混合現實技術在建筑遺產實踐教學中的應用優勢研究

程世卓，裴立東，張文昭，郭琳媛，王碧強

(蘇州科技大學建筑與城市規劃學院，江蘇蘇州，215000)

一、研究背景

信息技術飛速發展，計算機三維處理能力顯著增強，低成本傳感顯示元件更新迭代，使得混合現實技術集群的應用在理論技術與應用開展等方面都取得了長足進步，并在仿真訓練、工業設計、交互體驗等多個領域得到普遍應用，解決了諸多重大問題和普遍性需求。由于混合現實技術具備的現實空間與虛擬空間交互特征，它在歷史建筑時間和空間層面具有獨特的表現形式，與建筑遺產保護的專業需求高度契合，為建筑遺產保護領域提供了新的研究思維和方法體系。

混合現實技術通過在現實場景呈現虛擬場景信息，在現實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，增強用戶體驗的真實感。[1]混合現實技術利用相機跟蹤注冊、位置與角度傳感器、視頻圖像增強等虛擬環境技術把真實的事物疊加到虛擬現實里，利用Nreal、三維立體顯示設備實現建筑的三維建模，輔以依據文獻材料的考據而補充的人工數字建模，進行虛實場景實時融合繪制，一定程度上還原歷史建筑原貌，最終憑借Holo-Lens、可穿戴顯示設備等三維角色的增強虛擬環境技術，讓人們切實地感受到歷史建筑遺產的本體、細部及其環境氛圍。

因此，這一新興技術與現實素材的優化結合，已被建筑遺產保護工作者積極應用，實現了學科的前沿化推進。[2]與此同時，傳統建筑遺產實踐教學仍然面臨著諸多問題。近年來，諸多國內外知名建筑院校已嘗試應用混合現實技術到建筑遺產的實踐教學中，并取得了突破性的教學進展。如何總結、吸收這些經驗，促進該技術不斷適應教學需要，實現優化、普及，是目前高等院校建筑學教育的熱點問題，也是提高實踐教學效果的機遇。

二、建筑遺產實踐教學中的問題

(一)信息認知碎片

在建筑遺產實踐教學中，對建筑遺產相關信息進行全面的調研和把握是基礎環節。然而，目前大多數的建筑遺產存在原真性缺失問題。一方面是因為在歲月長河中，一定數量的建筑遺產因疏于保護而出現了建筑面層材料破損、結構構件脫落等現象；另一方面是因為在城市建設更新中部分建筑遺產被再次利用或改建，在此過程中由于建筑保護意識和保護能力不足，出現某些藝術裝飾被人為替換、重要部件未得到科學修繕等現象，導致現存建筑遺產信息不準確。因此，在傳統教學方式中，學生難以全面、準確地掌握建筑遺產的真實歷史信息。

對建筑遺產本體信息損毀和改變的問題，傳統教學模式的應對方法是從歷史文獻中查詢相關內容進行互足。但文字資料、歷史圖片通常年代久遠，質量和精度欠佳，學生在有限的實踐學習時間內很難透徹解讀和全面理解。同時，以二維的方式(手繪圖紙、文字梳理等)記錄、展示建筑遺產的相關歷史信息存在很大的局限性，前期調研成果的呈現效果欠佳。

對建筑遺產信息的周全認知是對建筑遺產進行改造、修復、利用等環節的必備前期基礎，而傳統教學模式的調研方法難以全面覆蓋建筑遺產的信息需求，致使學生對其認知碎片化，給建筑遺產實踐教學的接續程序帶來不便。

(二)環境感知受限

基于對建筑遺產本體的了解，直觀體會其所處的自然環境、城市環境和人文環境，同樣是建筑遺產研究和實踐課程的必備環節。但是，傳統的實踐教學程序的環境感知環節往往存在兩個問題。

