數字技術在古建筑遺址復原中的應用研究

李新月　蘇麗萍

摘 要：運用數字技術對古建筑文化遺址進行數字化復原以及文化的加工，為大眾提供一個真實體驗的平臺，具有十分重要的現實意義。由于避暑山莊多處建筑被損毀的原因，導致很多非常優秀的中國園林建筑被掩蓋。本文通過分析古建筑數字復原的思路，以碧靜堂為例，詳細研究了數字化復原過程，以此實現讓游客通過數字技術感受古建筑魅力，達到傳播古建筑文化的目的。

關鍵詞：避暑山莊；交互技術；古建筑復原

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.06.011

0 引言

古建筑是社會進步、經濟繁榮、文化昌盛的標志，它以獨特的形式承載了大量的歷史信息，是各地區獨特文化的集中體現。避暑山莊作為中國皇家園林建筑的典型代表具有非常高的歷史文化價值和藝術價值，但如今園內40％的建筑僅剩遺址，有的甚至連地基都消失不見了。在國家大力支持文化與技術融合的背景下，運用5G、VR/AR、人工智能、多媒體等數字技術開發館藏資源，打造博物館、景區數字化展示示范項目，開展虛擬講解、藝術普及和交互體驗等數字化服務逐漸普及，也符合當下的發展形勢。

1 避暑山莊古建筑遺址現狀

承德避暑山莊作為中國5A級景區，是中國皇家園林典型代表，亦是學者們公認的中國最美的皇家御苑之一。然而由于歷史原因，其幸存的建筑可能不到全盛時期的十分之一，相較于北京圓明園也好不到哪里，劫后余生的建筑也是門、窗、裝修丟失殆盡，多數只剩了大木結構，目前在景區看見的建筑也大多是經過后期保護和修復的。2020年，承德文物局與中央美術學院建筑學院簽署策略性合作協議，在承德避暑山莊和外八廟及周邊廟宇設立中央美術學院教學實習基地，共同進行承德避暑山莊和外八廟歷史的修復和藝術再現。截至目前，天津工業大學、河北民族師范學院等高校也相繼加入該課題研究。

2 古建筑數字復原的價值和意義

隨著計算機技術的發展，通過三維建模技術和虛擬現實的結合，對古建筑進行數字復原的設計表現已經得到較為廣泛的應用，它可以對建筑樣式、歷史街區進行復原設計，并通過虛擬現實手段對建筑文物進行交互展示，加深人們對建筑藝術的認識和理解。另一方面，也可以通過在線旅游的形式對景區進行宣傳和展示。較之于文字圖片，這種展示方式更為直觀，能為受時間和經濟條件限制的人們帶來更好的虛擬現實體驗，深化對建筑藝術價值的認知，在一定程度上降低了古建筑和歷史街區的保護成本，減少對古建筑的破壞，使得建筑遺產的文化價值和歷史價值能得到更好的保護與傳承。

本項目制作的交互系統，可以讓觀者身臨其境地感受避暑山莊已經消失的建筑，感受古建筑的風采，深入了解該建筑群的文化內涵。與傳統古建筑復原相比，使用漫游交互技術進行數字化科普資源的開發制作成本低，創意性強，保存時間長。另外還可以通過數字化建模的方式進行實際復原模擬，將施工與結構1∶1復刻出來，提前預估復原的精確度，提前判斷，在保護遺址上較傳統的遺址保護方法成本上可以達到最低，最終視覺效果也依然可以得到呈現。

3 古建筑數字化復原思路

古建筑數字復原思路如圖1所示：①本項目依據大量的史料記載，結合現場測繪數據，分析對比得到精準的數據資源，運用數字化手段進行建模，還原清代乾隆盛期避暑山莊“消失”的建筑原貌，完成科普微視頻的制作；②利用VR、AR、MR、Unity等交互和虛擬技術，結合山莊內具體項目遺址文化內涵進行趣味性的互動設計，對避暑山莊項目遺址進行沉浸式展示；③將科普微視頻資源借助避暑山莊5A景區和互聯網線上平臺優勢進行傳播，科普避暑山莊內的文化內涵和藝術成就；④將避暑山莊部分遺址作為范例，以點帶面，逐步豐富避暑山莊乃至河北省古建筑遺址的數字化科普資源，構建古建筑遺址數字化科普資源庫。

