虛擬現實技術在歷史建筑保護中的應用研究

摘 要：本文的應用研究是利用虛擬現實這一現代應用技術和展示方式，以新的思路延長北戴河老別墅建筑群的生命力。研究不僅在于用虛擬現實的技術手段復原歷史建筑的原貌，并且基于北戴河老別墅在中國建筑歷史中的重要性，利用虛擬現實多角度研究，對部分建筑提出具有可行性的修繕方案，提高北戴河老別墅在保護修復過程中的安全性和可靠性，并致力推廣虛擬現實技術在歷史建筑保護中發揮的作用。

關鍵詞：虛擬現實技術；北戴河老別墅；歷史建筑保護

1 北戴河老別墅

北戴河的美麗和神秘，撥動了古今中外多少志士仁人的心弦。千古一帝秦始皇，雄才大略漢武帝，志在千里曹孟德，一代明主唐太宗，在這里留下了他們的足跡；康有為、張學良等等風云人物，在這里上演了一出出歷史活劇；新中國四代領導人在這里做出了許多關乎國家命運的重大決策。美麗的風光，吸引了無數風云人物，又為她平添了一份神秘色彩。早在光緒十九年（1898）清政府就已經正式辟北戴河為避暑地，允許“中外人士雜居”。全世界幾十個國家的傳教士、外交官員、富商大賈、學者名流，北戴河購買土地，修建別墅，為后人留下了一個蔚然壯觀、風格各異的世界建筑群。

1.1 北戴河老別墅的保護價值

至近代，北戴河各式的名人別墅已達千余幢，傅作義、何香凝、張學良等一代名人都在此占有一席之地，北戴河與廬山、廈門和青島并稱為“中國四大別墅區”。北戴河的老別墅地域特點明確，多為單層建筑，部分為二三層建筑，均顯露出鮮明的異國格調和建筑流派，包含了美、英、法、德、俄、意、比利時、加拿大、奧地利、西班牙、希臘等多國人文建筑類型，其建筑風格也囊括了維多利亞式、羅馬式、拜占庭式、東洋式等多種建筑形態。

歷史建筑是文化領域中最具有時代性、社會性和民族性的因素，整體而又集中地體現了所建時期的社會生產力、時代精神、民族傳統、地域特性以及社會的價值取向，北戴河老別墅所反映出來的空間與時間關系，其深度和廣度是地域內其他文化載體所無可比擬的。它們最能代表城市發展的歷史，在城市近化過程中最具有歷史和藝術特征的也是歷史建筑。它們是城市風貌特色的具體體現，是不可再生的寶貴文化資源。

1.2 北戴河老別墅調研現狀

由于近百年來的風雨剝蝕和各種人為因素的影響，這些不可再得的名人別墅已遭到嚴重的破壞和蠶食。至目前只存130余座，僅占原來的18%。隨著一幢幢近代名人別墅被拆除，代之而起的是越來越高、設計雷同的現代建筑，致使北戴河不少地方失去了昔日和諧靜謐的生態環境，失去了優美的天際輪廓線。

通過現場調研發現，除使用單位雜亂之外，北戴河歷史建筑及周邊環境還存在非法拆除、非法改造與私搭亂建、多數建筑缺乏保護范圍和建設控制地帶、新建建筑與歷史建筑的不協調、通海視廊被侵占等問題，由于各種原因，現在非法改拆歷史建筑的現象雖然不多，但仍然存在。私搭亂建使建筑和環境破敗、缺乏維護。如建筑群中的漢納根別墅，改造后的窗體過于現代化，與歷史氛圍嚴重不符。有些現代建筑嚴重擠壓歷史建筑，無論是建筑高度、形式、體量、色彩等都與歷史建筑格格不入。

