數(shù)字化技術(shù)在建筑復原和保護中的應(yīng)用*

東南大學成賢學院 郭城

我國歷史遺留下的很多建筑瑰寶因各種原因遭到不同程度的破壞甚至消失，復原這些建筑遺產(chǎn)并加以保護意義重大。以計算機技術(shù)興起和發(fā)展為基礎(chǔ)的數(shù)字化技術(shù)為建筑遺產(chǎn)的復原和保護提供了新思路：收集建筑遺產(chǎn)及與之相關(guān)的資料，根據(jù)整理的資料制作成三維建筑漫游動畫影片，再進行虛擬現(xiàn)實的制作。如此，數(shù)字化技術(shù)既能實現(xiàn)損毀或消失建筑的三維立體可視化再現(xiàn)，又能給研究者提供身臨其境的體驗，更利于長期安全保護。

中華民族具有悠久的文化歷史，給人類留下了豐富的建筑遺產(chǎn)，這些建筑遺產(chǎn)不僅作為建筑實體存在而具備價值，更是承載了寶貴的歷史文化信息。保護和研究建筑遺產(chǎn)體現(xiàn)了對中華民族歷史的尊重，具有極強的文化價值和意義。然而，由于種種原因，許多珍貴的建筑遺產(chǎn)遭到了破壞和損毀。如何修繕、復原并保護那些已經(jīng)損毀或消失的建筑顯得尤其重要。

數(shù)字化技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展為建筑復原保護提供了全新的思路和方法。依據(jù)歷史資料，通過數(shù)字技術(shù)復原城墻、宮殿等消失的古代建筑，修復損毀的文物、字畫等歷史瑰寶。虛擬數(shù)字的形式使得這些建筑、文物的保存變得安全長久，便于相關(guān)領(lǐng)域的專家隨時調(diào)閱研究。

1 數(shù)字化技術(shù)與建筑復原保護

數(shù)字化技術(shù)（Digital Technology）是以計算機為載體，通過計算機手段實現(xiàn)各種目的的技術(shù)。近年數(shù)字化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，很多專家和學者也將這種技術(shù)應(yīng)用至建筑復原的研究，特別是三維數(shù)字技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

1.1 三維數(shù)字技術(shù)與建筑復原保護

隨著社會進步和技術(shù)發(fā)展，靜態(tài)平面的二維圖形和文字資料由于具有抽象大于具象的硬傷，難以給研究者帶來豐富的形象感受，不利于建筑遺產(chǎn)的保護和創(chuàng)新，不能滿足龐大的市場需求。通過三維數(shù)字技術(shù)依據(jù)相關(guān)歷史文化資料進行建筑模型的重新構(gòu)建，再配合材質(zhì)貼圖、燈光效果、動畫效果等，實現(xiàn)損毀或消失建筑的三維立體可視化再現(xiàn)，讓原本殘缺或不存在的建筑從文獻資料里重現(xiàn)于人間，為研究者和廣大人民群眾提供豐富詳細的建筑細節(jié)和直觀具象的體驗與感受。由于虛擬數(shù)字化的作品便于保存，不易遭到破壞，使三維數(shù)字技術(shù)成為建筑復原和保護的一個極其重要的方法。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與建筑復原保護

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，縮寫為VR），是20世紀發(fā)展起來的一項全新的實用技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)囊括計算機、電子信息、仿真技術(shù)于一體，是一種創(chuàng)造和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)。

通過三維數(shù)字技術(shù)復原出相關(guān)歷史建筑的模型和場景，在觀察和研究時是處于客觀的上帝視角。而利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)沉浸感、交互性和構(gòu)想性的特點，研究者或用戶能夠以第一人稱主觀視角的方式置身于歷史建筑和場景中，達到“身臨其境”的效果。這樣的效果和感受比單純的三維可視化觀察又更進一步：通過虛擬現(xiàn)實能夠最大程度地貼近歷史建筑，感知其文化內(nèi)涵和意境，這樣更加利于研究、傳承其文化內(nèi)涵。

