上海優秀歷史建筑數字化研究

摘要：該文旨在探討如何通過數字化技術還原、傳承、保護優秀歷史建筑，以上海市楊浦區圖書館為案例，分析了歷史建筑數字化的操作路徑和現實應用。該文主要介紹了歷史建筑二維圖像處理和三維重建的過程。在應用方面，沉浸式場景再現能夠充分調動用戶感官，使其視聽體驗得以增強；增強現實技術的應用，能夠提升人機交互的便利性與趣味性；交互裝置的使用，能夠打破具象、寫實的展示形式，實現用戶體驗的多元化。上述數字化方法能夠有效展示歷史建筑的特點與價值，推動文化遺產在現代社會的傳播與傳承，為歷史建筑保護工作提供新的思路和解決方案。

關鍵詞：優秀歷史建筑；數字化；沉浸式；楊浦區圖書館；三維重建；交互裝置

中圖分類號：TU-87；G258.2" " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " "文章編號：2096-4110（2025）03（b）-0092-05

Digitalization of Shanghai's Outstanding Historical Buildings

—A Case Study of the Yangpu District Library

ZHAO Siqi

（Xianda College of Economics amp; Humanities， Shanghai International Studies University， Shanghai， 200083， China）

Abstract： This research endeavors to investigate the methodologies through which digital technologies may facilitate the restoration， preservation， and inheritance of distinguished historical edifices. Utilizing the Yangpu District Library in Shanghai as a case study， an in-depth analysis is conducted on the procedural frameworks and practical implementations pertinent to the digitization of historical architecture. The exposition encompasses the technical processes involved in the treatment of two-dimensional imagery and the execution of three-dimensional reconstructions pertaining to these historical structures. Concerning application domains， the recreation of immersive environments serves to profoundly engage the sensory perceptions of users， thereby augmenting their auditory and visual experiences. Meanwhile， the deployment of augmented reality technology enhances the efficacy and appeal of human-computer interactions. Furthermore， the incorporation of interactive installations transcends traditional representational exhibition formats， thereby fostering a multifaceted user experience. Collectively， these digital approaches not only accentuate the distinctive attributes and intrinsic values of historical buildings but also catalyze the propagation and perpetuation of cultural heritage within contemporary society. Consequently， they offer innovative perspectives and pragmatic solutions for the safeguarding of historical architecture.

Key words： Outstanding historical buildings; Digitization; Immersive; Yangpu District Library; Three-dimensional reconstruction; Interactive installation

上海是中國近代歷史建筑的重要聚集地，歷史建筑不僅是城市文化遺產的重要組成部分，也是城市文化身份的重要載體。隨著虛擬現實技術、增強現實技術、攝像機交互技術的發展和運用，數字化已經成為歷史建筑的重要保護途徑和手段[1]。目前，歷史建筑數字化的展示已經趨于成熟。歷史建筑數字化的目的并非單純的技術運用，其核心應當聚焦于人的體驗，使用戶能夠直觀、有效地感知和理解數字化內容，實現“體驗創新”與“體驗升級”[2]。因此，數字化的實施必須基于建筑的歷史背景與特色進行呈現，結合多種藝術手法，比較不同體驗類型，強調互動體驗的重要性，以教育和共鳴為目標。例如，通過多種數字化應用，讓用戶從玩中認知，使歷史建筑更廣泛地接觸公眾，并融入流媒體時代，從而實現其跨界的傳播效果[3]。

1 楊浦區圖書館歷史建筑外部結構數字化

截至2024年，上海共有1 058個優秀歷史建筑，風格多樣，形成了海派建筑、中式復興式建筑，楊浦區圖書館即中式復興式建筑的代表。該館的前身是“舊上海市圖書館”，由著名建筑師董大酉設計，始建于20世紀30年代，被譽為“小故宮”，是上海近代歷史的重要見證，其數字化具有重要意義。本次數字化的主要對象是圖書館的建筑外部結構，是歷史建筑全面數字化的第一步。

1.1 建筑特點分析

楊浦區圖書館是中式復興式建筑，融合了現代建筑設計風格和中國傳統建筑風格。在數字化過程中，既需要數據、圖紙和圖像等信息，也需要對中國古代傳統宮殿的設計理念和建筑元素進行深入了解，確保數字化的準確性和真實性。整體來看，圖書館建筑采用對稱式布局，圍繞一條中心軸線展開，兩側建筑相互對稱。圖書館上半部分為仿故宮中式建筑，包含飛檐斗拱、重檐歇山、琉璃瓦頂、天花彩色，柱子、欄桿和墻面有精美的雕刻和彩繪；下半部分是現代建筑和中國傳統建筑的結合，窗戶為中國傳統特色花窗，用木質框架構成復雜的幾何裝飾性圖案?；谝陨辖ㄖ攸c，后續需要藝術性表達的地方，應當著重表現建筑上半部分宮殿的華美和下半部分的簡約，有效還原建筑設計的融合感與反差感[4]。

