雅安“4.20”地震后高頤闕的數字化重建保護實踐研究1

文/ 鄧育林 候汝軍 (四川音樂學院 數字藝術系；四川大學 藝術學院）

引言

建筑文化遺產蘊含著一個民族特有的精神價值、思維方式和想象力，也體現了該民族的生命力和創造力，是人類智慧的結晶，歷來受到世界各國的重視和保護。但建筑又因其不可移動性成為了遺產保護工作的難題。歷史風雨的侵蝕、各種地質災害、現代旅游開發等各種因素都會對其形成致命的破壞。傳統的保護方法主要以實物和工程保護為主，如測繪與數據記錄、影像資料收集、結構加固、翻修與重建等手段等。而破壞后的修復、重建僅僅只能依靠最初有限的測繪數據和圖片資料，很難恢復建筑原貌。在數字信息技術快速發展的今天，文化信息的傳播、分享和展示方式都在發生著改變，傳統方法已經出現其局限性，這也對建筑文化遺產的保護和開發提出了新的時代課題。

現代科技手段，特別是數字技術的使用使文化遺產保護進入到新的技術應用層面，逐漸成為文化遺產保護的新策略。

一、國內外數字技術在文物保護中的應用：

敦煌研究院牽頭組織的國家重點科技計劃專題《瀕危珍貴文物信息的計算機存儲與再現》課題，以敦煌石窟文物為研究對象，采用信息技術手段將有珍貴歷史文物價值的敦煌壁畫經數字攝影和計算機圖像處理，以實現壁畫圖像信息完整存儲和再現的一整套高技術方法。由于數字化信息具有無損復制和良好的傳播性，便于保存、管理、使用、檢索和查詢等優點，因此，它是對敦煌壁畫這類珍貴文物信息進行保存的最佳手段1劉剛，邰惠莉，沈子君.《敦煌石窟 在數字化世界與“飛天”共舞》[N]. 中國計算機報，2004-10-18。

圖1 梁思成繪漢代石闕草圖

數字技術同樣也應用在秦陵、兵馬俑坑遺址文物保護中。研究人員將作為遺址保護的石鎧甲坑、文吏俑坑進行數字化工程，通過建立考古信息數據庫，并結合三維全景技術、動態影像技術構建秦始皇陵園的出土遺址的考古信息系統，通過三維全景攝影技術對秦始皇陵園、兵馬俑坑遺址開發三維全景展示系統，永久保存遺址的三維全景信息。

2003年，由故宮博物院和日本凸版印刷株式會社共同創立的“故宮文化資產數字研究所”,旨在應用最先進的數字化技術,存留、保護和展示故宮珍貴的人類文化遺產。研究所的第一個作品就是利用虛擬現實技術完成的“故宮VR《紫禁城·天子的宮殿》”2《像鳥兒那樣看故宮—故宮VR《紫禁城·天子的宮殿》[J].紫禁城,2004-01。2009年，由我國清華建筑與城市遺產研究室推動主持，圓明園管理處支援的“再現圓明園”數字復原工程啟動3尚晉.《再現建筑遺產 數字復原圓明園》[J].中國文化遺產2013-03。

數字信息技術應用于文博工作中能利用其成熟的技術，用科學的方法與手段解決實際工作中存在的問題?，F代圖形圖像技術是計算機信息技術的分支學科，它與其它技術密切相關、有機結合，在文物遺址的數字化保護、考古信息的科學管理與應用、博物館文物藏品陳列展示與信息挖掘與研究等各個方面有著廣闊的應用前景和發掘潛力。主要具有材料使用的環保性、流通途徑的廣泛性、文化傳播的即時性、旅游消費的大眾性、科學技術的當代性的優勢。將最前沿的數字科學技術應用到對文化遺產的保護與開發中來，一方面為文化保護提供更加深層的高科技技術支持，使傳統文化遺產注入新的文化基因，豐富文化的價值與內涵；另一方面為文化遺產的保護與開發提供新的策略與方法，使文化遺產的保護與開發的途徑得到拓展與衍生4石慶秘.《武陵地區文化遺產數字化保護的方法探析》[J].前沿2010-18。如今，建筑文化遺產的保護已經從工程保護時代進入數字信息保護時代。

二、高頤闕建筑文化遺產的數字化保護實踐

建筑文化遺產的數字化保護是一個廣闊的領域。經過不斷地發展，已不再局限于某種單一技術的應用，而是多種技術交叉融合的廣闊空間，如數字測繪技術、數字模擬再現、建筑漫游動畫、虛擬現實技術（VR）、數字傳播與推廣和更加前沿的3D掃描技術和3D打印技術等等。

