VR/AR與數字化交互技術在古建筑保護推進中的應用

虛擬現實技術具有3I特征，在古建筑保護中應用廣泛，對數字化虛擬現實技術、 AR/VR 技術在古建筑保護推進應用和意義進行探討，熱河文廟作為研究藍圖，介紹數字化虛擬現實技術、AR/VR 技術在古建筑數字化復原、三維數字漫游系統，以及人機互動等多個方面的應用模式。古建筑遺產是寶貴、不可再生和不可替代的資源，是社會文化積淀與發展的真實寫照，也是中國優秀傳統文化的深刻內涵。古建筑記載了當地城市的歷史變遷，見證了一段歷史的文明，古建筑承載著輝煌的文明，繼承和發揚民族精神，是先輩為我們留下寶貴的財富，也是我們強化社會主義精神文明的重要源泉。

歷史文化城市的靈魂，古建筑見證了城市的歷史變遷和時代發展，成就了古建筑蘊含豐厚的文化內涵，然而隨著時代的發展，古建筑保護卻被忽視，致使許多古建筑遭到破壞和遺忘。作品將熱河文廟作為研究藍圖，通過對熱河文廟調研得知熱河文廟歷史悠久，是清代三大孔廟之一，但熱河文廟受到的重視程度明顯低于另外兩座北京文廟以及曲阜的孔廟。

我國建筑古跡以及歷史街區資源較為豐富，但是大眾對于古建筑文化內涵、基礎知識知之甚少覺得枯燥乏味。許多建筑遺跡為了提供更好的保護，不向群眾開放，這反而失去了古建筑精神傳承與文化傳播；也有許多古建筑由于保護所需要的費用過高，而其產生經濟價值并不能滿足日常維護，出現不可挽回的損壞。古建筑文化的傳承，需要的是強而有力的保護工作，這就需要數字化技術對其進行研究、保護。古建筑的活化，并不是單純地使古建筑脫離靜態展示，而是與人類產生情感。

未來應用前景。古建筑應用數字化技術在我國處于起步階段，但應用廣泛，unity、虛幻引擎等數字化交互軟件大多應用于游戲制作，但古建筑融合互聯網需要相應的技術支撐，整體方向比較新穎。加之我國歷史悠久底蘊深厚，擁有許多的歷史遺址，運用數字化技術手段開發和保護古建文化遺產，讓游客身臨其境感受古建筑的魅力，制作成本低，創意性強，吸引消費者，具有極高的經濟價值和社會價值。

提高保護成效。數字化技術的應用在短時間內古建筑的成本就會明顯上升。但從更長期的視角考慮，通過擴大對古建筑保護工作的多樣性，擴大了職業選擇范圍，在一定程度上節約了不少人力資源成本，也同時提供了一個更為合理的保護方式。同時，將數字技術應用于古建筑，可以提高文物的保存效果，減輕文物的保存與宣傳資金短缺的問題。以熱河文廟作為研究背景，該建筑為現存建筑在2011年時保護工作完成并對外開放，所耗費許多人力、物力，而已經被摧毀的建筑，如對其進行實景復原，修繕保護費用更高。

為后續提供便利。古建筑的圖紙信息、建造工藝等數據也極其重要，以前這些數據將通過圖紙、文字、影像等形式進行保存，存檔整理所需的工作量巨大，信息也不易查找。利用計算機技術將極大解決以上問題，利用三維數字模型集合古建筑各種構建的相關數據，將二維的圖紙轉變為三維模型，解決二維圖紙難以表達的特殊構件制作工藝，也為后續研究、維護帶來了巨大便利。

促進旅游業發展?！盎罨攀菍沤ㄖz產最好的保護”，古建筑是古人智慧的結晶，在現代卻僅有愛好者和專業的人才了解，其科普渠道限制了傳承與發揚，弱化了保護意識和創造作用。而虛擬現實作品最大的特點是既讓觀者有參與性、互動性、真實性的體驗，又可以帶來情緒、感官上的體驗，提升游客對建筑遺產的吸引力，進而取得較好的社會旅游發展。

