古建筑的數字化修復與保護

陸 浥 王際開 陳文杰 王一威

合肥工業大學 安徽 合肥 230601

1 緒論

1.1 數字化研究背景

AR(Augmented Reality)，又稱增強現實功能，是基于用戶終端顯示的真實環境條件，通過數字化建?；蚴琴N圖，使虛擬信息與真實環境疊加并使得用戶與虛擬信息進行實時模擬交互的數字化技術。簡而言之，AR技術使得現實中無法產出的物體可通過數字化建模的方式于用戶終端中得以實現。而建筑遺產作為人類文化遺產中不可或缺的一種，是人類于幾千年與自然以及神學博弈而出的產物。如何通過更為科學的展示方式將其中所蘊含的文明得以展現，一直是建筑遺產面臨的巨大挑戰。20世紀中葉，教科文組織UNESCO，國際古跡遺址理事會ICOMOS等國際遺產保護組織等機構先后在聯合國設立，全面規范了世界建筑文化遺產的保護方式。其中ICOMOS于2005年通過的《西安宣言》中明確指出建筑遺產不僅包括實體，還包括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。

而在2008 年通過的《文化遺產地闡釋與展示憲章》明確指出，展示是實現文化遺產價值共享的最直接有效的途徑，應通過各種技術手段包括多媒體和網站等對遺產信息進行闡釋與傳達。2016 年，國家文物局開始根據國務院提出的《關于進一步加強文物工作的指導意見》和《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》啟動《互聯網+中華文明三年行動計劃》，首次提出將互聯網運用與文化遺產，通過數字化呈現以對文物進行保護和展示。

1.2 數字化技術對古代建筑遺產之作用

AR技術作為數字化模型建設的一種，可憑借用戶手動進行的操作將環境虛實疊加，以及虛擬模型與用戶的實時交互，使得古代建筑遺產的展示不再僅僅局限于扁平化的圖文或語音介紹，而將通過數字化的實體模型展示加以古代場景環境還原以達到參觀者用自己眼睛去發現，用自己聽覺去感受更為真實的場景的目的。其相較于之前傳統的展示方式，將大大拓寬參觀者所能獲取古代建筑遺產的信息渠道，極大程度地豐富了展示方式。此外，古建+AR能將因技術、經濟或是歷史等因素，無法進行修復的建筑遺產文物進行數字化的備份，建立古代建筑遺產數據庫，歸納整理后由各地文物部門上傳至地方文物網站，通過互聯網對其進行保存以及展示。

1.3 “（古建筑+數字化）+”概念提出

首先，我們把研究重點放在了皖南。皖南古村落于安徽省長江南部山區范圍內，且以西遞和宏村為代表的典型古村落，是一種有著濃厚徽州文化特征的具有地域文化背景的歷史傳統村落。皖南山地具有悠久的歷史和豐富的文化底蘊，許多具有相似特征的傳統民居和村莊都保留了下來。在實地調研了宏村、西遞村、屏山村、南屏村之后，我們選擇了西遞村。西遞村的古建筑保護良好，商業化氣息要弱于宏村且發展轉型要強于屏山村以及南屏村。因此我們選擇西遞村成為課題中皖南部分的傳統村落代表。

1.3.1 “互聯網+”概念源頭提取

“互聯網 +”即互聯網與各傳統行業的結合，以互聯網為媒介，取長補短，以達到發揚傳統行業的目的。

“古建+”概念取與“互聯網+”，其將古代建筑遺產與其他的行業進行結合，以塑造出各種全新的業態。其并非單一的兩者相加，而是通過各自領域的優勢平臺，利用古代建筑遺產對人們的吸引度，以達到“1+1＞2”的目的[1]。

1.3.2 “（古建+AR）+”平臺的搭建

本文從“古建+”中提取出內在邏輯，以古代建筑與AR結合為主要平臺，提出“（古建+AR）+”，以通過探討古代建筑遺產以AR技術的方式呈現出更為強大的展示途徑，并于傳統行業結合，達到（1+1）+13的目標。

鄉村振興需要轉型。隨著休閑旅游的發展以及消費需求的擴大，過去單一的農家樂模式早已無法滿足市場發展的需求，轉型成鄉村綜合體或是大勢所趨。鄉村綜合體集生態農業、旅游度假、寫生測繪為一體。轉型后的鄉村不再是傳統村落，鄉村里居住的人也不只是鄉里人。對西遞村進一步調研后，我們提取了“(古建+AR)+文化”、“(古建+AR)+生態”、“(古建+AR)+旅游”、“(古建+AR)”度假”，這四個“(古建AR)+”轉型發展模式。