1.2 二維圖像的數字化處理

歷史建筑數字化的二維圖像數字化處理，首先，從檔案館、圖書館和官方網站獲取原始建筑圖紙，其中包括總平面圖、樓層平面圖、立面圖、剖面圖等，并對其進行分類、編號和掃描，形成二維數字資源。掃描后對照原始圖紙仔細核對數字圖像，確保所有元素都被正確表示，特別是關鍵尺寸和位置關系，必須嚴格符合原圖，保證數字化建筑比例結構的準確性[5]。其次，對建筑的雕刻花紋、彩繪圖案等細節部分進行高清拍攝，確保每個細節都清晰可見。在拍攝過程中，應注意選擇合適的拍攝角度和光線條件，以減少陰影和反光對圖像質量的影響。同時，為了保證模型的完整性，需要對建筑的各個角度和部位進行全方位的拍攝，獲取精確的紋理細節。最后，運用Photoshop等軟件對圖像進行二次處理，完成圖像的數字化錄入，形成數字圖紙庫，為建筑的三維重建做好準備。

1.3 歷史建筑的三維重建

首先，依據上述數字圖紙進行基礎框架的還原，將總平面圖和立面圖導入三維建模軟件Maya中，在建模時重點運用Distance Tool精確測量建筑數據，對建筑的形態和比例進行三維化，確保建筑三維還原的嚴謹度。其次，在模型基礎框架上制作雕像、雕刻花紋和彩繪圖案細節部分等。對照實物進行精細的修正，以確保模型的準確性和真實性。最后，繪制建筑材質。選擇與建筑本體一致的材質進行制作，為符合建筑的年代感，還需實現多種材質的混合。例如，墻壁因年久風化和雨水侵蝕會形成痕跡，在制作這部分材質時應當混合巖壁本質材質、水痕和風化顆粒，注意混合的方位，保證還原的真實性。通過這種方式，能夠有效地重建出楊浦區圖書館的三維模型，既保留了建筑的原始風貌，又實現了數字化存儲和展示。這不僅有助于保護這一重要的歷史文化遺產，還能夠為未來的研究和利用提供更多的可能性。

2 楊浦區圖書館歷史建筑數字化的應用

在三維建模和材質制作之后，在此基礎上可以開展建筑數字化的應用。目前，國內外不少游戲作品已在這方面進行了有益的實踐。例如：2014年，《使命召喚》中巴黎圣母院的數字化呈現，幫助了巴黎圣母院大火后的重建提供了重要參考；自2007年起，《神秘海域》系列游戲還原了亞特蘭蒂斯、伊斯坦布爾市場、塞內加爾海岸線等歷史名地，將建筑與地域文化融入游戲；2024年《黑神話：悟空》對中國傳統古建筑的數字化再現，備受矚目。楊浦區圖書館的數字化亦具備多種運用場景，能夠充分調動用戶的視、聽、觸等感官，形成沉浸式的趣味體驗。

2.1 沉浸式場景再現

“沉浸式體驗強調用戶的主動參與和情感投入，其核心在于營造身臨其境的代入感?！盵6]在場景創建過程中主要通過Unreal引擎來實現，Unreal的實時動態光照、仿真的天空大氣、體積霧、粒子特效、藍圖交互等功能，非常適合創建并再現真實場景（見圖1）。

2.1.1 場景化

歷史建筑的三維化不僅要實現數字化的簡單還原，更要創建符合該歷史建筑氛圍的三維場景[7]。在場景化過程中，需要創建楊浦區圖書館周圍的植被、花壇和地面。植被創建階段，選擇與真實建筑周邊植被一致的花草進行搭建，為了打破計算機創建場景不夠真實的弊端，可在草叢中添加雜草和不同顏色的植被作為點綴，并給植被添加動態效果。在花壇創建階段，依據真實圖像進行還原，包括花壇的尺寸、結構和材質等，其中在材質制作時需要對多種材質進行混合，在基礎材質上添加落灰的材質，使其呈現法線朝上的一面浮上灰塵的效果。在地面創建階段，為了增強場景的真實感，可在地面的邊緣和角落添加落葉、塵土等。

2.1.2 氛圍營造

首先，運用HDRI（High Dynamic Range Image，高動態范圍圖像）創建周圍環境，選用帶有城市風格的HDRI環境貼圖，照亮整個場景，提供天空、太陽等自然光源，模仿街道、樓房店鋪等人工光源，調整其強度和顏色以匹配現實世界的光照情況，添加PBR（Physically Based Rendering，基于物理的渲染）材質到建筑物表面，確保它們能正確反映周圍的光照變化。這種方法不僅節省場景運行耗能，還能呈現出較好的真實環境效果。

