中華圣公會教堂室內歷史環境虛擬修復技術應用研究

■董金慧 潘賀峰 張愛莉 趙 航 Dong Jinhui & Pan Hefeng & Zhang Aili & Zhao Hang

(1.2.3.4.北京工業大學藝術設計學院，北京 1000124）

1 概述

1.1 中華圣公會教堂室內歷史環境現狀分析

伴隨世界跨入新紀元,諸多文物建筑遺址已處在瀕危境地，對于一些稀有的建筑遺址實施科學的搶救性措施,是非常迫切的。中華圣公會教堂建于1907年，現屬國家文物保護單位。現今教堂現處于“孤芳自賞”狀態，失去教堂原有功能且因年久失修等原因，已出現墻體開裂、地面下陷、風化、堿化等現象。

1.2 中華圣公會教堂室內歷史環境保護策略

究其承載的文化價值和社會地位，考慮建筑室內歷史環境保護和修復的難度與現今社會、經濟、政治等各大因素[1]，對于中華圣公會教堂室內歷史環境的保護與修復應嚴格按照文物保護策略和建筑室內歷史環境保護級別標準，以詳實的現場信息數據和歷史資料為依據，遵照建筑材料保護與修復實錄手冊規范，科學合理的形成中華圣公會教堂室內歷史環境的保護策略。

1.3 中華圣公會教堂室內歷史環境保護方式研究

對于中華圣公會教堂室內歷史環境的保護與修復，應結合歷史建筑價值評估體系、現場調研、現今修復技術水平等方面的不同因素，并根據歷史建筑保護規劃標準，確定中華圣公會教堂室內歷史環境的保護級別，因不同的保護級別應采用不同的保護方式，所以保護方式的選擇與確立，需綜合社會各個因素，從而為選擇合理科學的保護方式奠定基礎[2]。現今對于歷史建筑的保護方式大致分為兩種：其一：傳統實體修復方式；其二：數字化虛擬修復方式。

2 虛擬現實技術與建筑室內歷史環境之間的關系

2.1 建筑歷史環境傳統修復手法的劣勢

目前大部分的室內裝修保護修復與實踐缺乏系統的理論指導，實施修復的團隊應由具備極高的建筑材料修復知識與經驗、嚴謹的建筑工程體系、扎實的古建筑保護造詣、較高的藝術審美等多學科人員組成。諸多的保護理論研究與應用實踐嚴重脫節，修復與實踐缺少技術策略評估依據，缺乏技術性科學評估。針對建筑室內歷史環境實施的保護與修復方案一旦缺乏科學的技術與理論支撐，那么方案落實結果往往會給歷史建筑帶來巨大的損失，且多數情況下損失不可逆。

2.2 VR技術在建筑室內歷史環境保護中的優勢

日前，VR技術應用領域廣泛，技術嫻熟，且在建筑室內展示、文物保護等方面均取得較可觀效果，例如，故宮養心殿修復項目和敦煌石窟壁畫修復項目等。虛擬現實技術以計算機平臺為支撐構建的一種高仿真系統，進入該系統用戶可體驗虛擬世界，依載計算機輸出可視化虛擬空間，該世界通過多維信息融合技術為用戶呈現三維交互全互動環境和用戶行為及時反饋的仿真世界，提供完美的沉浸式體驗。虛擬修復能夠較完整真實存儲建筑信息數據，在建筑空間利用虛擬修復技術完全遵循可逆的修復原則。

2.3 VR技術在建筑室內歷史環境保護中的意義

當前,利用虛擬現實技術實現對建筑室內歷史環境構建三維虛擬仿真環境具有劃時代的意義。因其在保護與研究、歷史與人文等方面都能起到不可小覷的效用,因此在國際文物保護界得到普遍認可。虛擬現實技術實現了三維仿真環境漫游，突破了古建筑文物數字化、虛擬復原、場景還原、場景生成、真實再現等技術瓶頸，有效提升了遺址遺存的文化價值，拓寬了傳播途徑。數字化建筑保護方式不僅弱化了實體建筑之間的鴻溝而且還淡化了數字建筑和實體建筑之間的界限，力求形成歷史建筑保護為基點，與時俱進的科學技術手段為架構，雙管齊下的歷史建筑保護傳承新模式。

