虛擬現(xiàn)實技術在古建筑復原及保存中的應用研究
——以徽派建筑為例

郎濱

（池州學院 文學與傳媒學院，安徽 池州 247000）

徽派古建筑又稱為徽州建筑，是具有文物價值的世界文化遺產，同時也是徽州文化的重要組成?；张山ㄖO計精美，極具文化底蘊，是先人留給我們的財富，同時也是古人智慧的結晶。因此，如何更好的復原及保護徽派建筑一直是研究者所面臨的重要課題。隨著近年來虛擬現(xiàn)實技術的廣泛應用，使古建筑在保護、展示以及修復都有了強大的技術支持。利用相關技術，制作徽派古建筑虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，對古建筑的復原、保護、傳承都具有十分重要的現(xiàn)實意義。

一、虛擬現(xiàn)實技術與徽派古建筑復原

4月15日，位于法國市中心，有著800多年歷史的巴黎圣母院發(fā)生了大火，整個建筑在火災中受損嚴重。巴黎圣母院火災之后，相關部門所面臨的最大問題，就是如何對在火災中損毀的建筑進行修復。值得慶幸的是，這項工作有著大量數(shù)據(jù)作為參考，在此之前瓦薩大學一位教師曾經對巴黎圣母院進行了數(shù)字掃描，并且保存了相關信息。可以說，在虛擬的世界中，巴黎圣母院仍然屹立不倒。正如浙江大學文化遺產研究院副教授李志榮所說：“災難給我們的警醒是，保護文物本體永遠是最重要的工作，沒有之一。而且，對文物的數(shù)字化記錄必須趕快進行，特別是對于世界遺產級別的文物，要真正記錄到一旦損毀可復原的程度。”可見，用虛擬技術及數(shù)字化技術記錄古建筑的信息，可以為損壞的文物進行修繕、保護和研究工作提供參照的數(shù)據(jù)。目前，虛擬現(xiàn)實技術、三維建模技術和攝影測量技術等現(xiàn)代化技術，已經全面應用于以古建筑保護、復原領域，我國對古建筑古文物的數(shù)字化保護還處在起步階段，但也取得許多成果，如浙江大學對彌山石窟考古、云岡石窟第三窟的數(shù)字化記錄和3D復原，以及西藏阿里托林寺白殿的壁畫記錄等。

虛擬現(xiàn)實技術（簡稱VR），是指在計算機技術基礎上，利用仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、網(wǎng)絡技術，協(xié)同處理技術和多重傳感技術，通過模擬人的觸覺、聽覺和視覺，使人沉浸在計算機模擬的虛擬世界之中，并同時通過虛擬設備對人的動作進行捕捉，實現(xiàn)人機交互的技術?；张山ㄖ鳛橥钅系貐^(qū)傳統(tǒng)村落的重要組成部分，經歷了幾百年分發(fā)展歷程。它是我國傳統(tǒng)建筑最重要的流派之一，是人文景觀與自然景觀高度和諧統(tǒng)一的典范。下文將以徽派建筑為例，闡述制作古建筑虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的過程，并對系統(tǒng)特性進行分析。

二、利用虛擬現(xiàn)實技術復原古建筑的過程分析

對徽派古建筑虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設計，首先需要根據(jù)徽派古建筑的特征進行策劃和調研工作，以此保證設計方案的科學性與合理性，策劃和調研工作主要解決三個方面的問題：首先應選取哪些具有代表性的建筑制作虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它們有哪些特征和內涵；其次要考慮使用什么手段建立虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，包括設計到哪些軟件，操作過程中可能存在哪些技術問題；第三，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的交互性界面包括哪些內容，如何能為用戶提供良好的使用體驗，系統(tǒng)制成后可以在哪些平臺使用，相關的大小，分辨率及清晰度的要求有哪些。

