VR技术在古建类产品设计开发及建筑教学中的应用

李纪伟 ，曹迎春，句建国

（河北大学建筑工程学院，河北 保定 071002）

1 引言

虚拟现实（VR）技术的概念最早形成于40年前[1]，初期发展相对缓慢，随着计算机技术的飞速发展，该技术的发展也越来越快，应用场景也越来越丰富[2]。目前，广泛应用于机械加工、产品设计、课程教学等方面[3]。然而，随着VR技术的发展和普及，与之对应的文化产品开发与创意却相对不足，用户对优质VR内容需求愈发强烈，找到适合VR技术的切入点，研发优质的VR产品与应用迫在眉睫。中国古建筑展示着我国的传统文化，承载着中华民族的文明和底蕴，是非常优质的VR内容。而且VR技术在古建类产品开发和教学中进行应用时，可以摆脱传统意义上的时空限制，使用户及相关专业的学生能够更清楚地认知、了解古代建筑艺术，并可以传播建筑本体之外的文化、历史。因此，研究和开发古建类产品并在教学中进行应用具有重要的意义与价值。

2 古建类虚拟现实产品的开发需求

中国古建筑是我国历史文化的重要载体，现存最早的建筑距今已有1200年的历史[4]。在历史发展的过程中出现了多种多样的建筑形式，包括宫殿建筑、园林建筑、陵寝建筑、民居建筑等，这些建筑形式的空间要求、建造方法、组成部分各不相同。一般人和初学者很难进行区分辨认，更加难以进行深入学习。只有通过接触大量的实物才能更好的掌握这些知识。

然而中国古建筑遍布全国各地，而且很大一部分古建筑已经消失，采用实物学习的方法难度较大。通过开发相关的古建类虚拟现实产品可以弥补这些不足，使初学者和感兴趣的人通过电脑和虚拟现实设备进行学习，能够极大的提高学习效率，提升学习质量，使学习者更加方便快捷的获取相关知识。然而目前针对古建类虚拟现实产品开发过程的研究相对较少，因此需要对这类产品的开发过程展开研究。

3 基于虚拟现实技术的古建类产品设计开发

图1 古建类虚拟现实产品开发流程

开发古建类虚拟现实产品，并达到理想的使用效果，首先需要对古建筑的原始数据进行采集，分析其空间特点、文化特点、建筑特点。获取这些信息后，控制其主要的空间效果和建筑构成，之后通过计算机进行数字还原，具体开发流程如图1所示，主要分为以下几个步骤。

3.1 确定开发对象，制定制作计划

不同的开发对象具有不同的侧重点，园林类古建侧重于空间环境的营造；宫殿类建筑侧重于建筑空间布局与气氛；单体类建筑则侧重于建筑构造组成与细节，需要根据这些开发对象的不同进行产品设计并制定相应的计划。

3.2 总平面勘测

确定开发对象后需要对总平面进行勘测，主要通过现场调研、文献查阅等技术手段采集相关信息，将建筑、场地、植物的具体信息进行收集，整理成总图数据资料。在此阶段需要重点勘测地形，记录建筑的位置与总体尺寸，并注意采集总图中的纹理信息、植被信息等，使整个空间场景形成清晰完整的数据资料。

3.3 单体测绘

总图信息采集完成后，开始对单体建筑进行测绘，单体测绘需要测量建筑的平面、立面以及剖面，并且需要对建筑的构件进行详细的测量，尤其需要注意构件上的彩绘及雕刻，这主要是由于单体类产品将以虚拟拆装组合作为产品的核心功能，所以需要尽可能的获取细致的构件信息。

3.4 计算机建模

将上一阶段收集整理完成的数据资料输入计算机，形成计算机可以识别的信息，然后使用计算机建模系统将构件、建筑、场地、植被等转化成为三维的计算机模型，为虚拟仿真构建数字基础。

