒子特效模块，殿内自主漫游模块分为云冈石窟文化展馆、悬空寺文化展馆、平城乐器AR展馆、平城书法展馆、平城文物展馆。三维自动漫游模块由Cinemachine虚拟摄像机和Timeline动画等组件实现[15]。

2.平城漫游系统的开发流程

平城漫游系统的设计与开发主要包括以下几个步骤：实地考察、文献查阅、宫殿布局绘制、建筑模型制作、场景建模、系统构建等。其中实地考察是为了深入了解北魏平城的实际情况，文献查阅则是为了收集更多历史资料和文物信息，以确保系统的准确性。宫殿布局的绘制和建筑模型的制作是为了重现平城，场景建模和系统构建则是为了实现用户的交互式体验。整个设计与开发过程注重历史准确性和用户体验的平衡，旨在让用户更好地了解北魏平城时期的历史文化。

3.平城漫游系统的实现和发布

平城漫游系统以平城历史文化为主要内容，采用现代化的技术手段，如3D模型展示和交互式游戏等，让用户可以更加直观地体验平城遗迹的魅力。系统总体实现了图文交互、乐器展示、文物交互展示、视频交互等功能。同时，为了便于人们从手机端了解北魏平城历史文化，该虚拟漫游系统除了可以在Windows平台使用，还发布了Android版本。需要注意的是，不同版本的Android SDK和Java环境可能会对发布产生影响，应该根据需要进行相应的配置[16]。

三、结语

北魏平城文化是中国传统文化的一部分，其不应被埋没于历史长河中。通过平城漫游系统，人们可以身临其境地感受北魏平城文化，并且可以带动更多的人到大同旅游。还可以将平城漫游系统作为教学案例让学生学习，也可以让学生通过网络平台分享给更多的用户，为平城历史文化的宣传作出贡献。与此同时，教师也可以将此漫游系统作为项目，采用项目驱动式的教学方式进行改革，既可以激发学生的学习动力和兴趣，又提高了教学效率。希望本文提出的虚拟漫游系统可以为同类型系统的设计研究提供一定的参考。

参考文献：

[1] 刘玉采.北魏前期平城建设研究[D].兰州：兰州大学，2022.

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[4] 贾秀清，王珏.数字化手段在我国文化遗产传承与创新领域中的应用[J].现代传播（中国传媒大学学报），2012，34（2）：112-115.

[5] 谈国新，何琪敏.中国非物质文化遗产数字化传播的研究现状、现实困境及发展路径[J].理论月刊，2021（9）：87-94.

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[11] 刘延斌，苏明哲.古建筑遗址数字化艺术复原对文物保护的作用[J].建筑经济，2022，43（8）：115-116.

[12] 李俊军.基于Unity3D的室内建筑三维建模与交互系统实现[D].徐州：中国矿业大学，2014.

[13] 刘锂，段芃芃.古建筑三维建模技术的研究与实现[J].计算机技术与发展，2020，30（8）：188-192.

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[16] 曲蕴慧，白新国.基于3DMax及Unity3D的博物虚拟展示系统设计与实现[J].微型电脑应用，2022，38（4）：1-3.

作者简介 吝春妮，讲师，研究方向：三维数字技术、数字文化传播、虚拟现实技术。