3 中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景分析

3.1 中華圣公會教堂室內環境三維虛擬交互場景可行性分析

在設計方案前,對擬方案進行了可行性分析。分析的重點是擬方案將要提出的設計方案是否具有實現的科學性和可能性;如何根據中華圣公會教堂現有情況設計出更為科學、合理的交互場景；開發難度分析;分析并預測用戶體驗該場景中可能會遇到的情景；交互場景架構設計與交互方式設計是否能夠為用戶提供中華圣公會教堂歷史信息和修復技術的知識科普以及保證良好的用戶體驗。根據以上可行性分析，得出結論：筆者需要深度分析用戶體驗場景的過程中可能出現的問題并設計出相匹配的應對方案,力求形成一個相對完好的交互場景方案。

■圖1 現場照片采集

■圖2 交互界面設計

表1 圖像采集規范樣表

3.2 中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景框架分析

通過仔細探究現場調研實錄、詳實研讀歷史資料并結合現今社會發展水平，定義中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景應為用戶與建筑實體之間提供便捷的鏈接紐帶且為古建筑數據留存開拓新的平臺[3]。中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景框架設計以發掘傳統古建筑保護和修復的缺陷為研究痛點。比如，現有保護修復的遺址數量與維護資金、修復團隊數量之間不平衡、傳統修復手段單一枯燥、歷史資料遺失嚴重、大多數古建筑遺址處于封閉狀態不能較完整傳承文化等等。為改變當前狀況，設計的中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景滿足古建筑數字化留存需求又為古建筑走出去提供數字化平臺，且該平臺可根據時代需求配置新功能或錄入新的遺跡信息。平臺可基于一個或多個實體建筑或建筑群，甚至是在建筑尺度、文物尺度、城市尺度、遺址尺度更甚無限尺度等不同尺度范圍內，搭建一個完整地人工智能大數據生態平臺。

4 中華圣公會教堂三維場景構建

4.1 中華圣公會教堂室內歷史環境信息采集

此次信息采集包括中華圣公會教堂室內環境的圖像采集-整體圖像和局部圖像、尺寸測量、破損信息采集等。其中在室內局部信息采集板塊有嚴格的規范：如拍攝距離限定和圖片像素規格以及圖片布光規則等。

4.1.1 中華圣公會教堂室內歷史環境圖像采集

為創建場景還原類高仿真三維教堂建筑室內歷史環境，需要對教堂建筑室內環境表層信息進行詳細的攝影記錄。紋理圖像采集使用數碼相機佳能70D（2020萬數碼像素），要求現場紋理圖像采集時在無陽光直射的前提下，破損信息采集時應盡可能周詳、原真。為創建三維彩色仿真模型因此拍攝數碼影像的數量與質量應盡可能與建筑本體信息保持高程度一致性。經統計，筆者拍攝可用圖片約為3800多張（圖1），其中包含整體圖像400張，局部圖像3400多張。經中華圣公會教堂室內環境信息采集后筆者設計了圖像采集的規范樣表（表1）。

4.1.2 中華圣公會教堂室內歷史環境尺寸記錄規范

中華圣公會教堂室內環境尺寸測量原則將歷史資料記載的平面圖、立面圖與現場數據做比對，進行有效數據更新處理。因中華圣公會教堂自1907年成立以來，使用功能不斷演變，根據其變遷發展需要，現階段室內構造較歷史資料記載對比局部空間已發生改變，如增設衛生間、設備間等；外加年久失修，室內墻皮大面積脫落、木地板輕微下沉、基柱存在風化堿化、破損等現象。現場尺寸記錄不僅僅包括空間結構數據更新，還包括破損信息錄入，記錄破損位置、破損大小、破損原因、破損圖片等。經統計：墻面裂縫大小一般為50-60公分，木基柱表面裂紋寬度為4-6公分，基柱裂紋長度在30-40公分不等。

