淺析VR 技術(shù)在歷史建筑保護(hù)中的利用

郭自發(fā) 白潔 王福云

（青島理工大學(xué)，山東 青島 233033）

一、研究背景

改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)的城市化進(jìn)程以罕見(jiàn)和驚人的速度進(jìn)行，城市發(fā)生了翻天覆地的變化，城市的結(jié)構(gòu)形態(tài)、空間布局和建筑特征也出現(xiàn)了巨大轉(zhuǎn)變。這些大規(guī)模的城市建設(shè)活動(dòng)和新的城市中心區(qū)的出現(xiàn)，導(dǎo)致極多的老城區(qū)失去了原有的生機(jī)和活力，歷史建筑也失去了原有的生命力和意義，甚至很多遭到了“開(kāi)發(fā)性破壞”和“建設(shè)性破壞”。隨著我國(guó)對(duì)歷史建筑價(jià)值認(rèn)識(shí)的提高及當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的要求，人們開(kāi)始理性的思考城市更新中的思維方式和方法理論，社會(huì)各方將歷史街區(qū)的保護(hù)與更新擺在城市建設(shè)的重要位置，歷史建筑的保護(hù)利用問(wèn)題也逐漸成為工作人員關(guān)注的焦點(diǎn)和研究的重點(diǎn)。人們不斷從各種實(shí)踐中探索歷史建筑保護(hù)和利用的方法。

二、VR 技術(shù)在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是當(dāng)今世界應(yīng)用的十分廣泛的一項(xiàng)高新技術(shù)，據(jù)研究，目前在娛樂(lè)、教育及藝術(shù)方面的應(yīng)用占據(jù)主流，其次是軍事與航空、醫(yī)學(xué)方面、機(jī)器人方面、商業(yè)方面，另外在可視化計(jì)算、制造業(yè)等方面也有相當(dāng)?shù)谋戎亍R 技術(shù)的應(yīng)用己經(jīng)給世界帶來(lái)了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。但在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，VR 技術(shù)在二十世紀(jì)九十年代，逐漸受到文物保護(hù)界的青睞，并在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域得到了初步的應(yīng)用。

現(xiàn)在隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)字地球概念的提出和廣泛的實(shí)踐，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑遺產(chǎn)保護(hù)方面的應(yīng)用得到了重視。這樣的形勢(shì)下，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)如何在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用這個(gè)問(wèn)題的研究顯得尤為迫切和重要。

（一）VR 技術(shù)的基本概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是一項(xiàng)在很多領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的高新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為集計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)及實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)于一體的高新技術(shù)。它是一種高端的人機(jī)接口，包括通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)等多種感覺(jué)通道的實(shí)時(shí)模擬和實(shí)時(shí)交互。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了許多以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的高新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種劃時(shí)代的技術(shù),1993 年,美國(guó)科學(xué)家Burdea G.和Philippe Coiffet 在《Virtua l Reality Systems and Application》一文中，提出“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三角形”，簡(jiǎn)明地說(shuō)明了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本特性，即可以用三個(gè)“I”來(lái)描述：沉浸(Immersion).交互(Interaction)和想象(Imagination)。（1）沉浸性。過(guò)去人們只能從外部去觀察計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓人們沉浸到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所制造的虛擬環(huán)境之中，參與者具有身臨其境的現(xiàn)場(chǎng)感。（2）交互性。過(guò)去人們只能通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤與計(jì)算機(jī)環(huán)境中的數(shù)字化信息發(fā)生交互作用，有了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，人們可以利用傳感器(數(shù)據(jù)頭盔、手套、眼鏡等)與多維化的信息環(huán)境發(fā)生交互作用。（3）想象性。過(guò)去人們只能從以定量計(jì)算的結(jié)果中得到啟發(fā)而加深對(duì)事物的認(rèn)識(shí)，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓人們從定性和定量?jī)烧呦嘟Y(jié)合的環(huán)境中得到啟發(fā)而加深對(duì)事物的認(rèn)識(shí)。這些都強(qiáng)調(diào)了人在虛擬世界中的主導(dǎo)作用。一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)，正是通過(guò)以上3 個(gè)“I”才能真正實(shí)現(xiàn)虛擬世界對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的替代。

