虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在歷史建筑保護(hù)中的應(yīng)用研究

摘 要：本文的應(yīng)用研究是利用虛擬現(xiàn)實(shí)這一現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)和展示方式，以新的思路延長(zhǎng)北戴河老別墅建筑群的生命力。研究不僅在于用虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)手段復(fù)原歷史建筑的原貌，并且基于北戴河老別墅在中國(guó)建筑歷史中的重要性，利用虛擬現(xiàn)實(shí)多角度研究，對(duì)部分建筑提出具有可行性的修繕?lè)桨福岣弑贝骱永蟿e墅在保護(hù)修復(fù)過(guò)程中的安全性和可靠性，并致力推廣虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在歷史建筑保護(hù)中發(fā)揮的作用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；北戴河老別墅；歷史建筑保護(hù)

1 北戴河老別墅

北戴河的美麗和神秘，撥動(dòng)了古今中外多少志士仁人的心弦。千古一帝秦始皇，雄才大略漢武帝，志在千里曹孟德，一代明主唐太宗，在這里留下了他們的足跡；康有為、張學(xué)良等等風(fēng)云人物，在這里上演了一出出歷史活劇；新中國(guó)四代領(lǐng)導(dǎo)人在這里做出了許多關(guān)乎國(guó)家命運(yùn)的重大決策。美麗的風(fēng)光，吸引了無(wú)數(shù)風(fēng)云人物，又為她平添了一份神秘色彩。早在光緒十九年（1898）清政府就已經(jīng)正式辟北戴河為避暑地，允許“中外人士雜居”。全世界幾十個(gè)國(guó)家的傳教士、外交官員、富商大賈、學(xué)者名流，北戴河購(gòu)買土地，修建別墅，為后人留下了一個(gè)蔚然壯觀、風(fēng)格各異的世界建筑群。

1.1 北戴河老別墅的保護(hù)價(jià)值

至近代，北戴河各式的名人別墅已達(dá)千余幢，傅作義、何香凝、張學(xué)良等一代名人都在此占有一席之地，北戴河與廬山、廈門和青島并稱為“中國(guó)四大別墅區(qū)”。北戴河的老別墅地域特點(diǎn)明確，多為單層建筑，部分為二三層建筑，均顯露出鮮明的異國(guó)格調(diào)和建筑流派，包含了美、英、法、德、俄、意、比利時(shí)、加拿大、奧地利、西班牙、希臘等多國(guó)人文建筑類型，其建筑風(fēng)格也囊括了維多利亞式、羅馬式、拜占庭式、東洋式等多種建筑形態(tài)。

歷史建筑是文化領(lǐng)域中最具有時(shí)代性、社會(huì)性和民族性的因素，整體而又集中地體現(xiàn)了所建時(shí)期的社會(huì)生產(chǎn)力、時(shí)代精神、民族傳統(tǒng)、地域特性以及社會(huì)的價(jià)值取向，北戴河老別墅所反映出來(lái)的空間與時(shí)間關(guān)系，其深度和廣度是地域內(nèi)其他文化載體所無(wú)可比擬的。它們最能代表城市發(fā)展的歷史，在城市近化過(guò)程中最具有歷史和藝術(shù)特征的也是歷史建筑。它們是城市風(fēng)貌特色的具體體現(xiàn)，是不可再生的寶貴文化資源。

1.2 北戴河老別墅調(diào)研現(xiàn)狀

由于近百年來(lái)的風(fēng)雨剝蝕和各種人為因素的影響，這些不可再得的名人別墅已遭到嚴(yán)重的破壞和蠶食。至目前只存130余座，僅占原來(lái)的18%。隨著一幢幢近代名人別墅被拆除，代之而起的是越來(lái)越高、設(shè)計(jì)雷同的現(xiàn)代建筑，致使北戴河不少地方失去了昔日和諧靜謐的生態(tài)環(huán)境，失去了優(yōu)美的天際輪廓線。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，除使用單位雜亂之外，北戴河歷史建筑及周邊環(huán)境還存在非法拆除、非法改造與私搭亂建、多數(shù)建筑缺乏保護(hù)范圍和建設(shè)控制地帶、新建建筑與歷史建筑的不協(xié)調(diào)、通海視廊被侵占等問(wèn)題，由于各種原因，現(xiàn)在非法改拆歷史建筑的現(xiàn)象雖然不多，但仍然存在。私搭亂建使建筑和環(huán)境破敗、缺乏維護(hù)。如建筑群中的漢納根別墅，改造后的窗體過(guò)于現(xiàn)代化，與歷史氛圍嚴(yán)重不符。有些現(xiàn)代建筑嚴(yán)重?cái)D壓歷史建筑，無(wú)論是建筑高度、形式、體量、色彩等都與歷史建筑格格不入。

