虛擬仿真技術在建筑遺產保護中的研究與實踐

姚美康 ，吳 堯

（1. 順德職業(yè)技術學院，廣東 佛山 528300；2. 澳門城市大學城市管理學院，澳門 999078）

1 虛擬仿真技術

虛擬仿真技術，就是利用計算機仿真系統(tǒng)創(chuàng)建一種體驗式虛擬世界，實際上也就是生成了一種虛擬化的系統(tǒng)環(huán)境，用來模擬現(xiàn)實狀況，綜合多源信息，形成交互式的三維動態(tài)視景與實體行為，讓體驗用戶仿佛置身于真實的情境中[1-4]。

2 虛擬仿真技術的優(yōu)勢特點

(1)多感知性。計算機虛擬現(xiàn)實技術能夠讓參與者從聽覺、觸覺、視覺、味覺、嗅覺以及動感等諸方面獲得感知，也就是說，幾乎人類所有能夠感覺到的功能都可以通過VR虛擬仿真技術實現(xiàn)[5-6]。

(2)存在感。也叫臨場感，可以理解成為真實感，指用戶作為虛擬情境中的主角，在體驗的過程中能夠真實地感受到虛擬環(huán)境，一個成功的虛擬現(xiàn)實環(huán)境能夠讓體驗者難辨真假，就好像置身在真正的環(huán)境中一樣。

(3)交互性。主要指在虛擬環(huán)境中，用戶對物體的可控性和操作性的掌控程度，用戶可以從虛擬環(huán)境獲得真實的反饋結果，即實時反饋。例如，用戶可直接抓取環(huán)境中的物體，此時，體驗者會有手里握著東西的感覺，能夠感覺到物體的質量，而且視覺中的物體也會隨著手的移動而移動。

(4)自主性。主要指在虛擬現(xiàn)實環(huán)境當中，環(huán)境中物體能夠根據(jù)物理學規(guī)律運動的自主性程度，如在外力作用下，物體會向作用力方向移動，類似樹葉隨風搖擺，海水漲落，都是自主性的體現(xiàn)。

3 建筑遺產保護的意義

我國數(shù)千年歷史孕育了深厚的精神財富與物質財富，給全世界人民帶來了寶貴的精神食糧，其中建筑遺產有著不可小覷的重要地位，其保護對于國家、民族文化的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義和價值。保護古建筑與歷史街區(qū)實際上也是在保護城市的記憶，保護城市文化和城市血脈。建筑遺產的保護并非拆與不拆的問題，單純聽從專家意見，或單一從建筑遺產保護技術角度出發(fā)也不全面。類似故宮、天壇、古羅馬斗獸場這樣的遺產是獨一無二的，而能夠真正成為著名旅游景點的建筑遺產其實很少。需要保護的不一定是荒廢的遺址，也可以是有生命的，上海的老街坊和弄堂就是如此。這些歷經(jīng)歲月洗禮保存下來的遺址未來究竟何去何從，才是所要思考和研究的課題。

隨著科技水平提升，應用高新科技手段修復殘缺破損的古代建筑物成為一種趨勢，它可以降低后期維護難度和成本，減少對古建筑的破壞，避免建筑遺產的歷史價值和文化價值受到人為破壞。其中，VR虛擬現(xiàn)實技術表現(xiàn)搶眼，如何更好地應用虛擬現(xiàn)實技術修復與保護建筑遺產已成為熱點話題。當前，我國VR虛擬現(xiàn)實建筑遺產保護技術發(fā)展水平還存在很多不足，但相信通過不斷努力，VR虛現(xiàn)實技術會發(fā)揮出更多作用和價值，更好地完成保護與修復歷史建筑遺產的任務。

4 當前建筑遺產保護中存在的問題

我國建筑遺產資源豐富，擁有許多享譽國內外的歷史名勝古跡，盡管各級地方政府都加強了對歷史建筑遺產的多重保護力度，投放大量資金對破損的建筑進行修復，并且建造了地方博物館讓人們有機會一睹中國古代文明的璀璨之光，不過在實際工作中，仍然存在諸多問題。

