基于Arduino的岳阳楼楼阁文化展示设计

　　这是发表在《艺术与设计.理论》上的一篇艺术类职称论文。基于Arduino的岳阳楼虚拟空间设计为中国楼阁空间展示提供了一种全新的方式，实现一种可视、可游、可交互的中国楼阁空间展示形式，让用户不用亲自登上岳阳楼即可领略到它的自然风光和诗文意境。突破了岳阳楼文化的时空局限。这种展示方式更加有利于用户接受与记忆，便于青少年对中国楼阁空间艺术的学习与记忆，同时也为非汉文化背景的外国人接触中国传统文化提供了一种当代媒介方式，有利于中国文化的传播。本设计以水墨风格为特色，使中国用户具有更强的归属感和文化认同感。

　　《艺术与设计.理论》杂志和艺术与设计出版联盟旗下的杂志群继续以饱满的热情和独到的视角密切关注着整个社会，以及艺术、创新领域的新动向与新发展。理论专刊栏目为您提供平面设计、广告学、环境艺术、建筑、产品设计、数字艺术、传统工艺美术、纯美术与美学理论等方面的优秀论文。

　　楼阁是中国古代建筑体系中最具特色的建筑类型之一。楼阁既体现着中国建筑艺术的自然观，同时也是中国传统士大夫和文人雅士怀古咏今、寄托或人世或出世的情怀的精神空间。岳阳楼是中国古代传统楼阁建筑的代表，在外观造型上楼阁体量高大壮丽，华美辉煌，形式多样。其造型之优美、结构之精巧是中国古代木结构建筑技术和艺术完美融合的结晶。楼阁的空间构成是极具艺术感染力的，其遏云蔽月的壮丽之姿，常常让人产生“可上九天揽月”之遐想，其高耸、丰富的立面形象，通透的空间效果，是中国传统文化精神的载体，为历代文人雅士青睐向往。传统媒介时代，楼阁是一种空间艺术，楼阁文化的传播也因此而受到时空的局限，而数字时代为楼阁文化的传播带来了新的手段和方式，提供了新的展示方式和体验方式。2008年北京奥运会开幕式上“灿烂文明篇”LED水墨画卷和2010年世博会中国国家馆中利用投影技术实现的《清明上河图》，这些优秀的中国文化数字化作品充分证明了中国传统文化和数字技术结合，不仅可以增强中国传统文化的魅力，更是中国传统文化传播与发展的必然方向。目前，建筑文化遗产的数字化展示方面，国外研究比较深入，在模型表面识别、三维重建技术、激光扫描以及遥感技术等多个方面都进行了深入的研究，在空间的数字化展示上已经可以很好地和3D建模技术、全息投影技术、增强现实技术以及虚拟仿真技术相集合，并已经实现了对很多文化遗址的数字化展示;国内的研究与国外比较还有一定的差距。虽然楼阁一直在中国建筑史上占有重要的地位，但是中国楼阁的数字化展示的应用研究还相对较少。本文试图探索一种基于Arduino的虚拟岳阳楼交互空间，探索楼阁文化展示与传播的新方式。

　　一、岳阳楼的空间构成及其文化意蕴

　　(一)岳阳楼的空间构成

　　1.岳阳楼的自然空间构成

　　岳阳楼位于湖南岳阳西门城头，紧靠洞庭湖畔，始建于三国东吴时期。自古有“洞庭天下水，岳阳天下楼”之誉，与湖北武汉黄鹤楼、江西南昌滕王阁并称为江南三大名楼。并以其建筑构制独特，风格奇异，气势壮阔，堪称江南三大名楼之首。岳阳楼所处江南，风景秀丽。楼、山、水交相呼应，构建了一幅绝美的画卷，是古建筑中的瑰宝。

