淺析VR 技術在歷史建筑保護中的利用

郭自發(fā) 白潔 王福云

（青島理工大學，山東 青島 233033）

一、研究背景

改革開放以來，中國的城市化進程以罕見和驚人的速度進行，城市發(fā)生了翻天覆地的變化，城市的結構形態(tài)、空間布局和建筑特征也出現(xiàn)了巨大轉(zhuǎn)變。這些大規(guī)模的城市建設活動和新的城市中心區(qū)的出現(xiàn)，導致極多的老城區(qū)失去了原有的生機和活力，歷史建筑也失去了原有的生命力和意義，甚至很多遭到了“開發(fā)性破壞”和“建設性破壞”。隨著我國對歷史建筑價值認識的提高及當前可持續(xù)發(fā)展的要求，人們開始理性的思考城市更新中的思維方式和方法理論，社會各方將歷史街區(qū)的保護與更新擺在城市建設的重要位置，歷史建筑的保護利用問題也逐漸成為工作人員關注的焦點和研究的重點。人們不斷從各種實踐中探索歷史建筑保護和利用的方法。

二、VR 技術在建筑遺產(chǎn)保護領域的應用發(fā)展

虛擬現(xiàn)實技術是當今世界應用的十分廣泛的一項高新技術，據(jù)研究，目前在娛樂、教育及藝術方面的應用占據(jù)主流，其次是軍事與航空、醫(yī)學方面、機器人方面、商業(yè)方面，另外在可視化計算、制造業(yè)等方面也有相當?shù)谋戎亍R 技術的應用己經(jīng)給世界帶來了巨大的社會經(jīng)濟效益。但在建筑遺產(chǎn)保護領域，VR 技術在二十世紀九十年代，逐漸受到文物保護界的青睞，并在建筑遺產(chǎn)保護領域得到了初步的應用。

現(xiàn)在隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，以及數(shù)字地球概念的提出和廣泛的實踐，對虛擬現(xiàn)實技術在建筑遺產(chǎn)保護方面的應用得到了重視。這樣的形勢下，對虛擬現(xiàn)實技術如何在建筑遺產(chǎn)保護領域的應用這個問題的研究顯得尤為迫切和重要。

（一）VR 技術的基本概念

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，簡稱VR）是一項在很多領域應用非常廣泛的高新技術。虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)發(fā)展成為集計算機圖形學、人工智能、人機接口技術、傳感器技術及實時計算技術于一體的高新技術。它是一種高端的人機接口，包括通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等多種感覺通道的實時模擬和實時交互。計算機技術的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了許多以計算機技術為基礎的高新技術。虛擬現(xiàn)實技術是一種劃時代的技術,1993 年,美國科學家Burdea G.和Philippe Coiffet 在《Virtua l Reality Systems and Application》一文中，提出“虛擬現(xiàn)實技術的三角形”，簡明地說明了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本特性，即可以用三個“I”來描述：沉浸(Immersion).交互(Interaction)和想象(Imagination)。（1）沉浸性。過去人們只能從外部去觀察計算機處理的結果。而虛擬現(xiàn)實技術可以讓人們沉浸到計算機系統(tǒng)所制造的虛擬環(huán)境之中，參與者具有身臨其境的現(xiàn)場感。（2）交互性。過去人們只能通過鼠標、鍵盤與計算機環(huán)境中的數(shù)字化信息發(fā)生交互作用，有了虛擬現(xiàn)實技術，人們可以利用傳感器(數(shù)據(jù)頭盔、手套、眼鏡等)與多維化的信息環(huán)境發(fā)生交互作用。（3）想象性。過去人們只能從以定量計算的結果中得到啟發(fā)而加深對事物的認識，而虛擬現(xiàn)實技術可以讓人們從定性和定量兩者相結合的環(huán)境中得到啟發(fā)而加深對事物的認識。這些都強調(diào)了人在虛擬世界中的主導作用。一個虛擬現(xiàn)實技術系統(tǒng)，正是通過以上3 個“I”才能真正實現(xiàn)虛擬世界對現(xiàn)實世界的替代。

（二）VR 技術常用三維數(shù)字化模型構建工具

在三維虛擬交互系統(tǒng)中模型的構建主要采用3Dmax、Autocad、Mars 等三維軟件。使用數(shù)字化技術對建筑遺產(chǎn)的各種資料和信息加以表現(xiàn)的過程中必然會各種資料的不同特征使用各種不同的技術手段進行資料的數(shù)字化處理。對建筑遺產(chǎn)實物信息的處理，主要用到的數(shù)字技術有：掃描技術、CAD 技術、建模技術、虛擬復原技術等。