（二）VR 技術(shù)常用三維數(shù)字化模型構(gòu)建工具

在三維虛擬交互系統(tǒng)中模型的構(gòu)建主要采用3Dmax、Autocad、Mars 等三維軟件。使用數(shù)字化技術(shù)對(duì)建筑遺產(chǎn)的各種資料和信息加以表現(xiàn)的過(guò)程中必然會(huì)各種資料的不同特征使用各種不同的技術(shù)手段進(jìn)行資料的數(shù)字化處理。對(duì)建筑遺產(chǎn)實(shí)物信息的處理，主要用到的數(shù)字技術(shù)有：掃描技術(shù)、CAD 技術(shù)、建模技術(shù)、虛擬復(fù)原技術(shù)等。

（三）VR 技術(shù)用于歷史建筑展示的效果及意義

1.利用3D 建模、VR 虛擬技術(shù)，同比例創(chuàng)建虛擬建筑模型并提高文物建筑的展示效果，使更多的人能夠接觸到歷史上優(yōu)秀的建筑文化。VR 全景虛擬技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的參觀中華歷史建筑，展示中華的文化脈絡(luò)，讓人們對(duì)所中華建筑有更深的了解，此后，將其發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上，吸引更多人觀看，也可以擴(kuò)大中國(guó)知名度與影響力。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用于歷史建筑的保護(hù)時(shí)，可以使系統(tǒng)精確逼真地模擬出歷史建筑的原貌，建筑遺跡的結(jié)構(gòu)布局、材料、紋理，包括周邊環(huán)境乃至不同季節(jié)、一天中的不同時(shí)段的光影效果都會(huì)在上得到真實(shí)的再現(xiàn)。觀察者能夠自如地在歷史建筑的虛擬環(huán)境中行走甚至是飛翔，去到建筑物的任意-一個(gè)角落，對(duì)建筑遺跡進(jìn)行全方位的觀察。從而使更多的人對(duì)建筑遺產(chǎn)具有全面深刻的認(rèn)識(shí)和了解。項(xiàng)目通過(guò)新技術(shù)展現(xiàn)不一樣的游覽效果，不僅豐富了游覽的形式內(nèi)容，也增了趣味性的體驗(yàn)，無(wú)論是春夏秋冬還是模擬當(dāng)時(shí)場(chǎng)景，都可通過(guò)VR 設(shè)備提升觀看的體驗(yàn)，觀展者可以，如同身臨其境，全方位的了解建筑的前世今生，增加觀展的趣味性。

2.提高文物建筑的保護(hù)技術(shù)手段。在文物建筑當(dāng)中存在大量的易損構(gòu)建，這些建筑構(gòu)件的都容易出現(xiàn)脆化、脫色、剝落等現(xiàn)象，即便人工修復(fù)后仍難長(zhǎng)期用于研究與展示。利用細(xì)致擬真的虛擬技術(shù)，我們可以預(yù)先展現(xiàn)文物建筑修復(fù)后的影像，從而檢驗(yàn)修復(fù)技術(shù)、手段的可行性;進(jìn)一步可以和視圖計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，考察修復(fù)過(guò)程中的各項(xiàng)環(huán)節(jié)和修復(fù)后的耐久性;利用虛擬技術(shù)大量而完好地多角度展示文物建筑，從而使文物建筑實(shí)體保存在更加嚴(yán)密的環(huán)境中，有利于文物建筑壽命的延長(zhǎng);在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中,經(jīng)過(guò)預(yù)先的數(shù)據(jù)加工與處理，觀察者可以實(shí)時(shí)地在歷史建筑的虛擬環(huán)境中增加與修改對(duì)象。這樣就使得在歷史建筑的環(huán)境改造與重建工程中設(shè)計(jì)者與決策者可以不同的角度，不同的方面對(duì)建造、改造的結(jié)果加以有效的評(píng)估，并且對(duì)工程的不同方案加以身臨其境的體驗(yàn)與對(duì)比，加強(qiáng)了決策的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。