2 古建+數字化的必要性

21世紀，科技的飛速發展，使得人們的生活質量有了很大的提高，科技的發展使得建筑技術也有了長足的發展，在城市化進程中，很多古老的建筑都面臨著被拆除和保護的問題，而對于這些古老的建筑，政府也在不斷的采取保護措施，讓更多的不受重視的古建筑得到更好的維護與修復，這是我們的文化遺產中的一塊瑰寶。然而，由于各種不可預測的天災等原因，我國古代建筑也面臨著較大的困難。

在山西，著名的魁星樓在一場大雨中坍塌，幾乎所有的村莊里都有清朝和更古老的建筑。其中有古剎，古戲臺，甚至還有清王朝的庭院。山西共有28027座古建筑，6172座被列入各級文物保護單位，其中中國保367座，省保121座，市縣保5684座。其中多數古代建筑未設置保護機制，面臨著自然破壞、人為破壞、火災等多種風險，其安全性也是不容忽視的。

山西2021年的暴雨中，有73%以上的古建筑發生了不同程度的危險。古代建筑的狀況不容樂觀，其附屬于古代建筑的壁畫也存在著各種問題。山西現有約24000余幅壁畫，但由于受自然、人為、外部環境變化等因素的影響，這些珍貴罕見的文物出現了斷裂、起甲、空鼓、酥堿等各種問題。雖然有幾個古老的村莊沒有被遺棄，但是村子里已經被現代化的鋼筋水泥給覆蓋住了，整個村子的建筑風格都被破壞了。古村落的沒落，并沒有因為物質文化的消逝而停止。隨著村莊和鄉鎮行政區劃的調整，有些古老的村莊在命名時就已經完全失去了。從那以后，那些古老的名字就會被永遠地遺忘。

都江堰周邊的許多古代建筑在2008年汶川大地震中遭受了巨大的破壞，其中有一座始建于南北朝，始建于清朝，是為紀念李冰在都江堰修建的。汶川大地震后，這座建立在半山腰的古老寺廟在泥石流中被摧毀。此外，都江堰風景區的大部分古代建筑也受到了很大的破壞。都江堰的秦堰樓在地震中坍塌在這種發展的大趨勢下，將會有更多的古代建筑和遺址從人們的視野中消失。因此，對文物進行數字化保護是當前迫切需要解決的問題。

古建筑的數字化進程人類的發展已經越來越趨于數字化和虛擬化，這種趨勢在2019年的疫情防控中體現的淋漓盡致，線上會議，在線辦公，這些虛擬的網絡設施都被無限的放大，發揮出了它不可被替代的優勢，人們越來越開始意識到數字化的重要性，這樣的數字化方式在古建筑保護中也逐漸被應用，建筑可能會因為歲月的流逝而永遠的消失，這一點我們無法阻止，但是通過數碼手段將其記錄下來，卻可以讓這座古老的建筑獲得“永生”，我們可以通過電子終端將這些古老的建筑重現曾經的輝煌[2]。

3 數字化技術性探究

3.1 三維建模設計

利用三維立體測量技術對文物進行數字化和儲存，保證了古建筑數據資料的真實性不受主觀的人工影響，以及虛擬建筑尺度數據與原有建筑物的高度吻合[3]。

三維建模一般采用三維設計軟件（SKECH, MAYA,3 DMAX等），并利用多邊形建模，設計紋理貼圖，平面 UV，燈光設置等技術，最后將3D和三維建模的視頻進行輸出。這種模式的優點是能夠利用三維軟件來可視和修補受損的建筑部件，因此能夠重現受損和受損的房屋原有的面貌。

圖1 徽派建筑門頭（黃山市盧氏民居復原圖）作者自繪

圖2 門窗大樣（黃山市盧氏民居復原圖）作者自繪

圖3 裝飾性構件大樣（黃山市盧氏民居復原圖）作者自繪

這種形式的數字保存有助于古建筑的保護與傳承。與原有的保存形式相比，數字化保存技術可以與其他數據測量技術相結合，形成對古建筑構件數據的系統數據分析，可為丟失的局部受破壞的古構件提供數據，幫助修復古建筑。

