古建筑的數(shù)字化修復與保護

陸 浥 王際開 陳文杰 王一威

合肥工業(yè)大學 安徽 合肥 230601

1 緒論

1.1 數(shù)字化研究背景

AR(Augmented Reality)，又稱增強現(xiàn)實功能，是基于用戶終端顯示的真實環(huán)境條件，通過數(shù)字化建?；蚴琴N圖，使虛擬信息與真實環(huán)境疊加并使得用戶與虛擬信息進行實時模擬交互的數(shù)字化技術。簡而言之，AR技術使得現(xiàn)實中無法產(chǎn)出的物體可通過數(shù)字化建模的方式于用戶終端中得以實現(xiàn)。而建筑遺產(chǎn)作為人類文化遺產(chǎn)中不可或缺的一種，是人類于幾千年與自然以及神學博弈而出的產(chǎn)物。如何通過更為科學的展示方式將其中所蘊含的文明得以展現(xiàn)，一直是建筑遺產(chǎn)面臨的巨大挑戰(zhàn)。20世紀中葉，教科文組織UNESCO，國際古跡遺址理事會ICOMOS等國際遺產(chǎn)保護組織等機構先后在聯(lián)合國設立，全面規(guī)范了世界建筑文化遺產(chǎn)的保護方式。其中ICOMOS于2005年通過的《西安宣言》中明確指出建筑遺產(chǎn)不僅包括實體，還包括所有過去和現(xiàn)在的人類社會和精神實踐、習俗、傳統(tǒng)的認知或活動、創(chuàng)造并形成了周邊環(huán)境空間的其他形式的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，以及當前活躍發(fā)展的文化、社會、經(jīng)濟氛圍。

而在2008 年通過的《文化遺產(chǎn)地闡釋與展示憲章》明確指出，展示是實現(xiàn)文化遺產(chǎn)價值共享的最直接有效的途徑，應通過各種技術手段包括多媒體和網(wǎng)站等對遺產(chǎn)信息進行闡釋與傳達。2016 年，國家文物局開始根據(jù)國務院提出的《關于進一步加強文物工作的指導意見》和《關于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見》啟動《互聯(lián)網(wǎng)+中華文明三年行動計劃》，首次提出將互聯(lián)網(wǎng)運用與文化遺產(chǎn)，通過數(shù)字化呈現(xiàn)以對文物進行保護和展示。

1.2 數(shù)字化技術對古代建筑遺產(chǎn)之作用

AR技術作為數(shù)字化模型建設的一種，可憑借用戶手動進行的操作將環(huán)境虛實疊加，以及虛擬模型與用戶的實時交互，使得古代建筑遺產(chǎn)的展示不再僅僅局限于扁平化的圖文或語音介紹，而將通過數(shù)字化的實體模型展示加以古代場景環(huán)境還原以達到參觀者用自己眼睛去發(fā)現(xiàn)，用自己聽覺去感受更為真實的場景的目的。其相較于之前傳統(tǒng)的展示方式，將大大拓寬參觀者所能獲取古代建筑遺產(chǎn)的信息渠道，極大程度地豐富了展示方式。此外，古建+AR能將因技術、經(jīng)濟或是歷史等因素，無法進行修復的建筑遺產(chǎn)文物進行數(shù)字化的備份，建立古代建筑遺產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，歸納整理后由各地文物部門上傳至地方文物網(wǎng)站，通過互聯(lián)網(wǎng)對其進行保存以及展示。

1.3 “（古建筑+數(shù)字化）+”概念提出

首先，我們把研究重點放在了皖南。皖南古村落于安徽省長江南部山區(qū)范圍內(nèi)，且以西遞和宏村為代表的典型古村落，是一種有著濃厚徽州文化特征的具有地域文化背景的歷史傳統(tǒng)村落。皖南山地具有悠久的歷史和豐富的文化底蘊，許多具有相似特征的傳統(tǒng)民居和村莊都保留了下來。在實地調(diào)研了宏村、西遞村、屏山村、南屏村之后，我們選擇了西遞村。西遞村的古建筑保護良好，商業(yè)化氣息要弱于宏村且發(fā)展轉(zhuǎn)型要強于屏山村以及南屏村。因此我們選擇西遞村成為課題中皖南部分的傳統(tǒng)村落代表。

