虛擬現實技術在古園林復原及數字化工程中的應用——以古蓮花池虛擬漫游系統的建設為例

曹迎春 李紀偉

(河北大學建筑工程學，河北 保定071002)

虛擬漫游是虛擬現實(VR)技術的重要分支，基于VR技術獨特的沉浸感、交互性和構想性的3I特性，用戶可突破傳統動畫仿真固定漫游路徑的技術限制，自由、方便的建構虛擬漫游系統，以實現虛擬現實、仿真、復原和互動娛樂等目標，近年被廣泛用于新聞、旅游、游戲、交通和建筑等領域.本技術被譽為繼多媒體技術之后21世紀的代表性技術，被列為國家863計劃重點支持研究課題，具有廣闊的發(fā)展前景.

虛擬漫游技術在建筑領域廣泛應用于建立數字城市、城市規(guī)劃評估平臺、古建筑復原和保護、虛擬場景漫游以及地產漫游等方面.國外在本領域的研究處于領先地位，成功完成多項國際知名項目，尤其在古建筑復原及場所精神的重塑方面，虛擬漫游技術顯示出獨特而強大的功能.例如由美國維吉尼亞大學利用虛擬現實技術復原了世界最大古建筑群——意大利古羅馬城市，參觀者通過3D虛擬再現系統可身臨其境觀賞古代羅馬城;由美國加利福尼亞大學洛杉磯分校實驗室完成的虛擬西班牙圣地亞哥大教堂項目，突破性的加入13世紀音樂作為背景音樂，極大提升項目感官體驗.國內虛擬現實技術研究相對滯后，近年才逐漸興起，主要完成項目有北京銳智盛揚文化播有限公司為輔助電影圓明園拍攝和后期處理，制作的數字圓明園;由故宮博物院和IBM聯合開發(fā)的中國第一個互聯網展現重要歷史文化景點的3D“虛擬紫禁城”等.

1 源起

目前，我國已完成的虛擬現實項目存在一些問題:1、多關注物質場景的視覺真實性，缺乏對聽覺、觸覺等其他感官真實性和豐富性的深入研究.2、多關注虛擬場景的實用性，如用于電影拍攝、場景展覽及可視化管理，缺乏對建筑場景藝術感和人文氣質內涵的充分營造.3、項目主要由公司、企業(yè)以商業(yè)活動形式完成，多集中在國家重要的大型、高盈利的項目上(例如紫禁城和長城等).而大量一般但又急需虛擬現實相關技術應用的建筑類型(例如古建筑保護、古城再現及旅游景點的互聯網在線宣傳等)，由于無法支付高昂的費用而望而卻步.基于此，本研究以具有的追求感官真實性和豐富性，注重藝術感及人文氣質營造之顯著特征的中國傳統園林建筑為對象，選取國家一級保護文物單位保定市古蓮花池為例，運用虛擬現實技術復原其古代真實情景，建立古蓮花池虛擬漫游系統.通過研究實現以下目的:1、虛擬場景視覺、聽覺、觸覺等多方位感官體驗真實性和豐富性的深度營造.2、提升虛擬場景藝術感和人文氣質的內涵，營造神形兼?zhèn)涞脑佻F場景.3、對大量一般且急需虛擬現實技術應用的項目進行研究，使其得到有效的保護和網絡宣傳，促進相關產業(yè)的發(fā)展.

2 古蓮花池概況及復原目標

2.1 古蓮花池概況

古蓮花池位于歷史文化名城保定城市中心區(qū)，國家一級文物保護單位，與蘇州拙政園、北京頤和園等園林齊列中國十大歷史名園.古蓮花池始建于1227年(元)，稱“雪香園”，私家園林.1289年(元)震毀荒廢，但園中池水清澈，荷花滿園.永樂初年重建為官府附屬辦事衙門兼私人宅第.明朝后期大規(guī)模整修、擴建.清代古蓮花池達到鼎盛時期，雍正十一年(1733)開辦蓮池書院(直隸書院)標領一省學風，名馳中外.乾隆十年(1745)，蓮池辟為皇帝行宮.二十五年，置蓮池十二景，并繪蓮池十二景圖，且附圖解和圖贊(《蓮池行宮十二景圖詠》).1900年，八國聯軍毀古蓮花池.1948年在蓮池成立了“民眾教育館”.2001年7月古蓮花池被列為全國重點文物保護單位.至今，文物工作者不斷研究古蓮花池的文化和園林藝術處理，對其進行了很多修復和復原.

