虚幻引擎在建筑遗产数字化教学中的应用与启示

　　文／钟　甦　浙江工业大学之江学院　讲 师

　　摘要：随着虚拟现实技术的不断发展，其在教育领域尤其是建筑遗产数字化教学中的应用日益受到关注。文章以虚幻引擎为例，探讨其在建筑遗产数字化教学中的应用现状、特点及存在的问题，并就其对传统教学模式的影响及未来发展趋势进行了分析与展望。

　　关键词：虚幻引擎；建筑遗产；数字化；虚拟现实

　　引言

　　建筑遗产承载着丰富的历史文化内涵，是不可再生的宝贵资源。传统的建筑遗产教学主要依靠实地考察、图片和文字资料等方式，难以令受众直观地感受古建筑的空间布局和细部特征。虚拟现实技术的发展为建筑遗产数字化教学提供了新的途径。虚幻引擎作为一款先进的实时3D创作平台，凭借其强大的渲染能力和交互性，在建筑遗产数字化教学中得到了广泛应用。

　　1建筑遗产的数字化教学现状

　　目前，国内外多所高校和科研机构利用虚幻引擎开展了建筑遗产数字化教学的研究与实践。通过虚幻引擎构建的古建筑虚拟场景，学生可以沉浸式地探索建筑内部结构，观察建筑构件的做法，了解建筑的历史变迁。一些研究还将虚幻引擎与VR设备结合，让学生通过头显、体感装置等与虚拟建筑进行交互，获得更加真实的体验。

　　故宫博物院在21世纪初就与日本凸版印刷株式会社合作，引入虚拟现实技术（VR）对故宫古建筑进行数据采集。早期的合作旨在建立基于三维数据的官式古建筑数据库，并开发了六个介绍典型建筑及其历史的虚拟现实作品。这些作品包括天子的宫殿系列，如太和殿、三大殿、养心殿、倦勤斋、灵沼轩和角楼。过去，这些作品只能在故宫文化资产数字化研究所的演播厅播放，观众接待有限。2015年，故宫博物院将其拓展到在端门数字博物馆和北京奥运塔建设的两个播放厅。尽管如此，仍然无法覆盖更广泛的观众群体以展示尖端技术对故宫文化的影响。因此，故宫博物院通过重新编辑数据、引入最新的计算方法对庞大的数据进行压缩处理，并引入随身穿戴设备VR眼镜，将虚拟现实作品从封闭的演播厅转移到开放的互联网上，实现网络体验。这样可以让更多观众感受数字产品的魅力，实现观众群体的最大化。虚拟现实作品的优势之一是通过虚拟的、沉浸式的展示方式，让参观者仿佛置身于古建筑的环境中，身临其境地体验古建筑的魅力。其次，参观者不仅可以看到各种建筑的内外部细节，还能了解这些建筑背后的故事。例如，灵沼轩是位于延禧宫院内的一座清朝未完成的钢结构建筑。在现场，人们并不了解这座废墟过去的形状。然而，通过VR手机移植版，人们便可以看到灵沼轩的细节以及完全建成后的样子，并了解其背后的故事。

　　专家学者通过《营造法式》，推算了宋代殿堂的三维空间尺度以及各构件的材料、造型、比例、尺度和安装与组合关系，运用了一些工具和技术，如AutoCAD、3ds Max和Unreal Engine 4引擎，来完成一套发布在PC端可自由交互的虚拟可视化操作程序。这套虚拟可视化操作程序的开发旨在利用现代技术来深入研究传统文化领域。通过虚拟可视化技术，研究人员可以在计算机上模拟和还原宋代殿堂的建筑环境，并进行自由的交互操作。这一方法提供了一种新的研究途径，使研究人员能够更深入地理解和探讨传统文化领域的问题。通过分析《营造法式》大木作制度和运用现代虚拟可视化技术，专家学者在探索宋代殿堂建筑的三维空间尺度、构件特征以及研究方法方面取得了重要的研究成果。这些成果不仅丰富了对古代建筑的认识，也为传统文化领域的研究提供了新的方法和工具。

