投影技術在建筑遺產虛擬修復中的應用研究
——以德紹Peter&Paul教堂的墻面彩繪虛擬修復項目為例

程 鵬

福建藝術職業學院，福建 福州 350100

0 前言

德紹Peter&Paul教堂坐落于德國薩克森-安哈爾特州德紹市，是一座磚木結構的新哥特式教堂，由牧師Franz Küstner根據科隆大教堂建筑師Vinzenz Statz的設計于1854—1858年主持建造。竣工后，因為預算原因，未對教堂內部立面做任何裝飾。教堂于1904—1930年進行了多次不同規模的擴建和改造，在內部的墻面上也增添了華麗的彩繪。教堂在二戰后期遭受了嚴重的損壞，穹頂完全損毀，二層大部分坍塌，僅有鐘樓得以完好保存。1967—1968年，政府對教堂的建筑結構進行了全面的修復，并以現代主義風格重新裝飾了教堂內部空間。

1 教堂墻面彩繪未被修復的原因

（1）歷史原因。首先，在1967年教堂開始修復時，現代主義風格成為當地審美主流；其次，1964年簽署的《威尼斯憲章》的第九項和第十二項明確指出保護建筑遺產真實性的重要性，強調了在建筑遺產的修復過程中必須區分其原始部分和缺失補足部分。

（2）當代原因。自建成以來，經過多次歷史變遷，關于Peter&Paul教堂墻面彩繪的現存資料極少。時至今日，教堂現有的現代主義風格裝飾也已成為其歷史的重要見證，受到法規的嚴格保護。傳統的修復手段不僅難以確保修復結果的客觀性，而且會對教堂的保護現狀造成不利影響。

2 投影技術作為教堂墻面彩繪虛擬修復手段的可行性與優勢

2.1 投影技術作為修復手段的可行性

如今，投影技術已經成熟，高色域、高分辨率、高對比度的投影技術已經在商用、民用領域普及。投影技術能夠將建筑空間的構成體作為影像呈現的介質，在理想的環境下對其進行視覺重塑[1]。光雕投影技術（Projection Mapping）可確保投影位置準確，而投影融合技術（Projection Fusion）則可為復雜環境中的大面積投影提供保障。

2.2 投影技術作為修復手段的優勢

相較于傳統修復手段，投影技術作為修復手段具有如下優勢。（1）非接觸性。無論是投影技術的畫面投射還是投影設備的架設，都不會與教堂墻面產生實質性接觸，不會改變教堂的現有狀態，安全可控。（2）可修改性和實時性。隨時可以根據需要對修復方案或是復原效果進行調整，并實時更新投射圖像的輸出內容和方式。（3）便捷性和成本合理性。投影設備的架設步驟較為簡單，并且調試速度較快，修復內容的調整幾乎全部可以通過計算機軟件進行處理，節約了養護、更新成本。（4）可交互性。數字技術的發展使文物遺產實現了從單純的陳列展覽到現在蘊含了多種交互方式的轉變。投影設備作為輸出終端，輸出方式或輸出內容均可以與其他設備進行實時聯動，從而實現人機交互和物聯[2]。

相較于一般數字虛擬修復手段，投影技術作為修復手段具有如下優勢。（1）直觀性。現有的數字虛擬修復多是在顯示器和幻影成像臺上以三維數字模型的動畫或實時渲染的方式呈現，相較于平面介質的虛擬修復效果圖，投影技術通過畫面投射直接在真實物體表面成像，這種虛擬和真實相結合的呈現方式具有前者不可比擬的視覺效果和臨場真實感。（2）沉浸性。投影技術可以利用一個或多個表面來實現大畫面的立體視覺效果，并配合音響系統使多個觀看者同時具有沉浸式觀影感受[3]。

3 投影技術作為虛擬修復手段對教堂保護的意義

3.1 突破建筑遺產保護和恢復相矛盾的困境

在此案例中，教堂內部的現代主義風格裝飾作為其歷史遺產的一部分同樣需要加以保護。使用傳統修復手段對墻面彩繪的恢復就意味著對現有保護狀態的破壞。

如前文所述，投影技術以其獨特的優勢能在不改變教堂現有狀態的情況下對其墻面彩繪進行虛擬復原，使教堂歷史風貌的重現成為可能。同時，簡化了復原流程，節約了復原成本，且避免了傳統修復中因可能存在的錯誤修復導致的二次破壞，為建筑遺產的保護和修復提供了新的選擇。