其一，建筑遺產項目在保護過程中會受到自然災害或者人為破壞，造成建筑物構件的損毀，部分游客素質亟待提高。而且，展示過程中也不可避免會被游客有意或無意地破壞，嚴重地影響了建筑物的壽命。

其二，和發(fā)達國家相比，我國建筑遺產保護技術還有很大提升空間，總體來說，保護方法與技術手段還比較落后，單純依靠傳統(tǒng)人工保護的方式已不能滿足保護要求，同時人工修復還會對建筑物造成一定傷害，修復周期較長，工人工作的危險系數(shù)高。

其三，我國已開放了大量博物館、名勝古跡，隨著更多建筑遺產逐步對公眾開放，如管理和保護措施不到位，會加速建筑遺產的衰敗速度。

5 虛擬現(xiàn)實技術在建筑遺產保護中的應用[7-29]

5.1 保護建筑遺產

VR虛擬現(xiàn)實技術在建筑遺產保護中具有很多突出優(yōu)勢。例如可避免建筑遺產長期裸露在外，避免遭受自然災害，防止建筑物外墻墻體風化、褪色，同時可減少運輸過程中給建筑物帶來的破壞，避免部分游客隨意涂鴉和破壞周邊環(huán)境。很多大型建筑群已經(jīng)開始應用該技術設計立體模擬景區(qū)，讓游客身臨其境地感受建筑遺產的魅力。

5.2 增加展示頻率

因為VR虛擬現(xiàn)實技術是一種專業(yè)數(shù)字化的保護手段，不受時間與空間的限制，因此會有更多發(fā)展空間，展示功能也更強大。它可以讓建筑遺產展示轉變?yōu)榫哂杏^賞性的活動影像，提高展示效果的同時也為人們帶來極大的便利。例如，參觀者可以通過VR影像身臨其境地參觀某些地處偏遠、不易到達的建筑遺產。所以VR虛擬現(xiàn)實技術可以大幅提升展示頻率，讓更多游客有機會近距離觀賞建筑遺產。

6 虛擬現(xiàn)實技術在建筑遺產保護中的應用實例

6.1 香港天壇大佛

香港天壇大佛坐落在我國香港地區(qū)大嶼山木魚峰頂，是當今世界上最大的露天青銅坐像，大佛由202塊青銅焊接而成，重達250 t，佛身高23 m，蓮花座與基座高34 m。天壇大佛依照佛經(jīng)如來三十二相設計，面相是龍門石窟的盧舍那佛，衣紋、頭飾是釋迦牟尼佛像，所以香港天壇大佛有隋唐佛教時期的藝術造像特色。

香港天壇大佛的設計參照了唐朝建筑群的布局思想和格式，采用了唐朝建筑型制，嚴格依照三進三出的平面規(guī)劃布局。在利用虛擬仿真技術及三維信息系統(tǒng)對大佛進行保護時，首先需經(jīng)過準確精細的實地測量，獲得每一個構件的三維模型數(shù)據(jù)，然后整理形成建筑三維數(shù)字化檔案庫，再加工單一構件，最后對多個構件進行整體組裝，整個過程都需要監(jiān)控和質量把控。

(1)數(shù)據(jù)獲取。香港天壇大佛建筑結構復雜，建造要求高，需通過人工測量、儀器測量以及攝影測量、激光掃描的方式，獲得建筑遺產保護的整體規(guī)劃方向和航拍影像。

(2)三維建模。通過前文所提及的各種數(shù)據(jù)采集的手段，就建筑物的某個特定部位構建模型，并對單位部件進行組合。通常，一個整體的建筑構件會由復雜的多個小的構件組成，需要對每一個構件完成三維立體建模。

(3)建造工藝的數(shù)字化轉化。關于建造工藝的數(shù)字化的傳承，大致表現(xiàn)在整體構件組裝和部分構件組裝兩部分。比如對斗拱部分的組裝，是在實際模型的觀測和數(shù)據(jù)庫研究的基礎上，開展對虛擬組裝的研究，這樣在建筑文化遺產保護施工過程中，工藝規(guī)劃管理與質量監(jiān)督就更科學、便捷、高效。