　　西北民族大学利用三维建模软件以及虚幻引擎技术中的Datasmith和光线追踪等开发组件，结合PureRef的数据整合能力，对徽派建筑进行数字化记录和交互展示设计。通过这项研究，数字化的场景填补了现有相关数据记录的空白，展示了徽派建筑多样的细节，并促进了数据的数字媒介迁移。徽派建筑是徽文化的重要组成部分，数字化传承将提高传统文化对大众的普及深度，同时为其他古代文化传承提供了模板和思路，解决了古文化保护和发展中的关键问题，推动了古文化体系的不断完善。这种数字化传承还能够产生新的文化符号，成为社会发展的潮流。

　　合肥城市学院也以虚幻引擎作为制作平台，以黄山市徽州金紫祠的主祠堂复原为案例，旨在展示虚拟现实技术在古徽州建筑室内设计领域的应用潜力。研究提出了一套系统、高效的设计方法，其中使用SketchUp进行室内空间场景建模，设置材质纹理，并根据Unreal Engine软件的特点对场景进行必要的综合优化，以完善材质和灯光属性，并结合头显实现动画功能。研究从徽州建筑的造型与虚拟现实漫游的特性之间的关系出发，剖析了当前古建筑建模过程中存在的不足之处。重点在于从3D几何建模的细化和优化等方面提出了一套全新的建模理念，以满足真实性、实用性、稳定性和便捷性的要求，从而有效提高虚拟现实仿真与交互的实际效果。所述系统不仅能够真实呈现古建筑室内空间的各个细节，满足用户对交互运动的感知需求，而且还能够有效提升虚拟现实体验的真实性。通过该研究，展示了虚拟现实技术在徽州古建筑室内设计领域的潜在应用，为该领域的发展提供了有益的思路和方法。

　　不同的高校、科研机构和博物馆利用虚幻引擎构建古建筑的虚拟场景，通过沉浸式体验和交互操作，使学生和观众能够更深入地了解建筑的内部结构、历史变迁和文化背后的故事。同时，通过现代技术，如计算机建模、虚拟可视化和光线追踪等工具，研究人员能够深入探索古代建筑的三维空间尺度、构件特征和研究方法，从而为传统文化领域提供新的研究途径和工具。这些数字化传承和展示的研究成果不仅丰富了对古建筑的认识，也推动了古文化保护和发展的进程，为传统文化的普及和传承提供了新的可能性。

　　2虚幻引擎在建筑遗产数字化教学中的特点

　　2.1构建细节丰富、质感逼真的高精度模型

　　通过三维激光扫描等数字化采集技术获取古建筑的点云数据，再利用虚幻引擎的建模功能进行数据处理和网格重建，能够生成与实际建筑高度吻合的数字化模型。对于一些已经损毁或消失的古建筑，可以参考历史文献、图像资料和考古发掘等证据，在虚幻引擎中进行复原重建。通过推敲建筑的制式营造方式和比例关系，并参考同时期的典型建筑实例，有助于提高数字复原的精确度和可信度。此外，虚幻引擎还支持CAD、3ds Max、SketchUp等多种建模软件的模型导入和优化，为构建高精度的建筑遗产数字模型提供了更多可能。

　　2.2营造沉浸式的学习体验

　　通过对建筑表面材质、光影变化和环境氛围的精心调试，可以模拟不同时间、天气和光照条件下历史建筑的真实感受，让学生身临其境地体验建筑的空间效果和艺术魅力。利用虚幻引擎的VR模板和插件，可以将建筑模型转化为沉浸式的虚拟现实场景。学生戴上VR头盔，使用手柄等交互设备，能够在虚拟空间中自由行走、观察和操作，获得仿佛置身古建筑现场的真实感受。沉浸式的学习体验能够调动学生的多感官参与，增强学习的代入感和参与感，提升学习效果。