3.5 导入虚拟现实软件

综合三维信息模型，同时参考根据开发对象的不同对每个文件进行分析、研究、调试、整理，最后完成整个古建产品的虚拟三维场景再现，把制作好的文件信息导入虚拟现实软件进行整合、调整、修改，使其尽量达到再现古建筑真实效果的程度。

3.6 信息交互反馈，完成产品开发

将完成的信息模型导入交互系统，通过外界的信息输入与操作，实现人机交互和信息反馈，最终实现完美的仿真效果，再现古建筑的真实风采，完成古建筑虚拟现实产品的开发。

4 虚拟现实产品案例开发及在教学中的应用

4.1 案例的选择

本次开发案例选择保定市古莲花池作为研究对象，以验证前期研究成果。古莲花池为历史上的“十大名园”之一，在中国园林历史发展过程中具有重要历史意义，且具有极大的历史与文化价值。

保定古莲花池具有独特的北方园林空间，与南方园林的曲径通幽不同，其空间更注重地形的利用和开阔景观的营造，因此具有独特的历史文化价值。园林在景观布置时结合地形巧妙的设置亭、台、楼、阁，有“小西湖”之称[5]。目前园内尚存藻泳楼、寒绿轩、君子长生馆等古建筑。由于经过历史上的多次破坏与损毁，而且地处与保定市裕华路商业街，周边商业氛围浓厚，已经完全没有古代时候的空间环境。且由于场地、建筑的变迁与破坏，最初建造时候的意境已经消失殆尽，乾隆时期的“莲池十二景”也已经残缺不全。由于其重要的文化价值和在园林史中的地位，需要将其开发为虚拟现实产品，展示其重要文化内涵，挖掘其历史文化价值。

4.2 虚拟现实产品开发过程

首先，根据开发要求，对古莲花池周边环境地形地貌等进行考察，采用图像拍摄，实地勘察的调研方法，对现存古建、道路、景观等进行测绘。通过这些进行分析和比对，对当时园林内的情况进行细致的分析与处理。结合历史资料中的建筑形制，建筑规模，建筑位置，园林平面等具体信息，对要开发的虚拟现实产品的地形、河岸、建筑、景观小品、山石、植物进行空间整体布局分析。

接下来，进行数据信息的录入及几何模型的创建。利用AutoCAD等计算机辅助设计软件进行平面的分布数据整理，把各个位置的建筑场景信息绘制在电子图纸上。再运用3Dmax等三维建模软件进行建筑、地形、河岸、池塘、植物的模型制作，将采集的真实纹理还原到模型上。在模型建立过程中要注意模型的精简和面域的合并，尽可能的减少模型数据信息，以便提高计算机数据处理速度，高速还原场景。随后，在三维建模软件中进行烘焙处理，将纹理和光影信息赋予到模型上，导入虚拟漫游处理软件，进行空间分析和调试，创建和还原真实场景，如图2所示。

图2 古莲花池虚拟全景

最后，进行综合调整，实现古莲花池的虚拟漫游，通过外部输入信息，计算机发生反馈，逐步调试，试验，最终实现了古莲花池的建筑复原及虚拟漫游产品的开发。

4.3 在教学中的应用

将开发出的古莲花池虚拟漫游系统在建筑学专业的建筑设计及建筑历史课程中进行应用，学生在课堂上可以使用这个虚拟现实产品，在虚拟场景里进行自由学习。通过在虚拟的场景里的学习，学生能够更好地把握古园林的空间意境，更深入的了解古建筑的构造细节，实现了良好的教学效果。

5 结语

中国的古建筑记录着历史发展的沧桑岁月，承载着中华的文明，具有极高的历史价值、艺术价值和科研价值，体现了历史的变迁、兴衰、演化，也体现了人类文化的进化脉络。通过虚拟现实技术对古代建筑进行产品开发，能够让这些人类文化发展的产物生动的呈现在我们面前，更好的来延续中华民族的文明。