背依山體，俯瞰大海，強調看海的視線不受阻隔，這是北戴河歷史建筑的特色。但由于種種原因，北戴河歷史建筑的周邊環境多被破壞，如喬和別墅，被新建的高層商業建筑擋住通海視線。另外有些歷史建筑明裝敷設的室外電線、空調等嚴重的影響了城市景觀并存在安全隱患。有些建筑或廢棄或損壞的情況也較為嚴重，急需進行搶救性保護。

2 虛擬現實技術及研究應用

隨著現代高新技術的迅猛發展，信息化已滲透到社會生產與社會生活的各個領域，強烈地沖擊著現代城市建設。21世紀是一個數字城市的世紀，數字城市將改變傳統的城市發展模式，改變人們生產、生活和相互交往的方式，改變經濟、生態、社會和家庭的面貌。而作為城市建設重要研究部分的歷史建筑保護與更新的方法也必將發生根本的改變。

2.1 研究定向

歷史建筑因所處城市空間的特性演變而呈現出新的變化，從城市的功能作用到形象地位都有變異，數字及其網絡又提供了保護與更新的新技術以適應社會的發展需求。利用虛擬互動技術和網絡平臺的整合，將本研究成果以建筑原貌形式向世人展示，希望該研究手段成為另一種值得推廣的歷史資料保護渠道。

本研究由于部分北戴河老別墅的保護曾經一度處于無序狀態，并導致現在現場測量工作的難度，由于受到各方面因素的制約，有些在既定測量范圍之內的建筑無法進行精密測量，所以按照現有條件和不同的保護要求，將北戴河老別墅的測量分為三類，即可以精密測量的、可以短期接觸測量的、和只能作非接觸式測量的。

這里的非接觸式測量是指只可以進行現場專業全角度拍照的，并盡量做到采集詳盡，對建筑的形式、結構、材料、保護和損壞的程度等進行后期分析和整理。可以作精密測量的，盡量將現場建筑數據和地形景觀等因素做到調研到位，現場繪制建筑的各層平面圖、各個立面圖、和內部房間分隔、水平交通和垂直交通的結構等并記錄數據，視頻備案，并現場分析建筑原貌以備作為第一手資料記錄在案。

根據現場記錄的數據，并依據需要保護的級別分析整理調研資料，并按照名稱、原房主國籍、建造年代、位置和所處單位、面積和層數、現狀和建筑風格等特點進行匯總成庫。

2.2 研究學科領域

建筑科學——研究涉及到了定量化的中國歷史建筑理論，其既是一門關于建筑物優化取向的建筑環境理論，又是一種現代化時空理論。本研究主要內容包括北戴河歷史建筑中的建筑內外風格、建筑結構、建筑材料、并將測繪、制圖及新型材料技術等在歷史建筑中的應用等部分。

景觀科學——本研究體現了景觀學與建筑工程科學的交叉，將生態保護措施與建筑工程措施相結合，營建能充分展示景觀多重價值的人文環境，形成以不同時空尺度下的格局與過程，以人類作用為主導的景觀演化等概念的中心理論框架，形成強調自然與人文因子相結合的景觀規劃。主要研究內容包括植物的豎向的詳細配置、景觀小品的布置、景觀的規劃等。

計算機科學——本研究是計算科學與軟件科學和信息處理的整體綜合體現。主要應用的專業軟件包括AutoCad、3dsMax、Photoshop、中視典VRP、DreamWeaver等軟件和相關插件的應用及對老建筑建立數據庫的統計軟件等。

另外開展了虛擬現實技術在歷史建筑保護的應用研究，基于混合現實與增強現實技術，設計并實現歷史建筑虛擬還原和仿真修復系統，通過建立三維立體模型和模擬復原技術動畫，提高了歷史建筑保護修復的安全性和可靠性，降低歷史建筑修復的風險和工作量。“多學科的結合和協調、科學的內涵、藝術的外貌、文化的底蘊”也是本研究體現的主要內容。

