保護性古民居建筑虛擬博物館的構建研究
——以三河古鎮(zhèn)虛擬復原為例

姚爽，陳彥冰，樊晨，周玉佳 （安徽科技學院，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

隨著互聯(lián)網技術的高速發(fā)展與網絡的普及，獲取資訊變得省時省力，同時世界各地為了更快速地傳播文化和更妥善地保存文物古跡，依托互聯(lián)網和虛擬現(xiàn)實技術的各類虛擬圖書館、虛擬博物館應運而生。虛擬博物館向使用者呈現(xiàn)各式精選藏品及其歷史淵源，同時結合虛擬現(xiàn)實技術，將原本殘破甚至僅留存文字記載的物件復原展出。虛擬現(xiàn)實技術分兩類，虛擬實境技術和虛擬虛境技術，后者在古建筑復原方面運用較為廣泛，如復原生成已湮滅了的阿房宮，構建《清明上河圖》中的北宋汴京城等。

受上述古建筑虛擬復原項目的啟發(fā)，對以晥中巢湖為主的古民居建筑展開調研，取巢湖之濱的三河古鎮(zhèn)作為范例進行測繪與建模，并運用虛擬虛鏡技術構建保護性古民居建筑虛擬博物館。

2 晥中古民居建筑特色分析

2.1 晥中巢湖地區(qū)傳統(tǒng)建筑風貌

巢湖位于安徽中部，地屬合肥，連淮接江，受地理因素影響，環(huán)巢湖地區(qū)是山水丘陵地帶，地勢平緩且水系發(fā)達，并有著“一湖兩城十二鎮(zhèn)”的說法，其中十二鎮(zhèn)就包含肥西的三河鎮(zhèn)。而環(huán)巢湖地區(qū)的古民居建筑具有布局復雜多變、結構自成一脈、材料因地制宜、色彩樸實自然等特色，在特殊的地理氣候條件的影響下形成了獨特的建筑形態(tài)，比如走馬回廊——著名的李鴻章故居中的走馬轉心樓，因廊寬七尺四面圍合，可供馬匹繞樓內一周而得名，下文所述的張百萬私宅也借鑒了這一平面形制。此外巢湖地區(qū)民居建筑融入了南北方古民居建筑的元素，用兼容并蓄、融會貫通的手法造就了環(huán)巢湖地區(qū)古樸典雅的傳統(tǒng)建筑風貌。

2.2 三河古鎮(zhèn)傳統(tǒng)民居建筑綜述

三河古鎮(zhèn)古名鵲渚，地處巢湖西岸，位于肥西縣、廬江縣與舒城縣的交界處，古鎮(zhèn)總面積約2.9km2。總體上，古鎮(zhèn)的民居建筑多建于明清時期，建筑風格融合北方嚴整方正的院落式布局形式和皖南徽派建筑精致秀麗的外部造型，其大木構架采用抬梁式與穿斗式相結合的混合式。人文經濟方面，晥中自古受到徽商影響，直至清初徽商躍然成為十大商幫之首，使得三河地區(qū)依靠于豐樂河、杭埠河米業(yè)發(fā)達，從而經濟水平顯著提升，外來人口大量涌入造就了三河古鎮(zhèn)地少人多的狀態(tài)。風俗環(huán)境方面，古人重視宅基地的選擇，大戶人家建造多進院落，院門多朝南向但非正南，宅院不超過九進且多為三到五進，庭院圍合成“四水歸堂”的形式（圖1）。建筑形式方面，因為土地面積緊張，許多宅院都是占地狹小外觀單一，卻內有乾坤，多組三合院四合院相互拼接的平面布局，精致的木雕門牖和絢麗的彩畫都彰顯著戶主低調奢華的生活態(tài)度（圖2）。

圖1 張百萬私宅“四水歸堂”（自攝）

圖2 張百萬私宅走廊彩畫（自攝）

古鎮(zhèn)整體的建筑風格獨特，同時也是晥中古建筑群落中保存最完整的水鄉(xiāng)古鎮(zhèn)，它不僅是歷史文脈，還影響著現(xiàn)代晥中甚至整個江淮地區(qū)的民居建筑，在建筑設計方面的指導影響深遠。因此，對于三河古鎮(zhèn)傳統(tǒng)民居的保護工作至關重要，使用虛擬復原技術和構建虛擬博物館能更為長久地保留木質建筑的形象，也能更廣泛地傳播古建筑文化。但由于古鎮(zhèn)因地形和主要街道的影響，形成前店后坊的格局，以至房屋形態(tài)多變、布局復雜、鱗次櫛比，大大提高了測繪作業(yè)的難度。