所以，數(shù)字化技術(shù)中三維數(shù)字技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用能夠有效重建和復原許多歷史建筑遺跡，通過“身臨其境”的沉浸互動效果使這些建筑最大限度得到認知、研究和保存。

2 數(shù)字化技術(shù)在建筑復原保護中的應(yīng)用

本文將以南通伶工學社的數(shù)字化復原和保護為例，具體闡述如何將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用在建筑復原保護中。

2.1 項目簡介

伶工學社于1919年由著名教育家、實業(yè)家、政治家張謇在江蘇南通創(chuàng)辦，是一所新型的戲劇學校，旨中國戲劇發(fā)展的重要見證，至2019年有整100年的歷史。

百年前的伶工學社已經(jīng)不復存在，所以本次項目以伶工學社建筑的復原為切入點，通過建筑的三維數(shù)字化展現(xiàn)伶工學社及戲劇發(fā)展的百年變遷，將其制作成三維建筑動畫視頻，并用虛擬現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)“VR伶工學社”，使人們通過三維動畫具體了解伶工學社及戲劇文化的發(fā)展歷史，通過“VR伶工學社”實現(xiàn)“云參觀”伶工學社的建筑風貌，“云參與”伶工學社舉辦的各種戲劇活動。不僅使伶工學社的建筑在互聯(lián)網(wǎng)云端得以復原和保護，也更能傳承伶工學社真正的核心點——戲劇文化，這對于以戲劇為代表的日趨式微的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的傳承與保護也具有很大的意義。

種苗移栽前10～20天對種植地挖穴，行距2.5～3米、株距1.5～2米，穴徑40～50厘米、穴深30～40厘米，打穴時表土、心土分開。每穴分層施入腐熟農(nóng)家肥5公斤+45%復合肥0.25公斤。回填時先表土，后心土，并使土肥混合。

2.2 數(shù)字化復原制作過程

此次數(shù)字化建筑復原研究與制作將會形成兩項成果：(1)數(shù)字化三維建筑漫游動畫展現(xiàn)百年伶工學社場景及我國戲劇藝術(shù)興衰歷史；(2)虛擬現(xiàn)實技術(shù)打造“VR伶工學社”，實現(xiàn)伶工學社的“云參觀”和“云瀏覽”。

具體研究與制作過程如下：

(1)項目前期階段，通過查閱文獻、現(xiàn)場測量、走訪等方法搜集了大量有關(guān)伶工學社的文字、圖片以及視頻資料，項目團隊對這些資料充分研究后進行歸納總結(jié)，提煉出有用的部分。筆者帶領(lǐng)學生親臨伶工學社現(xiàn)場，采用測繪測量法采集現(xiàn)有伶工學社建筑（改革開放后復建）數(shù)據(jù)，并用AutoCAD軟件繪制出建筑的平立面圖。相關(guān)資料的搜集整理以及建筑平立面圖的繪制，為之后百年前伶工學社的建筑復原打下堅實的基礎(chǔ)。

(2)根據(jù)搜集整理的資料制作出三維建筑漫游動畫的分鏡腳本。這是關(guān)鍵的一步，因為影片的好壞往往取決于腳本的質(zhì)量。分鏡腳本需要體現(xiàn)出伶工學社作為中國戲劇發(fā)展的重要一環(huán)，見證了張謇、歐陽予倩、梅蘭芳等前輩大家為戲劇文化的傳承發(fā)展做出的努力，并映射出百年以來中國戲劇藝術(shù)發(fā)展的浮塵興衰。本片要做到利用視聽語言的藝術(shù)感染力與戲劇行內(nèi)人士產(chǎn)生共情，使他們觀看之后收獲感動與認同，與戲劇外行人士產(chǎn)生聯(lián)動，使他們觀看之后對伶工學社及戲劇藝術(shù)產(chǎn)生興趣。

