基于生態(tài)設計的建筑表皮投影研究

占鎰瑕 傅凱莉 顧藝

關鍵詞：生態(tài)設計 建筑表皮 互動投影 數(shù)字藝術 城市公共環(huán)境

引言

在數(shù)字化時代的背景之下，數(shù)字技術的發(fā)展對當代藝術和文化產生了不可避免的影響。計算機技術可以被認為是藝術家表達創(chuàng)意的補充工具。同時，伴隨著視聽表演與交互行為，建筑表皮開始呈現(xiàn)出媒介化、信息化的特點。然而，我們必須看到，在建筑表皮互動投影技術發(fā)展的同時，與之相關的資源浪費也在同步增加。當前，國內許多的建筑投影項目更像是燈光秀，只把建筑當作是一塊巨大的幕布，并沒有融合建筑的結構特點和文化背景，更沒有考慮其生態(tài)平衡。而基于生態(tài)學思考的設計能夠促進自然世界和文化世界相互融合，有望創(chuàng)造一種適合所有生物長期共存的設計形式。

文章通過分析了當前建筑表皮互動投影的案例，探索其背后的技術原理及創(chuàng)作手法，融合生態(tài)設計原理，結合目前建筑表皮互動投影的設計動態(tài)，提出生態(tài)、共識、互動的設計原則，從而為建筑互動投影的創(chuàng)作提供啟示。

一、研究現(xiàn)狀

（一）建筑表皮及互動投影研究現(xiàn)狀

建筑表皮的概念第一次出現(xiàn)是在 Leatherbarrow 和 Mostafavi的Surface Architecture[1]這本書中，書中提到當代建筑設計已經(jīng)“由功能走向了表皮”。作者指出，建筑表皮不能夠被簡單地理解為一種建筑外部空間展現(xiàn)的構成方式，而是一種可以傳達精神力量的載體；對于表皮的研究不應該限于視覺的美感，更多的應該注重其材料與功能，強調人與自然的和諧共生；它不但是建筑形成的條件，更是人與建筑情感對話的橋梁。目前我們對建筑構成形式的考慮已經(jīng)達到可持續(xù)建筑的高度，即把建筑視為生態(tài)系統(tǒng)中不可忽略的主要構成。以此觀點來重新審視建筑表皮的呈現(xiàn)形式，需要對其進行系統(tǒng)的梳理，進而揭示表皮背后的生態(tài)與人文意義。

當前建筑表皮呈現(xiàn)出媒介化、信息化的特征，其中一種重要的媒介形式是建筑互動投影。這是一種嶄新的新媒體藝術形式，完美地詮釋了藝術理念和技術手段的相互補充、相互融合，體現(xiàn)了科學精神和人文精神的高度統(tǒng)一，成為信息技術時代發(fā)展的必然趨勢[2]。從投影的發(fā)展進程來看，第一個將畫面投影到3D物體上的實踐是1969年迪士尼樂園的“鬼屋之旅”項目，由16毫米的膠片投射到一個空白的頭部物體，通過光學錯覺讓其看起來像是一個真正的人物面目表情。之后，許多藝術家開始在藝術品中使用投影，并應用于越來越復雜的表面。1998年激光掃描儀問世，這項技術最初被用于建筑的修復和翻新。而近年來，由于建筑投影形式新穎、效果震撼，能夠體現(xiàn)城市的精神文化內涵，因此受到了一大批優(yōu)秀國內外藝術家的青睞，激光掃描儀在他們的藝術探索中開始被大量應用于建筑表皮數(shù)據(jù)的采集。經(jīng)過幾年的探索與實踐，相關技術手段雖比較成熟，但其呈現(xiàn)的形式及資源浪費問題受到人們的質疑。

（二）生態(tài)設計相關研究

通常而言，“設計”是一種有意識的行為，是一個把設想通過合理的規(guī)劃傳達出來的過程。設計可以被認為是自然與文化的紐帶，即讓現(xiàn)實世界與人類所設計的世界更好融合的手段。另一方面，“生態(tài)”則是生物生存和發(fā)展的狀態(tài)。出于對生態(tài)問題的關注，設計界出現(xiàn)了“生態(tài)設計”思潮。在Ecological Design[3]這本書中，作者西蒙·范·迪·瑞恩（Sim Van der Ryn）和斯圖亞特·考恩（Stuart Cown）（1996）將生態(tài)設計定義為“通過將自身與生活過程相結合，以保護環(huán)境為前提的任何形式的設計”。由此可見，生態(tài)設計意味著盡量減少環(huán)境污染，并將人類和生態(tài)系統(tǒng)的健康列為先決條件。