　　2.3丰富教学内容和形式

　　虚幻引擎提供了丰富的交互功能和脚本工具，可以在建筑遗产数字模型的基础上嵌入多样化的教学内容和形式。通过在虚拟场景中设置可交互的热点和信息点，学生在漫游探索的过程中，能够随时调取文字、图像、音频等多媒体资料，了解建筑的历史沿革、设计理念、材料工艺等背景知识。利用虚幻引擎的物理引擎和蓝图可视化脚本，可以模拟建筑构件的受力状态和建造过程。学生通过拆解构件、调整参数，能够直观地理解木构架的榫卯结构、砖石墙体的砌筑方式等传统营造技艺，加深对建筑结构原理的掌握。开发基于角色扮演的交互式教学游戏，学生可以化身古代营造者或建筑师，通过完成一系列任务挑战来学习建筑设计和施工的基本流程，在寓教于乐中提高学习兴趣和动手能力。

　　2.4支持多人协作和远程教学

　　教师可以邀请多名学生共同进入同一个虚拟现实场景，开展小组合作学习和探究性学习。学生之间可以就建筑设计方案进行讨论、交流和演示，培养团队协作能力。借助实时流传输功能，可以实现远程教学和跨校协同教学。来自不同地区的师生可以在线加入同一个虚拟现实教学平台，共享优质的数字化教学资源，开展同步或异步的交流互动，突破时空限制。

　　2.5灵活开放的二次开发

　　作为一个开源平台，并且提供了可视化的材质编辑器、动画系统、粒子特效等一系列功能强大的开发工具，具有很强的定制性和拓展性。这为开发针对建筑遗产教学的个性化应用提供了技术保障。不同的教学项目可以在通用的建筑模型基础上，根据实际需求量身定制交互功能、界面布局和呈现形式。二次开发的灵活性有助于建筑遗产数字化教学资源的持续更新与优化，以适应教学实践的动态变化。教师还可以利用虚幻引擎快速搭建简单的场景和程序原型，自主开发辅助教学的小工具和游戏化应用，补充和拓展现有的教学资源，满足日常教学的个性化需求。

　　总之，虚幻引擎凭借高精度建模、沉浸式体验、丰富的交互形式、多人协作和灵活开发等特点，为建筑遗产数字化教学提供了一个功能强大、定制性强的技术平台。在该平台支持下，建筑遗产的教学内容更加立体生动，教学方式更加互动多元，有助于提升学生的学习兴趣和理解力，培养综合专业素养。未来，随着虚幻引擎功能的不断完善和教学实践的深入探索，其在建筑遗产数字化教学中的应用优势将进一步彰显。

　　3问题与局限

　　3.1软硬件设施的局限性

　　虚幻引擎作为一款专业的游戏引擎，对计算机硬件配置有较高的要求。构建大型复杂的古建筑虚拟场景，需要高性能的图形工作站、CPU、GPU和大容量内存等，这对于许多高校的现有教学设施而言是一个挑战。此外，教学项目难以负担频繁的软件版本更新和维护，限制了引擎新功能的应用和普及。部分高校缺乏配套的VR实验室和交互设备，难以充分发挥虚幻引擎的沉浸式体验优势。昂贵的头显、动作捕捉、力反馈等设备是实现身临其境感的关键，然而受限于经费和场地，许多课程仍然只能局限于普通的台式机操作，难以带来理想的教学效果。