(3) 使用3DS Max軟件進行伶工學社建筑三維模型的創(chuàng)建。根據(jù)AutoCAD軟件繪制出的建筑平立面圖，使用樣條線建模為主，實體建模為輔的方式來進行建模。在對建筑造型進行雕刻時注意區(qū)分現(xiàn)有伶工學社建筑與百年前伶工學社建筑在造型風格等細節(jié)上的區(qū)別，根據(jù)歸納整理的歷史資料合理構(gòu)建出百年前伶工學社建筑的場景與造型。同時需要注意單個建筑與整體場景的關(guān)系、室內(nèi)戲臺與室外戲臺的區(qū)別等建模要點，最終呈現(xiàn)出伶工學社整體場景的三維模型。

(4)完成模型后，使用3DS Max軟件中的材質(zhì)球功能為建筑模型添加貼圖和材質(zhì)。貼圖和材質(zhì)的制作依據(jù)來源于前期準備階段搜集整理的相關(guān)資料。調(diào)整材質(zhì)球的漫反射、高光反射、折射等數(shù)值，并綜合運用自發(fā)光材質(zhì)、多維子材質(zhì)、衰減貼圖、黑白貼圖、烘焙貼圖等功能，制作出符合歷史時代特征的伶工學社建筑質(zhì)感，貼圖和材質(zhì)的歷史感力求真實且有據(jù)可考。

(5)伶工學社建筑場景的三維模型、貼圖、材質(zhì)制作完成后，項目的基礎(chǔ)部分已經(jīng)完成，接下來根據(jù)成果需求的不同可以應(yīng)用在三維建筑漫游動畫和虛擬現(xiàn)實場景兩個不同領(lǐng)域。為了完成三維建筑漫游動畫，在制作好的場景中利用3DS Max軟件中的燈光系統(tǒng)創(chuàng)建合適的燈光，模擬真實場景中的太陽光、月光、燭火、燈籠等光源，最終達到真實的光感效果。之后在3DS Max中創(chuàng)建攝像機，并根據(jù)前期擬定好的分鏡腳本來制作攝像機鏡頭動畫，經(jīng)過電腦渲染后得到三維動畫序列幀。

(6)使用Adobe After Effects軟件對渲染出的序列幀進行后期制作，其中包括調(diào)色、合成、特效等步驟，通過后期制作可以得到符合百年伶工學社歷史厚度和質(zhì)感的鏡頭畫面：例如，百年前建筑與周邊環(huán)境的風格、隨著時間流逝逐漸老化的道具，春夏秋冬四季變換等。在處理完所有動畫序列幀后，使用Adobe Premier軟件對這些序列幀進行剪輯、配樂、音效等工序的制作，使影片具有相應(yīng)的節(jié)奏和敘事，最終輸出成一部完整的伶工學社三維建筑漫游動畫影片。

1）第一種做法為720全景漫游：在3DS Max軟件中利用已經(jīng)制作好燈光的場景，創(chuàng)建全景攝像機，通過全景攝像機渲染得到720°全景圖，運用當前十分普及的全景制作軟件將720°全景圖制作成可以通過鼠標點擊滑動自由瀏覽的720°全景漫游VR。這種全景VR的優(yōu)點是文件小、啟動方便，便于傳播，微信、朋友圈就能互相發(fā)送并點開瀏覽觀看。缺點是由于虛擬現(xiàn)實的主體是由全景圖片構(gòu)成，細節(jié)相對不夠深入。同時只能由鼠標在某個特定點滑動點擊瀏覽場景，不能像第一人稱視角射擊游戲那樣任意瀏覽場景的各個角落，所以VR的自由度相對較低。

2）第二種做法是將已經(jīng)制作好的三維模型導入相關(guān)引擎軟件，如：虛幻引擎、Unity3D等軟件，利用引擎制作真實的VR場景。用引擎制作的優(yōu)點在于虛擬現(xiàn)實場景中體驗者可以隨心所欲地自由瀏覽，不受任何限制。再搭配上VR頭盔、萬向行走儀等專業(yè)設(shè)備，完全可以在感官和身體活動雙重層面上達到身臨其境的效果。真實的VR場景能夠讓體驗者的互動感受達到最佳，但缺點是文件比第一種720°全景VR要大得多，不利于廣泛、快速傳播。