　　岳阳楼雄踞于岳阳古西门之上，它东倚巴丘，西临洞庭，北望巫峡，南眺潇湘，且与湖心小岛君山遥相对应。登楼眺远，波光峦影，万景在目，横无际涯的洞庭湖烟波浩渺，气象峥嵘。既有“洞庭西望楚江分，水尽南天不见云”的雄浑阔大，又有朝晖夕阴的万千气象。湖中晶莹碧玉的小岛，远望如横黛，近看似青螺，临空俯视，又像阴阳合抱的太极图。构成了由山、湖、楼相互衬托，主客辉映而成的群体胜景。在八百里烟波浩渺的洞庭湖中，有一座状若青螺、形似倒地芙蓉的青翠小岛与岳阳楼遥相对望。它终年云雾缭绕，钟灵毓秀，孤影若浮，较之浩浩荡荡的八百里洞庭尤显玲珑纤巧。这就是被刘禹锡咏为“白银盘里一青螺”的君山。君山，古称湘山，又名洞庭山。君山呈椭圆形，山体形如香炉，上有数十峰，峰峦盘绕，沟壑回环;茂林修竹，郁郁葱葱;亭台楼阁，雅致玲珑。古往今来，吸引了不少的文人骚客来此寻幽访胜”。洞庭湖地跨湘、鄂两省，内纳湘、资、沉、澄四水，外接万里长江，然后绕君山，从岳阳楼下奔腾人海。洞庭湖这种吞吐长江，涵纳九水，烟波浩渺，天水混茫的阔大景象，激发了诗人们无限的诗兴。

　　2.岳阳楼的人文空间构成

　　岳阳古城。岳阳，古称巴陵和巴丘，又称岳州。岳阳作为湘北门户，襟带万里长江，怀抱浩瀚洞庭，濒倚幕阜余脉。城区正好位于洞庭湖与长江的交汇处，锁长江，扼湖口，为水陆交通的重要枢纽。城内有始建于宋代，保留了宋代建筑艺术特色的文庙;城东有清代的金鄂书院;城南洞庭湖边有始建于唐开元年间的七级八面的慈氏塔，是湖南省现存最早的古塔之一。唐李白曾赋诗“南湖秋水夜无炯，耐可乘流直上天。且就洞庭赊月色，将船买酒白云边”。

　　楼亭呼应。岳阳楼主楼的左侧有仙梅亭，右侧有三醉亭，“珠联璧合，相映生辉”。仙梅亭始建于明崇祯十二年(公元1639年)，据《大清一统志》载：“明崇祯间，岳阳楼毁，士人于湖滨沙啧中得石一方，石上枯梅一干，别无枝叶，其24粤，皆成纹理，不假人为，因构亭复之。”三醉亭始建于清乾隆四十年(公元1775年)，原名“望仙阁”，清同治六年易名为三醉亭。三醉亭最为出名的故事当数吕洞宾三醉岳阳楼的神话故事。吕洞宾三访岳阳，可惜岳阳人肉眼凡胎，无人能识，故吕神仙留诗一首：“朝游岳鄂暮苍梧，袖里青蛇胆气粗。三醉岳阳人不识，朗吟飞过洞庭湖。”

　　3.岳阳楼的建筑空间构成

　　现存的岳阳楼是清光绪五年修建为四柱三层，飞檐、盔顶、纯木结构，盔式楼顶，楼中四柱高耸，楼顶檐牙啄，金碧辉煌，恰似一只凌空欲飞的鲲鹏。全楼梁、柱、檩、椽全靠榫头衔接，相互咬合，稳如磐石。二楼檐下环以明廊，并装着“隔窗”，上半部镶嵌着“裙板”，裙板上面雕着丰富多彩的翎毛花卉。三楼用 “如意斗拱”层叠相衬，酷似古代将军头盔，被称为葵顶。三层飞檐与楼顶均盖黄色琉璃筒瓦，描龙饰凤，檐牙高啄，似鸟嘴在高空啄食。一眼望去，重檐鳌突，藻井锁窗，雕栋画梁，金碧辉煌。岳阳楼的楼顶为层叠相衬的“如意斗拱”托举而成的盔顶式，这种拱而复翘的古代将军头盔式的顶式结构在我国古代建筑史上是独一无二的。现存的岳阳楼是清代建筑风格，它是楼阁建筑技艺趋向高峰时的精品。它在美学、力学、建筑学、工艺学等方面均取得了惊人的成就。