3 三河古鎮(zhèn)民居建筑虛擬復原

三河古鎮(zhèn)的保護性民居建筑數量龐大且種類繁雜，廣為人知的有劉同興隆莊、大夫第、張百萬私宅和鶴廬等居住建筑，還有曾是戲曲臺子的萬年臺、道觀仙姑樓和老酒坊民俗園等公共建筑，這些建筑目前保存完好。

此外三河古街上有許多私宅，有的是前店后坊的格局，即前部商業(yè)后部居住的結構，有的是下部商業(yè)上部居住的結構，有的是中間商業(yè)兩側居住的結構，沿街的商業(yè)店鋪都使用木板修筑正面的墻體，并用馬頭墻的山墻分隔。下圖為筆者團隊用AutoCAD和SketchUp復原的古西街模型（圖3）。

圖3 三河古鎮(zhèn)復原模型（自繪）

3.1 傳統(tǒng)民居虛擬復原流程

構建保護性古民居建筑虛擬博物館項目需要時間，三河古鎮(zhèn)民居建筑的虛擬復原工作也并非一朝一夕可以完成。

虛擬復原工作包括兩個步驟。

①實景采集與測繪制圖。實景采集主要針對民居建筑中的木雕、石作、瓦作、彩畫等，通過拓印和拍攝的方法記錄保存，后可導入SketchUp供建模使用和置入博物館中展覽。測繪制圖指的是用紅外測距儀、全站儀測得數據繪制手稿，手稿圖紙記錄建筑的外部形態(tài)和內部結構，比如大木構件、小木構件的尺寸和位置，之后使用AutoCAD整理手稿內容。

②軟件建模與場景渲染。軟件建模是整合第一步獲取的圖片和數字信息，利用SketchUp、Rhino、3ds Max等三維建模軟件，構建民居整體和各類建筑構件的虛擬模型。場景渲染則是用到Lu?mion。

3.2 張百萬私宅虛擬復原展示

為了更為直觀的闡明上述步驟，下文將展示張百萬私宅的虛擬復原過程。張百萬私宅始建于晚清時期，距今有160年歷史，原為財主張百萬為待字閨中的女兒修建的兩層繡樓，現(xiàn)已改稱為古娛坊。此繡樓平面布局為四合院式，共兩層。一層南側為門廳，中央天井區(qū)域東西各用六扇木雕花窗遮擋視線，西側有木質樓梯通向二層，一樓北側為會客廳與耳房；二樓南北兩側各為丫鬟房和小姐房，其中丫鬟房前的走廊檐枋不足1.5m高。東西向皆為過廊，其中西側的山墻內壁繪有仕女圖的彩畫。二層圍繞院落中心天井四周設置走馬回廊，并在天井中央開了一方水池，使得四方雨水皆匯于此，寓意財不外露（圖4、圖5）。

圖4 張百萬私宅一層平面圖（自繪）

圖5 張百萬私宅模型（自繪）

4 構建虛擬博物館的技術分析

虛擬博物館是古民居虛擬復原成果的載體，搭建符合線上觀展的展廳，有效融合古民居建筑元素，都是為了在藝術層面上更好地烘托復原成果，技術方面是通過虛擬虛鏡技術達到身臨其境的感受。在三河古鎮(zhèn)虛擬博物館的構建過程中，為達到預期的視覺效果，先后采用了兩種技術方法，分別是360度全景漫游技術和基于Unity3D的VR技術。

4.1 兩種技術的適用性與弊端

4.1.1 360度全景漫游技術分析

360度全景漫游技術是一項新興文博展覽技術，在視覺效果呈現(xiàn)和動態(tài)鏡頭模擬等程序的控制下實現(xiàn)全方位的交互視覺效果，觀展者足不出戶也可以身臨其境的感官體驗。與傳統(tǒng)的360度全景虛擬技術相比，360全景虛擬技術是指將實攝的二維圖片處理成三維場景的技術，也多用于將實體展廳轉化為可供線上觀展的虛擬展廳，屬于虛擬實鏡技術范疇。二者相比，360度全景漫游技術增強了空間感官的塑造，改善了360度全景虛擬技術因升維導致的視角畸變，運用范圍也不局限于線上展廳、全景地圖等，由于增加了交互性能，提高了情景的趣味性。