4.1.3 中華圣公會教堂室內歷史環境材質制作原理

中華圣公會教堂室內環境材質制作原理依據現場局部圖片中相同材質之間的重疊區域做拼合處理，輔以計算人眼視差測算閾值并進行拼圖信息精準映射，匹配成功后結合教堂室內全景圖匹配該材質所在位置。材質制作的過程中紋理重建部分要求遵照紋理真實特征、色彩一致、位置精準配比等信息合成。因材質制作過程中各個因素變化多樣且制作工程精密復雜，不免出現輕微的多紋理色差、紋理間幾何錯位、紋理間色彩不一致等情況，針對這些情況設計的應對措施為：顏色差異類-采取局部錯位處理方式、紋理間幾何錯位類-采取多接縫微調方式等等，力求高保真還原現場材質。

4.2 中華圣公會教堂室內歷史環境三維模型創建方法

中華圣公會教堂室內模型創建依托工具：Autodesk3D Max，Autodesk3D Max是一款基于PC系統的三維動畫制作渲染軟件[4]，運用該軟件能夠較真實呈現中華圣公會教堂室內歷史環境。模型創建的數據來源于現場空間數據與歷史資料的科學結合，詳實的歷史資料和精準的現場數據為中華圣公會教堂室內歷史環境三維模型創建提供了必要條件；三維模型創建成功后即為模型附材質，材質來源如上文所述的材質制作方法，材質附加時應遵守相應材質附給對應模型，此時在附材質時應控制好單個模型的UV參數，UV參數尺度是根據材質的尺寸與模型特征并結合現實材質紋理大小進行精準UV閾值調整，科學的UV參數能夠真實的呈現空間信息，營造出高仿真空間氛圍，UV參數設置成功后，進行模型數據核對和現場信息比對，刪除無用模型，控制模型內存大小，完成后導出模型，為了后續依托Unity3D程序構建三維虛擬互動環境，要求此時，模型導出的格式應為FBX格式。

5 中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景設計

5.1 中華圣公會教堂室內環境三維虛擬交互場景架構設計

根據前期對中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景框架分析可知，虛擬現實技術為古建筑數據留存提供了更為便捷、科學的新平臺[5]。鑒于此為虛擬現實技術與中華圣公會教堂首次結合試驗，考慮到虛擬現實設備的特性，因此中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景的交互流程應相對簡單且易于操作。這就要求中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景應按照用戶需求設計功能結構和布局板塊，交互方式應符合用戶的行為習慣，盡可能降低用戶的認知負擔。因此，交互場景架構設計為信息查詢、環境瀏覽、破損信息三個板塊。此版塊布局可為用戶呈現中華圣公會教堂歷史信息和現存狀態以及沉浸式的互動場景漫游體驗的效果。

5.2 中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景的視覺設計

中華圣公會教堂室內環境三維虛擬交互場景視覺設計的色調與風格應與中華圣公會教堂的色調與風格保持一定程度上的統一，以黃、棕配色為主，輔以白色。整體視覺設計風格屬簡潔、大氣的扁平風。不同板塊之間的既統一又富有變化。用戶佩戴頭顯后進入場景，協調的視覺設計提升了用戶的互動體驗。

5.3 中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景的界面設計

中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景界面的設計原則要求在遵循層次性原則的同時滿足統一性原則。層次性原則即在界面設計時需恰到好處的布局元件位置與內容，布局的排布富有節奏與層次關系；統一性原則是界面設計時采用的與場景空間一致的配色、風格、元素等，這里應注意的是，所有界面的設計語言應不僅僅局限于這些規范，還應為其設計相匹配的交互方式和反饋機制。這樣的設計方式不僅能夠降低用戶的學習成本而且能夠使用戶快速熟練交互場景的架構和邏輯，同時統一鮮明的設計風格也能給用戶留下美好的印象（圖2）[6]。