古建筑旅游與保護現狀問題

數據分析與結論。通過對熱河文廟在網絡調查和實際走訪后觀察到大部分游客在文廟停留的時間不足30分鐘。游客停留時間少、走馬觀花式瀏覽等問題為多數古建筑群落景點通病，在導游的引導下，對建筑的深刻內涵知之甚少，對建筑文化遺產了解甚微。無論是從保護還是從傳承古建筑文化的角度來看，這種形式都存在一些問題。

古建筑旅游枯燥形式單一。建筑遺產的介紹還是以傳統的圖文和導游介紹的方式為主，形式過于單一，多是靜態展示。然而，大部分群眾對游覽的需求已不僅僅局限于匆匆一瞥，而是更高層次地尋求古建筑的文化內涵。古建筑具有文化內涵，是特定歷史時期內人們的生活方式，人文習俗的直接體現。我們更應該利用好這一因素，數字化交互、虛擬現實手段對古建筑的介入迎合了這一問題，引入新形式、新要素，控制在古建筑承載力和精神承載力范圍內，同時促進當地文化的繼承和發展，進而對古建筑了解和傳承延續。

游客古建筑知識匱乏。大部分人對古建筑營造知識不了解、不清楚。然而，如果一個人喪失了文化認同，那么就會喪失其想象力與創造性。普及古建筑的基本常識就變得十分必要。發展程度極高的文字傳統，使千年來中國一直非常重視“被記錄下來的文明”，琴、棋、書、畫，無不得到精深研究。古建筑是一個城市的記憶和一種文化的沉淀。游客認為古建筑千篇一律其中一個原因就是不了解古建筑的營造形制，對于古建筑形制、構建的科普同樣重要。

虛擬現實技術在古建筑中的應用

在古代建筑展示方面，外國最先采用虛擬現實技術，如谷歌地球的羅馬古城三維虛擬仿真展示、洛杉磯費城的城市虛擬仿真、英國的古墓麗影，游戲中使用的虛擬盧浮宮等。從1993年開展的數字敦煌是我國首個虛擬古建筑項目，2016年敦煌研究院推出數字敦煌。故宮的VR“紫禁城”項目《紫禁城·天子的宮殿》允許游客在真實條件的限制之外，近距離觀看紫禁城。

古建筑的數字化復原主要依賴于三維掃描、全景攝影、三維建模等技術手段進行數字化處理，生成數字模型，可以將現存或已損毀的古建筑進行復原、研究、展示。利用數字化交互技術和虛擬現實技術等新一代的電腦技術，對古建筑進行數字化復原和交互，既能使文物資料得到永久的保留，也能降低因人為原因造成的破壞，同時還能通過網絡進行推廣。

古建筑沉浸式再現。圓明園的線下展覽“萬園之園”再現其輝煌盛景，通過這些特殊的點位，可以讓人親身體驗到圓明園的輝煌。避暑山莊的VR導覽通過全景攝影的手法展現，介紹避暑山莊各個景點的歷史文化，對于線下的旅客可以清楚了解避暑山莊各個建筑的變遷；對于線上，人們可以足不出戶了解避暑山莊。

VR/AR技術在熱河文廟數字化

還原中的應用

熱河文廟基本情況。在承德市自然資源和規劃局關于公示《承德歷史文化名城保護規劃（2020年—2035年）》（草案）的通知，規劃保護范圍為市域范圍，總面積3.95萬平方公里，重點保護范圍為歷史城區，總面積39.3平方公里。規劃建立以承德避暑山莊及外八廟為代表的文物保護單位及32處歷史建筑，其中熱河文廟在二道牌樓歷史文化街區保護區內。