回顧文獻發(fā)現(xiàn)，目前有關景觀方面的生態(tài)設計研究包括俞孔堅[4]的景觀與城市的生態(tài)設計研究與王盛勇[5]的城市濕地景觀的生態(tài)設計研究，產品方面有任杰[6]的城市公共環(huán)境標識生態(tài)設計研究等。然而，有關建筑投影方面的生態(tài)設計相關研究寥寥無幾，因此在國內建筑互動投影的設計實踐中還沒有形成一套設計準則，故本文旨在結合科學的設計思維去定義建筑互動投影的設計形式，總結出針對建筑互動投影在公共環(huán)境中應用的設計原則。

二、建筑表皮互動投影設計原則

基于上文分析，結合Leatherbarrow 和 Mostafavi對于建筑表皮功能的描述與生態(tài)設計的內涵，本文嘗試定義建筑表皮互動投影的設計原則。首先，人類當前面臨能源枯竭、生態(tài)環(huán)境破壞的危機局面，基于此建筑表皮互動投影也開始從“傳統(tǒng)的設計思維”向自然生態(tài)的美學研究層面轉變。其次，互動投影作為一種新的城市公共環(huán)境的組成部分，是科學精神和人文精神的相互融合過程，在此過程中需要人與自然相互扶持、鼓勵，從而達到一種精神上的共識。最后，設計不應只是藝術家的個人情感表達，而應該將公共事物最大程度地與大眾進行聯(lián)系，強調的是人與自然的互動交流。因此，本文提出生態(tài)、共識與互動三大原則。

（一）生態(tài)原則

建筑表皮互動投影設計的生態(tài)原則包括材料與地方性兩個部分。

1.材料的選擇與使用。在建筑投影設計中，材料的選擇、使用、維護和每個環(huán)節(jié)對環(huán)境所帶來的影響都應通過仔細計算。此過程涉及到創(chuàng)作者對于作品的表達形式的深思熟慮，以免重復的燈光使用造成光污染和資源浪費。當前建筑表皮的互動投影實現(xiàn)形式上主要以實物、視頻映射與光學的方式為主，材料的選擇和技術的結合都直接關系到是否最小化對環(huán)境產生的污染。這就要求我們在創(chuàng)作的過程中有意識地將生態(tài)材料與生態(tài)理念相結合。

2.地方性的原則。該原則是指在選擇建筑時要充分考慮建筑所在位置，適應建筑場所的自然發(fā)展過程，因地制宜地分析其所在環(huán)境的優(yōu)劣勢，包括陽光、地形、水、當?shù)夭牧霞澳芰康?，從而在設計過程中結合自然因素，維護城市環(huán)境的健康。

（二）共識原則

共識原則是指將人類與自然文化通過物質與非物質的關系來互相扶持、鼓勵。從而建立一種人類與自然文化、創(chuàng)作者與觀賞者之間的共鳴。因此共識原則旨在打破一種抽象、無趣、無意義的設計表達。

1.創(chuàng)作者情感的投入。共識原則要求創(chuàng)作者將個人情感、思想、觀念注入進作品，這就要求創(chuàng)作者要對地方的歷史文化能夠有深入的研究。從而建立創(chuàng)作者與觀賞者之間的共鳴，加強大眾的歷史使命感。

2.結構特點及自然元素。在此基礎之上結合建筑表皮固有的結構特點及自然元素，在建筑投影設計上不能將建筑當作是一塊巨大的幕布，而應設計與建筑表皮結構與之對應的影像，兩者相輔相成，并通過自然元素，來喚醒大眾對于自然的感知。