其次，通過體積霧（Volumetric Fog）來營造氛圍，進一步增強敘事感。體積霧是一種模擬技術，能夠真實地再現空氣中懸浮顆粒對光線散射的效果，從而使得場景中的光照和陰影更加逼真。體積霧不僅能夠增強場景的深度感，還能夠有效地區分遠近，使得遠處的物體看起來更加模糊，而近處的物體則保持清晰可見。在實際應用中，可通過體積霧來營造楊浦區圖書館的莊嚴氛圍，增加空間的層次感。通過這種方式，遠處的建筑在視覺上會顯得更加模糊，而近處的建筑則能夠保持清晰可見，從而加深場景的景深。這種處理方式能夠有效地強調前景、中景和背景之間的關系，利用體積霧遮擋部分視野，巧妙地引導用戶注意到設計師希望突出的地方。此外，結合光照效果，體積霧還可以營造出丁達爾效應（Tyndall Effect），這種效應能夠進一步增強場景恢宏的氣質和朦朧之美，使得整個場景更加引人入勝，充滿神秘感。

最后，在創建基礎環境后，給環境增加濾鏡。后期處理體積（Post Process Volume）是提升場景視覺效果的強大工具。該功能允許開發者通過一系列的圖像處理效果來調整和增強渲染輸出，從而實現更加逼真、更具藝術性的視覺表現。在楊浦區圖書館項目中，可先在調色部分以淡雅的冷藍色調配色為主，突出時代感；處理自動曝光參數，修復場景瑕疵，避免出現場景過曝、欠曝、噪點情況，使場景更加干凈清晰；通過增強陰影和高光部分的細節，增強層次感；通過添加光暈和鏡頭光斑效果，特別是在面對陽光直射的地方，讓用戶感受到光線的強烈和溫暖。

2.1.3 視、聽體驗再現

除了三維模型、場景和天氣氛圍以外，動態視覺效果也可增強沉浸感。運用引擎中的Niagara粒子系統制作與楊浦區圖書館場景相符合的特效來營造氛圍?？梢罁鼍爸械闹脖贿M行粒子特效制作——樹葉飄落，選擇與場景中屬性品種顏色相符合的葉片素材，運用Niagara中的Blowing Particles作為樹葉飄落的基礎模板進行制作。在制作過程中，對樹葉飄落的生成數量、方向、旋轉角度、生命時長、生成范圍、擾動等數值進行編輯，最終呈現自然且符合物理規律的動態效果。此外，還可以利用Niagara粒子系統模擬雨水或雪花等天氣現象，進一步豐富場景氛圍。例如，在制作雨水效果時，可以調整粒子的形狀、速度、密度等參數，增加動態效果，使其看起來更加真實。然后結合場景中的燈光效果，營造出雨夜或雨后清新的氛圍。而在制作雪花效果時，則可以通過調整粒子的透明度、大小、下落速度等參數，模擬出不同大小的雪花在空中飄落的場景，為觀眾帶來更加真實的沉浸體驗。

在楊浦區圖書館的數字化項目中，音效的融入也尤為關鍵。恰當的音效能夠顯著提升用戶的沉浸體驗，將人們置于一個栩栩如生的場景之中。為了實現這一目標，需要選擇與場景相契合的音效。在閱讀區域，融入輕柔的樹葉飄落聲，營造出寧靜祥和的氛圍；在虛擬街道場景中，加入車水馬龍的喧囂聲，以模擬都市的繁忙；在自然景觀展示區，則可引入清脆悅耳的飛鳥聲，仿佛置身于大自然的懷抱。通過這些精細的音效設計，用戶在體驗數字化圖書館時，能夠最大限度地激發聽覺感官，全情投入每一個場景中，從而獲得沉浸式的視聽體驗。這種體驗不僅能夠提升用戶的參與度，使他們更加積極地探索和互動，還能夠激發用戶的興趣，讓用戶在享受知識樂趣的同時，感受科技帶來的無限潛能。

在此基礎上，再借助虛擬現實（VR）設備進行歷史建筑的數字化保護和展示，對歷史建筑進行三維虛擬仿真模型設計，實現逼真的虛擬現實效果[8]。這能夠使用戶進入一個虛擬的三維環境，打破屏幕媒介，“親身”感受楊浦區圖書館的建筑及其環境。在VR應用中，用戶可以自由地探索楊浦區圖書館的外部結構，觀察每一個細節，獲得更為真實和沉浸式的體驗。VR應用可以最大限度地調動場景中的靜態模型和動態光影、特效、聲音等元素，營造出更為逼真的歷史氛圍，讓用戶仿佛穿越時空，置身于歷史的長河之中。