背依山體，俯瞰大海，強(qiáng)調(diào)看海的視線不受阻隔，這是北戴河歷史建筑的特色。但由于種種原因，北戴河歷史建筑的周邊環(huán)境多被破壞，如喬和別墅，被新建的高層商業(yè)建筑擋住通海視線。另外有些歷史建筑明裝敷設(shè)的室外電線、空調(diào)等嚴(yán)重的影響了城市景觀并存在安全隱患。有些建筑或廢棄或損壞的情況也較為嚴(yán)重，急需進(jìn)行搶救性保護(hù)。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及研究應(yīng)用

隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息化已滲透到社會(huì)生產(chǎn)與社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，強(qiáng)烈地沖擊著現(xiàn)代城市建設(shè)。21世紀(jì)是一個(gè)數(shù)字城市的世紀(jì)，數(shù)字城市將改變傳統(tǒng)的城市發(fā)展模式，改變?nèi)藗兩a(chǎn)、生活和相互交往的方式，改變經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)和家庭的面貌。而作為城市建設(shè)重要研究部分的歷史建筑保護(hù)與更新的方法也必將發(fā)生根本的改變。

2.1 研究定向

歷史建筑因所處城市空間的特性演變而呈現(xiàn)出新的變化，從城市的功能作用到形象地位都有變異，數(shù)字及其網(wǎng)絡(luò)又提供了保護(hù)與更新的新技術(shù)以適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需求。利用虛擬互動(dòng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的整合，將本研究成果以建筑原貌形式向世人展示，希望該研究手段成為另一種值得推廣的歷史資料保護(hù)渠道。

本研究由于部分北戴河老別墅的保護(hù)曾經(jīng)一度處于無(wú)序狀態(tài)，并導(dǎo)致現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作的難度，由于受到各方面因素的制約，有些在既定測(cè)量范圍之內(nèi)的建筑無(wú)法進(jìn)行精密測(cè)量，所以按照現(xiàn)有條件和不同的保護(hù)要求，將北戴河老別墅的測(cè)量分為三類，即可以精密測(cè)量的、可以短期接觸測(cè)量的、和只能作非接觸式測(cè)量的。

這里的非接觸式測(cè)量是指只可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)全角度拍照的，并盡量做到采集詳盡，對(duì)建筑的形式、結(jié)構(gòu)、材料、保護(hù)和損壞的程度等進(jìn)行后期分析和整理。可以作精密測(cè)量的，盡量將現(xiàn)場(chǎng)建筑數(shù)據(jù)和地形景觀等因素做到調(diào)研到位，現(xiàn)場(chǎng)繪制建筑的各層平面圖、各個(gè)立面圖、和內(nèi)部房間分隔、水平交通和垂直交通的結(jié)構(gòu)等并記錄數(shù)據(jù)，視頻備案，并現(xiàn)場(chǎng)分析建筑原貌以備作為第一手資料記錄在案。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄的數(shù)據(jù)，并依據(jù)需要保護(hù)的級(jí)別分析整理調(diào)研資料，并按照名稱、原房主國(guó)籍、建造年代、位置和所處單位、面積和層數(shù)、現(xiàn)狀和建筑風(fēng)格等特點(diǎn)進(jìn)行匯總成庫(kù)。

2.2 研究學(xué)科領(lǐng)域

建筑科學(xué)——研究涉及到了定量化的中國(guó)歷史建筑理論，其既是一門關(guān)于建筑物優(yōu)化取向的建筑環(huán)境理論，又是一種現(xiàn)代化時(shí)空理論。本研究主要內(nèi)容包括北戴河歷史建筑中的建筑內(nèi)外風(fēng)格、建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料、并將測(cè)繪、制圖及新型材料技術(shù)等在歷史建筑中的應(yīng)用等部分。