4 避暑山莊碧靜堂數字化復原過程

4.1 實地測量Auto CAD繪圖

由于本項目遺址損壞嚴重，除現場獲得的信息外，還參考了文物局陳東老師提供的資料，本次復原度極高，通過閱讀學習《中國古典園林》《清代營造法式》《清宮熱河檔案》《陳設檔》等書籍，積累大量理論知識，再結合清代繪畫、老照片、現場進行合理推斷。結合建筑位置、結構尺寸等用Auto CAD軟件繪制園林布局平面圖（圖2）、各建筑立面圖（圖3）以及室內裝修圖，其中具體包括檻墻厚度、臺基尺寸、金柱徑、檐柱徑、門窗樣式以及大木結構，尺寸精確到毫米，復原度、準確度極高。

4.2 SketchUp數字化建模

本次項目模型使用SketchUp軟件進行建模，建模過程中嚴格使用前期計算測量好的CAD尺寸進行建模。將模型進行全材質實景貼圖，貼圖清晰、準確、逼真，以達到豐富真實的模型效果，材質貼圖非常影響后期渲染的細節及精細程度；另外，在建的過程中會使用pizitools、Fredo、tt-truebenf系列工具插件更加方便快捷。當然，相較于一般建筑來說，古建筑的結構復雜，面、線較多，在制作過程中非必要部分會使用面片結構，外觀上與實體結構并無差別（建筑模型要注意面的正反，若片面為反的在后期貼圖和交互時會出現貼圖重復或者片面缺失等問題）。

另外，由于該建筑遺址位于山區部分，周圍地形環境復雜，運用無人機掃描技術將建筑遺址周圍的等高線圖制作出來，再使用SketchUp軟件的實體沙盒工具進行建模，最后用頂點編輯器再進行微調，將實際地形進行還原，更加真實準確。

4.3 數字化渲染

效果圖渲染部分便是前期工作的表現，本項目將真實還原效果與用戶更易接受的效果結合，最后采用了較為真實、光影感較強的效果圖表現。在渲染時使用的植物模型也是通過考察避暑山莊山區內的植物以及現場觀察的植被確定，碧靜堂園中的植物確定為古松、五角楓與地面草皮，地面少許野花點綴。這也是避暑山莊植物的一大特點。

前期我們測試了市面上使用的主流渲染器Enscape、Lumion，由于Lumion較為穩定，效果更加逼真，可操作性更強，最后使用該軟件進行渲染。在創建的新ln格式文件里模擬天空、環境光、風的強度、云的密度等。再將建好的模型導入，調整材質，最后渲染出圖，其中包括節點圖、細節圖、鳥瞰圖、全景圖以及部分視頻片段。當然這些圖片資源和視頻資源還要經過后期處理將顏色、質感表現出來（圖4、圖5）。

4.4 視頻制作

為了提高觀者的沉浸感，也讓游客重新感受建筑文物的魅力，我們完成數字建模后，并對建筑模型進行視頻制作。通過視頻我們也可以在線上、線下多個平臺上展示宣傳避暑山莊，同時，也以避暑山莊碧靜堂為載體宣傳我國傳統文化，讓更多的人知道并了解避暑山莊文化。較之于文字圖片，這種展示方式更為直觀，能為受時間和經濟條件限制的人們帶來更好的體驗，深化他們對建筑藝術價值的認知，使得建筑遺產的文化價值和歷史價值能得到更好的保護與傳承。而且視頻剪輯包含了我們從現場測量到最后成果的輸出，也起到了很好的記錄作用。

4.5 漫游交互設計

在增強現實移動展示系統實現方面，使用Unity2022版本，可以直接通過選擇組件環節選擇需要的平臺支持組件（i0S、Android、UWP）以及主角（Xdreamer），然后安裝。安裝完成后我們創建新的3D項目。步驟如下：