（三）VR 技術用于歷史建筑展示的效果及意義

1.利用3D 建模、VR 虛擬技術，同比例創(chuàng)建虛擬建筑模型并提高文物建筑的展示效果，使更多的人能夠接觸到歷史上優(yōu)秀的建筑文化。VR 全景虛擬技術，可以實現(xiàn)隨時隨地的參觀中華歷史建筑，展示中華的文化脈絡，讓人們對所中華建筑有更深的了解，此后，將其發(fā)布在網(wǎng)絡上，吸引更多人觀看，也可以擴大中國知名度與影響力。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應用于歷史建筑的保護時，可以使系統(tǒng)精確逼真地模擬出歷史建筑的原貌，建筑遺跡的結構布局、材料、紋理，包括周邊環(huán)境乃至不同季節(jié)、一天中的不同時段的光影效果都會在上得到真實的再現(xiàn)。觀察者能夠自如地在歷史建筑的虛擬環(huán)境中行走甚至是飛翔，去到建筑物的任意-一個角落，對建筑遺跡進行全方位的觀察。從而使更多的人對建筑遺產(chǎn)具有全面深刻的認識和了解。項目通過新技術展現(xiàn)不一樣的游覽效果，不僅豐富了游覽的形式內(nèi)容，也增了趣味性的體驗，無論是春夏秋冬還是模擬當時場景，都可通過VR 設備提升觀看的體驗，觀展者可以，如同身臨其境，全方位的了解建筑的前世今生，增加觀展的趣味性。

2.提高文物建筑的保護技術手段。在文物建筑當中存在大量的易損構建，這些建筑構件的都容易出現(xiàn)脆化、脫色、剝落等現(xiàn)象，即便人工修復后仍難長期用于研究與展示。利用細致擬真的虛擬技術，我們可以預先展現(xiàn)文物建筑修復后的影像，從而檢驗修復技術、手段的可行性;進一步可以和視圖計算技術相結合，考察修復過程中的各項環(huán)節(jié)和修復后的耐久性;利用虛擬技術大量而完好地多角度展示文物建筑，從而使文物建筑實體保存在更加嚴密的環(huán)境中，有利于文物建筑壽命的延長;在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中,經(jīng)過預先的數(shù)據(jù)加工與處理，觀察者可以實時地在歷史建筑的虛擬環(huán)境中增加與修改對象。這樣就使得在歷史建筑的環(huán)境改造與重建工程中設計者與決策者可以不同的角度，不同的方面對建造、改造的結果加以有效的評估，并且對工程的不同方案加以身臨其境的體驗與對比，加強了決策的科學性與準確性。

3.實現(xiàn)從“傳統(tǒng)展示空間”到“媒介空間”的呈現(xiàn)以突破時空限制充分發(fā)揮建筑遺產(chǎn)的價值。傳統(tǒng)的展示空間,美術館是一個經(jīng)過特別設計的物理的“實在空間”，它的作用是展示空間性的、以靜態(tài)為主的視覺藝術作品,比如繪畫、雕塑、設計作品、裝置藝術品等。但隨著“虛擬空間”和”媒介空間”的不斷進化和發(fā)展,美術館這種三維的、物理的“實在空間”或“傳統(tǒng)展示空間”面臨著“媒介空間”的延伸拓展和改變。從平面的二維觀看體驗，上升到沉浸式的虛擬空間三維的體驗，是歷史發(fā)展的趨勢。我們要做的就是將建筑的歷史脈絡以沉浸式的虛擬空間體驗帶給人們，使人們更好的觀賞和體驗學習。我國擁有大量的文物建筑，由于處于交通閉塞的地區(qū)，使文物建筑的價值無法發(fā)揮出來。而虛擬現(xiàn)實技術提供了脫離文物原件而表現(xiàn)其本來的重量、觸覺等非視覺感受的技術手段,能根據(jù)考古研究數(shù)據(jù)和文獻記載,模擬地展示尚未挖掘或已經(jīng)湮滅了的遺址、遺存。并透過網(wǎng)絡技術能將這些文物資源統(tǒng)一整合起來，全面地向社會傳播，而絲毫不會影響到建筑遺產(chǎn)本身的安全。

（四）整合并共享建筑遺產(chǎn)及其相關的文物史料資源

虛擬建筑環(huán)境可以包含有相關對象的豐富完整的資料與數(shù)據(jù)。我們可以針對特定的歷史建筑建立其相關資料的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的資料全部是數(shù)字化的資料與數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容可以與虛擬環(huán)境的相關三維模型關聯(lián)起來,觀察者在三維虛擬環(huán)境中考察與體驗時可以實時地獲取與調(diào)閱所感興趣對象的相關數(shù)據(jù)與資料。我們可以通過計算機網(wǎng)絡來整合統(tǒng)一大范圍內(nèi)的文物資源，并且通過網(wǎng)絡在大范圍內(nèi)來利用虛擬技術更加全面、生動、逼真地展示文物建筑，從而使文物建筑脫離地域限制，實現(xiàn)資源共享，真正成為全人類可以“擁有”的文化遺產(chǎn)。