　　3.2技术人才相对匮乏

　　开发高质量的建筑遗产数字化教学项目，需要一支跨学科、多领域的复合型技术团队。既要有精通虚幻引擎的程序员，又需要熟悉建筑学知识的建模师；既要有擅长交互设计的UI设计师，又需要研究建筑史的专业教师。目前，高校人才培养的专业分工明确，缺乏复合型人才的培养机制，难以组建理想的开发团队。许多参与数字化教学项目的教师缺乏系统的虚幻引擎培训，只能依靠自学和摸索。教师在技术开发上投入了大量时间，但成果有限，不仅影响了教学项目的进度和质量，也分散了教师的精力，影响正常教学。受制于经费和编制，高校难以聘请足够的专业技术人员。现有的技术力量主要来自在校学生，而学生的技术水平参差不齐，项目经验欠缺，开发进度和成果难以保证。教学项目缺乏长期稳定的技术团队支持，许多项目处于“半途而废”的状态。

　　3.3教学模式有待进一步探索

　　虚幻引擎提供了新的教学工具和手段，但如何将其与传统的建筑教学模式有机结合，开发适合建筑遗产教学特点的数字化资源，还有许多问题有待探索。目前，虚幻引擎在建筑教学中的应用主要集中在知识呈现和情境模拟等方面，而在培养学生的创新设计思维、动手实践能力等方面的应用还相对欠缺。如何利用虚幻引擎的交互特性和脚本工具，开发设计导向的教学模块和创新训练项目，是亟待解决的问题。建筑遗产的数字化教学不能脱离实际的建筑遗存，虚拟现实与实地考察、实物标本等传统教学手段之间应该形成互补。但目前两者之间缺乏有效的衔接和整合，数字化教学资源与实际教学需求脱节，难以在日常教学中发挥应有的作用。教学评估和学习反馈机制有待完善。虚幻引擎支持数据记录和分析，但缺乏针对建筑遗产教学特点设计的评估工具。教师难以及时、全面地掌握学生在虚拟现实教学活动中的表现，也缺乏引导学生进行自我评估和反思的手段。

　　3.4内容更新和维护成本高

　　以虚幻引擎为平台开发的建筑遗产教学资源，存在内容更新和迭代成本高的问题。一方面，考古发掘和研究的深入会带来新的认知，需要相应更新数字化建筑模型和相关知识内容；另一方面，虚幻引擎的版本更新也可能导致既有项目无法兼容，需要投入大量时间重构。数字模型、贴图材质、脚本代码等教学资源缺乏统一的管理和备份，过于依赖个人存储，存在数据丢失和流失的风险，不利于资源的共享和传承。项目维护缺乏专人负责和持续投入，导致许多已有的教学系统无法正常运行，或是功能老化，无法满足教学需求。表现在教学环节，就是虚拟现实教学无法常态化，与其他教学方式脱节。

　　针对以上问题，需要从体制机制、资源配置等方面系统施策。在课程体系中合理定位虚拟现实教学，制定配套的人才培养方案和评估标准；加强校企合作，吸引社会资源支持虚拟现实教学的软硬件建设；鼓励跨学科教师协作，提供专业的技术培训和助手支持；建设数字化教学资源库，制定资源管理和更新维护的规范流程；探索适合建筑遗产教学特点的虚拟现实教学模式，促进虚拟现实教学与传统教学的融合创新。只有协调推进，系统应对，才能充分发挥虚幻引擎的技术优势，提升建筑遗产数字化教学的质量和效果。

　　4影响及展望

　　虚幻引擎为建筑遗产教学提供了新的技术手段和呈现方式，使得一些传统教学中难以展示的内容得以生动呈现。利用虚幻引擎构建的数字化建筑模型，可以全面、立体地再现古建筑的空间形态和细部构造，弥补了单一平面图纸和照片资料的不足，加深学生对建筑整体风貌的理解。虚幻引擎还为探索性学习和拓展性学习提供了便利。教师可以在主干教学内容之外，补充更多的背景资料和专题案例，供学生自主学习。学生可以根据兴趣选择不同的学习路径，通过互动和探索发现知识之间的内在联系，培养自主学习能力和综合分析能力。沉浸式、交互式的学习体验有助于调动学生的学习兴趣和主动性，使学习过程更加生动活泼。情境化的知识呈现方式更贴近建筑遗产的真实情境，有助于学生将理论知识与实际场景相联系，加深记忆和理解。