　　(二)岳阳楼的文化意蕴

　　1.岳阳楼的诗词、书法艺术

　　楼阁不仅仅具有使用功能，还具有文化功能。当楼阁与诗人相遇，楼阁成为诗人抒发情怀的舞台，而诗则为楼阁赋予了浓重的人文色彩。它们不再仅仅作为客观建筑而存在，而是能够折射出特定时代的社会文化生活风貌。肇始于东汉末年的岳阳楼，距今有一千七百多年的历史，不仅具有秀丽的风景，同时更加具有文学气韵。无数文人雅士登楼抒发情怀，留下了大量的经典诗文和笔墨书画。据历代巴陵县志岳阳楼文集统计，共收有南朝到清光绪十七年(1891)止的涛词歌赋等作品484篇(首)，有作者357人。在这废兴无常，沧桑屡转的岁月长河里，历代的文人墨客，如孟浩然、李白、杜甫、刘禹锡、白居易、李商隐、范仲淹、欧阳修、陆游等在登临岳阳楼，泛舟洞庭湖，漫步君山岛，寻幽访胜，吊古思今之中，寄情于山水，留下了不少千古传颂的名篇佳作。

　　2.岳阳楼的精神境界

　　岳阳楼是济世进取、先忧后乐的刚健精神的标志。杜甫、范仲淹等受儒家积极人世思想的影响，这些谪远岳州的文人们自小就怀抱济苍生，扶社稷的伟大志向，以天下为己任的儒家道义精神促使他们把关心国运民虞化为自己义不容辞的责任和使命。迁谪文人不论穷达，诗人始终关注国家的安危和人民的疾苦，杜甫四处漂泊流浪，孤苦困顿中登临千古名楼，写下了千古传颂的《登岳阳楼》，这种心忧天下，把个人命运和祖国命运紧密相连的爱国精神共同规范和影响着后世的人们。范仲淹的先忧后乐的精神则成为民族人格精神的象征。忧患意识既是一种巨大而无形的精神压力，又是生命追求的强大动力。它能激发人的生命热情，激发人的社会责任感和使命感。以积极人世的精神去追求自己的理想，追求生命的价值。同时，谪远岳州后，奇异的楚天风物，壮美的湖山胜概，涤荡着文人们的心灵，淡化了黜落时的苦楚，登斯楼者，盖无不开拓其心胸，扩舒其境界。齐得失，忘福祸，把家、国、天下的人生理想融入永恒的时间长河中。因此，岳阳楼还是一种审美境界和人生理想的象征。

　　二、基于Arduino的岳阳楼虚拟空间设计

　　基于上述分析，虚拟岳阳楼空间交互艺术，不仅要展示出实体岳阳楼空间构成中的自然空间、人文空间，还要使受众体验到岳阳楼的文化空间及其审美意味。基于Arduino的岳阳楼虚拟空间设计是以岳阳楼空间展示作为研究对象，整个设计以展示岳阳楼空间魅力为主。本设计以沙盘和与其相应的3D水墨风格虚拟场景为展示内容，利用多种Arduino传感器捕获沙盘中的环境信息，并将环境信息实时地传人到虚拟场景中，控制虚拟场景中的变化。通过头瞄技术确定用户的视角，进而控制场景中摄像机的视角。在场景渲染上利用水墨效果shader进行水墨画效果的渲染。用户看到的虚拟场景变化都是实时与沙盘中感应到的环境信息相对应的，岳阳楼虚拟场景会随着沙盘岳阳楼处所环境信息的变化而变化。力图将中国古代楼阁丰富的空间魅力展示在用户面前，通过头描系统实现用户视角的楼阁交互体验空间。