熱河文廟占有重要地位。歷史上輝煌的御路歷史為西大街賦予了獨有的文化背景，西大街歷史上是連通兩座城市的歷史御道，現今也是承德市人民生活、出行的關鍵場所。熱河文廟落座于此，在經歷了歲月輪換，百載歲月熱河文廟并未沉寂，而是看著承德的發展日新月異。

熱河文廟在經歷徹底性的摧毀后，以及近現代使用功能的變遷，熱河文廟在2011年經歷了四年的復建工程“修古復古”后正式開放，每年舉行祭孔活動，逐步發展成為具有孔子文化特征的民族文化，一些關于讀書節、敬老活動、朗誦活動等也在熱河文廟廣場舉行。

打造虛實結合的熱河文廟三維數字漫游系統。采用數字化交互手段，結合虛擬現實VR/AR技術，對熱河文廟進行數字化三維建模，構建逼實的虛擬熱河文廟沉浸式場景，使受眾可以隨時進入虛擬世界，在觀眾的操控下，將熱河文廟放置在眼前，使從古至今人們對文廟的習俗、歷史事件、建筑構造等重現，對其互動，讓受眾可以在熱河文廟景點、線上平臺擁有沉浸式體驗感。通過web、pc、移動設備等瀏覽體驗數字化交互漫游，其中設置了以下交互體驗部分。

熱河文廟三維全景漫游系統。該部分采用數字化三維建模以及虛擬現實合成技術制作出熱河文廟虛擬漫游系統，使游客進入程序即可置身于熱河文廟虛擬實景漫游，在泮池、大成門、御碑亭、大成殿等，都設有有關史料，觸發建筑主體可觀看視頻，熱河文廟3D立體觀光游覽已經完成，可以在PC端、手機端應用。使用者可通過鍵鼠或手機搖桿設定第一人稱，游覽復原后的熱河文廟。數字化交互程序可以在線下讓受眾更加了解熱河文廟的歷史文化內涵，線上也可以足不出戶瀏覽熱河文廟。將熱河文廟轉化為線上虛擬世界，手指點觸之間便可游覽體會千里之外熱河文廟的歷史莊嚴。

熱河文廟內部建筑歷史科普。數字化交互后的熱河文廟，還可以提供單體建筑的科普功能，通過資料查找以及閱讀相關文獻古籍等尋找與文廟相關的歷史名人的故事，為文廟歷史增加趣味性。人機交互過程中可以通過點擊下方按鈕彈出科普界面，了解建筑的歷史背景、建筑工藝以及建筑故事，還可以通過音頻介紹收獲視聽感受，針對線上受眾還設置了視頻播放功能以影、音、字形式介紹文廟。通過古建筑代代相傳的精神思想中國歷史文化、民族習俗，它不僅包含豐富的歷史文化，更體現著深厚的人文智慧。探索建筑中包含的歷史文化和建筑工藝，多維度感知呈現出熱河文廟的歷史、建筑格局與文化風貌與古建保護的現狀，解決文化氛圍低迷。

依托熱河文廟科普古建筑基礎知識。古代建筑的美在于，它承載著不同歷史時期的人文特征，承載著桂殿蘭宮間亙古流傳的故事，承載了中華千百年的歷史文化。對我們來說，中國古代建筑是中國千古文化內涵的見證，巧奪天工的構建、令人驚嘆的榫卯結構都是歷代中國匠人的智慧。熱河文廟中建筑形制豐富，具有硬山、歇山、廡殿以及重檐建筑形式，其構建方面具有許多豐富的構建形式，具有極強的科普性。

