范子珍　戴瑞　陈姗姗

关键词：钱塘江诗路文化；虚拟现实；智能设计；展示传播

一、引言

浙江省继浙东唐诗之路建设启动后，已有序启动其他三条诗路建設，其中就包括钱塘江诗路建设，四条诗路的建设为当地经济和文化的双发展提供了强有力的保障。诗路文化带是浙江省提出的以“诗”串“文”为主线，由中国古代诗人在作品中称赞的著名景点和风景名胜组成，承载着先贤古韵的文化带。钱塘江诗路是四大诗路中最长的一条，以钱塘江-富春江-新安江-兰江-婺江-衢江为主线，以“风雅钱塘，诗意画廊”为文化形象，彰显了诗风雅韵、宋都遗风、西湖印象、潮涌文化、南孔儒学、千年古城等文化内涵，蕴含着丰厚且珍贵的自然物质和精神文化财富[1]。亘古亘今，许许多多的文人骚客流连于秀美壮丽的山河并写下了不朽的诗篇，而我们可以利用这灿烂辉煌的历史，通过现今更前沿、更逼真、虚实融合的数字媒体技术设计、制作、展示与传播诗路文化的系统或应用。例如，可以用虚拟现实技术，将文化内容更为全面、更具趣味性地展示与传播。其实，自建设诗路文化带计划被提出后，研究人员就行动了起来，但他们大多是基于页面的全景浏览[2]、手机APP[3]、Vlog短片[4]或传统纸媒宣传等形式，这些形式相较于新型数字媒体技术，普遍存在沉浸感低、真实感低、可交互性差的缺点。新型数字媒体技术中的虚拟现实技术（VR）其实就是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感[5]。智媒时代，虚拟现实技术已广泛应用于娱乐、数字博物馆、建筑设计、军事、制造、航空航天专用设备、医疗保险、室内设计等领域[6]。虚拟现实技术具有交互性（Interaction）、沉浸性（Immersion）和想象性（Imagination）的“3I”特性[7]。这些特性十分适用于钱塘江诗路文化的展示与传播：深层次的交互感可以帮助用户跨越时空和形态界限，体验和感受诗路文化；深层次的沉浸感可以让用户在钱塘江诗路文化旅游中身临其境，以沉浸式方式进行趣味互动；深层次的构想性可以激发用户超越时空的想象与思索，理解山水风光在诗词文化中的构想及诗词背后诗人的情感和思想。

二、打造诗路文化风景——场景建模及渲染

（一）诗路风光场景中的建模与渲染

从浙江城市的形成与发展的分析来看，山水影响了一座城市的形成，就好比杭州的基本形态大体上定型于南宋时期，南宋时期都城为临安（现杭州），是经济、政治以及文化中心。在生活方式、艺术、诗歌和园艺都处在大发展的南宋时期，被人赞誉“上有天堂下有苏杭”的杭州吸引了大批文人骚客，他们沉醉于山水，抒写出众多山水佳作。我们以钱塘江流域文人墨客留下的诗路足迹为代表性地点进行山水场景搭建，在搭建过程中，地形是不可忽视的重要因素。为了更逼真地向用户展现钱塘江流域的水文特征和运动现象，需要对钱塘江的主江体和分支、钱塘江诗路文化带代表性地点的河流、溪流、瀑布等进行仿真制作。对于江河这种大规模水流仿真的核心算法就是对网格的动态建模，需要使用3D Navier-Stokes连续性方程（通称为Saint-Venant 方程[8]）来解决全面描述河道内水流运动的复杂性。对于陡峭的山间溪流、瀑布等，Saint-Venant非线性方程等难以正确计算仿真的流体，可直接使用Unity3d软件本身的Particle System进行仿真。

在诗路文化建模和渲染中，需要对钱塘江流域内的地形、水文、土壤等自然风光和建筑、景观等人文风光进行仿真。为了使VR体验更具真实感，我们使用3DSMAX软件中的unity shader（着色器）对场景进行了较多的真实感渲染，包括模拟了表面漫反射和高光反射、镜面反射、球面反射、投射、次表面散射、各向异性反射、折射、光照探针、夹缝阴影、柔和阴影、屏幕后处理等。其中针对大部分静止不动的物体如花草树木、建筑物等使用实时光照渲染会造成成本较大，我们转而使用光照贴图（Lightmap）以节省性能的消耗，从而增加画面流畅感和合理感。图3展示了钱塘江诗路文化带几个典型的人文场景。