　　(一)岳阳楼沙盘的设计

　　岳阳楼沙盘的设计主要实现三个功能：对岳阳楼空间的构建;对岳阳楼环境信息的获取;沙盘与环境的交互。

　　对于岳阳楼空间的构建，由于岳阳楼环境优美，临洞庭湖水，依君山之侧，位居江南三大名楼之首，所以在沙盘的设计上不仅要将岳阳楼的风景进行概括地梳理，找出其中的构成要素，还要将其良好地展示在沙盘中，让用户在观看沙盘时能感受到岳阳楼的风景之美。

　　对于岳阳楼环境信息的获取方面，岳阳楼沙盘模型的设计是为了实现对环境信息的采集，沙盘中采集的信息包括：光、温度、湿度、颜色、超声波、风力和旋转角度等环境信息。通过对这些环境信息的获取来实现对虚拟岳阳楼场景变化的控制，实现对岳阳楼真实在场感的营造。

　　这些环境信息对应控制的虚拟场景内容如下：

　　1.光线传感器：主要是表现早晨和傍晚岳阳楼的景象，晚上实现月下岳阳楼的景色。

　　2.温度传感器：温度主要用来表现季节。单独控制的事件是冬季的飘雪。在水墨场景中看到树木季节的变化。

　　3.湿度传感器：温度要和湿度结合应用，实现下雨的效果。

　　4.颜色传感器：通过识别用户选择沙盘中的颜色来控制虚拟场景中的颜色倾向。

　　5.超声波传感器：判断场景中是否有人出现。如果出现人，场景的灯光就亮起来了，沙盘中的LED灯也能亮起来。

　　6.弯曲传感器主要是表现风：当沙盘中感受到风之后，实现虚拟场景中树叶摇晃的感觉。

　　7.自由实现场景中主角色的观察视角。

　　8.场景音乐：主要用来渲染气氛，做到可调、可变。

　　对于沙盘与环境的交互方面，沙盘是处于真实的环境之中的，如何让用户良好地使用是沙盘交互设计的一个重要部分。沙盘设计中的交互主要包括控制的舒适性和获取信息的自然性。在控制的舒适性上采用了Arduino的超声波传感器来获取是否有用户出现在场景内，如果有人出现，场景中的LED就会亮起来，让用户可以舒适地看到沙盘中的场景。在环境信息的自然获取上，本设计要将各种传感器良好地安装在沙盘中，实现每种传感器环境信息的自然获取。

　　(二)岳阳楼虚拟场景的设计

　　虚拟展示方式是虚拟现实技术和传统展示方式的结合，通过三维技术模拟真实空间，并结合图像、声音、气味、外接设备等，突破时间和空间的限制，让人在视觉、听觉、嗅觉、触觉上有一种身临其境的感受，从而能够直观快速地传达信息。

　　岳阳楼虚拟场景的设计是岳阳楼展示的关键，也是展示效果最重要的部分，其包括虚拟场景的设计、用户界面的设计和交互方式的设计。

　　虚拟的场景的设计内容包括岳阳楼、山、水、树、石头的设计，同时包括它们的空间位置的组合。设计秉持将岳阳楼的湖光山色与楼阁呼应的表现方式来设计。在岳阳楼的设计上以现存岳阳楼为参考，制作出与其相对应的i维岳阳楼建筑模型。具体的虚拟场景的构建围绕展示岳阳楼文化意象景观，所以在构建上将岳阳楼的空间环境进行压缩，提取其最关键的组成部分：岳阳楼、洞庭湖、君山和醉仙亭。

　　岳阳楼的构建上，以清代岳阳楼为参考模型进行制作，君山的模型主要表现诗人眼中的“白银盘里一青螺”的意境，利用的T具是3Dmax。洞庭湖的构建则是表现江南水乡的意境，有船、水鸟、树木、岛屿和大雁等，整体的搭建效果如下图：

　　3.岳阳楼虚拟空间的交互设计

　　本设计所利用的传感器有超声波传感器、单向倾斜传感器、震动传感器、温度传感器、湿度传感器、土壤干湿度传感器、颜色传感器、光线传感器、弯曲传感器和三轴加速度传感器，同时包括LED，蜂鸣器等。对应关系如下表

