虛擬現實技術在古建筑復原及保存中的應用研究
——以徽派建筑為例

郎濱

（池州學院 文學與傳媒學院，安徽 池州 247000）

徽派古建筑又稱為徽州建筑，是具有文物價值的世界文化遺產，同時也是徽州文化的重要組成。徽派建筑設計精美，極具文化底蘊，是先人留給我們的財富，同時也是古人智慧的結晶。因此，如何更好的復原及保護徽派建筑一直是研究者所面臨的重要課題。隨著近年來虛擬現實技術的廣泛應用，使古建筑在保護、展示以及修復都有了強大的技術支持。利用相關技術，制作徽派古建筑虛擬現實系統，對古建筑的復原、保護、傳承都具有十分重要的現實意義。

一、虛擬現實技術與徽派古建筑復原

4月15日，位于法國市中心，有著800多年歷史的巴黎圣母院發生了大火，整個建筑在火災中受損嚴重。巴黎圣母院火災之后，相關部門所面臨的最大問題，就是如何對在火災中損毀的建筑進行修復。值得慶幸的是，這項工作有著大量數據作為參考，在此之前瓦薩大學一位教師曾經對巴黎圣母院進行了數字掃描，并且保存了相關信息。可以說，在虛擬的世界中，巴黎圣母院仍然屹立不倒。正如浙江大學文化遺產研究院副教授李志榮所說：“災難給我們的警醒是，保護文物本體永遠是最重要的工作，沒有之一。而且，對文物的數字化記錄必須趕快進行，特別是對于世界遺產級別的文物，要真正記錄到一旦損毀可復原的程度。”可見，用虛擬技術及數字化技術記錄古建筑的信息，可以為損壞的文物進行修繕、保護和研究工作提供參照的數據。目前，虛擬現實技術、三維建模技術和攝影測量技術等現代化技術，已經全面應用于以古建筑保護、復原領域，我國對古建筑古文物的數字化保護還處在起步階段，但也取得許多成果，如浙江大學對彌山石窟考古、云岡石窟第三窟的數字化記錄和3D復原，以及西藏阿里托林寺白殿的壁畫記錄等。

虛擬現實技術（簡稱VR），是指在計算機技術基礎上，利用仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、網絡技術，協同處理技術和多重傳感技術，通過模擬人的觸覺、聽覺和視覺，使人沉浸在計算機模擬的虛擬世界之中，并同時通過虛擬設備對人的動作進行捕捉，實現人機交互的技術。徽派建筑作為皖南地區傳統村落的重要組成部分，經歷了幾百年分發展歷程。它是我國傳統建筑最重要的流派之一，是人文景觀與自然景觀高度和諧統一的典范。下文將以徽派建筑為例，闡述制作古建筑虛擬現實系統的過程，并對系統特性進行分析。

二、利用虛擬現實技術復原古建筑的過程分析

對徽派古建筑虛擬現實系統的設計，首先需要根據徽派古建筑的特征進行策劃和調研工作，以此保證設計方案的科學性與合理性，策劃和調研工作主要解決三個方面的問題：首先應選取哪些具有代表性的建筑制作虛擬現實系統，它們有哪些特征和內涵；其次要考慮使用什么手段建立虛擬現實系統，包括設計到哪些軟件，操作過程中可能存在哪些技術問題；第三，虛擬現實系統的交互性界面包括哪些內容，如何能為用戶提供良好的使用體驗，系統制成后可以在哪些平臺使用，相關的大小，分辨率及清晰度的要求有哪些。

（一）實地測量，搜集資料

徽派古建筑虛擬現實系統制作的首要步驟是實地測量，實地測量的目的在與獲得古建筑的各項數據，以便后期進行建模和對古建筑進行數字還原。實地測量包括測量的平面、立面及環境數據，并在此基礎上繪制建筑物的草圖。搜集資料包括三個方面的內容：徽派建筑的文字資料、視頻資料以及模型資料。對于文字資料的搜集主要通過查閱相關的論文、書籍，以歸納徽派建筑物的組成、建筑風格以及文化特征，以便為制作虛擬現實系統提供數據支持和理論支持。特別在虛擬現實系統的交互式界面中，需要向用戶介紹徽派建筑的特征，如其結構、裝飾及色彩的內涵，都需要大量的文字資料作為支撐。視頻資料的收集包括兩個部分：其一是對于徽派建筑整體格局的宏觀記錄，其二是對于徽派建筑的細節進行記錄，如木雕、磚雕、石雕、馬頭墻等。對于徽派建筑的視頻記錄，既可以為后期制作虛擬系統的結構框架提供可供參考的影響，還可以通過視頻展示結合講解的方式向用戶介紹徽派建筑。模型資料的收集，目的在于為后期建模及立體展示提供數據參考。

（二）調查訪問、拍攝照片

訪問調查是指，對于古建筑居民進行有針對性的走訪、調查，通過同期聲采訪的方式，記錄居民的口述資料，也可以和相關的文物保護單位聯系，獲取關于古建筑的資料。在調查訪問的過程中，注重全面地了解古建筑文化遺產的歷史與特征，以便為制作提供一手的資料。為了更好的在系統中還原古建筑以及方便后期進行紋理貼圖，在調查訪問之后，還需要拍攝照片。在拍攝照片時應該注意以下事項：首先，為了方便后期進行檢索，需要對照片進行編號；其次，在拍攝過程中，應選取多種角度進行拍攝，另外，根據后期制作一天中不同時間的古建筑的環境需要，所以要分時段拍攝早晨、中午以及下午的古建筑照片；第三，在拍照過程中，除了要拍攝古建筑整體的影像外，還需要拍攝古建筑的細節，以便為后期制作貼圖提供素材。