（二）虚拟人物形象设计与交互

在游览钱塘江诗路时，虚拟人物是必不可少的。系统将虚拟人物按其与游客间交互性的强弱分为三种，由强到弱分别为虚拟导游（诗魂），虚拟诗人和虚拟路人（包括当地的居民）。同时交互性的强弱也决定着台词数量和骨骼动画数量的多少，交互性越强其台词数量和骨骼动画数量也就越多。对于有强交互性的虚拟导游，我们根据浙江诗路文化孕育于吴越时期，发展于晋唐时期，成熟于宋元时期，繁荣于明清时期这一发展史，将其按朝代分为晋代诗魂，大唐诗魂，大宋诗魂，元代诗魂等。通过3DSMAX软件进行建模，蒙皮封套（模型与骨骼的绑定），进行真人配音等操作，让虚拟人物以更真实、更完美的形象与用户进行互动。而对于虚拟诗人则设置为诗路文化代表性文人，如王维、李白、白居易、孟浩然、郑板桥、苏轼等。对于具有弱交互性的虚拟路人，多用来反映钱塘江流域当地的风土民情，以提高游客在系统中的真实感和沉浸感，如图4（d）展示了虚拟路人之一的孩童形象。

三、融入实时趣味互动—交互设计

（一）VR空间移动与设备配备

在钱塘江诗路场景中漫游，需要进行空间上的自由移动，因此移动技术是系统进行游览钱塘江诗路文化带的基本交互。传统方式上的移动技术的开发存在着空间、追踪、模拟器病、安全性、硬件成本等限制，还有某些技术使用了隐喻，例如瞬移和传送门，但这些方法可能会破坏用户的存在感以及体验感，所以单一的移动技术无法满足所有的理想设计，我们要根据自身要求来辩证的选择移动技术。物理步行技术，也就是真人直接通过走路映射在虚拟现实场景，如重定向步行[9]及其扩展方法已经实施，但这些方法需要大量空间和高效跟踪，而且重定向步行技术会给用户带来更高的认知负担[10]。原地行走使用非常接近自然行走的腿部姿势，但该技术尚未解决追踪和沉浸的问题，所以本文着重于开发一种高效的漫游移动技术，这项技术通过各种VR设备可以满足用户以任何姿势漫游钱塘江诗路，并且有助于增加用户的空间定向和空间感知能力，保持用户移动时的存在感，降低用户的疲劳和模拟器病。

现今主流的VR设备配备的手柄都具有扳机键，为了尽可能不降低沉浸感和存在感，且能较好地在大场景中进行移动，系统开发了一种名为“扳机步行”的移动技术。“扳机步行”使用了自然行走的概念，即采取步行的方式到达目的地，使用VR手柄的扳机键代替了双腿的物理行走。用户每只手持握一个VR手柄，手臂以自然的方式放松在身体两侧。每次按下扳步机，用户的虚拟视点就会向指定的方向移动。如图5所示，在这个姿势中，用户不仅能感到舒适，并且只需要摆动手臂或保持手臂伸展就能使消耗的能量保持最少。同时可以充分调动用户的视、听、说、触（操作手柄）等感观和动作，将带给用户更加真实自然的体验。

为解决场景之间、空间之间、季节的变换等因巨大移动而导致沉浸感降低、体验感缺少的情况，系统设计了一个方案，用户可以通过按下VR手柄的菜单键打开小地图工具，通过小地图工具进行瞬间移动传送，再将手柄尖端投射的射线指向要传送的地点，按下扳机键进行传送就能实现巨大的移动。

（二）穿越时空互动

穿越时空，回溯历史，到诗人沉醉的作诗场景与诗人进行模拟式趣味互动，体验诗路文化的山水特色以及诗文韵味。进入系统，周围场景会渐渐时光倒流为唐朝、宋朝等古时钱塘江流域诗歌盛行的光辉时期，其中的建筑以及景观等场景则是根据历史研究人员和考古人员的研究和探索进行的建模。根据用户的喜好，系统可提供两种方案进行选择，一是完全将虚拟场景覆盖于现实生活，体验古人的生活；二是将重建的古代场景以白透明的方式叠加在现代场景之上，从而能够更好地体会到历史的沧海桑田，提高用户对诗词、对历史的理解感悟。用户在建模场景里与古人互动，完成一些指定的观光体验任务，亲身体验历史文化以及诗路文化，这样便更有利于诗路文化的传播。指定的观光任务都是根据文人墨客们在钱塘流域留下的诗词的基础上设计，如根据唐代诗人李白的《横江词》中的“海神东过恶风回，浪打天门石壁开”；宋代诗人李廊《忆钱塘》中的“一千里色中秋月，十万军声半夜潮”；明代诗人王在晋《望江台》中的“海阔天空浪若雷，钱塘潮涌自天来”等描写钱塘江大潮的诗句，系统设计了“震潮声”，即让用户亲身体验钱塘江的汹涌澎湃，体验到自古以来便被称为天下奇观的大潮，去亲身感悟诗人为何能写下如此豪气的诗句。系统还设计了角色扮演任务，用户通过角色扮演来演绎历史故事，让用户能够亲身体验历史潮流，如百官政治录，百姓生活录，朝代时尚录等，帮助用户更深刻的领会钱塘江诗路文化史。