（一）實地測量，搜集資料

徽派古建筑虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)制作的首要步驟是實地測量，實地測量的目的在與獲得古建筑的各項數(shù)據(jù)，以便后期進行建模和對古建筑進行數(shù)字還原。實地測量包括測量的平面、立面及環(huán)境數(shù)據(jù)，并在此基礎上繪制建筑物的草圖。搜集資料包括三個方面的內容：徽派建筑的文字資料、視頻資料以及模型資料。對于文字資料的搜集主要通過查閱相關的論文、書籍，以歸納徽派建筑物的組成、建筑風格以及文化特征，以便為制作虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持和理論支持。特別在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的交互式界面中，需要向用戶介紹徽派建筑的特征，如其結構、裝飾及色彩的內涵，都需要大量的文字資料作為支撐。視頻資料的收集包括兩個部分：其一是對于徽派建筑整體格局的宏觀記錄，其二是對于徽派建筑的細節(jié)進行記錄，如木雕、磚雕、石雕、馬頭墻等。對于徽派建筑的視頻記錄，既可以為后期制作虛擬系統(tǒng)的結構框架提供可供參考的影響，還可以通過視頻展示結合講解的方式向用戶介紹徽派建筑。模型資料的收集，目的在于為后期建模及立體展示提供數(shù)據(jù)參考。

（二）調查訪問、拍攝照片

訪問調查是指，對于古建筑居民進行有針對性的走訪、調查，通過同期聲采訪的方式，記錄居民的口述資料，也可以和相關的文物保護單位聯(lián)系，獲取關于古建筑的資料。在調查訪問的過程中，注重全面地了解古建筑文化遺產的歷史與特征，以便為制作提供一手的資料。為了更好的在系統(tǒng)中還原古建筑以及方便后期進行紋理貼圖，在調查訪問之后，還需要拍攝照片。在拍攝照片時應該注意以下事項：首先，為了方便后期進行檢索，需要對照片進行編號；其次，在拍攝過程中，應選取多種角度進行拍攝，另外，根據(jù)后期制作一天中不同時間的古建筑的環(huán)境需要，所以要分時段拍攝早晨、中午以及下午的古建筑照片；第三，在拍照過程中，除了要拍攝古建筑整體的影像外，還需要拍攝古建筑的細節(jié)，以便為后期制作貼圖提供素材。

（三）建立古建筑三維模型

制作古建筑模型是一個較為復雜的工序，因為古建筑的結構復雜，所以要想將其展示在虛擬空間中，必須要進行細致入微的建模。根據(jù)前期收集的相關視頻，圖片資料，結合三維軟件，如Unity3D、3DMAX、C4D進行建模和制作三維動畫。對于臺階、走廊、墻壁、窗戶、等較為規(guī)整的元素，可根據(jù)其內部的紋理標準進行建模，如球體、立方體、圓柱體等形狀，可以使用多邊形、曲面的方法來建模。對于一些不規(guī)則的元素，如盆景、雕刻、樹木等，需要采用隨機的分形集合技術來制作模型。建模以后，將場景模型添加到整體環(huán)境中，并在環(huán)境中制作UI界面，通過UI界面進行同用戶之間的交互。

（四）場景的貼圖、燈光和烘焙處理

在整體環(huán)境制作完成以后，需要對古建筑模型進行貼圖，貼圖的過程是將前期拍攝的古建筑的照片，通過軟件，與古建筑框架進行合成。對于某些達不到要求的照片，還需要先用過PHOTOSHOP軟件進行處理，然后才能進行貼圖。比如對于照片色相、飽和度、曲線、對比度的修復，目的在于讓照片更加的合理逼真，以能夠更完美的貼合場景。

（五）合成與測試

該階段主要是將貼圖、模型、場景，通過添加特效以及攝影機的運用最終合成為一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的過程。在合成以后，還需要對系統(tǒng)在不同的操作平臺下進行測試，重點測試古建筑虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的穩(wěn)定性和交互性。測試結束后，根據(jù)測試結果進行進一步的調整，以保證各個交互式界面的功能夠穩(wěn)定的運行，并總結出該系統(tǒng)運行的硬件環(huán)境。

三、虛擬古建筑特征分析

1993年，美國科學家Burdea在他所發(fā)表的報告《虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)及其應用》中，提出了“虛擬現(xiàn)實的三角形表示”[1]。其描述了虛擬現(xiàn)實技術的3I 特性——交互性(Interaction)、沉浸感(Immersion)和構想性(Imagination)。根據(jù)對前期制作的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分析，對照虛擬現(xiàn)實技術3I特性，可以總結書徽派建筑虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特征有以下三個方面。