(4)工程監(jiān)理。工程監(jiān)理指依據(jù)建筑數(shù)據(jù)庫資源和建筑遺產保護專業(yè)知識，通過三維建模，對歷史建筑文化遺產的建筑風格、構造作法，展開全面的監(jiān)督管理。在管理的過程中，采用現(xiàn)代遙感、高精度的測量技術，構建傳統(tǒng)歷史文化建筑構件的三維立體模型，集成數(shù)據(jù)庫以及三維數(shù)字檔案，為今后的維修保護提供參考依據(jù)。

(5)虛擬漫游。虛擬漫游是虛擬仿真系統(tǒng)技術的一部分，對于建筑遺產而言，是通過三維數(shù)據(jù)庫資料，建立一種浸入式的瀏覽體驗方式。打破時間空間的限制和束縛，更全面、更系統(tǒng)地展示中國古代傳統(tǒng)文化以及優(yōu)秀建筑文化的工藝特點。通過提供API接口的方式來實現(xiàn)空間限制上的突破，同時漫游系統(tǒng)還可以很好地滿足游客的各種需求，完成對建筑物歷史信息的完整存儲與數(shù)字檔案管理，從而更好地促進地方旅游業(yè)的快速發(fā)展。

6.2 數(shù)字敦煌——莫高窟

敦煌莫高窟位于甘肅省敦煌市境內，有著西千佛洞的美稱，居我國四大石窟之首，同時也是世界上現(xiàn)存規(guī)模最大，保存最完好的佛教藝術圣地。1987年12月，敦煌莫高窟被聯(lián)合國教科文組織評為世界文化遺產。莫高窟開鑿在鳴沙山東麓的斷崖上，南北長度為1 600多m，上下5層,高低錯落、鱗次櫛比。不過，由于年代久遠，風沙、崖體坍塌及地震等自然原因導致莫高窟受損。另外，人為刻畫、偷盜以及旅游項目的過度開發(fā)，也造成了嚴重的破損和病害，彩塑損壞和壁畫退化速度十分迅速。

隨著信息時代的來臨，數(shù)字化信息革命的浪潮正在波及各個領域，城市及建筑管理也逐步進入數(shù)字化管理時代，敦煌作為我國著名的歷史文化名城，率先實施了數(shù)字化管理，特別是在敦煌建筑文化遺產保護中，植入了數(shù)字化管理技術，將壁畫、洞窟、彩塑等敦煌各類建筑文化遺產及文物加工制作，收集整理成高品質、智能化的數(shù)字圖像，充分收集分散在全球各地的敦煌文獻材料，再對各類素材進行數(shù)字化處理，建立系統(tǒng)的電子檔案，通過近景攝影、航空拍攝、激光掃描的技術手段，收集莫高窟外部和內部的雕塑、壁畫、地貌環(huán)境、地形，多角度、全方位地展開影像數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)的處理，構建敦煌莫高窟的正射影像模型、數(shù)字地面模型和三維可視模型，以便更好地凸現(xiàn)莫高窟內的三維場景，保護現(xiàn)存的雕塑、壁畫等具有珍貴歷史文化價值的人類遺產，同時也能夠滿足游客通過虛擬仿真的技術手段全面欣賞莫高窟。

對于莫高窟某個點模型最終成果，先進行高精度的數(shù)據(jù)獲取，包括室內掃描、室外獲取，然后制作正射影像與等值線圖，一同集成到三維數(shù)據(jù)庫中，利用測量手段獲取的三維信息模型，完成多點云數(shù)據(jù)采集，構建不規(guī)則三角網(wǎng)絡，建立三維灰度模型，并在紋理拼接和映射后形成完整的三維模型。