中國是多民族國家，很多民族在長久的休養生息中都形成了本民族特有的建筑風格，這些建筑順天時，應地理，帶有強烈的宗教色彩和文化特色。

漢闕是漢代的一種紀念性建筑，有石質“漢書”之稱，是我國古代建筑的“活化石”。

高頤墓闕及石刻位于四川省雅安市城東7公里的姚橋，是1961年中華人民共和國國務院公布的第一批全國重點文物保護單位，也是中國現存的石闕中保存最為完整、最精美的一處，著名建筑學家梁思成、歷史學家范文瀾、美學家王朝聞等，都從自己學術研究的角度在著述中對高頤闕有過高度的評價和肯定。

高頤墓闕及石刻是我國現存的時代最早、保存最完整的古代地表建筑之一，距今已有近2000年的歷史，堪稱國寶級文物。

但是在2013年雅安“4.20”地震中，高頤闕闕體震裂，附屬結構嚴重損毀。人們意識到對高頤闕建筑文化的研究和保護的緊迫性和重要性。本課題組通過大量的田野調查、數據測繪、三維技術模擬、建筑動畫和虛擬現實等現代技術手段，力求還原和展示高頤闕建筑文化中的形制，探索數字技術在建筑文化遺產保護中的應用策略和實施方法，完成項目設定的實踐目標。

同時，四川雅安由于相對地勢偏遠，旅游業已然成為當地經濟建設的重要部分，在2013年8月出臺的《蘆山地震災后恢復重建文化旅游專項規劃》中，明確了雅安市文化旅游的發展目標和發展方向，并特別指出，要加強文化和旅游等的融合發展，建設國家級生態文化旅游融合發展試驗區?！兑巹潯访鞔_指出，要完成不可移動文物的搶救保護和可移動文物的修復保護，實施非遺項目實物修復和資料搶救征集工程，資助國家級、省級非遺代表性傳承人恢復開展傳習活動。加固維修非遺博物館、國家級、省級非遺生產性保護示范基地和非遺傳習所。在這個過程中，利用數字技術開發虛擬漫游，進行網絡推廣是當今信息社會的重要手段。

因此，對高頤墓闕及石刻文化遺產進行數字化保護會在建筑保護、科學研究、旅游推廣等多領域產生積極作用，具有重要意義。

課題組在實地測繪后通過三維數字方式對損壞部分進行了還原，使其更為完整，實施的主要數字化實踐為高頤闕數據和資料采集、建筑制圖、建筑的數字模擬、建筑漫游動畫、虛擬現實制作5個階段。

（一）高頤闕數據和資料采集

1、建筑數據實地測繪：

高頤闕數據測繪是高頤闕數字化的第一個環節，也是極為重要的基礎。但是有近2000年歷史的高頤闕是不可能留下當初施工建造時使用的圖紙和現成數據。在建筑遺產的數字化保護項目中，完成的虛擬建筑等項目成果擔負著資料留存和科學研究的重要功能，承擔著為以后的建筑修復或重建提供直觀準確的數字化資料的功能。要達這個目的就必須做到對原建筑的準確還原，因此，全面細致和準確的數據測繪工作就是必不可少的基礎環節。

測繪工作是一個專門的知識領域，盡可能讓專業的測繪人員進行測繪才能保障數據準確。對屬于單體建筑的高頤闕，測繪相對容易。主要依靠皮卷尺、卡尺或軟尺等簡單工具就可以測出所有高頤闕的平面圖。測繪平面時最重要的是先確定軸線尺寸，之后高頤闕的一切控制尺寸都應以此為根據。確定軸線尺寸后，再依次確定高頤闕主闕，闕頂及闕頂的角柱、枋斗等部分的位置，平面圖就確定了。此外，項目組在測繪時還使用了激光測距儀，激光測距儀的優點是數據準確，使用方便，并且能測到一些因條件限制而人無法站立和上去的點的距離。它的這一大優勢能在我們測繪立面和剖面圖時發揮很大的作用。

因為高頤墓闕國寶級文物的屬性，項目組不能爬到建筑物上用皮卷尺測量高度，所以對高頤墓闕的正立面、側立面、背立面等立面圖類都必須借助輔助工具進行測量。粗略測量時，項目組僅借助竹竿和皮卷尺測出高度。但是要用做規范、精確的檔案記錄時，必須利用反射點通過激光測距儀測出高度，測出各點高度后，各個立面圖就可以確定了。