其一，現存建筑遺產環境歷經多年的變遷，大多數處于被遮擋或被使用得不可接近或不可進入狀態，為師生的環境調研帶來了一定的困難。例如，楊廷寶規劃設計的東北大學校園及其附屬建筑，現已被劃定為省級文物建筑群體，由遼寧省政府機關單位使用，師生對該建筑群體進行全面的環境調研和建筑測繪必然會對辦公人員造成干擾，且辦公的私密性要求也令建筑調研工作難以全面展開。

其二，受城市發展等現實條件的影響，建筑遺產所處的環境存在材質、環境條件的更迭，原有的整體氛圍難以體現。例如，哈爾濱圣·克列謝耶夫教堂的主體的整體結構基本完好，內部藝術裝飾信息尚存，但因人為的破壞，該建筑已湮沒在破敗的民房群落中，當年寧靜、肅穆的教堂廣場已蕩然無存，真實且寶貴的建筑人文環境和藝術氛圍已經消失。

(三)實習過程艱苦

建筑遺產的研究和實踐學習涉及對歷史遺存的甄別、結構的復原、構造細部的修繕等多個環節，學生不僅需要扎實的專業技能基礎，而且需要對專業細節保持專注和耐心，這樣才能保證教學成果的準確、科學。因此，建筑遺產實踐教學相較其他繪畫寫生實習、城市調研實習等更為嚴謹且枯燥。

同時，建筑遺產實習的實地調研、細部推敲、階段成果比對等環節都需要近距離觀察建筑實體，大量的學習實踐需要在建筑遺產現場完成。由于本科階段的建筑遺產實踐環節通常安排在暑期，而建筑遺產現址常處于荒廢或條件欠佳狀態，因此，高溫酷暑、蚊蟲叮咬、現代衛生設施不足等物理條件使學生實習過程較為艱苦。

(四)修繕成果單一

傳統技術主導下的建筑遺產實習的教學成果形式通常是繪制圖紙、制作計算機模型，最終截取模型的關鍵部分統一編輯成二維圖片。這一成果形式雖然具有保證標準規范、形式統一、查閱簡便等優勢，但也存在成果展示片面、欠直觀、形式單一的缺點。

近年來，在數控模型機輔助下，部分高校開始嘗試將建筑遺產的實習成果制作成3D模型。該方法有效規避了二維平面成果形式的弊端，但在數年的摸索與總結中，其局限性也逐漸顯現。首先，能反映建筑精細化模型的制作時間成本、人力的耗費較大，學生往往難以在規定的學時內完成。其次，3D實體模型主要用于成果的最終展示，并適合用于階段性推敲建筑模型，且模型的局部調整工作量大，對幫助認知建筑遺產結構的意義有限。最后，展示學生制作的3D建筑模型需要較大的空間，教學成果的保存占地嚴重，這也成為近年來這一教學改革實施的主要現實障礙。

三、混合現實技術在建筑遺產實踐教學中的應用優勢

隨著混合現實技術在建筑遺產研究領域的應用條件的成熟，近年來多所中外知名建筑院校和科研院所逐漸將該技術體系納入實踐教學環節。該技術有效突破了傳統建筑遺產實踐教育中的局限，在教學領域體現出顯著的優勢。

(一)前期調研充分直觀

混合現實技術應用到建筑遺產的實踐教學中，在前期調研環節發揮了顯著的優勢。

一方面，使學生對建筑遺產信息的認知更全面、直觀。混合現實技術可以將來自史料、檔案的各種信息以專業、直觀的形式登記在信息平臺上，準確、詳盡地記錄建筑遺產的物理現狀，使師生能夠獲得建筑遺產不同歷史層面的信息。例如，在對拜占庭圣·馬可大教堂的教學與研究中，米蘭理工大學開發了“BIM3Dsurvey”軟件，專門用于存儲教堂墻面上大量且珍貴的馬賽克壁畫的高清圖像、位置、年份、歷史背景等信息。雖然壁畫的馬賽克片不斷脫落，但根據考古學的信息補充，研究人員和師生就能夠通過該軟件獲得壁畫的歷史原貌及其不同代表時期的信息，為圍繞教堂進行的建筑遺產課程提供基礎的信息保障。