①開發人員需要在官網下載Xdreamer組件。②下載之后打開unity建立一個3D工程文件。③打開之后直接雙擊或者拖動提前下好的xdreamer組件，之后會在頂端菜單欄會出現xdreamer下拉找到工具庫、狀態庫、狀態機。然后就可以把漫游的場景模型導入（注意最好是sdk格式的模型，其他格式可能會出現模型異常，材質丟失等問題），這樣前期準備工作就做好了。④導入模型會有部分貼圖丟失，可以在模型窗口底部的素材圖片文件夾中選取素材圖片，然后通過鼠標左鍵將圖片拖到模型上，這樣就添加好材質了。當然這些材質也可以進行軟件內調整，如有需要也可通過Photoshop制作貼圖然后進行導入。⑤漫游交互有三種：第一種是動畫漫游，提前在庫中找到渲染器box，利用box設置動畫的路線，然后使用狀態庫中的路徑動畫，將每一個box按順序導入，形成一個流暢的路線，然后添加3個UI按鈕，點擊狀態機建立新的交互邏輯，在狀態庫中找到按鈕點擊添加狀態，找到狀態激活導入狀態庫中的時間軸，在工具庫中找到定點相機，與最開始的box放在一起，然后拖入路徑動畫的游戲對象中，這樣第一種動畫漫游就可以通過之前的UI按鈕點擊進行路徑游覽；第二種和第三種比較相似，都是直接通過xdreamer的工具庫中的行走相機和飛行相機直接進行交互，不同點在于行走漫游需要在模型中設置碰撞體，否則運行時相機會墜落，飛行相機也可以通過d、w、a、s四個鍵進行前后左右的移動通過qe來飛行和降低，且可以直接穿過模型，交互也是首先建立按鈕點擊，然后建立狀態激活和相機切換器，通過狀態激活切換相機開關，把之前做的另外兩個UI按鈕導入按鈕點擊，這樣場景的漫游就做好了（圖6）。⑥文件打包運行，在左上角的文件中找到建立與運行選擇平臺（平臺需要預先下載，如果沒有想要發布的平臺可以在Unity hub安裝中進行模塊下載），用戶可以通過相關渠道下載apk、exe、pxl等格式安裝文件，再從相應客戶端進行安裝，便能正常使用我們的軟件，其不僅可以線上使用，還可放在景區或博物館方便游客線下體驗，雖然一些建筑都已“消失”不見，但通過我們的技術還是可以讓這些文化瑰寶重新出現在大眾面前（圖7）。

4.6 古建筑沉浸式漫游交互技術的實際運用

在漫游交互系統在制作時便要考慮用戶體驗感和趣味性，為了確保還原的真實性，應現場實地考察，運用真實的材質、紋樣貼圖。我們制作了兩種游覽形式：一種是我們在環境內設置好的最佳游覽路線；另一種便是可以在系統內通過使用兩邊的滑輪或w、a、s、d鍵來隨意操控方向和進退，在游覽時可以任意點擊建筑周圍的標記，便會出現關于此建筑的介紹和相關詩文的解釋。這樣一來可以讓使用者在我們的建筑中去到任意想要去的地方，更加細致地了解我國的建筑文化。

5 避暑山莊碧靜堂其他數字化復原成果

對避暑山莊內遺址項目進行精準建模，運用數字化手段將其轉變成具有科普價值的旅游產品，既有能進行人機交互的視頻資源，也有結合虛擬現實技術讓游客沉浸式感受“消失”的古建筑風采的現場資源，通過線上線下兩個平臺科普項目展示其獨特的歷史地位、造園藝術以及文化內涵等，以求為古建筑遺址數字化科普資源開發探明道路，讓更多的人在旅游的同時了解古建筑遺址的歷史文化內涵和藝術成就。

數字技術使文物保護從過去的實物保護與復原轉變為今天的數字化復原，為文物遺址保護增添科技的魅力。除此之外，還可以運用Bim進行工程預演和工程預算的模擬。當然文物保護不僅僅是以上數字技術的運用，還有許許多多數字化保護手段，主要包括數字影視、數字動畫、數字交互產品、VR虛擬現實技術、AR增強現實技術、全息影像技術、數字藏品、數字博物館等。

這些技術的使用可謂是大勢所趨，隨著科技時代的進步與時代的發展，在展示展覽方面也必須有更進一步的迭代和創造。我們也將追尋科技的腳步，一步步地完善和改進本項目成果。

6 結語

本項目的研究課題是數字技術在古建筑遺址復原中的應用研究，在了解數字技術的國內研究現狀后，對避暑山莊現存遺址進行分析與測量。這也是目前國內外對這一技術研究方向的一大趨勢，國家和政策也都大力支持，國內也有很多學者、機構及高校對避暑山莊的文化與建筑進行了深入研究。本次研究注重與建筑結構、藝術、文化以及技術的高層次結合，豐富了科普資源的數量和種類，拓寬了古建筑遺址的傳播技術手段，促進中華優秀傳統文化傳承與創新，具有很高的經濟價值、文化價值和科普價值。

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