5.4 中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景的交互設計

在擬定交互設計方案之前，首先對目前虛擬現實技術可應用交互方式進行了調研與研究，總結出四種交互方式：①基于對人體動作判斷的交互方式；②基于VR手柄觸覺反饋的交互方式；③基于VR頭顯的眼球追蹤交互方式；④基于捕捉用戶手勢的交互方式。每種交互方式各有利弊、各配場景。中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景中的交互設計以場景特性和用戶研究為依據，為用戶營造科學有效的體驗環境，因此，所采用的交互方式是基于VR手柄觸覺反饋的交互方式與基于VR頭顯的眼球追蹤交互方式相結合的設計手法，企望為用戶呈現多感官、多通道、智能化交互場景（表2）。

6 中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景構建

中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景構建應用程序是Unity3D，Unity3D是一款能夠構建實時三維動畫、三維游戲等多互動多終端的附加型游戲開發工具。中華圣公會教堂室內歷史環境三維虛擬交互場景構建步驟為首先導入優化后的FBX格式三維模型，倒入模型后檢查導入的模型是否在Unity里適配烘焙到紋理，查驗模型材質是否丟失，如若丟失需要重新附材質到模型，隨后導入與之相匹配的UI界面和Steam VR，設置攝像機參數，調節設計相機位置與焦距，攝像機設置成功后，繪制游覽路徑，此時應合理控制路徑上的關鍵點數量和關鍵點之間的距離長短，同等距離關鍵點之間的距離越短用戶體驗式游覽速度越慢，反之亦然，究中華圣公會室內歷史環境規格與特點，繪制關鍵點需滿足以下要求：①關鍵點個數在30-40個之間為最佳，②路徑形成的路線為用戶游覽教堂室內環境真實情況下的參觀路線，③所有相鄰關鍵點之間的距離應相等，保證游覽速度均衡，為用戶提供良好體驗，路徑繪制完成后進行模型渲染烘焙，在烘焙實施前應建立在場景中真實布光、材質清晰、模型無誤的基礎上，烘焙完成后，依照交互流程編寫交互方式，交互方式編寫時應充分考慮用戶習慣、現實環境、VR特點等因素，合理控制交互方式和整體和單一交互時長，科學配置反饋機制，此時可考慮讓小部分用戶體驗試測，收集整理用戶反饋，優化升級方案，最后，導出程序發布exe文件。

■表2 交互流程

7 結語

本文的立足點以建筑室內歷史環境保護為核心，依托與時俱進的技術手段，力求形成數字化的建筑室內歷史環境保護發展新模式。為建筑室內歷史環境保護和修復做好科學記錄，多種形式并舉使建筑室內歷史環境活起來，走出去。彰顯出歷史建筑數字化與智慧化、信息化與智能化，為未來歷史建筑的保護提供更準確的數據支撐和更便捷的保護方式。

現階段如何科學有效的實現對歷史建筑的保護與利用，形成歷史建筑數字化模型管理方法和虛擬展示系統解決方案為建筑遺產數字化廣泛傳播提供平臺支撐等是歷史建筑保護面臨的主要困境。此次研究的目標為實現歷史建筑 “永久保存、永續利用”，為未來歷史建筑實現高保真、科學修復做鋪墊。

（責任編輯：張 楊）

[1]劉怡.非物質文化視野下絲綢之路(陜西段)整體性保護研究[D].西安:西安建筑科技大學,2014.

[2]劉娟.三維動畫設計課程的教學與研究[J].文教資料,2011,(01):1.

[3]章立.虛擬現實技術在建筑遺產保護中的應用研究[D].無錫:江南大學,2009.

[4]王嵐,戴向東.文化建筑中共享空間的光影藝術研究[J].家具與室內裝飾,2017,(01):26-27.

[5]王雨.色彩在室內空間應用研究[J].家具與室內裝飾,2016,(12):116-117.

[6]冼寧,倪東舒.歷史建筑的價值認識初探[J].家具與室內裝飾,2016,(10):112-113.