另一方面，能夠還原建筑遺產的真實歷史環境及其氛圍的原真感受。混合現實技術可以在教學中以虛實融合的方式展現建筑空間形態和組合形式，構建一個三維空間，使學生身臨其境地感受體量、尺度、形狀和比例，同時還原歷史或關鍵時期歷史建筑所處的環境狀態，使學生更好地理解建筑的空間塑造和人的精神反映。目前，一些建筑院校和科研院所根據歷史資料復原出建筑乃至完整的虛擬場景，讓戴上混合現實眼鏡的學生可以切身體驗建筑空間、近距離觀察建筑細節，大幅優化了前期調研的效果，為實踐教學的開展夯實了基礎。

(二)學習方法標準易學

混合現實技術雖然包括多種技術方法類型，但經由多年的探索積累，業界已經形成了幾條成熟的技術路徑，學生只要掌握基本的操作規程和模塊應用，就可以進入學習狀態。

例如，在麻省理工學院的Atoms Atelier數字遺產工作坊中，教師首先詳細講解攝影建模(Photogrammetric Modeling)、全景視頻(Panoramic Video)、游戲引擎(Game Engine)、無人機(Drone)及虛擬現實(VR)、增強現實(AR)等技術的原理和應用，然后手把手教學生從零開始學習Agisoft Photoscan、Autodesk Recap Photo、Unity Game Engine、Rhino等數字化軟件。學生通過AR技術和全景視頻，以數字化的方式沉浸式地學習建筑遺產的歷史，并運用Unity Game Engine、Rhino等數字化軟件建構建筑遺產模型，高效、準確地再現歷史場景。

與此不同，我國的中視典公司采用混合現實設備，借助微軟的Holo-Lens工具，開發了適用于建筑遺產教學及研究的教學平臺，以解決中國傳統建筑的實踐教學難題。以寧波保國寺大殿為例，該教學平臺能夠生動地再現宋代木構建筑建造過程的三維影像，為學生快速掌握傳統木構式建筑的特點提供技術支持。同時，該教學平臺還設有古建筑監測觀察模塊，通過接入保國寺的每個構件狀態數據，學生能夠觀察到該構件的具體信息。這一技術舉措為學習建筑遺產及其重要構件提供了便利，讓學生可以自主動手選擇學習內容和時長。[3]目前，該教學平臺已被同濟大學、江南大學等國內多所知名高校用于傳統建筑木構架的認知、學習和實踐環節，已經取得良好的效果。[4]

(三)學習過程沉浸有趣

在建筑遺產實踐教學中應用混合現實技術的一個最突出的特色便是可以使學生充分沉浸在建筑遺產的歷史環境中，近距離學習歷史建筑。

混合現實技術可以準確地獲取人在三維空間中的位置信息，使多名學生同時處于虛擬的歷史空間中，并扮演歷史中的角色，一起對建筑進行細致的觀察和交流。學生不局限于站在某一個固定點上，也不必作為孤立的個體存在于虛擬空間中，而是可以作為環境的一部分直接與同一場景中的同學交流，感受模擬歷史情境中的氛圍。

除此之外，學生還可以與空間互動。麻省理工學院的Atoms Atelier XR工作坊的成員在教師的指導下，設計了一個和解謎游戲相結合的增強現實程序，通過情感敘事構筑空間序列，以此強化參與者的感知，并激發他們對學習文物古跡的興趣。