景觀科學(xué)——本研究體現(xiàn)了景觀學(xué)與建筑工程科學(xué)的交叉，將生態(tài)保護(hù)措施與建筑工程措施相結(jié)合，營(yíng)建能充分展示景觀多重價(jià)值的人文環(huán)境，形成以不同時(shí)空尺度下的格局與過(guò)程，以人類作用為主導(dǎo)的景觀演化等概念的中心理論框架，形成強(qiáng)調(diào)自然與人文因子相結(jié)合的景觀規(guī)劃。主要研究?jī)?nèi)容包括植物的豎向的詳細(xì)配置、景觀小品的布置、景觀的規(guī)劃等。

計(jì)算機(jī)科學(xué)——本研究是計(jì)算科學(xué)與軟件科學(xué)和信息處理的整體綜合體現(xiàn)。主要應(yīng)用的專業(yè)軟件包括AutoCad、3dsMax、Photoshop、中視典VRP、DreamWeaver等軟件和相關(guān)插件的應(yīng)用及對(duì)老建筑建立數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)軟件等。

另外開(kāi)展了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在歷史建筑保護(hù)的應(yīng)用研究，基于混合現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)歷史建筑虛擬還原和仿真修復(fù)系統(tǒng)，通過(guò)建立三維立體模型和模擬復(fù)原技術(shù)動(dòng)畫，提高了歷史建筑保護(hù)修復(fù)的安全性和可靠性，降低歷史建筑修復(fù)的風(fēng)險(xiǎn)和工作量。“多學(xué)科的結(jié)合和協(xié)調(diào)、科學(xué)的內(nèi)涵、藝術(shù)的外貌、文化的底蘊(yùn)”也是本研究體現(xiàn)的主要內(nèi)容。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在本研究中的應(yīng)用方法

確定歷史建筑的平立面及視頻等采集整理的資料統(tǒng)計(jì)完成之后，就是逐個(gè)建立虛擬三維模型。對(duì)待本研究中三維虛擬模型的技術(shù)處理，首先是確定虛擬現(xiàn)實(shí)的模型精度，根據(jù)其所處位置不同，應(yīng)采用不同級(jí)別的對(duì)待。

本研究按照兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了模型的制作：在進(jìn)行全景瀏覽、鳥(niǎo)瞰時(shí)，因場(chǎng)景中的模型較多，系統(tǒng)處理速度主要決定于場(chǎng)景中所使用的模型總面數(shù)，此時(shí)應(yīng)盡量使用粗模，減少運(yùn)算面數(shù)。

在某些具體的建筑物中穿行或進(jìn)入其內(nèi)部時(shí)，由于要表現(xiàn)該建筑的細(xì)節(jié)組成，應(yīng)創(chuàng)建相應(yīng)的近景精模。無(wú)論是近景模型還是遠(yuǎn)景模型都應(yīng)嚴(yán)格按照1∶1的比例進(jìn)行制作，它們都需要根據(jù)相關(guān)建筑的詳細(xì)圖紙資料進(jìn)行創(chuàng)建。本研究通過(guò)Auto cad的地塊文件，在3ds max中將其平面設(shè)置為Top工作視窗（相當(dāng)于建筑物平面圖）的背景文件，根據(jù)圖紙和尺寸進(jìn)行平面描線；在3ds max中將其立面圖設(shè)置為Front工作視窗（相當(dāng)于建筑物前視圖）的背景文件，將平面線型通過(guò)相關(guān)的三維化命令如Exturde擠壓至正確高度后得到該建筑物的三維模型。

在制作模型的遠(yuǎn)景時(shí)，需要配合該建筑物上、前、后、左、右的表面圖片，按模型各面的ID號(hào)進(jìn)行貼圖，同時(shí)將表面圖片在Photoshop中制作為黑白的透明貼圖放入材質(zhì)的Opacity通道中即可。

在制作模型近景時(shí)，除了依照前面的方法創(chuàng)建主體部分之外，還必須根據(jù)該建筑的詳細(xì)圖紙，對(duì)每一個(gè)建筑物的細(xì)節(jié)分別進(jìn)行創(chuàng)建，賦好貼圖之后，按照實(shí)際情況進(jìn)行位置調(diào)整，最后再進(jìn)行群組化（Group）處理，以便在場(chǎng)景中對(duì)其進(jìn)行合理的調(diào)用。

另外環(huán)境光源的表現(xiàn)和真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)材質(zhì)運(yùn)用也極為重要，燈光的精細(xì)處理會(huì)在模型烘焙渲染中產(chǎn)生極為真實(shí)的效果，材質(zhì)是整體展現(xiàn)模型質(zhì)感的優(yōu)選手段。因此在每一個(gè)場(chǎng)景模型中及時(shí)處理好建筑物與這些因素的關(guān)系，對(duì)建筑環(huán)境虛擬現(xiàn)實(shí)的前期制作是非常重要的。