3.實(shí)現(xiàn)從“傳統(tǒng)展示空間”到“媒介空間”的呈現(xiàn)以突破時(shí)空限制充分發(fā)揮建筑遺產(chǎn)的價(jià)值。傳統(tǒng)的展示空間,美術(shù)館是一個(gè)經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)的物理的“實(shí)在空間”，它的作用是展示空間性的、以靜態(tài)為主的視覺(jué)藝術(shù)作品,比如繪畫、雕塑、設(shè)計(jì)作品、裝置藝術(shù)品等。但隨著“虛擬空間”和”媒介空間”的不斷進(jìn)化和發(fā)展,美術(shù)館這種三維的、物理的“實(shí)在空間”或“傳統(tǒng)展示空間”面臨著“媒介空間”的延伸拓展和改變。從平面的二維觀看體驗(yàn)，上升到沉浸式的虛擬空間三維的體驗(yàn)，是歷史發(fā)展的趨勢(shì)。我們要做的就是將建筑的歷史脈絡(luò)以沉浸式的虛擬空間體驗(yàn)帶給人們，使人們更好的觀賞和體驗(yàn)學(xué)習(xí)。我國(guó)擁有大量的文物建筑，由于處于交通閉塞的地區(qū)，使文物建筑的價(jià)值無(wú)法發(fā)揮出來(lái)。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了脫離文物原件而表現(xiàn)其本來(lái)的重量、觸覺(jué)等非視覺(jué)感受的技術(shù)手段,能根據(jù)考古研究數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)記載,模擬地展示尚未挖掘或已經(jīng)湮滅了的遺址、遺存。并透過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能將這些文物資源統(tǒng)一整合起來(lái)，全面地向社會(huì)傳播，而絲毫不會(huì)影響到建筑遺產(chǎn)本身的安全。

（四）整合并共享建筑遺產(chǎn)及其相關(guān)的文物史料資源

虛擬建筑環(huán)境可以包含有相關(guān)對(duì)象的豐富完整的資料與數(shù)據(jù)。我們可以針對(duì)特定的歷史建筑建立其相關(guān)資料的數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)的資料全部是數(shù)字化的資料與數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容可以與虛擬環(huán)境的相關(guān)三維模型關(guān)聯(lián)起來(lái),觀察者在三維虛擬環(huán)境中考察與體驗(yàn)時(shí)可以實(shí)時(shí)地獲取與調(diào)閱所感興趣對(duì)象的相關(guān)數(shù)據(jù)與資料。我們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)整合統(tǒng)一大范圍內(nèi)的文物資源，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在大范圍內(nèi)來(lái)利用虛擬技術(shù)更加全面、生動(dòng)、逼真地展示文物建筑，從而使文物建筑脫離地域限制，實(shí)現(xiàn)資源共享，真正成為全人類可以“擁有”的文化遺產(chǎn)。

三、利用VR 技術(shù)對(duì)歷史建筑保護(hù)的設(shè)計(jì)方案

（一）調(diào)研歷史建筑采集各種數(shù)據(jù)

查閱圖紙檔案，調(diào)研歷史建筑實(shí)際現(xiàn)狀，測(cè)繪建筑的環(huán)境場(chǎng)所及建筑本身的各種尺寸元素，為建立完整的三維數(shù)字模型，還原建筑的外貌打基礎(chǔ)。對(duì)建筑遺跡的結(jié)構(gòu)布局，材料，紋理，周邊環(huán)境等細(xì)節(jié)進(jìn)行全面詳細(xì)的測(cè)繪采集。

（二）電腦制作模型還原歷史建筑原貌

利用3Dmax、Sketchup、Mars 等軟件進(jìn)行建模，建立同比例虛擬三維模型。結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，還原歷史建筑的原貌復(fù)原，同時(shí)針對(duì)建筑現(xiàn)狀，尋找出在歷史發(fā)展過(guò)程中建筑被改造與原建筑不合理的利用的現(xiàn)狀，便于進(jìn)一步的保護(hù)和修復(fù)。