（三）互動原則

互動原則強調每個人都應該參與設計，這不僅是人與自然的互動過程，也是人與人之間的互動。生態(tài)設計倡導的是“人人都是設計師”，因為在生態(tài)系統(tǒng)中每個人都不是獨立的個體，每個人的決策與行為都會直接與他人相關，并影響他人的未來。研究證明，作為城市公共環(huán)境的一部分，矗立街頭的建筑群往往能夠影響到人們在設計對象整體風格方面的審美偏好，在潛移默化中提升人們的人文與審美素養(yǎng)[7]。對于觀賞者來說，城市公共環(huán)境不僅要滿足日常的生活、娛樂和觀賞需求，還是一個審美互動的場所。在《公共性與公共藝術》這本書中，殷雙喜教授強調“公共藝術謀求的不是藝術的表現(xiàn)，而是面對社會需要解決的問題。它不宣揚個人崇拜，個人主義，而是將公共事物最大程度地與大眾進行聯(lián)系，強調的是人與自然的情感交流”。由此可見，觀賞者不再單純只有觀賞者的角色，創(chuàng)作者與觀賞者之間不是教育者與被教育者之間的關系，而是平等共創(chuàng)公共環(huán)境的關系。因此，要在建筑投影的創(chuàng)作過程中重視人與物、人與人、物與物之間的互動。

三、建筑表皮互動投影系統(tǒng)的技術與實現(xiàn)

一套完整的建筑表皮互動投影系統(tǒng)包括建筑數(shù)據(jù)采集和數(shù)字影像內容的設計與制作，以及互動投影系統(tǒng)的實現(xiàn)。

1. 建筑數(shù)據(jù)采集。首先是基于三維激光掃描儀數(shù)據(jù)獲取，其次是對收集到的點云數(shù)據(jù)進行三維建模。傳統(tǒng)的方法是利用二維圖紙或文獻由技術人員手工量測后，將古建筑的各種信息繪制記錄成冊[8]。這種方法不但費時費力效率低，對于異形建筑的數(shù)據(jù)采集也非常困難，另外，頻繁接觸建筑物容易對建筑造成“傷害”。近年來，隨著三維技術的發(fā)展，三維激光掃描技術（terrestrial laser scanning，TLS）、“3S”技術、AutoCAD和虛擬現(xiàn)實技術等相結合構建建筑表皮互動投影正在逐漸成為研究的焦點。早在20世紀60年代末，國外就開始進行TLS方面的研究。例如，研究人員利用TLS對漢堡市政大廳內兩個物體進行了掃描，并利用點云數(shù)據(jù)建立模型。此方法不僅效率高，且能精確地建立一套建模模型。

2. 數(shù)字影像內容設計與制作。互動投影系統(tǒng)的基礎軟件。視頻影像的制作軟件主要包括3DMA X、MAYA、C4D、AE等軟件，交互系統(tǒng)的實現(xiàn)主要使用的是編程C語言或者JAVA進行開發(fā)，結合Unity3D完成。

3.互動投影系統(tǒng)的實現(xiàn)。在建筑表皮互動投影中，實現(xiàn)過程需要不斷調整來達到更好的視聽體驗。在進行投影的過程中，由于建筑表皮是由多個不規(guī)則的平面或曲面構成，投影儀的光線無法正好垂直于墻面，因此投影過程中會導致圖像發(fā)生畸變，需要通過幾何校正技術來改善。當前，大多數(shù)的矯正方法是利用攝像機等圖像感知設備來模擬觀察者，獲取投影表面上的投影圖像，并進行圖像識別與分析，在控制單元中將投影儀緩存圖像進行逆向變形，抵消圖像畸變部分，使投影表面上的投影圖像與預期圖像保持一致[9]。具體來說，就是將兩臺投影儀交疊的部分圖像，通過調整其亮度和飽和度的形式，來確保畫面的一致性，在視覺上達到無縫銜接的效果。

四、建筑表皮互動投影案例分析

（一）武漢江灘元宵光影秀

武漢江灘元宵光影秀項目由武漢麥塔威科技有限公司策劃，于2013年正月十五晚在武漢市漢口江灘上演。此次光影秀以“復興大武漢，星光耀荊楚”為主題，以“江漢光”等多棟代表建筑為載體?！敖瓭h關”大樓，位于武漢市漢口沿江大道與江漢路交匯處，占地面積1499平方米，是在現(xiàn)存最早的三座海關大樓之一。與以往國內的建筑表皮互動投影相比，武漢元宵光影秀不僅運用了領先的新媒體技術，而且結合了建筑結構的特征，將建筑之間的空間關系聯(lián)系起來，注重人文精神的傳達。同時，影像的互動與真人表演讓觀賞者有了更好的沉浸體驗。