由于本次研究制作的是若干個(gè)建筑三維漫游動(dòng)畫，因此，能夠使每一個(gè)畫面中的建筑布局、人文景觀、城市綠地等都產(chǎn)生合理的亮面、灰面、暗面以及陰影的最好辦法是使用在3ds max中的Sky Lights（天光）系統(tǒng)，配合使用高級(jí)照明（Advanced Lighting）中的Light Tracker（照明追蹤）可以形成真實(shí)、自然的三維室外光照效果。但研究中也發(fā)現(xiàn)天光系統(tǒng)并不是能夠解決所有的問(wèn)題，如在動(dòng)畫過(guò)程中，某些建筑物的暗面黑洞洞的一片，影響了整個(gè)畫面的最終效果，因此，就需要格外的添加光源，并設(shè)置光源的影響范圍及排除條件，使其只對(duì)目標(biāo)物體產(chǎn)生光照，達(dá)到補(bǔ)光效果。

上述方法主要是通過(guò)路徑約束設(shè)置動(dòng)畫效果，有時(shí)對(duì)一個(gè)場(chǎng)景的動(dòng)畫描述也可以通過(guò)對(duì)Camera視窗設(shè)置關(guān)鍵幀的方法得到。 在漫游中，特別重視環(huán)境的制作，天空、樹(shù)木、花草、晨霧、云彩等配景占據(jù)著畫面構(gòu)圖中的大部分空間，對(duì)環(huán)境的制作成功與否也在一定程度上決定著整個(gè)畫面的最終視覺(jué)效果。

樹(shù)木、花草的制作可以使用Tree、Storm、Forest、Pro或是NatsEasy這些專門制作植物、森林的3ds Max的外掛插件來(lái)完成樹(shù)木、花草的制作；還可以使用兩個(gè)plane進(jìn)行垂直交叉，在其Diffuse（漫反射）通道中加入樹(shù)木的彩色圖片，在其Opacity（不透明）通道中加入相應(yīng)的黑白圖片的方法得到只占用兩個(gè)面的三維的樹(shù)木效果，這種方法在其可行性被驗(yàn)證后，大量應(yīng)用于該項(xiàng)目的人視角遠(yuǎn)景環(huán)境制作中，并取得了很好的效果。

配以之前合成的3dsMax三維烘焙模型，本研究虛擬演示制作使用了中視典VRP學(xué)習(xí)版軟件制作，動(dòng)畫根據(jù)其位置變化可以分為飛行、自由行進(jìn)、人視角的漫步等幾種狀態(tài)，這幾種狀態(tài)各有各的表現(xiàn)效果，通過(guò)為攝像機(jī)設(shè)置相應(yīng)的漫游位移路徑，調(diào)整控制節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、屬性，單位時(shí)間內(nèi)路徑的長(zhǎng)度確定、路徑的形狀、在場(chǎng)景中的位置等都可以得到相應(yīng)的表現(xiàn)效果。

鏡頭本身不可以沿一個(gè)路徑進(jìn)行約束，但通過(guò)添加一個(gè)Dummy（虛擬物體），為虛擬物體進(jìn)行路徑約束，鏡頭的Look At Target對(duì)虛擬物體進(jìn)行Pick Target，將該虛擬物體拾取為鏡頭的跟隨目標(biāo)，其運(yùn)動(dòng)可以歸納為推、拉、搖、移、俯、仰、跟、追八種方法。并為攝像機(jī)鏡頭設(shè)置的動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)視點(diǎn)的變換效果。將攝像機(jī)動(dòng)畫與攝像機(jī)鏡頭動(dòng)畫進(jìn)行結(jié)合之后，通過(guò)觀測(cè)、調(diào)試即能生成雙重交叉的漫游動(dòng)畫效果。

