數字技術跨界融合在建筑文化遺產保護中的運用

楊晗 鄭東

（1.順德職業技術學院 2.澳門科技大學）

隨著城市化的加速和“美麗鄉村”、“鄉村振興”等一系列國家戰略的實施，遺產建筑的保護也日益受到重視。但在當下舊建筑“拆與不拆”兩種極端聲音下，仍使地方政府或居民在是要“經濟還是遺產”之間搖擺。伴隨著3D掃描、大數據、物聯網、VR、MR等信息技術的飛速發展，在建筑文化遺產領域也開始掀起了一場以三維重建、AR遺產再現與修復展示等核心的技術革命。而AR技術的利用使得建筑文化遺產能得到更好的還原再現與傳播，能有效地推動和實現其資源活化利用。

數字技術是新時代技術和科學融合的發展趨勢。研究證明，數字技術在提高文化遺產地理位置探測的精準度，擴充數據存儲的信息量，提升視覺展示的表現力，提高信息資源管理等方面均發揮重要作用。雖然學界對信息技術在建筑文化遺產領域運用有一定的研究。但大部分都是在技術手段上保護，且少在傳承和活化上的研究；為了將建筑文化遺產真實的保存并傳承活化利用，本文從信息技術角度出發，以真實性、傳承性為原則。通過技術性保護達到建筑文化遺產的傳承與活化。

一、文化記憶：建筑文化遺產保護的意義

（一）文化遺產的概述

從《雅典憲章》、《威尼斯憲章》被定義為“物質的對象”和“禁止的現狀”開始接受傳統文化，到《保護世界自然遺產公約》把對象看成文化的結果；從《馬丘比丘憲章》提出在保護時繼承文化傳統，并使之“繼續有生命力”，其后系列文件都提出保護是建立與傳統的聯系作出的努力；包括他的物質價值、人文價值、場所精神、以人為本等，從文化意義角度就不能把保護看成是一個靜止和純物質的。而是建立在歷史真實性基礎上的延續，是建立在文化藝術基礎上的活化；是在認同歷史物質性基礎上的文化延續，是強調以人為主體性的物質精神的延續。

我國《憲法》、《文物保護法》等歷史建筑文化遺產保護的相關法律法規，是當前開展建筑文化遺產保護的基本依照。在有法可依的情況下，對歷史文化的保護還原以及繼承和活化就是當下對歷史文化事實尊重的最重要的途徑和依據。

（二）建筑文化遺產保護的現狀與意義

建筑文化遺產作為見證我國歷史發展各階段最直接的現存地面上的文化，歷史建筑能間接地反映當時的社會發展水平，社會文明程度以及各行業技術發展水平，所以具有極高的歷史研究價值。

建筑文化遺產是各時期建造技術在建造當代藝術價值的反映；不同時期的歷史建筑都蘊含著時代的文化烙印，具有時代性獨特的文化藝術價值；歷史建筑與城市發展相依共存，不僅是各個時代的烙印，更是最直接的藝術考古資料和文化旅游等軟實力的見證。

二、傳承記憶：建筑文化遺產保護的真實性與延續性

（一）建筑文化遺產的真實性

文化遺產的核心是“真實性”，“真實性”不僅包含物質文化遺產本身的真實性，還包含相關材料、環境、工藝、人、物、事等相關構成要素的真實性；真實性可以貫穿到物質文化遺產的橫向和縱向，能真實地反映遺產當時時間、社會環境、文化背景以及建造技術等等各方面。建筑文化遺產保護要嚴格遵守“真實性”的原則才能真實的還原當時的各種情景，這才是遺產保護的真正價值所在。

（二）建筑文化遺產保護的延續性

隨著全球化的發展，人類文化的互相學習和借鑒，造成人類歷史過程中形成的多樣性文化日益趨同。使得對歷史過往文化的保護與傳承就更為重要；尊重和傳承歷史文化深入人心，也是人類傳承和具有差異性的地區文化身份的重要體現。同時地區文化的傳承也體現在“場所精神”上，地方固有的文化價值是屬地文化自信的體現，也是有別其他文化的“領域性”文化特性，保護和傳承屬地文化對文化遺產特色的保護和文化延續具有重要的作用，在對建筑文化遺產保護的延續性尤為重要和突出。