　　综上所述，基于Arduino的岳阳楼虚拟空间设计主要实现以下功能：

　　1.设计底层获取环境信息的外接设备，该外接设备是由Arduino及其周边传感器组成。设计上注意与Unity3d软件平台的结合，为以后Ar-duino和Unity3D的开发提供便利条件。

　　2.将岳阳楼空间以数字化的方式展示给用户，实现中国传统楼阁空间魅力的数字化展示。

　　3.将楼阁沙盘和虚拟场景结合起来，为用户营造一个可视、可游、可交互的楼阁空间展示系统，让用户不用亲自登上岳阳楼即可领略到它的自然风光和诗文意境，加强中国传统文化的认同感和促进中国传统文化的传播。

　　整体流程图如下图所示：

　　三、岳阳楼虚拟交互空间艺术的多感知认知与传播方式

　　岳阳楼虚拟空间设计是基于具身认知的交互体验方式来实现用户对岳阳楼的虚拟场景体验的。传统虚拟场景中的环境信息变化都是由程序设计好的，不会随着真实环境因素的变化而变化，这种虚拟场景给人的在场感比较弱，用户对虚拟场景中展示的内容具身体验差。基于Arduino的岳阳楼虚拟空问设计包括实体的岳阳楼沙盘和虚拟场景两部分，实体沙盘中的岳阳楼周围环境信息发生变化时虚拟岳阳楼场景中的环境就会随之变化，通过传感器将岳阳楼沙盘中的环境信息传人虚拟岳阳楼场景中进而控制虚拟环境，用户在岳阳楼沙盘上感受到的环境变化将直观地展现在虚拟岳阳楼场景中，这种通过真实环境信息变化来影响虚拟岳阳楼场景变化的方式，带给用户一种更加真实的感觉，用户在岳阳楼虚拟空间的交互过程中，通过多感知的方式建立起对岳阳楼的全部映像和感受。本设计以用户体验为出发点：

　　1.岳阳楼虚拟空间设计的感官体验

　　感官体验是虚拟展示综合评价的重要部分。虚拟展示设计首先要在视觉方面吸引用户，并且依据虚拟现实的特点即真实感和沉浸感决定展示设计的吸引力。感官体验主要强调呈现给用户视听上的体验，强调真实性和沉浸性。感官体验内容包括沉浸感、真实感以及界面等视觉上的美感。沉浸感是指虚拟环境建立在真实感的基础上，用户在其中浏览，体会到一种身临其境的感觉。真实感是虚拟展示的重要特征之一，是指计算机模拟的虚拟环境、物体、产品等设计要素的逼真度，能否给用户带来比较真实的体验。真实感决定整个展示对用户是否有吸引力。真实感的指标要求视觉要素图像的精确度要高，否则贴图中纹理的精度越低，给人的视觉体验也越差，真实感也就越差。另外声音、光影、色彩也不同程度影响着虚拟展示的真实感。

　　2.楼阁空间设计交互体验

　　交互性是虚拟现实的显著特点，它影响着用户在虚拟展示中的沉浸性。交互体验一般是指在虚拟展示中用户同平台以及展示物体互动获得的感受，目标是让用户更好地理解展示，达到可用性的目标，交互感受影响着用户对整个展示的兴趣。展示中的交互是根据用户的目标为导向设计，强调易用性和可用性。满足交互感可以从以下考虑：展示内容交互反应的及时性和准确性、平台交互的合理性、交互方式的功能性、平台实际符号的易用性。

　　3.楼阁空间设计情感体验

　　情感体验是用户体验的最高境界，它关系到人们在应用虚拟展示时的好恶情绪和态度心情。情感体验设计的核心是激发用户的共鸣心理，这需要深刻理解用户的访问期待，找到那些能够刺激用户情况的设计要素，吸引用户进一步的关注和参与。

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