三、利用VR 技術對歷史建筑保護的設計方案

（一）調(diào)研歷史建筑采集各種數(shù)據(jù)

查閱圖紙檔案，調(diào)研歷史建筑實際現(xiàn)狀，測繪建筑的環(huán)境場所及建筑本身的各種尺寸元素，為建立完整的三維數(shù)字模型，還原建筑的外貌打基礎。對建筑遺跡的結構布局，材料，紋理，周邊環(huán)境等細節(jié)進行全面詳細的測繪采集。

（二）電腦制作模型還原歷史建筑原貌

利用3Dmax、Sketchup、Mars 等軟件進行建模，建立同比例虛擬三維模型。結合設計圖紙，還原歷史建筑的原貌復原，同時針對建筑現(xiàn)狀，尋找出在歷史發(fā)展過程中建筑被改造與原建筑不合理的利用的現(xiàn)狀，便于進一步的保護和修復。

在真實的空間尺度基礎上建立歷史建筑保護對象及周邊環(huán)境的完整的三維數(shù)字模型，在實時渲染引擎中建立完善各種交互的功能與效果。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應用于歷史建筑的保護時，可以使系統(tǒng)精確逼真地模擬出歷史建筑的原貌，建筑遺跡的結構布局、材料、紋理，包括周邊環(huán)境乃至不同季節(jié)、一天中的不同時段的光影效果都會在上得到真實的再現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一大優(yōu)勢就是在于，能夠?qū)F(xiàn)實中不存在的環(huán)境與物體以逼真的視覺效果呈現(xiàn)于我們的面前，并且能夠讓我們身臨其境地置身其中。這一特性應用于歷史建筑的虛擬重現(xiàn)中具有重要的意義與價值。

我們可以打破時空的限制，把歷史建筑的過去與未來真實地呈現(xiàn)于眼前，我們可以把因人為與自然原因而損毀的歷史建筑重現(xiàn)于虛擬的數(shù)字化環(huán)境空間里;同樣我們也可以在虛擬的數(shù)字化環(huán)境空間里探討與體驗歷史建筑的修復與利用，使其能夠在現(xiàn)實的空間里更好地發(fā)揮其應有的價值。

（三）建立豐富完整的資料與數(shù)據(jù)庫

VR 虛擬技術的交互性還體現(xiàn)在虛擬建筑環(huán)境可以包含有相關對象的豐富完整的資料與數(shù)據(jù)。我們可以針對特定的歷史建筑建立其相關資料的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容可以包括：

①歷史建筑的構造與布局；②歷史建筑的結構體系；③建筑構件的尺度；④材料與建造工藝及年代；⑤歷史建筑與周邊環(huán)境的空間尺度關系；⑥歷史建筑整體與局部的影像資料。數(shù)據(jù)庫的資料形式可以是:①文字資料，包括相關的數(shù)字化的史料記載；②數(shù)據(jù)資料，包括歷史建筑的構造、結構與尺度信息；③影像資料，包括靜態(tài)影像與動態(tài)視頻，忠實地記載歷史建筑的原貌，包含形態(tài)與色彩等方面的信息；④圖形資料，包括通用格式的二維測繪圖紙(如，DWG 或DXF 格式等)，以及通用格式的建筑與環(huán)境的三維模型(如,OBJ 或IGES 等格式)。

（四）交互式的數(shù)據(jù)庫調(diào)用與管理

數(shù)據(jù)庫的交互性更體現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容可以與虛擬環(huán)境的相關三維模型關聯(lián)起來，觀察者在三維虛擬環(huán)境中考察與體驗時可以實時地獲取與調(diào)閱所感興趣對象的相關數(shù)據(jù)與資料。這種功能所帶來的好處是，極大地方便了古建筑資料的檢索。使得觀察者能夠?qū)崟r、準確、全面地獲取相關的數(shù)據(jù)與資料。從而能夠?qū)τ^察與研究的對象迅速準確地形成判斷與評價。

數(shù)據(jù)庫的資料全部是數(shù)字化的資料與數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容可以隨時得到修改與補充。該數(shù)據(jù)庫可以存在于網(wǎng)絡的服務器上，通過局域網(wǎng)或英特網(wǎng)管理員能夠方便地從不同地點的網(wǎng)絡終端上修改與充實該數(shù)據(jù)庫的資源。

由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的以上特性，使得歷史建筑的數(shù)字化史料的收集與整理能準確、全面及高效地進行，并且也能夠在最大范圍內(nèi)得到共享。

結語

VR 技術在歷史建筑保護中的應用雖然現(xiàn)在還有一些因素制約，但是隨著其在建筑遺產(chǎn)保護領域的不斷應用，將對整個歷史建筑保護領域研究水平的提高和VR 技術的應用發(fā)展都會起到巨大的推動作用。