基于非真实感模式的文化遗产交互设计与实现

刘 彪， 田星蕊， 顾邦军， 徐云飞

（苏州科技大学 艺术学院，江苏 苏州215011）

我国有着几千年的文明史，在历史长河中产生了丰富多彩的文化遗产，值得后人进行保护和传播。 我国于1985 年加入联合国科教文组织制定的《保护世界文化与自然遗产公约》。 据资料统计，截至2019 年7 月，中国世界遗产总数为55 处，其中世界文化遗产达37 处之多。 公约中对文化遗产进行了定义：“文化遗产指具有历史学、美学、考古学、人类学、科学、民族学等‘突出的普遍价值’的文物、建筑群和遗址”。 文化遗产是人类文明的标记，蕴含着历史与文化的印痕，有着无可替代的地位，具有不可复制性，值得我们认真保护。

我国政府十分关注文化遗产的保护，在2005 年12 月国务院颁布了《关于加强文化遗产保护的通知》，在该通知中，将文化遗产分为物质文化遗产和非物质文化遗产，其中物质文化遗产也称为“有形文化遗产”，是具有历史、艺术和科学价值的文物。 实质上，很多物质文化遗产中又蕴含着众多非物质文化遗产，两者都为中华优秀传统文化的载体，蕴含着丰富的传统文化元素。

虚拟现实技术综合了计算机图形图像技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络通信技术、三维立体显示技术以及动力学仿真技术等多种技术来创设虚拟体验场景[1]。 在场景中，用户利用虚拟的身份相互交流，形成的关系也是虚拟的一种关系，能够更好地进行体验和交流。 尤其在历史文化遗产中，可以通过遗产的虚拟复原、场景的虚拟漫游以及动态展示，增强用户的体验感受，扩大文化资源的受众面，提升文化遗产的传播速度，为文物保护及历史资源合理应用提供高科技的支撑[2－3]。

1 文化遗产游戏化虚拟交互设计总体架构

1.1 游戏交互设计概述

所谓交互也就是相互之间进行沟通，因此交互设计就是由交互设计师创建一系列不同对象之间的对话过程，从而达到对象之间顺畅沟通的目的。 事实上，这种交互设计在日常生活中很常见，如电器的开关设计、门把手的设计等都属于交互设计，只不过人们没有想到将这种交互设计上升到理论而已，直到数字化产品蓬勃兴起时才有所觉察，形成了一种人机交互的理论。 尤其出现了游戏产品之后，用户和设计师设计的产品需要进行大量的互动，而且通过这种交互可以让人进入某种情境体验。 通过合理的交互设计，用户可以沉浸到虚拟场景交互的情境中去，产生意想不到的效果。应该说，场景交互是游戏交互设计之中非常有特色的地方，设计师可以通过设定游戏内部场景来确定整款游戏的基调[4－6]。

1.2 文化遗产游戏交互的优势

文化遗产游戏交互是用虚拟现实技术等手段创设体验文化遗产的虚拟情境，可以很好地对文化遗产进行保护和传播。文化遗产内涵非常丰富，通常是众多学科知识与信息的载体。随着世界各地大量的文化遗产被破坏或者毁坏，用数字化技术保护文化遗产成为许多国家的选择，文化遗产游戏交互不同于摄影或录像，它希望构建一个在高度仿真的基础之上有所创新，符合当时背景的虚拟环境，要挖掘其背后深厚的历史文化价值，并将其广泛传播。 忠于文化遗产的再创作，对传统文化进行重新解构及视觉重构，可以消除时空限制，用户拥有高度自主权，可以更好地完成虚拟情境体验。 这不仅是传承和保护文化遗产的一种方式，而且在科学研究、商业开发等方面都具有较高的潜质，具有非常广阔的应用前景。 俄国思想家托尔斯泰说过：“要用动作、线条、色彩和声音来传达以及唤起心中的情感”[6]。 采用文化遗产游戏交互应该是采用逼真的虚拟场景来唤起观众心中的情感，使文化遗产焕发新的生命力[7]。 同时，功能游戏这种新媒体数字艺术形式，比较符合青少年数字原住民的媒介使用及娱乐习惯，能够使文化遗产在寓教于乐中得以有效传播[8]。

1.3 系统需求分析

苏州虎丘驰名中外，相传春秋时吴王夫差将其父阖闾下葬于此，3 日后，有白虎踞于其上，故名虎丘。 虎丘上面有座斜塔称之为虎丘塔，是10 世纪长江流域砖塔的代表作，也是著名的物质文化遗产。 案例希望通过“虎丘”这一著名地点作为背景，采用非真实感视觉重构，游戏化交互的方式传播该文化遗产，使观众能够深入了解其中精彩的历史传说及故事。