三、再現記憶：數字技術在建筑文化遺產保護的技術路徑概述

（一）數字技術的發展概述

本文指的數字技術包含建筑三維激光掃描技術、三維建模技術、AR虛擬現實技術等。

芯片技術的發展帶動了計算編程等技術的快速發展，在二十世紀以來三維激光掃描技術迅猛發展，是數字技術在測繪領域應用的又一次偉大發展及革命，三維激光掃描通過識別系統掃描識別物體的三維點來獲得相關數據，而通過識別獲取物體表面高精度高分辨率的圖像或生成數字模型；因此又被稱為實景復制技術[2]。該技術現在發展到可以通過相關三維掃描機器直接從物體中進行快速的逆向三維數據采集及通過軟件技術模型重構[3]，通過設置激光掃描點對掃描物體無需進行任何的處理，這樣通過激光掃描點獲得的每個數據都是直接采取目標真實數據，使得后期處理的數據完全真實可靠[4]。三維建模技術是利用相關3D軟件對物體進行虛擬建造的一門技術[5]；隨著計算機硬件技術的不斷升級，建模技術有了更可靠的硬件支撐也得到了質的提高，三維建模技術的運用也更加的廣泛，特別是在現代高速運算計算機的運用使得三維建模技術速度更快還原度更真實。VR虛擬現實技術，是通過計算機數字技術輸出的虛擬世界轉變成數字世界的模擬系統。它是把用戶帶入到一個通過數字技術仿真的虛擬世界，通過一定輔助設備，如虛擬眼鏡、穿戴設備等等通過傳感設備刺激人體及視覺神經而達到的虛擬交互世界。使用戶可通過虛擬現實技術直接地參與到其中感受它們這種虛擬真實存在，產生沉浸式體驗。實際上，VR技術是計算機數字技術、計算機仿真圖形學、計算機視覺、信息交互技術、傳感與測繪技術、模擬仿真技術、多媒體數字影音技術、語與模式識別技術、機接技術、軟件工程、網絡技術和智能技術等多種新技術集成之結晶。具有逼真性沉浸性、交互性和構想性[6]。

（二）數字技術在建筑文化遺產保護的實現過程

數字技術在建筑文化遺產中扮演的角色主要為還原和再現技術。從技術層面實現還原和再現需要經過幾個步驟：如建模技術、VR虛擬現實技術。

還原的第一步是對照建筑遺產真實參考，利用3D掃描、3D建模技術建造出與歷史建筑一樣的建筑模型。要獲取三維模型就要通過對3D模型進行精細的掃描以及通過計算機數字技術進行相關數據的處理。3D掃描通過對建筑空間掃描點進行掃描，通過計算機數字技術建立相應的數據坐標。這樣也稱作點云。為了得到更精準的數據，點云數量應盡量的多，這樣才能保證通過不同角度掃描得到全方位的掃描數據，生成的模型會更加的真實和精準。在數據處理之前，為了能更有效地處理和成功處理；首先就需要把掃描點鏈接起來，將點云布置成網格化。將點變成線，再由線組合成一個面。這樣才能更精準。其實就是需要對這些面進行多面化、多角度地掃描了。再次，就需要分辨不要重復，所有的掃描點不能有重疊，避免在數據處理生成模型的時候有疊加造成模型疊加的失誤。而建造是指對已損壞的建筑遺產在3D掃描完成后利用3D建模軟件建模的過程，是現實不存在的掃描點通過人工的方式添加進去。整個實現的技術路徑如下：

1.3D掃描

掃描點位決定了掃描的效果，所以設置正確的掃描位置是首要。而掃描也是有一定順序可言，首先，得對掃描點進行標識，做好記號作為掃描的參考物來對齊掃描點。而掃描有時不是一次性能完成的所以需要設置多個掃描點，一般會設置最少三個掃描點，才能有效地完成兩次掃描；其次，設置掃描點的網格化，也就是在水平和垂直方向設置掃描點；再次，設置掃描分辨率后對物體進行耐心有序地掃描工作； 最后再次獲取標記點的確切位置。