3.2 虛擬現實植入

虛擬現實技術是近幾年快速發展起來的，其核心技術包括：數字化模型重構技術、場景再現技術等。它的多感官特征表現為：它能使使用者產生強烈的感官體驗，讓使用者能夠感覺到它的存在，而動作與互動則能提供使用者真正的回饋。在最好的條件下，虛擬現實的設計不但要讓使用者擁有一種虛無的感官，還要讓使用者體驗到一種置身于游戲中的奇妙體驗。根據以上需求，本文提出了三個最顯著的特征：沉浸感、交互性、想象力。

圖4 雅典娜女神祭祀節游行場景AR活態情境復原

圖5 盧氏民居虛擬展示（作者自繪）

古建筑的“虛化”是利用3D的“動態”、VR技術及其它數字科技能夠對古代文物進行重現與復原，或是通過虛擬現實來感受古代建筑，將古代文物“保存”于現實世界，實現對古代文物的保護與傳承。在虛擬實境中，最大的感受就是利用空間與方位的變換來生成各種立體影像。用數字技術創造出的立體的建筑，在“真空”的狀態下，參與者能夠感受到建筑的建筑特征、裝飾風格和人文特征。富有感染性的交互經驗和情景交互的融為一體。這個虛擬的經歷，突破時空的局限，使觀者更加深入地認識和體會古代的建筑。

在實際應用中，將有關的陳列信息按照時間線進行整合、組織和排列，使整個場景的主題具有強烈的個性、趣味和創新力。時空變化的情景可以使游客在不同的時空背景下，在不同的環境中經歷和觀察建筑的活動、人物和故事。通過 AR技術的展示，使古代建筑的價值得到了充分的體現，使其主題更為鮮明，展示的內容更為豐富，整體與連續性也更為明顯。所以，在展示設計時，設計師要盡可能地將資訊進行分類、加工，以避免由于過分分散而造成的重復乏味。通過對建筑空間、人物、歷史事件等多種物理信息的整合，使建筑空間、人物、歷史事件等得以有效地活化和重構。

另外，AR所傳達的信息應該容易理解。例如，在對徽派建筑的建筑材料等方面，要做到簡單明了，要讓不同年齡、不同經歷和不同的文化背景的參觀者，用他們所熟知的觀念，將這些詞匯轉換為簡單明了的、容易閱讀的表達方式，既能增強參觀者的觀賞性，又能讓參觀者在不知不覺中接受和領悟。

4 古建+數字化的意義

4.1 數字修復

與“站在巨人的肩膀上看世界”同理，新建筑的發展也離不開古建筑的沉淀。越來越多人意識到保護、修復古建筑的重要性，然而，不是所有歷經千百年的建筑都能夠得以保存，不是所有的破損傷痕都能夠被實際復原。

而通過數字化修復古建筑的手段，可以正確、完整地還原古建筑、構件的全貌，并且具有廣泛的應用性和實操性。數字化建模等數字化修復方法，使古建筑得以長期有效地保存，使人們得以清晰、便捷地認識古建筑。

4.2 文化傳承

古建筑的數字化修復也為其在傳播上提供了有利條件，促進古建筑研究，整合文化脈絡，發展文化建設，進行文化傳承。

通過與共享云平臺結合，建立“古建筑數字化博物館”，實現人們在家云游古建筑的可能，讓人們在數字化平臺與古建筑互動，提高人們對其的興趣，增進人們對于古建筑的了解。以此來增強人們的保護意識。讓人人都參與到中國古建筑的文化傳承之中。

4.3 經濟效益

由于人們對精神文化需求的持續提高，古建筑在現代旅游產業中的重要性愈發明顯。古建筑所帶有的歷史文化可以提升其所在城市的知名度，擁有特色古建筑的旅游地，會更吸引游客的目光，引來更多游客的拜訪。因此，保護修復古建筑文化遺產，可以帶動城市文化和經濟的相互促進、共同發展，從而反哺于當地歷史文化，使得歷史文脈得到更好的傳承。

5 結語

隨著現代社會的進步與發展，古建筑的修復與保護已然成為經久不衰的課題。古建筑對于人類文明的重要意義不可言喻，應在修復破損的古建筑，在保護其文化屬性的同時，把握其整體性，并將其意義價值最大化。而虛擬現實技術不斷進步，也為我們數字化修復和保護古建筑提供了物質基礎。我們應抓住時代機遇，在探索古建筑+數字化的路上勇敢前進，充分利用數字化技術來傳承發揚我國古建筑文化。