另外研究中將必要的二維分析、解說(shuō)等，采用二維、三維動(dòng)畫及非線性編輯等多種技術(shù)有機(jī)的整合到一起，利用DreamWeaver制作的網(wǎng)站平臺(tái)使演示中的圖片、文字、聲音、虛擬互動(dòng)場(chǎng)景文件相互結(jié)合，令演示效果更加生動(dòng)活潑。將北戴河老別墅最動(dòng)人之處精練概括出來(lái)，使觀者不受其他細(xì)枝未節(jié)的干擾，盡快進(jìn)入主題，深入了解所要展示的精華所在，在充分詳實(shí)的基礎(chǔ)上做到主題明確、重點(diǎn)突出、優(yōu)勢(shì)畢顯。

3 研究的意義

本研究運(yùn)用了多學(xué)科多平臺(tái)合作的技術(shù)手段，結(jié)合了建筑、結(jié)構(gòu)、景觀等專業(yè)，運(yùn)用了多個(gè)專業(yè)軟件，采用非接觸測(cè)量技術(shù)、三維成像技術(shù)，經(jīng)過(guò)實(shí)地?cái)z影、建筑數(shù)據(jù)采集、二維圖紙繪制、三維模型建立等，實(shí)現(xiàn)了歷史建筑影像的三維模型，并利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將修繕保護(hù)工程方案制作成一套全面、具體、準(zhǔn)確、生動(dòng)的修繕過(guò)程演示片及網(wǎng)絡(luò)宣傳展示平臺(tái)，并希望通過(guò)研究成果應(yīng)用，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的保護(hù)手段在同類歷史建筑群中得到廣泛的推廣，這將對(duì)歷史建筑的保護(hù)、更新、延續(xù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究不僅在于用現(xiàn)代化的手段復(fù)原歷史建筑的原貌，并介于北戴河歷史名人別墅在中國(guó)歷史建筑中的重要性，結(jié)合北戴河現(xiàn)狀旅游資源的開(kāi)發(fā)整合，有針對(duì)性的對(duì)北戴河歷史建筑提出具有可行性的修繕?lè)桨浮２⑶以谠撗芯康倪M(jìn)行中，將總結(jié)出的數(shù)據(jù)和形成的步驟及成果等相關(guān)資料進(jìn)行成庫(kù)管理，這將對(duì)同類歷史建筑群及各地域保護(hù)建筑的保護(hù)手段和宣傳都將具有指導(dǎo)性意義。

正確處理好建設(shè)與保護(hù)的關(guān)系，是加強(qiáng)北戴河歷史建筑保護(hù)的關(guān)鍵。在城市更新的同時(shí)，應(yīng)著重保護(hù)在近代建設(shè)史上有一定地位、具有史料價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值的優(yōu)秀建筑和能代表城市特色的建筑。保護(hù)其原貌、改造其功能，對(duì)建筑物周邊的環(huán)境也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行必要的保護(hù)。使新舊建筑之間在風(fēng)格、色調(diào)、建筑界面上相協(xié)調(diào)，整體格局達(dá)到和諧。同時(shí)按照經(jīng)營(yíng)城市的理念利用好這些歷史文化資源做好文物旅游開(kāi)發(fā)等項(xiàng)目。并結(jié)合城區(qū)改造，采取逐步整治的方式，注意保存歷史建筑的外貌及特色，在保持原有建筑格局、外觀的前提下，引進(jìn)和采用現(xiàn)代化生活設(shè)施和市政設(shè)施，以適應(yīng)當(dāng)前生活的需要。但不能大拆大建，而應(yīng)以完善基礎(chǔ)設(shè)施，改善內(nèi)部居住條件，適應(yīng)現(xiàn)代生活功能的需要為原則。調(diào)整部分文物建筑的使用功能，使其具有新的價(jià)值。已對(duì)外開(kāi)放的歷史建筑應(yīng)進(jìn)一步豐富其內(nèi)容，形成可供對(duì)外參觀的人文景觀。

近年來(lái)，隨著旅游業(yè)的興起和城市的發(fā)展的需要，為凸顯旅游優(yōu)勢(shì)和悠久的歷史文脈，新一輪城市規(guī)劃的展開(kāi)，利用現(xiàn)代三維數(shù)字化技術(shù)和高科技手段對(duì)歷史建筑進(jìn)行靜態(tài)還原保護(hù)，并在當(dāng)代歷史語(yǔ)境下對(duì)歷史的建筑提出動(dòng)態(tài)傳承的建設(shè)性修葺措施。無(wú)論是對(duì)區(qū)域歷史特色的持續(xù)，還是對(duì)建設(shè)具有多元文化底蘊(yùn)的城市以及它與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展間的和諧都將會(huì)帶來(lái)廣泛的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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