1.3.1 “互聯(lián)網(wǎng)+”概念源頭提取

“互聯(lián)網(wǎng) +”即互聯(lián)網(wǎng)與各傳統(tǒng)行業(yè)的結合，以互聯(lián)網(wǎng)為媒介，取長補短，以達到發(fā)揚傳統(tǒng)行業(yè)的目的。

“古建+”概念取與“互聯(lián)網(wǎng)+”，其將古代建筑遺產(chǎn)與其他的行業(yè)進行結合，以塑造出各種全新的業(yè)態(tài)。其并非單一的兩者相加，而是通過各自領域的優(yōu)勢平臺，利用古代建筑遺產(chǎn)對人們的吸引度，以達到“1+1＞2”的目的[1]。

1.3.2 “（古建+AR）+”平臺的搭建

本文從“古建+”中提取出內(nèi)在邏輯，以古代建筑與AR結合為主要平臺，提出“（古建+AR）+”，以通過探討古代建筑遺產(chǎn)以AR技術的方式呈現(xiàn)出更為強大的展示途徑，并于傳統(tǒng)行業(yè)結合，達到（1+1）+13的目標。

鄉(xiāng)村振興需要轉(zhuǎn)型。隨著休閑旅游的發(fā)展以及消費需求的擴大，過去單一的農(nóng)家樂模式早已無法滿足市場發(fā)展的需求，轉(zhuǎn)型成鄉(xiāng)村綜合體或是大勢所趨。鄉(xiāng)村綜合體集生態(tài)農(nóng)業(yè)、旅游度假、寫生測繪為一體。轉(zhuǎn)型后的鄉(xiāng)村不再是傳統(tǒng)村落，鄉(xiāng)村里居住的人也不只是鄉(xiāng)里人。對西遞村進一步調(diào)研后，我們提取了“(古建+AR)+文化”、“(古建+AR)+生態(tài)”、“(古建+AR)+旅游”、“(古建+AR)”度假”，這四個“(古建AR)+”轉(zhuǎn)型發(fā)展模式。

2 古建+數(shù)字化的必要性

21世紀，科技的飛速發(fā)展，使得人們的生活質(zhì)量有了很大的提高，科技的發(fā)展使得建筑技術也有了長足的發(fā)展，在城市化進程中，很多古老的建筑都面臨著被拆除和保護的問題，而對于這些古老的建筑，政府也在不斷的采取保護措施，讓更多的不受重視的古建筑得到更好的維護與修復，這是我們的文化遺產(chǎn)中的一塊瑰寶。然而，由于各種不可預測的天災等原因，我國古代建筑也面臨著較大的困難。

在山西，著名的魁星樓在一場大雨中坍塌，幾乎所有的村莊里都有清朝和更古老的建筑。其中有古剎，古戲臺，甚至還有清王朝的庭院。山西共有28027座古建筑，6172座被列入各級文物保護單位，其中中國保367座，省保121座，市縣保5684座。其中多數(shù)古代建筑未設置保護機制，面臨著自然破壞、人為破壞、火災等多種風險，其安全性也是不容忽視的。

山西2021年的暴雨中，有73%以上的古建筑發(fā)生了不同程度的危險。古代建筑的狀況不容樂觀，其附屬于古代建筑的壁畫也存在著各種問題。山西現(xiàn)有約24000余幅壁畫，但由于受自然、人為、外部環(huán)境變化等因素的影響，這些珍貴罕見的文物出現(xiàn)了斷裂、起甲、空鼓、酥堿等各種問題。雖然有幾個古老的村莊沒有被遺棄，但是村子里已經(jīng)被現(xiàn)代化的鋼筋水泥給覆蓋住了，整個村子的建筑風格都被破壞了。古村落的沒落，并沒有因為物質(zhì)文化的消逝而停止。隨著村莊和鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃的調(diào)整，有些古老的村莊在命名時就已經(jīng)完全失去了。從那以后，那些古老的名字就會被永遠地遺忘。