高頤墓闕的縱剖面、橫剖面。測量方法與測繪立面圖的原理一樣。不同的是剖面圖要更清晰地表達出各層之間的構造關系。

在實地測繪時需要注意以下幾點：

（1）測繪數據盡量全面。歷經2000年歷史風雨侵蝕的高頤闕的很多部位構件都有很多殘缺，并不規整，地面也不完全水平。因此，對高頤闕的測繪工作量會比現代單體建筑的測繪工作量大得多。如果測繪數據不全面，既不能準確反應對象的原貌，在數字建模的時候也會出現接不上、對不準等各種技術問題。

（2）測繪數據的規范存檔使用。因為海量的測繪數據需要準確、規范的標注命名才能防止混亂，對無法準確標注的測繪局部（高頤闕特有的細節）要拍攝相應圖片并標注圖片編號。由于經驗的缺乏，項目組就因此多次重返現場進行重復測繪和進行數據比對工作。

行業中也有通過建筑實物照片推導、計算的方式獲得數據的快捷辦法，但照片拍攝時所產生的透視變形會造成數據不準確，一般不建議采用。但在測繪工程中，拍一套完整的、與測繪數據采用同樣方式標注命名的圖像資料也卻非常必要，它可以配合測繪數據來完成后期的制圖、建模等工作。

2、圖像資料收集-貼圖拍攝

貼圖是計算機建模時需要的模型外在圖像，主要依靠對建筑的各個表面進行拍攝來獲取。這是一個極為巨大的拍攝任務，因為要對高頤闕及其附屬石刻的所有能看見的表面都進行拍攝。

此外，與測繪時所拍攝的輔助用照片不同，貼圖用照片必須盡可能從垂直方向拍攝才能在后期貼圖時使用。例如一個簡單的立方體的貼圖就必須從垂直方向拍攝6張照片，且拍攝時盡量不要受到光線、環境的影響以保證建筑色彩的還原度。

圖2 高頤闕數字復原模型高模圖

圖3 高頤闕數字復原模型線框圖

在項目實地工作時，貼圖拍攝所遇到的問題也是最多的。

首先是光線的困擾，必須在大致相似的光源條件下進行貼圖拍攝，在雅安多雨的氣候條件下，每天可進行貼圖拍攝的工作時間相當有限。

其次是因為高頤墓闕國寶級文物的屬性，不能爬到建筑物上，也不好搭腳手架，對于高頤墓闕的上部、頂部等部位的拍攝都必須借助安全的輔助工具進行。

最后是項目進展初期沒有標準的標注規范，大量的照片很容易混淆。

3、文字資料采集

建筑文化遺產的數字化保護不僅僅限于建筑本身，也包括建筑修建中的形制規范、修筑工藝、材料種類、民俗民風等，才能形成完整系統的資料體系。這些資料都需要在當地做廣泛的收集調查。

（二）建筑制圖

建筑測繪完成后應盡快開始平立面圖的繪制工作。如果條件允許，制圖盡量在測繪地完成以提供反復測繪和比對的條件。其原因為古建筑在漫長的時間中會產生老化扭曲變形，甚至脫落斷裂等現象。在雅安“4.20”地震中，高頤闕闕體震裂，附屬結構嚴重損毀。制圖可以選擇手繪制圖，也可以在計算機中用工程制圖軟件AUTOCAD完成。使用專業軟件完成制圖，一方面是更加規范，另一方面是可以直接使用電腦繪制的平面圖生成立體三維效果。一套完整準確的建筑圖紙是項目的第一個成果，具有留存研究的價值。

（三）建筑的數字模擬

建筑的數字模擬是在實地測繪和建筑制圖的基礎上，利用計算機和三維軟件模擬目標建筑。在條件許可的情況下，建議該環節工作仍然在測繪地完成，便于對數據不準確，貼圖混淆、圖片質量不高等問題進行彌補。計算機經過建模、材質、貼圖等制作環節，高頤闕的虛擬三維模型就誕生了。如果需要，還可以通過燈光、渲染和后期調整等環節，打印出建筑各個角度的整體或局部圖片。數字模擬是數字化過程中的關鍵環節，所產生的電子數據和打印文稿將作為目標建筑的數字化資料進行留存，在未來的保護修繕、重建、科學研究、傳播推廣等領域使用。因此，最大程度的客觀準確地還原對象是數字模擬的最高目標和判斷標準。