3.2 解決建筑遺產修復中“疊壓”的學術爭論

客觀地再現原始場景是建筑遺產復原的主要目的之一，但是對于那些經歷了多個時代的建筑遺產，如何在修復中取舍或協調其在多個不同時期的不同風貌，一直都是學界的難題。

在此案例中，德紹Peter&Paul教堂在各種因素的影響下經歷了多種裝飾風格，這些不同風格的裝飾皆有其歷史價值。投影技術能夠在不改變教堂現有狀態的情況下對其墻面彩繪進行虛擬復原，使教堂同時再現多個時期的不同風貌成為可能。

3.3 保護建筑遺產非物質的原真性

非物質性的原真性在建筑遺產保護中主要指建筑遺產所處人文環境的狀態，如生活方式、宗教習俗、藝術形式、政治形態等。對于這部分內容的保護，《威尼斯憲章》第七項略有提及，但并不明確。直到2005年，《西安宣言》才明確提出：“除了實體和視覺方面的含義之外，周邊環境還包括與自然環境之間的相互關系；所有過去和現在的人類社會和精神實踐、習俗、傳統的認知或活動、創造并形成了周邊環境空間的其他形式的非物質文化遺產，以及當前活躍發展的文化、社會、經濟氛圍。”這意味著，原真性中包含了非物質的屬性。

德紹Peter&Paul教堂作為羅馬天主教在當地教區的教區長教堂，除了舉行日常宗教儀式，還是每年重要公共節慶活動的中心之一，自落成起一直是當地社會生活中不可分割的重要組成部分。作為受保護的歷史建筑，相關政府部門禁止對教堂的現有狀態進行變動。教堂建筑的任何變動都需要經過嚴格的評估和審批。因此，通過計算機的圖像處理，投影技術能夠快速且無損地重新裝飾教堂，使教堂在各種社會活動中有更強的適用性和帶入感，從而更好、更快地服務于當代社會生活。

此外，投影技術除了可以展示教堂在不同歷史時期的風貌，還可以將教堂實時改造成實地課堂，如通過虛擬透視的視覺效果呈現墻體內的建筑結構，通過制作專門的動畫再現歷史故事情景，或是結合數字交互技術使參觀者與建筑遺產本身進行互動。這些功能將從另一方面促進建筑遺產保護和傳承事業的發展。

4 投影技術作為虛擬修復手段的局限性

4.1 介質制約

投影必須有實體結構作為成像介質。投影通過投影光源投射在物體表面形成漫反射成像，因而投影介質的材質是影響成像效果的關鍵因素之一。現今最流行的LCD及DLP投影儀高效能的光學引擎已能讓影像即使投射在白墻或卡紙上也有不俗的效果表現。但對于投射到建筑表面的光雕投影來說，任何深色的、透明的或是經過打磨拋光的表面都會大幅度影響成像效果，如紅磚、玻璃和釉面。

4.2 環境制約

狹窄、復雜環境中的部分物體還有可能對投影產生遮擋，限制投影角度，進而影響設備架設、成像效果。對于投影來說，任何環境光（包括投影光本身對投影面周圍物體的漫反射）都有可能降低影像暗位的沉黑感，或是提高影像亮位的光亮度，從而出現影像被淡化的現象，然而在環境光缺失的情況下，建筑結構又無法得到充分的展現，因此把握光線之間的平衡對優化最終成像效果尤為重要，但大型建筑光雕投影中的環境光往往難以進行人為調節。

此外，投影儀擺位、安裝方式、散熱以及對其運行環境溫度、濕度等的要求也在一定程度上限制了投影設備的實際使用范圍。

4.3 技術制約

投影的漫反射成像特質會導致其無法對某些特定材質進行精確的視覺還原。在光雕投影中，投影設備的分辨率決定著畫面細節呈現的上限，限制著投影影像的最小觀看距離，觀看者必須處于這個距離之外以獲得最佳視覺效果，如果過于靠近，畫面顆粒感就會大幅上升。這種情況在以實現擬真為目標的影像中對感官體驗的影響最為明顯，一般情況下可以利用投影融合技術加以優化，但需要增加設備數量，這不僅提高了成本，還有可能大幅提高設備架設難度。

4.4 潛在危害

一方面，投影光可能對一些特殊的材料產生傷害；另一方面，投影成像的漫反射和投影設備工作時產生的噪聲及熱量也有可能對文物造成影響。

5 展望

在世界范圍內，人們對建筑遺產的保護和利用愈發重視，基于媒體技術的虛擬修復將成為建筑遺產保護的另一種重要手段。盡管目前投影虛擬復原的最終視覺呈現效果會受到投影環境、投影介質等多方面因素限制，但是隨著混合現實（Mix Reality）和全息投影（Holographic Projection）等多種新型媒體技術的發展，將有更多的媒體技術出現并為建筑遺產的虛擬修復提供多樣化的解決方案，突破建筑遺產保護原有的理論爭議與技術障礙，為其保護和傳承帶來新的活力和可能。