都江堰周邊的許多古代建筑在2008年汶川大地震中遭受了巨大的破壞，其中有一座始建于南北朝，始建于清朝，是為紀念李冰在都江堰修建的。汶川大地震后，這座建立在半山腰的古老寺廟在泥石流中被摧毀。此外，都江堰風景區(qū)的大部分古代建筑也受到了很大的破壞。都江堰的秦堰樓在地震中坍塌在這種發(fā)展的大趨勢下，將會有更多的古代建筑和遺址從人們的視野中消失。因此，對文物進行數(shù)字化保護是當前迫切需要解決的問題。

古建筑的數(shù)字化進程人類的發(fā)展已經(jīng)越來越趨于數(shù)字化和虛擬化，這種趨勢在2019年的疫情防控中體現(xiàn)的淋漓盡致，線上會議，在線辦公，這些虛擬的網(wǎng)絡設施都被無限的放大，發(fā)揮出了它不可被替代的優(yōu)勢，人們越來越開始意識到數(shù)字化的重要性，這樣的數(shù)字化方式在古建筑保護中也逐漸被應用，建筑可能會因為歲月的流逝而永遠的消失，這一點我們無法阻止，但是通過數(shù)碼手段將其記錄下來，卻可以讓這座古老的建筑獲得“永生”，我們可以通過電子終端將這些古老的建筑重現(xiàn)曾經(jīng)的輝煌[2]。

3 數(shù)字化技術性探究

3.1 三維建模設計

利用三維立體測量技術對文物進行數(shù)字化和儲存，保證了古建筑數(shù)據(jù)資料的真實性不受主觀的人工影響，以及虛擬建筑尺度數(shù)據(jù)與原有建筑物的高度吻合[3]。

三維建模一般采用三維設計軟件（SKECH, MAYA,3 DMAX等），并利用多邊形建模，設計紋理貼圖，平面 UV，燈光設置等技術，最后將3D和三維建模的視頻進行輸出。這種模式的優(yōu)點是能夠利用三維軟件來可視和修補受損的建筑部件，因此能夠重現(xiàn)受損和受損的房屋原有的面貌。

圖1 徽派建筑門頭（黃山市盧氏民居復原圖）作者自繪

圖2 門窗大樣（黃山市盧氏民居復原圖）作者自繪

圖3 裝飾性構件大樣（黃山市盧氏民居復原圖）作者自繪

這種形式的數(shù)字保存有助于古建筑的保護與傳承。與原有的保存形式相比，數(shù)字化保存技術可以與其他數(shù)據(jù)測量技術相結合，形成對古建筑構件數(shù)據(jù)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，可為丟失的局部受破壞的古構件提供數(shù)據(jù)，幫助修復古建筑。

3.2 虛擬現(xiàn)實植入

虛擬現(xiàn)實技術是近幾年快速發(fā)展起來的，其核心技術包括：數(shù)字化模型重構技術、場景再現(xiàn)技術等。它的多感官特征表現(xiàn)為：它能使使用者產(chǎn)生強烈的感官體驗，讓使用者能夠感覺到它的存在，而動作與互動則能提供使用者真正的回饋。在最好的條件下，虛擬現(xiàn)實的設計不但要讓使用者擁有一種虛無的感官，還要讓使用者體驗到一種置身于游戲中的奇妙體驗。根據(jù)以上需求，本文提出了三個最顯著的特征：沉浸感、交互性、想象力。

圖4 雅典娜女神祭祀節(jié)游行場景AR活態(tài)情境復原

圖5 盧氏民居虛擬展示（作者自繪）

古建筑的“虛化”是利用3D的“動態(tài)”、VR技術及其它數(shù)字科技能夠?qū)糯奈镞M行重現(xiàn)與復原，或是通過虛擬現(xiàn)實來感受古代建筑，將古代文物“保存”于現(xiàn)實世界，實現(xiàn)對古代文物的保護與傳承。在虛擬實境中，最大的感受就是利用空間與方位的變換來生成各種立體影像。用數(shù)字技術創(chuàng)造出的立體的建筑，在“真空”的狀態(tài)下，參與者能夠感受到建筑的建筑特征、裝飾風格和人文特征。富有感染性的交互經(jīng)驗和情景交互的融為一體。這個虛擬的經(jīng)歷，突破時空的局限，使觀者更加深入地認識和體會古代的建筑。