（一）交互性

同計算機系統(tǒng)的交互式界面不同，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的交互實現(xiàn)不是通過鍵盤和鼠標等外部設備，而是借助位置追蹤儀、遙控器、數(shù)據(jù)手套、眼動儀等設備通過捕捉用戶的動作在虛擬場景中進行交互。如在虛擬場景中，用戶可以通過步行、轉身、坐下等動作進行交互，還可以通過力反饋設備拾取虛擬場景中的物體，而物體的設計重量會通過力反饋設備作用在人的手上，進而模擬出真正拾取物體的重量感。在虛擬古建筑系統(tǒng)中，用戶可以通過VR眼鏡、數(shù)據(jù)手套、追蹤頭盔、遙控器等外設，進行360度全方位的場景瀏覽，在瀏覽的過程中，用戶可以觸發(fā)系統(tǒng)中的若干開關，以得到系統(tǒng)的反饋信息，如用戶可通過數(shù)據(jù)手套虛擬觸摸系統(tǒng)中的門環(huán)，此時古建筑的大門就會打開。此外，用戶還可以借助互聯(lián)網(wǎng)和同時在線的體驗者進行語音和視頻的交流，這些交互模式都能夠對用戶的動作做出反饋，并帶給用戶真實的模擬效果。

（二）沉浸感

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸來源于通過計算機模擬的虛擬世界給用戶帶來視覺、聽覺、嗅覺以及觸覺全方位的感受。從視覺和聽覺來講，徽派建筑虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可使用戶產生身臨其境的感覺，這種體驗一方面來源于對于徽派古建筑逼真的視頻捕捉，另一方面來源于對于真實環(huán)境的光與影，色彩與細節(jié)的復原。此外，帶給用戶沉浸性體驗的虛擬環(huán)境并非一層不變的，通過界面設計，在原有建筑物不變的基礎上，增加春、夏、秋、冬季節(jié)更迭所帶來的環(huán)境變換，同時模擬出早晨、中午、傍晚的一天的時間變化所帶來的光線變化，強烈的真實感與互動感讓體驗者能沉浸其中。嗅覺和觸覺的體驗，需要借助相應的終端設備才能實現(xiàn)，參考當下流行的4D電影觀賞模式，我們發(fā)現(xiàn)，對于觸覺與嗅覺的模擬體驗，主要來源與對于溫度和空氣的控制，4D電影中的觸覺和嗅覺模擬，主要是通過添加了噴霧裝置及機械聯(lián)動裝置的座椅來實現(xiàn)，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，還需要相應設備的普及才能帶給觀眾相同的體驗。

（三）構想性

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構想性主要是指在虛擬的環(huán)境中，體驗者根據(jù)獲取的信息，對環(huán)境進行判斷和想象，并由此掌握相關的規(guī)律的過程。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的想象性體現(xiàn)在用戶通過對于虛擬環(huán)境的認知，經過理性思維，創(chuàng)造性的構想出客觀上不存在的環(huán)境?！疤摂M現(xiàn)實技術中的想象性強調作品具有廣闊的可想象空間，可以拓寬人類認知范圍，不僅可再現(xiàn)真實存在的環(huán)境，還可以隨意構想客觀上不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。”[2]徽派建筑虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)除了可以再現(xiàn)安徽地區(qū)的古建筑意外，其實踐操作模塊，還可以使用戶自己組合相應的建筑物，打造自己的建筑空間。在這個場景中，每一個客戶都可以是設計師、藝術家，他們可以根據(jù)自己的興趣和審美，創(chuàng)造自己的古建筑。“虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸性和交互性能夠給體驗者帶來強烈、逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的虛擬體驗，想象性則能給體驗者從虛擬環(huán)境中得到感性和理性的認識，從而深化概念和萌發(fā)新意?！盵3]古建筑虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可以通過其想象性的特征，使用戶在獲得身臨其境的虛擬體驗的同時，還可以使其對古建筑的內涵以及結構產生理性的認知。