因此，系统需要满足以下几点需求：（1）具有带有文化底蕴的非真实感文化场景三维模型及环境。 （2）具有良好的学习功能，用户可以对文化场景中一些感兴趣的文化遗产深入了解，有利于文化遗产不自觉地传播。 （3）具有良好的引导功能。 （4）最好能进行多平台发布，有利于吸引更多用户。

1.4 系统开发架构设计

项目设计前期，需要对文化遗产进行详细的调研，从整体上对项目进行受众人群、文化遗产故事背景、世界观、流程进行书写并提出自己的见解。得到项目组认同后需要在设定信息的基础上进行细化，对整个流程、情节、剧情对话等方面进行完整的设计，并记录撰写成完整的项目策划书。 根据项目策划书进行情感体验设计、界面交互设计等，从而达到理想的效果。要对文化遗产游戏化交互系统的功能进行细化。首先，在场景中完成任务模块拟定，主要包含角色对话功能、收集功能、答题功能、游戏互动功能及道具使用功能等。 其次，拟定UI 界面模块。主要包含开始界面、角色选择界面、关卡界面、背包界面、地图界面、功能栏界面等。 最后，拟定道具元素任务清单，如扁诸剑、鱼肠剑、泉水等道具元素。 基本架构如图1 所示，系统流程如图2 所示。

图1 基本架构图

图2 系统流程图

2 系统实现

2.1 文化遗产场景的构筑

场景的构筑需要依据真实的文化遗产来进行构筑[9]。 首先需要对虎丘相关地点进行调查和分析研究，虎丘内最为著名的景点是虎丘塔和剑池，通过相关文献资料记载，剑池的形状是天然形成的，后人无不为自然的鬼斧神工而惊叹，于是有人希望将这种精彩传播出去，提高剑池的影响力。 虎丘中的另一个精彩就是虎丘塔，据资料记载，虎丘塔是一座八角形仿木结构阁楼式砖身木檐塔，一共7 层，高48.2 m，塔身由外壁、退廊、塔心三部分组成，是江南仿木楼式多层砖石塔的代表。 在清咸丰十年，太平天国攻占苏州，还纵火焚烧虎丘塔，对该塔破坏性最大。到1961 年，虎丘塔被列为全国重点文物保护单位。正是有了这些文化遗产的故事和传说，激起笔者的想法，希望通过游戏交互的方式，使用户在游戏娱乐的同时感受到这些文化背景，为传播相关文化遗产的知识等方面带来积极意义。

3DS Max 是Autodesk 公司发布的用于创建模型、制作动画并能为场景添加材质灯光的产品。 案例中依据真实的虎丘场景为参考，应用3DS Max 软件，采用几何建模的方式对虚拟场景进行构建，通过法线文理贴图的方式增加模型表面的凹凸感，为了减少模型的面数，还对整个模型进行了优化，减少模型冗余的信息，避免资源浪费。保证用户在虚拟的三维空间体会游览遗产圣地的乐趣[10]。设计构建该文化遗产主要场景并导入到Unity3D 中，如图3 所示。

图3 场景构建

2.2 角色的设计与实现

文化遗产的角色设计也是重要的一个部分[11]。 在设计角色时，需要对角色的性别和故事背景进行分析，提炼出适合角色性别和故事背景的关键词，将这些关键词组合成为该角色的特点。 关键词设定的方法运用在初步设计草图的绘制中，有利于突出角色形象，使形象生动活跃，有该角色独有的特点。 对于绘制角色的步骤首先通过初步设计线稿，完成对角色的确认，进而在草图基础上进行勾线、配色、明暗、细节刻画等步骤，得到一张较为完整的设计图，保证设计图整体的风格、色调调整统一后，设计完成。

角色设计好后，根据人物特点进行人体结构的调整。 根据不同的角色形态特点创建不同的角色模型，各角色制作方法相同。 在制作完成后加对称修改器，保证人物衔接紧密，不会出现缝隙，达到无缝衔接的效果。模型如图4、图5 所示。

图4 小女孩模型

图5 小和尚模型

模型建好后，需要进行Biped 绑定操作。由于衣服和模型是分开创建的，可以在绘制完贴图后，将模型的修改器列表中的所有操作都塌陷，变成可编辑多边形，这样在调整模型时贴图不会变形。 绑定Biped 时需要将衣服附加到人物上，在附加时要选择匹配材质到材质ID，保证贴图不会改变。 调整时将Biped 中心与模型中间对齐，然后选中骨骼，根据模型体型进行调整，选中要调整的骨骼可以进行上下左右缩放调整。 调整完成后，在修改器面板添加Physique，选中附加到节点进行绑定。 绑定好后，选中Biped 骨骼，切换到运动面板，选中足迹模式进行动画的制作。