1.數(shù)字媒體手段。通過建筑的表皮結構設計與其相匹配的視頻影像，使建筑與影像之間相互融合，賦予彼此新的生命力與可能性。在此基礎上融合武漢晚清時期到現(xiàn)代的歷史征程，將科技與自然文化相融合，塑造武漢的良好城市形象（圖1）。

2.傳達人文精神。通過影像結合實體表演的形式，回顧了武漢近代以來的歷史文化變遷和建設發(fā)展，從古代的盤古城，到近代的辛亥革命戰(zhàn)爭，再到現(xiàn)代的經(jīng)濟、科技發(fā)展，展示其厚重的文化底蘊和璀璨的歷史征程，重新塑造城市形象，喚醒大眾對于城市文化的認同感。

3.視聽體驗。運用大功率的工程投影機將影像投射在建筑群體上，結合多媒體設備的影像與光處理功能，創(chuàng)立了沉浸式的視聽環(huán)境，實現(xiàn)了文化與科技真正的融合（圖2）。從生態(tài)設計原理角度分析，本次的互動投影基本符合其共識、互動的原則。但是演出過程中不可避免地對周圍的居民產生了噪音干擾，一定程度上也造成了光污染。

（二）韓國光州媒體藝術節(jié)開幕式——《光州之光》

本案例是2020年韓國光州媒體藝術節(jié)建筑光雕投影作品《光州之光》，該作品使用了空間轉換、時間轉換以及激光光雕投影的創(chuàng)作手法。

1.空間轉換的創(chuàng)作手法?！豆庵葜狻烽_篇展示的是雷電的自然現(xiàn)象，將大眾在日常生活中無法觀賞到的高空天文現(xiàn)象拉近人們的視野，給觀賞者帶來強烈的視覺與審美體驗（圖3）。

2.時間轉換的創(chuàng)作手法。如圖4所示，畫面中巨大的鐘擺飛速運轉，隱喻著時間的倒流，接著畫面將觀賞者帶到了獨立運動的血腥畫面，又通過快速的畫幅移動把畫面切回到當今民眾日常生活的畫面，眼前的建筑表皮起到了時空機器一般的作用，在同一空間的不同景象，過去與現(xiàn)在的碰撞，引發(fā)人們的思考，使建筑投影不再只是帶來視聽的體感，更多的是心靈上的洗禮。建筑投影成了激起觀賞者進一步思考的媒介化工具。

3.激光光雕投影的創(chuàng)作手法。通過粒子與光線組合構成透視的三維圖像，以此來制造出建筑物體相對運動的視覺效果。當前這種創(chuàng)作手法在影院中應用較多，這種手法同樣適用于建筑表皮互動投影當中。

另外，激光投影儀相對于普通投影儀來說，在亮度與邊緣的清晰度上更甚一籌。極高的亮度與飽和度，突破了使用場景的限制，在制作與使用上更容易操作，制作的成本也低于傳統(tǒng)投影儀。

（三）案例評述

隨著城市現(xiàn)代化進程的加快，霧霾、水污染、光污染等環(huán)境惡化的問題層出不窮，國際上生態(tài)運動愈演愈烈，人們開始重新認識人與自然的關系，同樣，建筑作為城市的重要組成部分，承擔著城市文化形象和核心價值的表達工具，因此以生態(tài)設計為理論框架，提出能夠指導建筑表皮互動投影的設計原則的設計思維成為重要的研究課題。

通過上述國內外的建筑表皮互動投影案例可以發(fā)現(xiàn)，首先建筑投影項目大多應用于燈光秀的表演中，欣賞者與作品之間的互動寥寥無幾，觀眾更多沉浸于視聽體驗上，忽略了燈光秀與人之間的聯(lián)結，暫未形成完整的生態(tài)設計理念。對于材料的選擇、使用、維護環(huán)節(jié)欠缺考慮。其中材料還包含了設備的選擇，韓國光州媒體藝術節(jié)開幕式選擇的激光投影儀，以更低的成本做出同樣的燈光秀效果是值得借鑒和參考的優(yōu)秀案例。