2.數據處理

在對掃描的云點進行數據處理的過程中最重要的就是之前掃描時創建的網格對齊。可使用Cyclone，如之前未對齊的點云可以進行手動或自動對齊。值得注意的是在進行手動對齊時要之前設置掃描點一樣至少選擇三個能夠聯系對應的點及兩個能對齊的點云；自動對齊基本理論與手動對齊是一樣的，但是自動對齊主要是可以識別掃描時設置的點云標記來獲取坐標。

3.網格簡化和增加缺失模型

為了簡化網格，選擇使用3dsMax建模軟件。主要目的是刪除處理完后的數據中本不屬于該建筑的網格物體和一些操作上錯誤的網格物體。使用3dsMax的網格功能簡化物體的網格。簡化后的模型可以少處理大量的點和面的復雜問題。其定義是在為在保持建筑物原來整體的形狀、體積和邊界不變的同時減少物體的大小和復雜程度。這樣的方法可以簡化模型帶來的機器運作及后期可視化的復雜程度，但也可以有效地達到鏈接具體的點及有用曲面等組件。

在增加缺失的遺產模型部分我們也采用3D建模應用程序3dsMax或者草圖導師建模軟件對缺失的部分進行建模。我們會依據史料記載以及根據現場實際情況賦予材質等。使缺失的部分與現存完全融合。

4.模型加工后可視化

模型建設完畢后我們會對前面的工作競選反復的實驗。主要目的是對前期工作的一個評估和規劃，對評估后的參數數據進行數據處理后來搭建能實現三維可視化的前期工作確定這些處理參數以與后續VR技術的銜接。

5.使用VR技術實現可視化

要實現VR的可視化技術，就離不開3D顯示技術和3D打印技術。3D顯示技術主要是通過三個維度的虛擬數據達到在顯示器上三個維度的顯示技術，是觀感有立體感。在三維技術發展上，從需要通過特殊制造的儀器觀看視頻才能有立體效果到裸視三維技術以及現在的三維穿戴技術等等。每種三維技術因為時間和技術的發展都有其自身的優點和缺點。也是從小型的特殊材質三維打印機到現在的建筑3D打印機的迅猛發展，也是打印增材制造技術迅猛發展的一種體現形式。3D打印機的不斷發展使開發人員能夠通過打印3D模型以進行可視化、測試或直接創建零件。VR可視技術還可以使用VR佩戴眼鏡進行虛擬交互觀看。使用VR眼鏡可以達到身臨其境的感覺，使觀者達到與建筑遺產“零”距離的接觸。

數字技術的發展對文化遺產的保護意義重大，特別是虛擬現實技術可以通過數字模型保存和數字可視化直接使用在文化遺產的保護上。通過VR技術多渠道的運用，特別是穿戴設備，VR電影的流行，可以表明；VR技術是非常適合于用在建筑文化遺產保護上的；未來數字技術將實施到數字歷史建筑物保護中，不僅歷史建筑，古村落的整體保護也可以運用虛擬信息技術。

四、結語

傳承與活化是建筑文化遺產保護的主要目的，在傳統的規劃設計保護中喜歡把建筑文化遺產作為建筑文化旅游景點或改造成商業區；通過利用改造或后期商業化改造后，因為要迎合參觀和消費者的喜好，往往商業化后，歷史文化建筑已經被破壞得面目全非，很難能長久維系和達到保護建筑遺產的目的。通過現在數字技術的跨界運用，對建筑遺產的虛擬真實性的還原、活化和利用并不會破壞其旅游或商業性質的活化使用；通過數字技術再現和保護甚至展示，不斷賦予其生命力，煥發其生命價值和文化價值，也是與時俱進地體現。VR等數字技術的運用使建筑遺產以新的方式、新的面貌、新的精度還原歷史文化建筑。不僅有助于建筑文化遺產更完整更真實的被傳承和保護；而且未來利用數字技術把建筑遺產通過游戲場景、文旅場景等活化和利用，可以在無形中使不同年齡群體、不同地域文化的人民更好地了解建筑歷史文化和理解建筑歷史文化，達到真正的文化的傳承和經濟上的活化利用。數字技術的跨界運用在歷史建筑遺產中的運用是對歷史文化保護的一種升華傳承和活化運用，具有劃時代的意義。