古蓮花池總面積2.4萬平方米，其中池水面積7900平方米.園景布局嚴謹，錯落有序，環(huán)水置景，因荷得名.整座園林以池為主體，池水又以建在北塘中央的湖心亭為中心.池中心島分園為南北兩塘，蜿蜒曲折的東西二渠將兩塘溝通為一個整體.南塘呈半月形，外圍峭壁環(huán)峙，松柏滴翠.北塘呈不規(guī)則矩形，四周玉石堆岸，楊柳垂絲.園內蓮池十二勝景美不勝收.入夏，荷香滿園，綠蔭鎖日;冬來，銀池玉宇，格外嫵媚，充分體現了我國古典園林的悠遠意境，素有“城市蓬萊”之譽.

2.2 復原目標確定

古蓮花池復原參考資料包括文獻資料和古代圖繪，其中四副古代圖繪為復原主要依據(表1).由于古蓮花池在歷史的變遷中多次焚毀，但池水的空間布局始終如一，荷花美景一脈相承;同時，不同時代尤其是近代不同時段的建筑相互疊加在園中.由此確定以古蓮花池現狀院內空間構成和環(huán)境布局實測數據為基本框架，以古蓮花池鼎盛時期(乾隆、同治和光緒)的古圖繪存本《蓮池行宮十二景圖詠》、重繪《蓮池行宮十二景圖詠》(圖2)和《古蓮花池全景圖》所繪建筑形制和布局為主要建筑參考(這期間園區(qū)布局穩(wěn)定、景致疏密得當，且十二景完整.后期疊加較多近代建筑，影響古蓮花池經典意境)，同時考察其他資料，以補充和完善復原目標.

表1 古蓮花池復原參考古代圖繪情況一覽表

3 古蓮花池虛擬漫游系統建設技術程序和要點

古蓮花池虛擬漫游系統建設技術程序大致可分為數據采集、數據錄入和漫游系統建設三部分(詳細程序見圖3).

3.1 數據采集

數據采集包括實地勘察、調研古蓮花池附近街區(qū)及內部環(huán)境、拍攝圖像、現存古建和景觀測繪、地形起伏變化分析、查閱相關的歷史數據及文獻資料.以此確定復原目標，對復原時期的古蓮花池內部地形、河岸、建筑、景觀小品、山石景點做了空間整體分布重建和定位.

3.2 數據錄入

數據錄入包括:數據輸入，平面數據整理和繪制(CAD軟件、PHOTOSHOP)，建筑、地形、河岸、池塘等的三維建模(3Ds Max、VRAY).其間深入研究并設計一套模型簡化技術，以減少計算機運算量，提高數據處理速度，是畫面更加流暢.主要包括以下技術要點:

(1)三維建模逼真度與實時渲染之間矛盾的協調.建模精細，則近觀物體細致逼真，但實時渲染大量消耗資源，整體畫面觀感不流暢;反之，雖整體畫面觀賞流暢，但近觀物體較粗糙.通過研究實現在建模精細度和實時渲染速度兩方面取得和諧的折衷值，在保證畫面觀感流暢的同時，滿足場景的逼真感.

(2)園林大量自然植被景觀建模技術.園林內大量、多種自然植被的配置是其不同于其它虛擬現實工程的關鍵.通過研究實現植被景觀的最優(yōu)化建模和模型層次配制，即在建構層次豐富、搭配合理、觀感良好園林景觀的基礎之上，大量減少繪制數據量，保證畫面觀感流暢.

3.3 漫游系統建設

將建成的三維空間模型導入VRP虛擬漫游處理軟件(VR—Platform)，不斷進行空間分析和調試，以還原和再現中國古典園林精神意境.古蓮花池漫游系統建立所面臨技術難點包括如下幾點:相關技術要點主要包括:

(1)虛擬漫游技術相關軟件(cad，VR—platform，3DS－Max，PHOTOSHOP，VRAY渲染平臺)的掌握和各軟件間數據良好、完整的轉換;

(2)古建筑數字化技術，幾何建模及模型導入技術，及三維虛擬漫游系統場景建立技術;

(3)虛擬現實場景中真實感官體驗的完善.豐富而愉悅的感官體驗是中國園林藝術追求的目標.通過引入多重背景聲效、動態(tài)貼圖、多層次貼圖、觸發(fā)式動畫以及骨骼動畫等技術，創(chuàng)造感官豐富、身臨其境的逼真體驗，使虛擬現實技術在園林景觀真實感營造方面更加完善.改變現實工程重視覺場景，輕聽覺、觸覺等其他感官真實性及豐富性的問題.

4 結語

經過近兩年的不懈努力，完成了古蓮花池虛擬漫游系統(如圖4、5、6)的建設.希望通過我們的工作能夠再現古蓮花池雍容華麗的風采和濃厚的文化氣息，從而使她得到更好的宣傳，獲得更多人的關注、了解和保護.

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