2.3 场景交互功能的实现

交互系统最终基于Unity3D 引擎平台搭建。 Unity3D 是丹麦Unity 科技公司推出的虚拟现实引擎，具有层级式的综合开发环境和较好的可视化编辑，采用NVIDIA 的PhysX 物理引擎，并拥有高度优化的渲染通道和烘焙系统，可以制作出接近真实的物理效果和绚丽的3D 场景。 使用方便，深受开发者喜爱[12]。

2.3.1 人物的移动

先将人物放置到场景，并添加Rigidbody 和collider，然后为其制作控制移动动画。 将前期所制作的人物动作导入进来，并根据需要进行设置。 创建Animator，进行动画状态机制作。 系统创建了6 个状态，分别表示跑步状态、暂停状态、转弯状态等。 设置两个float 属性，并将选项修改，将其运动状态赋值到所创建Motion，编写代码进行状态控制，将写好的代码赋值到人物身上。

2.3.2 摄像机跟随

人物移动需要控制场景相机跟随主角移动，并且可以调整视野。跟随主角，要有player 的引用，将引用的player 在start 里赋值，取得主角身上组件。 并将相机朝向对着player，制作相机跟随，位置偏移等于相机位置减去主角位置。

为摄像机添加一个控制相机的脚本，部分代码如下：

void Start （） {

// player = GameObject.FindGameObjectWithTag （Tags.player）.transform;

Transform.LookAt（player.position）;

offsetPosition=transform.position-player.position;

}

若通过摄像机需要实现拉近拉远效果，需要定义一个变量存储相机与人物之间的距离，创建ScrollView方法，位置偏移的magnitude 值等于它的距离。 如果拉近视野，要让距离加等于按键返回的值，再乘以定义的ScrollSpeed 作为视野拉近拉远的速度。 限制视野距离，最小8，最大26。 位置偏移方向不变，长度变为distance。 部分代码如下：

void ScrollView（）{

print（Input.GetAxis（“Mouse ScrollWheel”））;

distance=offsetPosition.magnitude;

distance+=Input.GetAxis（“Mouse ScrollWheel”）*scrollSpeed;

distance=Mathf.Clamp（distance，8，26）;

offsetPosition=offsetPosition.normalized*distance;

}

2.3.3 NPC 及对话任务制作

在场景中玩家需要寻找NPC 进行交互并接受任务，所以设计者需要在场景中添加NPC 并进行对话界面及任务界面的制作。 将NPC 拖入场景，再给其添加Box Collider，使其可以进行碰撞。

对话界面制作与任务界面制作相似，不同的是要为其加入text 作为对话内容，对话界面的按键也是由文字制作。 放置完成后给对话整体界面加动画效果，再为动画创建触发点击事件。 创建脚本拖拽到NPC 上，在脚本中控制对话和任务界面的出现。 界面显示效果为：点击任务出现对话，点击继续按键，进入下一页对话，在此页对话中有接受和拒绝两个按键。如果点击接受，出现任务界面，如果点击拒绝，对话界面隐藏。任务界面出现后有是否开始游戏，如果开始，进入下一界面，如果点击关闭则隐藏，开始游戏后只有完成任务才会进入下一界面，如果接受任务，在主界面左侧的任务按键中也是接受任务的状态。

界面效果如图6 所示。

图6 界面效果图

2.3.4 场景的转换

随着角色的移动，切换场景是交互设计中需要经常碰到的问题。 将所有场景进行Build Settings 完成后编写代码。 先添加切换场景的头文件UnityEngine.SceneManagement，然后设定按键值，再在里面设置点击按键所要切换的场景。 将所写的编码挂到主摄像机上，点击方法选中设定的响应事件，这样在点击按键时就可以进行页面的切换跳转到设定的场景。

public void StartBtn{

SceneManager.LoadScene（“ngui_renwu1”）;

}

3 结语

文化遗产是我们祖先留下的宝贵财富，蕴含着重要的历史、艺术和科学价值，如何拉近文化遗产与百姓的距离是值得探索的一个方向[13－14]。 文章分析了非真实感文化遗产的游戏化交互，以物质文化遗产苏州虎丘的传说和故事作为案例，构建了符合用户体验需求的交互设计方法，将用户置于角色—任务—环境构成的互动关系中，提升了用户体验，并能有效地对文化遗产进行传播。 目前，对于文化遗产的数字化保护和传播尚未形成完整的理论体系，随着计算机、通信、人工智能等相关技术的发展，有理由相信文化遗产的应用领域将会更加广泛。