（三）建立古建筑三維模型

制作古建筑模型是一個較為復雜的工序，因為古建筑的結構復雜，所以要想將其展示在虛擬空間中，必須要進行細致入微的建模。根據前期收集的相關視頻，圖片資料，結合三維軟件，如Unity3D、3DMAX、C4D進行建模和制作三維動畫。對于臺階、走廊、墻壁、窗戶、等較為規整的元素，可根據其內部的紋理標準進行建模，如球體、立方體、圓柱體等形狀，可以使用多邊形、曲面的方法來建模。對于一些不規則的元素，如盆景、雕刻、樹木等，需要采用隨機的分形集合技術來制作模型。建模以后，將場景模型添加到整體環境中，并在環境中制作UI界面，通過UI界面進行同用戶之間的交互。

（四）場景的貼圖、燈光和烘焙處理

在整體環境制作完成以后，需要對古建筑模型進行貼圖，貼圖的過程是將前期拍攝的古建筑的照片，通過軟件，與古建筑框架進行合成。對于某些達不到要求的照片，還需要先用過PHOTOSHOP軟件進行處理，然后才能進行貼圖。比如對于照片色相、飽和度、曲線、對比度的修復，目的在于讓照片更加的合理逼真，以能夠更完美的貼合場景。

（五）合成與測試

該階段主要是將貼圖、模型、場景，通過添加特效以及攝影機的運用最終合成為一個完整的虛擬現實系統的過程。在合成以后，還需要對系統在不同的操作平臺下進行測試，重點測試古建筑虛擬現實系統的穩定性和交互性。測試結束后，根據測試結果進行進一步的調整，以保證各個交互式界面的功能夠穩定的運行，并總結出該系統運行的硬件環境。

三、虛擬古建筑特征分析

1993年，美國科學家Burdea在他所發表的報告《虛擬現實系統及其應用》中，提出了“虛擬現實的三角形表示”[1]。其描述了虛擬現實技術的3I 特性——交互性(Interaction)、沉浸感(Immersion)和構想性(Imagination)。根據對前期制作的虛擬現實系統的分析，對照虛擬現實技術3I特性，可以總結書徽派建筑虛擬現實系統的特征有以下三個方面。

（一）交互性

同計算機系統的交互式界面不同，虛擬現實系統的交互實現不是通過鍵盤和鼠標等外部設備，而是借助位置追蹤儀、遙控器、數據手套、眼動儀等設備通過捕捉用戶的動作在虛擬場景中進行交互。如在虛擬場景中，用戶可以通過步行、轉身、坐下等動作進行交互，還可以通過力反饋設備拾取虛擬場景中的物體，而物體的設計重量會通過力反饋設備作用在人的手上，進而模擬出真正拾取物體的重量感。在虛擬古建筑系統中，用戶可以通過VR眼鏡、數據手套、追蹤頭盔、遙控器等外設，進行360度全方位的場景瀏覽，在瀏覽的過程中，用戶可以觸發系統中的若干開關，以得到系統的反饋信息，如用戶可通過數據手套虛擬觸摸系統中的門環，此時古建筑的大門就會打開。此外，用戶還可以借助互聯網和同時在線的體驗者進行語音和視頻的交流，這些交互模式都能夠對用戶的動作做出反饋，并帶給用戶真實的模擬效果。

（二）沉浸感

虛擬現實系統的沉浸來源于通過計算機模擬的虛擬世界給用戶帶來視覺、聽覺、嗅覺以及觸覺全方位的感受。從視覺和聽覺來講，徽派建筑虛擬現實系統可使用戶產生身臨其境的感覺，這種體驗一方面來源于對于徽派古建筑逼真的視頻捕捉，另一方面來源于對于真實環境的光與影，色彩與細節的復原。此外，帶給用戶沉浸性體驗的虛擬環境并非一層不變的，通過界面設計，在原有建筑物不變的基礎上，增加春、夏、秋、冬季節更迭所帶來的環境變換，同時模擬出早晨、中午、傍晚的一天的時間變化所帶來的光線變化，強烈的真實感與互動感讓體驗者能沉浸其中。嗅覺和觸覺的體驗，需要借助相應的終端設備才能實現，參考當下流行的4D電影觀賞模式，我們發現，對于觸覺與嗅覺的模擬體驗，主要來源與對于溫度和空氣的控制，4D電影中的觸覺和嗅覺模擬，主要是通過添加了噴霧裝置及機械聯動裝置的座椅來實現，在虛擬現實系統中，還需要相應設備的普及才能帶給觀眾相同的體驗。

（三）構想性

虛擬現實系統的構想性主要是指在虛擬的環境中，體驗者根據獲取的信息，對環境進行判斷和想象，并由此掌握相關的規律的過程。虛擬現實系統的想象性體現在用戶通過對于虛擬環境的認知，經過理性思維，創造性的構想出客觀上不存在的環境。“虛擬現實技術中的想象性強調作品具有廣闊的可想象空間，可以拓寬人類認知范圍，不僅可再現真實存在的環境，還可以隨意構想客觀上不存在的甚至是不可能發生的環境。”[2]徽派建筑虛擬現實系統除了可以再現安徽地區的古建筑意外，其實踐操作模塊，還可以使用戶自己組合相應的建筑物，打造自己的建筑空間。在這個場景中，每一個客戶都可以是設計師、藝術家，他們可以根據自己的興趣和審美，創造自己的古建筑。“虛擬現實系統的沉浸性和交互性能夠給體驗者帶來強烈、逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的虛擬體驗，想象性則能給體驗者從虛擬環境中得到感性和理性的認識，從而深化概念和萌發新意。”[3]古建筑虛擬現實系統，可以通過其想象性的特征，使用戶在獲得身臨其境的虛擬體驗的同時，還可以使其對古建筑的內涵以及結構產生理性的認知。