2.3 虛擬現實技術在本研究中的應用方法

確定歷史建筑的平立面及視頻等采集整理的資料統計完成之后，就是逐個建立虛擬三維模型。對待本研究中三維虛擬模型的技術處理，首先是確定虛擬現實的模型精度，根據其所處位置不同，應采用不同級別的對待。

本研究按照兩個標準進行了模型的制作：在進行全景瀏覽、鳥瞰時，因場景中的模型較多，系統處理速度主要決定于場景中所使用的模型總面數，此時應盡量使用粗模，減少運算面數。

在某些具體的建筑物中穿行或進入其內部時，由于要表現該建筑的細節組成，應創建相應的近景精模。無論是近景模型還是遠景模型都應嚴格按照1∶1的比例進行制作，它們都需要根據相關建筑的詳細圖紙資料進行創建。本研究通過Auto cad的地塊文件，在3ds max中將其平面設置為Top工作視窗（相當于建筑物平面圖）的背景文件，根據圖紙和尺寸進行平面描線；在3ds max中將其立面圖設置為Front工作視窗（相當于建筑物前視圖）的背景文件，將平面線型通過相關的三維化命令如Exturde擠壓至正確高度后得到該建筑物的三維模型。

在制作模型的遠景時，需要配合該建筑物上、前、后、左、右的表面圖片，按模型各面的ID號進行貼圖，同時將表面圖片在Photoshop中制作為黑白的透明貼圖放入材質的Opacity通道中即可。

在制作模型近景時，除了依照前面的方法創建主體部分之外，還必須根據該建筑的詳細圖紙，對每一個建筑物的細節分別進行創建，賦好貼圖之后，按照實際情況進行位置調整，最后再進行群組化（Group）處理，以便在場景中對其進行合理的調用。

另外環境光源的表現和真實的現場材質運用也極為重要，燈光的精細處理會在模型烘焙渲染中產生極為真實的效果，材質是整體展現模型質感的優選手段。因此在每一個場景模型中及時處理好建筑物與這些因素的關系，對建筑環境虛擬現實的前期制作是非常重要的。

由于本次研究制作的是若干個建筑三維漫游動畫，因此，能夠使每一個畫面中的建筑布局、人文景觀、城市綠地等都產生合理的亮面、灰面、暗面以及陰影的最好辦法是使用在3ds max中的Sky Lights（天光）系統，配合使用高級照明（Advanced Lighting）中的Light Tracker（照明追蹤）可以形成真實、自然的三維室外光照效果。但研究中也發現天光系統并不是能夠解決所有的問題，如在動畫過程中，某些建筑物的暗面黑洞洞的一片，影響了整個畫面的最終效果，因此，就需要格外的添加光源，并設置光源的影響范圍及排除條件，使其只對目標物體產生光照，達到補光效果。

上述方法主要是通過路徑約束設置動畫效果，有時對一個場景的動畫描述也可以通過對Camera視窗設置關鍵幀的方法得到。 在漫游中，特別重視環境的制作，天空、樹木、花草、晨霧、云彩等配景占據著畫面構圖中的大部分空間，對環境的制作成功與否也在一定程度上決定著整個畫面的最終視覺效果。

樹木、花草的制作可以使用Tree、Storm、Forest、Pro或是NatsEasy這些專門制作植物、森林的3ds Max的外掛插件來完成樹木、花草的制作；還可以使用兩個plane進行垂直交叉，在其Diffuse（漫反射）通道中加入樹木的彩色圖片，在其Opacity（不透明）通道中加入相應的黑白圖片的方法得到只占用兩個面的三維的樹木效果，這種方法在其可行性被驗證后，大量應用于該項目的人視角遠景環境制作中，并取得了很好的效果。

配以之前合成的3dsMax三維烘焙模型，本研究虛擬演示制作使用了中視典VRP學習版軟件制作，動畫根據其位置變化可以分為飛行、自由行進、人視角的漫步等幾種狀態，這幾種狀態各有各的表現效果，通過為攝像機設置相應的漫游位移路徑，調整控制節點個數、屬性，單位時間內路徑的長度確定、路徑的形狀、在場景中的位置等都可以得到相應的表現效果。