建筑形制科普。游客認為古建筑容易千篇一律，分不清建筑形制，無法激發游客對古建筑的興趣，如何解決要形象又不失趣味地描述這些古建筑形式，筆者做出如下方案，首先整理建筑形式，參考拼圖、樂高積木的形式，與受眾產生互動性，選取大成門、御碑亭、大成殿進行互動拼裝，查閱大量文獻資料，制作數字化三維模型，仔細制作建筑各部件。當受眾拼裝完成后，彈出拼裝完成按鈕，可以通過鼠標或虛擬搖桿對模型進行環繞觀看；點擊建筑簡介，即可以視聽的感受加深對古建筑形制工藝的了解，以致敬古人的榫卯智慧，傳承中國建筑文化。旨為科普建筑形制，讓拼裝紙藝與中國古建筑碰撞出絢爛的火花，讓中國歷史文化在拼裝體驗中得以傳承與流轉。

古建筑拼裝在實體玩具中較為常見，但是在數字化交互中這些形制、構建科普并不常見。大多數以單個部件或單個建筑形制進行文字科普，無法做到讓受眾了解各部件具體在哪里，這種虛擬交互的拼裝形式可以讓受眾了解清楚，熱河文廟交互展示如圖1所示。

建筑構件科普。除了古建筑虛擬交互拼裝形式，在全景虛擬漫游中點擊建筑附近的觸發按鈕，可以顯示建筑的部件熱點，懸停在熱點按鈕上可以顯示部件的名稱，更加具有立體感、可以生動形象地展示部件名稱，解碼中國古建筑，對于線下的游客，可以使虛擬與現實相結合，根據虛擬了解現實，根據現實操縱虛擬。

其中懸停方式顯示部件名稱，可以降低用戶對難理解或陌生界面元素的學習成本，不至于交互程序過于復雜導致受眾看不懂，采用“即時反饋+延遲反饋”熱點提示，對要呈現的信息內容分類，差異化地設置反饋時間。

數字化交互技術在熱河文廟中的開發流程

開發流程：收集、歸納資料詳細研究歷史文化以及結構特點。詳細研究熱河文廟建筑群的結構特點，熱河文廟為三進院建筑群落，大成門位于泮池之后，是典型的歇山建筑，兩邊有對稱的耳房正中開門，中軸線貫穿其中；御碑亭為重檐歇山建筑，黃琉璃瓦覆頂，地內雕刻海水江涯，御碑陽刻乾隆“御制熱河文廟碑記”，陰刻“御制熱河承德府記事八韻有序”；大成殿是孔廟的核心，重檐廡殿建筑，黃琉璃瓦覆頂，是全文廟等級最高地位的建筑。

精準化還原建模、建立并調整數字化三維模型。模型延續前人研究，采用su建模方式，對熱河文廟建筑群需要修改的地方不斷探索改進模型使其更加精確，包含照壁、牌坊、欞星門、泮池、泮橋、大成門、碑亭、東配廡、西配廡、大成殿、崇圣祠等，使其突破平面空間想像，如圖2所示。

制作素材以及人機交互按鈕、界面。交互界面主要包括主界面按鈕、消息提示框、熱點圖標等，整體采用較為簡潔的中式線框，將熱河文廟的建筑元素結合在一起，更能代表古代建筑的獨特風格。在unity中，我們可以創建按鈕、彈出信息框和熱點提示等元素。我們可以按要求設定這些要素大小，然后把按鈕作為PNG的透明背景照片進行存儲。信息框可以使用底色，這樣可以更好地展示信息。

數字化交互以及VR/AR技術應用在古建筑保護和數字化復原中，可以突破時空限制，充分發揮古建筑的價值，數字化技術在古建筑的保護中具有豐富的應用前景，隨著技術的發展，應使數字化技術與古建筑復原技術相互融合，實現建筑復原智慧化，這也需要開發者能夠掌握建筑營造形式、建筑形制、構建部件的詳細信息。充分利用相關設備和技術對現有建筑乃至遺址進行測繪、計算、復原，通過相關軟件把模型的營造形式、材質、紋理等信息真實貼合，在虛擬現實交互中，模擬展示現存或已損毀的古建筑遺產。

（作者單位：河北民族師范學院美術與設計學院）