2.2 增強現實技術的應用

對于歷史建筑的保護和展示來說，增強現實（AR）技術的應用無疑是最為便利且最合適的方式之一。通過增強現實技術，將歷史建筑的信息疊加到現實場景中，為用戶提供沉浸式的體驗，可以極大地提升用戶對歷史建筑的體驗，提供全新的教育、娛樂和互動方式。用戶僅需通過屏幕這一媒介，無需佩戴任何穿戴設備，便可以掃描識別特定的圖像，從而觀賞到歷史建筑的三維模型。當用戶通過AR應用掃描識別圖后，利用簡單的手勢，如手指滑動、點擊等，可以觸發不同的展示形式。這些展示形式包括但不限于360度全方位觀賞楊浦區圖書館的每一個角落、局部展示建筑的細節，以及提供關于楊浦區圖書館的詳細介紹。此外，用戶還可以觀看與楊浦區圖書館相關的歷史影視資料，從而更加深入地了解其背后的歷史故事和文化背景。AR技術最大限度地展示了歷史建筑的魅力，使用戶能夠以一種全新的視角來欣賞和理解這些珍貴的文化遺產。同時，它也極大地縮短了現代人與歷史建筑之間的距離，增強了用戶對歷史建筑的理解和參與感，使人們能夠更加直觀地感受歷史的厚重和文化的傳承[9]。

2.3 交互裝置的使用

隨著虛擬現實和智能環境技術的進步，沉浸式交互藝術可能成為未來裝置藝術的主流[10]。2016年，倫敦Vamp;A博物館舉辦了名為“工程季”的展覽，其中包含了一個大型互動裝置——“彈珠機器”，它將機械原理與建筑設計相結合，讓觀眾能夠體驗到設計和建造的樂趣；2019年，在日本小田原城舉行的“1分鐘投影測繪節”上，ORB（Oriented FAST and Rotated BRIEF）映射技術與投影測繪相結合，呈現了小田原城的建筑遺產，在實際建筑上疊加歷史信息和文化故事，為游客提供了一種沉浸式的參觀體驗；2024年，湖南省博物館利用VR、AR及互動投影等技術，推出沉浸式數字展覽，如“長沙馬王堆漢墓”展，為觀眾提供身臨其境的歷史文化體驗。

楊浦區圖書館的動態交互也能夠通過交互裝置設計來展現。例如，可以運用Touch Designer中的三維點云化功能，將建筑模型空間轉化為動態互動的數字體驗，運用楊浦區圖書館數字化初期建筑模型，打破具象的、寫實的展示形式，使用戶從更加藝術多變的角度探索圖書館，回歸到藝術最初的點、線、面等基礎構成，借助鍵盤和手勢此類媒介，控制建筑打破和重組的過程，獲得更多的趣味性和掌控感。因此，交互裝置的使用，能夠吸引更多年輕人關注傳統建筑遺產，促進文化教育和旅游發展，重現歷史場景，增強了教育意義（見圖2）。

圖2" "楊浦區圖書館交互裝置設計展示圖

3 結束語

本文深入探討了歷史建筑數字化的重要性及其多種實現方式，以楊浦區圖書館為例展示了從建筑特點分析、二維圖像處理到三維重建的全過程，并討論了通過沉浸式場景再現、增強現實技術（AR）和交互裝置設計等手段提升用戶體驗的有效策略。本文強調，數字化的核心在于聚焦用戶體驗，使用戶能夠直觀且有效地感知和理解數字化內容，實現“體驗創新”與“體驗升級”。具體而言，楊浦區圖書館作為中式復興式建筑的代表，其數字化過程不僅涉及數據、圖紙和圖像的精確處理，還需深入理解中國傳統建筑的設計理念和建筑元素，確保數字化的準確性和真實性。通過Maya軟件進行三維建模，并結合Unreal引擎創建逼真的環境氛圍，如動態光照、體積霧等特效，增強了沉浸感；利用AR技術，用戶可以通過屏幕識別特定圖像觀賞優秀歷史建筑，提供教育和娛樂的新方式；而Touch Designer等工具則將建筑模型轉化為動態互動體驗，吸引更多年輕人關注歷史建筑，促進文化教育和旅游發展。研究表明，這些數字技術不僅有助于文化遺產的保存，還能為公眾提供豐富生動的文化體驗，推動文化遺產在現代社會中的廣泛傳播與傳承。同時，強調了歷史建筑數字化的重要性，需不斷探索和實踐以達成迭代創新的目標。

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項目基金：上海外國語大學賢達經濟人文學院2024年度校級科研項目“上海優秀歷史建筑的數字化研究”（項目編號：A3107.24.1801.2450）。

作者簡介：趙思琪（1994，4-），女，吉林吉林人，碩士，講師。研究方向：數字媒體藝術，游戲美術設計。