鏡頭本身不可以沿一個路徑進行約束，但通過添加一個Dummy（虛擬物體），為虛擬物體進行路徑約束，鏡頭的Look At Target對虛擬物體進行Pick Target，將該虛擬物體拾取為鏡頭的跟隨目標，其運動可以歸納為推、拉、搖、移、俯、仰、跟、追八種方法。并為攝像機鏡頭設置的動畫實現了觀測視點的變換效果。將攝像機動畫與攝像機鏡頭動畫進行結合之后，通過觀測、調試即能生成雙重交叉的漫游動畫效果。

另外研究中將必要的二維分析、解說等，采用二維、三維動畫及非線性編輯等多種技術有機的整合到一起，利用DreamWeaver制作的網站平臺使演示中的圖片、文字、聲音、虛擬互動場景文件相互結合，令演示效果更加生動活潑。將北戴河老別墅最動人之處精練概括出來，使觀者不受其他細枝未節的干擾，盡快進入主題，深入了解所要展示的精華所在，在充分詳實的基礎上做到主題明確、重點突出、優勢畢顯。

3 研究的意義

本研究運用了多學科多平臺合作的技術手段，結合了建筑、結構、景觀等專業，運用了多個專業軟件，采用非接觸測量技術、三維成像技術，經過實地攝影、建筑數據采集、二維圖紙繪制、三維模型建立等，實現了歷史建筑影像的三維模型，并利用虛擬現實技術將修繕保護工程方案制作成一套全面、具體、準確、生動的修繕過程演示片及網絡宣傳展示平臺，并希望通過研究成果應用，將虛擬現實技術應用的保護手段在同類歷史建筑群中得到廣泛的推廣，這將對歷史建筑的保護、更新、延續具有重要的現實意義。

本研究不僅在于用現代化的手段復原歷史建筑的原貌，并介于北戴河歷史名人別墅在中國歷史建筑中的重要性，結合北戴河現狀旅游資源的開發整合，有針對性的對北戴河歷史建筑提出具有可行性的修繕方案。并且在該研究的進行中，將總結出的數據和形成的步驟及成果等相關資料進行成庫管理，這將對同類歷史建筑群及各地域保護建筑的保護手段和宣傳都將具有指導性意義。

正確處理好建設與保護的關系，是加強北戴河歷史建筑保護的關鍵。在城市更新的同時，應著重保護在近代建設史上有一定地位、具有史料價值和藝術價值的優秀建筑和能代表城市特色的建筑。保護其原貌、改造其功能，對建筑物周邊的環境也應當進行必要的保護。使新舊建筑之間在風格、色調、建筑界面上相協調，整體格局達到和諧。同時按照經營城市的理念利用好這些歷史文化資源做好文物旅游開發等項目。并結合城區改造，采取逐步整治的方式，注意保存歷史建筑的外貌及特色，在保持原有建筑格局、外觀的前提下，引進和采用現代化生活設施和市政設施，以適應當前生活的需要。但不能大拆大建，而應以完善基礎設施，改善內部居住條件，適應現代生活功能的需要為原則。調整部分文物建筑的使用功能，使其具有新的價值。已對外開放的歷史建筑應進一步豐富其內容，形成可供對外參觀的人文景觀。

近年來，隨著旅游業的興起和城市的發展的需要，為凸顯旅游優勢和悠久的歷史文脈，新一輪城市規劃的展開，利用現代三維數字化技術和高科技手段對歷史建筑進行靜態還原保護，并在當代歷史語境下對歷史的建筑提出動態傳承的建設性修葺措施。無論是對區域歷史特色的持續，還是對建設具有多元文化底蘊的城市以及它與城市經濟發展間的和諧都將會帶來廣泛的經濟效益和社會效益。

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