3 伶工學社數(shù)字化復原項目的創(chuàng)新點與存在的問題

本次項目的創(chuàng)新點在于以百年前伶工學社的建筑場景復原為切入點，以三維建筑漫游動畫和虛擬現(xiàn)實成果作為手段，在復原保護建筑的同時推廣和發(fā)展戲劇文化，用數(shù)字化和虛擬現(xiàn)實的方式使年輕一代人主動自愿的接觸并喜愛戲劇，再通過網(wǎng)絡(luò)傳播不斷擴大受眾數(shù)量，增強戲劇文化的影響力，以達到發(fā)展戲劇文化的目的。這樣一種通過建筑的復原和保護升華至文化的傳承與發(fā)展的創(chuàng)新方法可以為許多日趨式微的中華民族非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的傳承提供全新的思路。

在整個伶工學社數(shù)字化復原研究和實踐過程會遇到很多問題，主要有：

3.1 軟件聯(lián)動

制作過程中使用了不同公司不同種類的制作軟件，使用不同軟件相互配合聯(lián)動，所以各軟件之間的配合兼容非常重要，其中不可避免的素材多次的輸入輸出會導致畫面分辨率下降，軟件與軟件之間視頻碼率格式是否支持轉(zhuǎn)化，最終輸出的影片能否流暢無誤的播放，都離不開軟件與軟件之間的配合程度與使用者的熟練程度。

3.2 真實詳盡的資料搜集和體現(xiàn)

資料搜集最大的難度在于資料的詳細性和真實性。所以單單從網(wǎng)上查找資料是遠遠不夠的，網(wǎng)上的一些資料數(shù)量稀少且半真半假，真實性無法得到保證，這對于想要真實還原百年前伶工學社的風貌來說是完全不夠的。基于此問題，我們聯(lián)系到了南通文化館及伶工學社相關(guān)負責人，通過官方渠道獲得了官方保存的大量珍貴翔實的一手資料，并親至南通市對現(xiàn)存伶工學社社址進行了實地測繪考察，力求所有資料數(shù)據(jù)真實準確。

3.3 三維建筑場景時代感的把控

由于本項目是根據(jù)歷史資料以及改革開放后復建的一部分伶工學社為基礎(chǔ)來還原百年前的伶工學社風貌，所以如何在模型、材質(zhì)、貼圖等細節(jié)上盡量貼近歷史、還原歷史和如何根據(jù)現(xiàn)有資料和建筑表現(xiàn)出百年前建筑的時代感和質(zhì)感在技術(shù)上都需要有所創(chuàng)新和突破。

3.4 VR伶工學社的運營維護

由于本項目的成果之一：VR伶工學社不僅僅是單純的虛擬現(xiàn)實漫游場景，同時還承載了線上同步參與戲劇活動的任務(wù)，所以及時更新相關(guān)活動內(nèi)容、VR伶工學社程序的日常維護、線上推廣、受眾數(shù)量的擴散等問題是該項目在完成后的后續(xù)運營所要面臨的問題。

針對以上問題，我們在項目實施前就需要不斷訓練實施者對所需軟件的熟練程度，通過不同的項目實踐以做代練，不斷增加軟件使用技能。而對于場景建筑時代感的把控，我們需要在項目制作過程中做到尊重歷史、尊重資料，綜合運用自發(fā)光材質(zhì)、多維子材質(zhì)、衰減貼圖、黑白貼圖、烘焙貼圖等功能，耐心細致的制作歷史質(zhì)感所需的一切細節(jié)。在這過程中我們需要不斷試錯并不斷總結(jié)，最終得到一套行之有效的理念和方法。而對于VR伶工學社的運營維護問題，我們可以利用跨專業(yè)合作的方式與計算機信息工程等專業(yè)的老師與同學進行合作，取長補短，共同對VR伶工學社程序?qū)崿F(xiàn)長久有效地運營維護。

4 結(jié)語

綜上所述，數(shù)字化技術(shù)為建筑的復原和保護提供了嶄新的方法和思路，虛擬數(shù)字產(chǎn)品易于保存?zhèn)鞑サ奶刭|(zhì)更使其具有劃時代的意義。同時，以此衍生的思路對于以戲劇為代表的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的傳承與發(fā)展也具有重大意義。