在實際應用中，將有關的陳列信息按照時間線進行整合、組織和排列，使整個場景的主題具有強烈的個性、趣味和創(chuàng)新力。時空變化的情景可以使游客在不同的時空背景下，在不同的環(huán)境中經(jīng)歷和觀察建筑的活動、人物和故事。通過 AR技術的展示，使古代建筑的價值得到了充分的體現(xiàn)，使其主題更為鮮明，展示的內(nèi)容更為豐富，整體與連續(xù)性也更為明顯。所以，在展示設計時，設計師要盡可能地將資訊進行分類、加工，以避免由于過分分散而造成的重復乏味。通過對建筑空間、人物、歷史事件等多種物理信息的整合，使建筑空間、人物、歷史事件等得以有效地活化和重構。

另外，AR所傳達的信息應該容易理解。例如，在對徽派建筑的建筑材料等方面，要做到簡單明了，要讓不同年齡、不同經(jīng)歷和不同的文化背景的參觀者，用他們所熟知的觀念，將這些詞匯轉(zhuǎn)換為簡單明了的、容易閱讀的表達方式，既能增強參觀者的觀賞性，又能讓參觀者在不知不覺中接受和領悟。

4 古建+數(shù)字化的意義

4.1 數(shù)字修復

與“站在巨人的肩膀上看世界”同理，新建筑的發(fā)展也離不開古建筑的沉淀。越來越多人意識到保護、修復古建筑的重要性，然而，不是所有歷經(jīng)千百年的建筑都能夠得以保存，不是所有的破損傷痕都能夠被實際復原。

而通過數(shù)字化修復古建筑的手段，可以正確、完整地還原古建筑、構件的全貌，并且具有廣泛的應用性和實操性。數(shù)字化建模等數(shù)字化修復方法，使古建筑得以長期有效地保存，使人們得以清晰、便捷地認識古建筑。

4.2 文化傳承

古建筑的數(shù)字化修復也為其在傳播上提供了有利條件，促進古建筑研究，整合文化脈絡，發(fā)展文化建設，進行文化傳承。

通過與共享云平臺結合，建立“古建筑數(shù)字化博物館”，實現(xiàn)人們在家云游古建筑的可能，讓人們在數(shù)字化平臺與古建筑互動，提高人們對其的興趣，增進人們對于古建筑的了解。以此來增強人們的保護意識。讓人人都參與到中國古建筑的文化傳承之中。

4.3 經(jīng)濟效益

由于人們對精神文化需求的持續(xù)提高，古建筑在現(xiàn)代旅游產(chǎn)業(yè)中的重要性愈發(fā)明顯。古建筑所帶有的歷史文化可以提升其所在城市的知名度，擁有特色古建筑的旅游地，會更吸引游客的目光，引來更多游客的拜訪。因此，保護修復古建筑文化遺產(chǎn)，可以帶動城市文化和經(jīng)濟的相互促進、共同發(fā)展，從而反哺于當?shù)貧v史文化，使得歷史文脈得到更好的傳承。

5 結語

隨著現(xiàn)代社會的進步與發(fā)展，古建筑的修復與保護已然成為經(jīng)久不衰的課題。古建筑對于人類文明的重要意義不可言喻，應在修復破損的古建筑，在保護其文化屬性的同時，把握其整體性，并將其意義價值最大化。而虛擬現(xiàn)實技術不斷進步，也為我們數(shù)字化修復和保護古建筑提供了物質(zhì)基礎。我們應抓住時代機遇，在探索古建筑+數(shù)字化的路上勇敢前進，充分利用數(shù)字化技術來傳承發(fā)揚我國古建筑文化。