　　建筑遗产的数字化教学是一项综合性、跨学科的系统工程，涉及建筑学、历史学、考古学、计算机科学、数字媒体艺术等多个领域。以虚幻引擎为平台开展教学项目，为不同学科背景的师生提供了合作交流的机会，有利于促进学科交叉和知识融合。建筑学专业的学生可以学习计算机图形学、程序设计等理工科知识，提升数字化建模和编程能力；计算机专业的学生可以了解建筑设计和历史文化知识，提高数字化应用开发的专业素养；人文社科专业的学生可以掌握数据分析和可视化技术，提升研究成果的表现力和传播力。跨学科的合作项目有利于培养学生的协作精神和沟通能力。通过参与角色分工、需求讨论、方案评审等环节，学生可以学习项目管理和团队合作的方法，提升综合素质。在虚幻引擎平台上进行二次开发，有助于培养学生的动手实践能力和创新意识。学生在搭建场景、编写脚本、设计交互的过程中，能够将所学知识付诸实践，并提出自己的创意想法。学生创作的优秀作品可以补充和完善现有的教学项目，激发更多学生的创作热情。

　　利用虚幻引擎开展建筑遗产的数字化教学，是文化遗产保护与传承的重要手段。一些濒危或已经消失的古建筑通过数字化重建得以再现风貌，为研究和保护提供了重要的参考依据。通过虚拟现实平台向公众开放建筑遗产的数字化成果，可以增强全社会的文化遗产保护意识。生动直观的虚拟体验，能够吸引更多的人走进历史建筑，了解中华文化的悠久历史和独特魅力，增强文化自信。将建筑遗产的数字化教学与文旅产业相结合，为文化遗产的创新性开发利用提供新的思路。利用虚幻引擎开发的建筑探险游戏、互动展示等文旅产品，能够增强游客的参与感和体验感，提升文化遗产的传播效果和社会影响力，实现文化遗产保护与经济社会发展的良性互动。

　　建筑遗产数字化教学的发展既要立足当下，解决实际问题，也要着眼长远，持续创新。在教学内容方面，要充分发掘虚幻引擎的表现力，突破传统的知识呈现方式，构建生动立体、互动多元的建筑遗产知识体系。创设开放探索的学习环境，鼓励学生进行自主学习和研究性学习。针对学生的认知特点和学习需求，开发更多形式新颖、寓教于乐的教学模块和游戏化应用。在教学模式方面，要积极推进混合式教学和泛在学习，利用虚幻引擎开发的教学系统打破课堂时空限制，为学生提供随时随地、按需学习的机会。加强虚拟现实教学与实地考察、动手实践等传统教学形式的有机融合，形成线上线下相结合的立体化教学模式。在人才培养方面，要建立健全复合型人才培养机制，鼓励跨学科交叉和产教协同，为虚幻引擎在建筑遗产教育中的应用提供人才支撑。加强教师的培训和技术支持，提高数字化教学能力。在教学实践中建设高水平的教学团队，打造一批示范性教学项目。在资源共享方面，要加强不同院校、不同地区的交流合作，共建共享优质的建筑遗产数字化教学资源。建立资源的标准化、规范化管理制度，提高资源的共享度和使用效率。鼓励社会力量参与数字化资源的开发和推广，拓宽资源获取渠道。未来，随着人工智能、大数据、云计算、物联网等新兴技术的发展，虚幻引擎在建筑遗产数字化教学中的应用将不断深化。智能化的教学系统可以为学生提供个性化、精准化的学习服务；实时更新的海量数据可以为教学内容注入新鲜活力；移动终端与穿戴设备的普及应用将为沉浸式学习体验带来更多可能。建筑遗产教育工作者要紧跟技术前沿，开拓创新，推动传统教学与信息技术的深度融合，不断提升建筑遗产教育的质量和水平，为传承和弘扬中华优秀传统文化贡献智慧和力量。

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