其次，在共識原則上，強調設計要考慮作品與環(huán)境的融合度，創(chuàng)作者將情感轉化為符合生態(tài)設計理念的作品，從而使觀賞者與創(chuàng)作者產生共鳴。武漢江灘元宵光影秀，是以中國傳統(tǒng)元宵節(jié)為契機，借助其特有的建筑優(yōu)勢，利用投影的形式講述了武漢的城鎮(zhèn)源起、發(fā)展歷程以及晚清時期到現(xiàn)代都市的歷史文化變遷。該作品在創(chuàng)作上與環(huán)境融合，充分結合建筑自身的結構與周邊自然資源。沒有將內容只局限在趣味與視覺體驗上，觀眾在享受建筑投影帶來的視聽體驗的同時，突破對傳統(tǒng)藝術形式的認知，從過去的被動欣賞轉變?yōu)橹鲃铀伎?，從而達到真正的人類與自然文化、創(chuàng)作者與觀賞者的共識。體現(xiàn)了巨大的價值和意義。

最后，在互動原則上，生態(tài)設計強調設計的過程是一種“道”而不是只由專業(yè)人員提供的作品，強調人人參與的過程，從而讓更多人參與到生態(tài)化的環(huán)境和建設中來。與傳統(tǒng)的設計相比較，生態(tài)設計有其特有的設計特點，所以，歸根結底，生態(tài)設計囊括了人們的一切日常行為中，這就要求創(chuàng)作者在設計時必須走入大眾的生活，將大眾的生活與認知融入設計之中，它不是一種全新的設計形式，而是一種傳統(tǒng)設計的進化與發(fā)展。在韓國光州媒體藝術節(jié)開幕式——《光州之光》案例中，運用了時間轉換和空間轉換的創(chuàng)作手法，結合韓國當?shù)貙τ谒囆g形式的認知，讓大眾真正沉浸其中，重拾文化的歸屬感。為后人建筑表皮互動投影的呈現(xiàn)提供了良好的參考依據(jù)。

總而言之，在建筑互動投影設計中，應將生態(tài)設計理念貫穿始終。應保留傳統(tǒng)設計中優(yōu)秀的部分并結合當下設計動態(tài)，對其進行延續(xù)而非割裂的設計。如缺乏美感只談生態(tài)的設計也是不能被社會所接受的，只會被人們所遺忘，從而設計的價值也無從體現(xiàn)。因此以生態(tài)思維為核心的建筑表皮互動投影設計才能夠擁有最大的價值與發(fā)展。

總結與展望

在數(shù)字媒體藝術快速發(fā)展的今天，建筑表皮投影的設計形態(tài)開始走進大眾的生活。本文以建筑表皮互動投影為對象，通過文獻研究和案例分析，探索建筑表皮互動投影的發(fā)展歷程、呈現(xiàn)形式和創(chuàng)作手法。以生態(tài)設計原理為框架，結合當下建筑表皮互動投影的發(fā)展動態(tài)，歸納出生態(tài)、共識、互動的設計原則。

建筑投影以建筑作為載體，以文化、科技與生態(tài)的融合為核心，綜合運用了多種高新技術，不僅符合新媒體藝術的創(chuàng)新趨勢，其核心理念又順應全球時代的發(fā)展。同時，建筑表皮與影像的相結合能夠豐富建筑表皮功能，使其成為一種新的表達媒介。隨著技術的發(fā)展、模式不斷創(chuàng)新，建筑投影也將進一步發(fā)展，促進城市公共環(huán)境的健康快速發(fā)展，提升文化倡議在城市建設中的主體地位，推動城市文化更加繁榮。本文為未來的新媒體藝術設計研究與實踐提供了參考。在未來，建筑投影中的交互技術還可以進一步優(yōu)化，使其更符合生態(tài)設計的理念，最終讓建筑表皮互動投影系統(tǒng)更加完善。