（四）建筑漫游動畫

前面多次提到建筑文化遺產是一個綜合的文化體系，而傳統上對這個體系地介紹和展示往往采用文字和圖片這些比較單一的手段。建筑漫游動畫是興起于20世紀80年代的一種音視頻結合的展示和傳播手段，具有介紹全面、通俗易懂、可視直觀和傳播性強的優點，涉及劇本寫作、實拍、動畫模擬、音樂等多個專業領域。項目組通過資料整理、劇本編撰、分鏡、中期制作、后期剪輯合成、配音等環節，全面地介紹展示了高頤闕。

（五）虛擬現實制作

虛擬現實是利用三維技術和引擎技術綜合開發的一套程序。通過這個程序，參觀者可以進行遠程的虛擬游覽參觀。盧浮宮在2004年把3.5萬件館內藏品及13萬件庫藏繪畫放上網站,并提供3D的“虛擬參觀”，虛擬展廳可以隨觀者的鼠標放大縮小,左右移動。這一舉措吸引了大量文物和藝術品愛好者,據統計,盧浮宮博物館網站自2005年起年均吸引1000萬訪問人次。又如中國的上海世博會也應用到了虛擬現實技術。與建筑漫游動畫不同的是，虛擬現實的參與度和互動性更強，具有很強的應用價值。

三、項目實踐中的技術問題

在建筑文化遺產進行數字化保護的實踐中，比較突出的技術問題集中在對象的準確還原上，這也是從數據采集到建筑模擬都會出現也是重點關注的難點，如測繪數據準確、建筑色彩還原、圖片變形調整、圖片的拼接等。

圖4 高頤闕數字復原模型圖一

圖5 高頤闕數字復原模型圖二

（一）數據采集中的價值判斷和準確性

1、高頤闕建筑細節的價值判斷和取舍

隨著年齡的增加，歲月的侵蝕，高頤闕出現了大量的變形，存積大量的細節。這也是測繪工作中必須面臨的挑戰。保留這些細節，就會陷入大量的成幾何倍數增加的測繪工作中。去掉它，又不能做到完整記錄、客觀反應的初衷。高頤闕歷經2000年歷史風雨侵蝕，中間又有地震等自然災害的破壞，要對所有的數據和細節都進行測繪、采集和模擬基本是不可能的，也是無意義的。這就需要在項目需求和專業知識地幫助下，對細節的價值進行分析判斷。

2、不規則物體的貼圖準確度不高

貼圖是給數字模型附上表面使用的，需要準確的對位才能完成。這種技術對于比較規則的物體能達到較高的仿真度，比如方正的高頤闕闕體。因為在給他們攝像獲取貼圖的時候，受到透視的影響相對較小，也不需要后期的圖片拼接。而對于如石獅等不規則球面形體時則會受到透視變形、不規則陰影、拼接不準等因素的干擾而出現較大的偏差。

圖6 1939年，梁思成和劉敦楨在測繪四川雅安高頤闕

（二）建筑上的色彩還原

1、環境光源變化和人工補光后的色彩失真問題

貼圖采集中的難點集中在如何準確還原建筑的色彩，這在古建保護工作中是一個普遍性的問題。高頤闕地處室外，除因雅安多雨的氣候條件下，每天可進行貼圖拍攝的工作時間相當有限外，輔以自帶電源和專業攝像燈補光，色彩還原度問題基本能夠解決，但會消耗大量的時間。同時建議采用在測繪地進行手動調圖并反復比對來部分解決偏差太大的問題。

2、圖片拼接中的二度調整問題

在拍攝采集高頤闕貼圖時鏡頭會產生圖像的細微變形。另外，為保證照片精度和細節豐富，每張照片拍攝的有效面積都比較小。因此高頤闕的每一面都分成很多小塊來分別拍攝并通過計算機后期拼接合成。每張照片都會因為各種原因在顏色上出現偏差，在通過Photoshop這類圖形編輯軟件進行顏色調整后也會損耗部分色彩的還原度。

結語

隨著數字信息技術地發展，建筑文化遺產的數字化保護手段也將更加先進、直觀和高效。三維掃描儀不僅可以更加準確地得到測繪數據，還能在計算機中直接生成模型，大大提高三維模型的準確性和工作效率。三維全息技術更改了虛擬建筑的屏幕式二維展示方式，而通過投影儀直接在虛擬空間中立體成像。如果說三維數字技術實現了從現實到虛擬的一次跨越，那么3D打印技術則完成了從虛擬到現實的另一次跨越，也許未來的研究者或者愛好者們都可以從網絡上下載到模擬建筑數據，用3D打印機得到一個微縮的建筑仿真模型。我們可以展望，未來的建筑文化遺產的數字化領域會更加廣闊！