360度全景漫游技術的特點在于兩方面。

①漫游中的展品是采用數字化技術復原的，觀覽者可以全方位的觀察展品，既不同于傳統(tǒng)展廳隔著陳列柜欣賞展品帶來的模糊感，也不同于全景虛擬展廳中的展品——帶著鏡頭畸變的二維圖片帶來的虛假感，它通過交互性能帶給觀覽者真實感，觀覽者可以“拿起”展品細致品鑒，也不必擔心損壞展品。

②漫游場景是基于真實數據構建的，展廳的空間適宜于展品和觀覽者，動線合理、層層遞進的空間處理使觀覽者產生身臨其境的沉浸感。針對于古建筑類型的博物館，大多會專門設置一間或多間古建筑場景1∶1還原的展室作為觀展過程中的高潮，而360度全景漫游技術與之結合能增大古建筑還原場景規(guī)模。

4.1.2 基于Unity3D的VR技術分析

Unity是一款有著實時交互功能的游戲引擎，隨著互聯(lián)網的發(fā)展，不同專業(yè)間的交叉領域增多，Unity已經不單單是一個游戲引擎，其使用范圍已擴大到諸多領域。在AEC領域，Unity可以將工程圖紙打造成可視化的三維實體，并構建虛擬場景達到交互的目的，通過虛擬體驗可以對設計方案的利弊作出合理評估，這大大的降低了工程設計的成本，尤其在建筑工程方面運用較為普遍，其中以美國布魯克林的9 Dekalb項目為代表。而在古建筑虛擬復原方面，近年來我國有多所高校的數字媒體技術專業(yè)與建筑學專業(yè)在研究該課題，通常是利用Unity搭載環(huán)境vrtk，結合HTC VIVE PRO眼動追蹤技術，渲染生成無固定路徑的交互式場景。

360度全景漫游技術的普適性較強，可兼容各類播放設備，適宜各年齡段人群使用，對傳播古民居文化更有利。Unity3D則是擁有逼真的渲染效果，非固定的游覽路徑更刺激感官，但對設備的要求遠遠高于360度全景漫游技術。

4.2 三河古鎮(zhèn)民居建筑虛擬博物館構建過程

基于古民居建筑的虛擬復原這一主題，先根據Vray For SketchUp的模型成果，對需要搭建SketchUp模型的古民居建筑數量和規(guī)模進行評估，然后對展示場景和漫游流線進行規(guī)劃，設計符合線上展覽功能的空間?？紤]到VR頭顯的普及度較低，虛擬博物館的構建以360度全景漫游技術為主，Unity作為后期的技術補充。

5 三河古鎮(zhèn)民居建筑虛擬博物館成果展示

三河古鎮(zhèn)的董寅初紀念館是一所由古民居改建的博物館，館內布置古建筑木構件原件、經修復后的家具實體模型、包含圖片和文字的展板，全面反映了當地古民居文化的歷史脈絡。以此作為參考，結合實地調研與資料查閱，還原三河古鎮(zhèn)民居建筑歷史面貌。

虛擬博物館總面積為580m2（圖6），分三個展室。

圖6 展品室（自繪）

①沙盤展室。中央放置三河古鎮(zhèn)沙盤，兩面墻壁懸掛古民居的歷史文脈、人文內涵、風俗典故、營造技法的展板，并在展廳中設置交互屏幕，讓觀覽者更全面的了解三河民居建筑。

②展品室。展示張百萬私宅的虛擬復原模型與民居建筑中原有的古器文物，中央模型在360度全景漫游技術的加持下可以隨意旋轉放縮觀察。

③實景展室。該展室有六個1∶1還原的古民居場景，這類展室存在于許多線下大型古建筑博物館，但在線上搭建實景遠比線下省時省力，依托360度全景漫游技術仍然可以讓觀覽者體會到與線下觀展別無二致的樂趣。

6 結語

構建保護性古建筑虛擬博物館是一個系列課題，全國各地有著數以千計的古建筑群落，而對古建筑的保護工作不應該僅停留在木結構防腐、防潮、防火等方面，在互聯(lián)網技術發(fā)達的今天更需要用數字化的技術保存古老的文明。三河古鎮(zhèn)地虛擬復原和虛擬博物館地構建拋磚引玉，呼吁古建筑保護工作與時俱進，為古建筑文化遺產保護工作提供新思路。