（三）虚拟人的互动

在用户游览钱塘江诗路时，对于与之具有强交互性的虚拟导游，系统用各种不同的形象如服饰、外貌来表现其不同朝代的特性。“诗魂”可以对其所在朝代的自然风景、人文历史、诗词等的讲解与客户形成互动。在建模时，由于创建虚拟导游的骨骼动画较多，所以虚拟导游可以向用户用更多的肢体动作进行互动，从而增加用户使用VR进行钱塘江诗路漫游的体验感和乐趣。同时，虚拟导游还有着对交互操作的讲解、寻路路径的引导带领、任务的提示等功能。在互动时，为提升娱乐效果、用户的体验感和沉浸感以及激励用户学习中国诗词和历史文化，系统增加了有关钱塘江诗词的随机小游戏，如诗词接龙、“你说我猜”、看图猜诗等。最后通过系统的智能评定，将获得高分的用户予以特定等级称号，例如：“诗白”“诗神”“诗狂”“诗仙”“诗圣”等。如图6（a）展示了虚拟人大唐诗魂用唐代孟浩然《宿建德江》的诗句与用户进行诗词接龙。

与用户具有中等交互性的虚拟诗人在用户游览钱塘江诗路的旅途中以随机的方式出现，比如在饮酒对诗，对物吟诗时等场景，虚拟诗人可以与用户进行跨时空的“偶遇”，增添惊喜感和趣味，同时虚拟诗人也可以随时发布任务，让用户在完成任务时也能够收获到钱塘江诗路沿途美丽风景。如图6（b）展示了用户在游览西湖时偶遇唐代詩人白居易，白居易正在作诗《钱塘江春行》。对于虚拟路人，主要作为当地风土人情展示的背景板和简单的动作交互、语音交互（如语音给予用户任务的提示）出现，同时一些特殊路人会提供特殊任务，让用户能够体验到当地的风俗特色。

四、用户体验

团队对“与诗为友，畅游钱江”系统进行了用户体验研究。研究分为两步，首先，先让体验者们体验VR系统，其次让体验者们填写主观问卷调查，其中该表又分为五个分值，分值越高，评分越高。我们随机招募了18名志愿者，经过研究统计后，表明用户可以较为轻松地使用该漫游方法、穿越时空方法、虚拟人交互的方法，身体疲劳、精神压力、沮丧或烦恼的程度较低（平均分在1-2分）。而在真实自然程度、有趣程度、印象深刻程度方面上，用户都给出了较高的评价（平均分大于4分），这表明本文所设计并开发的系统的场景仿真与交互趣味性方面都取得了较好的效果。此外，用户不论是否喜欢旅游，在使用完本VR系统后给出的要去钱塘江诗路旅游的意愿普遍在较高的水平（平均分大于4分），这表明该系统可以较好地展示与传播钱塘江诗路文化，有效激发用户实地旅游的兴趣。

五、结论

本文运用VR系统对古今钱塘江流域典型的自然风景、江河溪湖等地形以及水文特征，建筑及风土人情，抑或是人物角色、游戏互动等方面进行仿真，并研究了一套适合该系统的漫游策略（同一场景内可使用“扳机步行”，不破坏用户的沉浸感，在不同场景内使用小地图传送技术）。系统设置了丰富的虚拟人交互功能，包括虚拟导游、虚拟诗人、虚拟路人的导览、诗词互动、任务触发等，在趣味互动中既可以让用户体验到钱塘江诗路文化的风雅和诗意，潜移默化地展示了钱塘江流域诗词文化，又可以对用户留下深刻的钱塘江诗路文化的印象，宣传了城市形象。

（浙江同济科技职业学院）