6.3 建筑遺產復原

6.3.1 數(shù)字化復原方案設計

為確保復原工程的順利開展，做到可靠性與科學性統(tǒng)一，首先要完成復原方案設計，即對需要復原的建筑文化遺產項目進行整體策劃設計。具體做法可分為4個步驟：首先利用虛擬仿真技術的表達方法，將復原所需要的三維體驗模式及圖片模式進行整合；其次，確定復原系統(tǒng)的形式，是采用數(shù)字博物館還是虛擬實驗室，不同形式對應不同的設計方案；再次，合理安排時間，建筑遺產復原過程復雜，需根據(jù)實際情況進行合理規(guī)劃和安排；最終確定復原系統(tǒng)大小、清晰度、分辨率以及虛擬仿真復原結果的系統(tǒng)參數(shù)等。

6.3.2 實踐路徑

數(shù)字化復原的實踐路徑中，首先，應當對需要復原的建筑文化遺產有初步了解和調查，再進行實地實物考察與勘測，統(tǒng)計、勘測具體的數(shù)據(jù)信息和指標。其次，在考察勘測過程中，要針對建筑物本體、周邊環(huán)境以及殘余建筑物進行全面拍攝，盡可能選擇像素較高的拍照設備。最后，根據(jù)拍攝所得資料構建三維模型，并對三維模型進行優(yōu)化設計。在技術上，應爭取用最少的面來表現(xiàn)，以便后期完成場景制作。在制作過程中，需要對VR虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)性能進行測試，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和兼容性都能夠達到建筑文化遺產復原的需求。

6.3.3 圖片優(yōu)化技術和貼圖烘焙

歷史建筑文化遺產數(shù)字化復原過程中，圖片優(yōu)化技術和貼圖烘焙手法是整個設計與復原過程中的關鍵步驟。由于不同的圖片格式適用于不同數(shù)據(jù)模型，所以貼圖烘焙處理時，應當滿足原圖片的格式要求，采取不同的格式呈現(xiàn)方式。另外，為確保復原的真實性以及后期復原場景呈現(xiàn)的系統(tǒng)流暢性，還要對模型進行分類處理，并利用虛擬仿真系統(tǒng)自帶的圖片優(yōu)化軟件，優(yōu)化貼圖文件，適當壓縮圖片，以減少內存的占用量。

6.3.4 交互設計與編譯輸出

在通常情況下需要借助攝像機，最終以交互式場景的形式，完成場景復原設置，在交互設計和編譯中，需應用程序模塊來實現(xiàn)編程控制，操作攝像機。在交互式設計過程中，要將人物角色載入到虛擬場景中，結合實際情況把控人物比例，要特別注意人物尺度與場景的一致性。另外，在場景中要設定角色動作，按操作指令完成動作，以達到最真實的人物仿真效果。最終，利用編譯手段，通過格式轉換輸出的方式實現(xiàn)模型和指令的輸出，在虛擬狀態(tài)下完成對歷史建筑文化遺產的復原。

6.4 建筑遺產保護施工過程

6.4.1 施工方案設計

為更好地實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸性和交互性，保護方案的設計者應參與到情境的計算過程中，對建筑設計方案給予動態(tài)化的優(yōu)化設計，確保設計方案的最優(yōu)解，通過可視化的虛擬模型結果實時調整設計方案。因此，建筑遺產保護施工方案設計的優(yōu)化流程是：在VR環(huán)境中，利用CAD設計制圖軟件建立對象的實體模型，在模型中的有限元分析軟件ANSYS中完成幾何信息的輸入，建立三維可視化的有限元分析模型，然后展開計算分析，把有限元模型數(shù)據(jù)與分析結果分別存入數(shù)據(jù)庫中，完成圖形文件轉化，實現(xiàn)對三維可視化虛擬環(huán)境中模型的沉浸，整個優(yōu)化過程結合設計人員的工作經(jīng)驗，由計算機操作完成。

6.4.2 施工人員培訓

在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中是交互式操作，用戶具有主觀能動性，且操作可重復，這一特性為建筑遺產保護工程施工人員的培訓提供了一種理想的培訓方式。即前期在虛擬環(huán)境中學習，參與施工組織管理，由于虛擬環(huán)境中的交互方式同現(xiàn)實世界完全一致的，所以在經(jīng)驗豐富的施工人員的引領下，缺少經(jīng)驗的人員能很快熟悉施工方法。另一方面，VR虛擬現(xiàn)實技術可以對建筑遺產保護施工方案進行動態(tài)模擬，參與者可隨意選擇觀察點和觀察角度，實現(xiàn)對建筑施工現(xiàn)場的實時漫游，從這個角度上講，VR虛擬仿真技術是一種有趣的、高效的培訓工具。