近年來，建筑設計行業開始采用Holo-Lens的混合現實技術，設計人員佩戴Holo-Lens全息眼鏡，在同一位置空間中，通過可視化的三維模型多角度觀察、交流和修改建筑設計，為設計工作帶來了極大的便利。[5]建筑遺產實踐教學近期也借鑒了這一方法，研究了斗拱構件化模型的虛擬現實教學應用：戴上虛擬現實眼鏡后，學生可以在虛擬空間中將斗拱構件拼裝成斗拱，拼裝正確就會收到拼接成功的彈窗提示。這些與混合現實技術結合的教學手段使學生擁有沉浸式課堂體驗，提升了課堂的趣味性、學生的積極性，也加深了學生對內容的印象和理解，提升了教學效果。

(四)教學成果準確豐富

混合現實技術對建筑遺產實踐教學成果的最終呈現主要有三個積極作用。

第一，通過混合現實技術可以預先觀察和構建建筑遺產經修復后的形態，提高修復方案的科學性和合理性。建筑遺產因其結構、材料、工藝的復雜性，在傳統的圖紙上反復修改十分耗時耗力，而建筑遺產的修繕容錯程度又極低，一旦出現修復問題，對原建筑造成的損壞是不可逆的。而通過混合現實技術建立數字化建筑模型來推敲建筑遺產的修復方案具有兩個優勢。[6]一是能夠代替傳統的通過文字和二維圖像表達的方法，提升師生、研究人員之間的溝通效果；二是所營造的虛擬空間，不僅可以展示建筑和景觀，而且可以融入人類的知識積累和感官感知，多維度地展示建筑遺產的細節，避免“想象式吸收”產生的知識謬誤。

第二，可以調動多個領域的知識進入教學環節，滿足學生的多元知識需求，令教學成果更完善、準確。例如，日本高校在建筑遺產的實踐教學中廣泛應用小組方式，由教師帶領學生參觀建筑遺產并輔助講解。日本Hakuhodo-VRAR 與京都博物館共同設計的“京都混合現實博物館”，采用混合現實設備設計了一個虛擬人物作為觀賞引導者。[7]該方法解決了因教師個人研究領域的局限性而客觀存在的知識缺漏問題，將多領域知識與數據嚴密結合起來，滿足學生多元的知識獲取需求。

第三，在混合現實技術的輔助下，實踐教學的考核結果和教學成果更全面。在建筑遺產的知識考核方面，同濟大學基于虛擬現實技術構建的傳統木構認知與建造系統，讓學生在虛擬空間中實施最終建造并進行考核，避免二維繪圖對多維細節的忽略與含糊處理，確保學生扎實掌握歷史建筑的主要特點。同樣，在混合現實技術的介入下，教學成果能夠突破文本、圖紙等二維形式，由學生自主搭建生成的建筑遺產數字模型，不僅可以全方位地展示學生的學習成果，而且基于嚴謹調研的建筑遺產三維數字復原，能夠形成可記錄和研究的關于建筑遺產的實用、直觀、可調整的數字模型資料，為后續相關研究奠定基礎。

四、結語

建筑遺產教學是一門古老的學科。在我國，梁思成、林徽因等學術前輩開啟了對全國范圍內建筑遺產的專業研究及實踐教學。近百年來它始終跟隨著時代技術進步的腳步，在教學方式方法和教學成果上不斷優化改進。

數字時代為建筑遺產的實踐教學帶來了新的發展契機，基于混合現實技術搭建的海量信息平臺、虛擬現實與增強現實的交錯時空、人機互動感應等強大的數字化系統和傳感設備，建筑遺產的實踐教學突破了原有“實地調研—紙面繪圖”的模式，克服了傳統建筑遺產實踐教學中對建筑信息認知碎片化、環境感知受限、實習過程艱苦、教學成果單一等問題，走入了多重空間、多向維度、沉浸體驗、互動學習的復合多元模式，收獲了多方位的教學效果。今天，混合現實技術越來越成熟，伴隨著該技術的應用范圍拓寬、運作精度精細化、技術操作簡易化等發展，其在建筑遺產實踐教學中的應用會越來越深入，在為該課程的傳統教學體系帶來沖擊和挑戰的同時，也提供了新發展契機和教育革新方向。