在真實(shí)的空間尺度基礎(chǔ)上建立歷史建筑保護(hù)對(duì)象及周邊環(huán)境的完整的三維數(shù)字模型，在實(shí)時(shí)渲染引擎中建立完善各種交互的功能與效果。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用于歷史建筑的保護(hù)時(shí)，可以使系統(tǒng)精確逼真地模擬出歷史建筑的原貌，建筑遺跡的結(jié)構(gòu)布局、材料、紋理，包括周邊環(huán)境乃至不同季節(jié)、一天中的不同時(shí)段的光影效果都會(huì)在上得到真實(shí)的再現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一大優(yōu)勢(shì)就是在于，能夠?qū)F(xiàn)實(shí)中不存在的環(huán)境與物體以逼真的視覺(jué)效果呈現(xiàn)于我們的面前，并且能夠讓我們身臨其境地置身其中。這一特性應(yīng)用于歷史建筑的虛擬重現(xiàn)中具有重要的意義與價(jià)值。

我們可以打破時(shí)空的限制，把歷史建筑的過(guò)去與未來(lái)真實(shí)地呈現(xiàn)于眼前，我們可以把因人為與自然原因而損毀的歷史建筑重現(xiàn)于虛擬的數(shù)字化環(huán)境空間里;同樣我們也可以在虛擬的數(shù)字化環(huán)境空間里探討與體驗(yàn)歷史建筑的修復(fù)與利用，使其能夠在現(xiàn)實(shí)的空間里更好地發(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值。

（三）建立豐富完整的資料與數(shù)據(jù)庫(kù)

VR 虛擬技術(shù)的交互性還體現(xiàn)在虛擬建筑環(huán)境可以包含有相關(guān)對(duì)象的豐富完整的資料與數(shù)據(jù)。我們可以針對(duì)特定的歷史建筑建立其相關(guān)資料的數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容可以包括：

①歷史建筑的構(gòu)造與布局；②歷史建筑的結(jié)構(gòu)體系；③建筑構(gòu)件的尺度；④材料與建造工藝及年代；⑤歷史建筑與周邊環(huán)境的空間尺度關(guān)系；⑥歷史建筑整體與局部的影像資料。數(shù)據(jù)庫(kù)的資料形式可以是:①文字資料，包括相關(guān)的數(shù)字化的史料記載；②數(shù)據(jù)資料，包括歷史建筑的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)與尺度信息；③影像資料，包括靜態(tài)影像與動(dòng)態(tài)視頻，忠實(shí)地記載歷史建筑的原貌，包含形態(tài)與色彩等方面的信息；④圖形資料，包括通用格式的二維測(cè)繪圖紙(如，DWG 或DXF 格式等)，以及通用格式的建筑與環(huán)境的三維模型(如,OBJ 或IGES 等格式)。

（四）交互式的數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用與管理

數(shù)據(jù)庫(kù)的交互性更體現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容可以與虛擬環(huán)境的相關(guān)三維模型關(guān)聯(lián)起來(lái)，觀察者在三維虛擬環(huán)境中考察與體驗(yàn)時(shí)可以實(shí)時(shí)地獲取與調(diào)閱所感興趣對(duì)象的相關(guān)數(shù)據(jù)與資料。這種功能所帶來(lái)的好處是，極大地方便了古建筑資料的檢索。使得觀察者能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確、全面地獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)與資料。從而能夠?qū)τ^察與研究的對(duì)象迅速準(zhǔn)確地形成判斷與評(píng)價(jià)。

數(shù)據(jù)庫(kù)的資料全部是數(shù)字化的資料與數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容可以隨時(shí)得到修改與補(bǔ)充。該數(shù)據(jù)庫(kù)可以存在于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器上，通過(guò)局域網(wǎng)或英特網(wǎng)管理員能夠方便地從不同地點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)終端上修改與充實(shí)該數(shù)據(jù)庫(kù)的資源。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的以上特性，使得歷史建筑的數(shù)字化史料的收集與整理能準(zhǔn)確、全面及高效地進(jìn)行，并且也能夠在最大范圍內(nèi)得到共享。

結(jié)語(yǔ)

VR 技術(shù)在歷史建筑保護(hù)中的應(yīng)用雖然現(xiàn)在還有一些因素制約，但是隨著其在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，將對(duì)整個(gè)歷史建筑保護(hù)領(lǐng)域研究水平的提高和VR 技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展都會(huì)起到巨大的推動(dòng)作用。