在建筑遺產保護的實際施工過程中，工序之間彼此的協(xié)調配合并非易事，而在VR虛擬環(huán)境中，能夠非常直觀地觀察到操作對象之間的相互作用及空間關系，能對方案進行反復試驗，獲得參數(shù)，更有利于后期施工方案的實施。當然，過程中有可能產生有干擾對象，要提醒施工人員在實際施工過程中加以注意與提防。

6.4.3 施工組織管理中的實踐

建筑遺產保護工程的施工組織與管理千頭萬緒，而且是動態(tài)變化的，這類工程一般都是比較大型的項目，施工周期長，工程量大，資金投入大，涉及多個工種的協(xié)調配合，施工材料的調度安排，設備機械的管理和分配，還有施工工期、成本控制、質量監(jiān)控、后期服務、合同等項目的管理，虛擬仿真技術能夠高效實施全過程的施工組織管理。

為了保證有效整合建筑文化遺產保護工程項目的信息，進一步落實對施工過程的集成化、信息化、智能化、可視化的控制與管理，建立4D項目管理信息系統(tǒng)。4D模型是在三維模型基礎上延伸而來的，需要附加時間/成本因素，作為一種可視化媒介，這種技術合成能夠使用戶清晰地看到物體變化過程中的模擬圖形，提高現(xiàn)場操作的安全性，并優(yōu)化與控制整體變化過程，還能模擬施工時間進度，精確計算與控制工期，方便統(tǒng)籌規(guī)劃和調度，實現(xiàn)對建筑保護施工過程的交互式可視化與信息智能化管理。

6.4.4 應用展望

VR虛擬現(xiàn)實技術虛擬施工目前在我國尚沒有形成一套完整的理論體系，雖然現(xiàn)階段在西方國家已經(jīng)開始了這方面的研究，但學術界和技術界并沒有明確的關于虛擬建筑遺產施工保護的界定，所以要加強對建筑施工理論的探索和研究，力求在建筑施工理論上獲得突破。

VR虛擬現(xiàn)實技術能否在建筑遺產保護領域中得到更多的推廣與應用，取決于計算機硬件與軟件技術的發(fā)展。就目前而言，虛擬現(xiàn)實軟件系統(tǒng)的開發(fā)與應用對計算機硬件要求比較高，要在專業(yè)的工作站或實驗室中完成，而且國內還沒有完善的自主開發(fā)軟件平臺，必須向國外進口VR虛擬可視化軟件、建模軟件、虛擬現(xiàn)實軟件以及網(wǎng)絡接口軟件等。因此要努力建立虛擬現(xiàn)實技術實驗室，開發(fā)出一套能夠面向工程項目施工的專用集成性軟件系統(tǒng)，減少單項工程的造價，加快VR虛擬軟件的普及，使虛擬現(xiàn)實技術在建筑遺產保護領域中得到更多的推廣應用。

7 結束語

綜上所述，VR虛擬仿真技術對于歷史建筑文化遺產保護工程具有重大的實用價值和歷史意義，它能提前模擬建筑文化遺產修復后的情景，不但有利于修復手段、修復技術的可行性研究，而且有利于有序規(guī)劃安排修復整理過程中各個步驟，縮短工期，還能夠大幅提修復后的建筑耐久性。

此外，VR虛擬仿真技術通過影像采集數(shù)據(jù)，建立實物三維模型和數(shù)據(jù)庫模型，實現(xiàn)了對建筑文化遺產信息存檔及永久性保存，為可持續(xù)修復和保護文化遺產提供了支撐，達到了對瀕危歷史建筑遺產的科學、精準與永久性的保存之目的。VR虛擬仿真技術突破了時空限制，通過建立虛擬博物館，向全世界傳播中華文化，實現(xiàn)對歷史建筑文化遺產資源的最大化保護、利用、傳承和發(fā)展。

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