三维虚拟技术在中国古建筑维护中的应用现状及发展路径

文 / 吴扬

三维虚拟技术在中国古建筑维护中的应用现状及发展路径

文 / 吴扬

古建筑作为重要的古代建筑文物，见证了人类文明及历史的发展，体现了古代劳动人民在建筑工程、文化艺术方面的成就。这些文物历经千百年的时代变迁，都在不同程度上受到了人为和自然界的破坏和损毁。文章就古建筑维护方面存在的一些现实问题进行阐述，并对当前数字媒体领域中的三维虚拟技术在古建筑修复、演示方面的应用优势及发展趋势进行探讨与分析，希望对古建筑维护手段及古代文化传播有所帮助。

三维虚拟技术；古建筑

我国历史悠久，地大物博，铅华过后，留下了许许多多的古建筑，这些古建筑遗产是人类共同的珍贵财富，对中华儿女意味更深。一方面，它是历史的真实见证，携带了大量的历史文化信息，具有独特的传承纪念价值；另一方面，古建筑是古代劳动人民智慧的象征，即便是今天，古建筑身上仍然存在着很多值得研究借鉴的地方，做好了古建筑保护工作，对整个社会有着特殊的文化感情意义。

然而，目前我国的古建筑生存状况令人堪忧，很多古建筑正处于危险的境地，其生存威胁包括时间的磨损、地壳运动的变化以及自然气候的影响，但最主要的还是人类活动。近些年来出现的旅游业对古建筑的破坏不可谓不严重，所以，系统而科学的维护工作对于古建筑的生存而言至关重要。

受到历史及社会经济因素的影响，目前尚有大量的古建筑急需修复，但仅靠传统的手工修缮维护技术无法满足破损古建筑量的需求，而且传统的维修复原手段主要靠人力手工技艺完成，工作量及耗费的时间相当大。且在修复的过程中必须按照古法搭建技术层层递进，步步严谨，稍有不慎还会出现古建筑物的再次损坏，故存在一定的风险因素。所以，为了减少和避免古建筑修复过程中耗时及再损坏现象，三维虚拟修复保护技术的研究已成为未来古建筑维护的必要手段。

一、当前我国古建筑的体系及生存现状

中国封建社会历时两千多年,在历史长河中,历代匠师们在传统思维的影响下，从古建筑的总体布局再到其中的每一个细微的构件，从体积到造型，从装饰美到艺术美，无一不体现出中华民族传统文化的深度和底蕴，从而建造出具有韵律感的民居、庄严的宫殿寺院、庙宇，建造师通过长期在实践中的不断探索、总结经验，继承发展，形成了庞大的中国建筑体系。随着时间的推进，从最初原始社会的穴居、木架、夯土的土木结构到唐代的佛教寺、塔、石窟再到宋代的寺庙园林建筑，最后进化到代表中国木结构建筑最高水平的明、清以来的故宫、天坛、颐和园等著名的历史文物建筑，其中经历了长期继承发展的过程，无论从结构上还是形式上，始终都是承前启后、一脉相承的，并保持一贯的完整性，具有鲜明的特色，使我国的古建筑在世界上形成了专属独特的体系和风格[1]。

中国古建筑多以茅草、土、木、砖、石作为建筑材料，人们对这些天然或半天然材料进行巧妙的组合搭配，才形成各种式样不同地域风格的建筑。木质结构作为最常用房屋基材，其材料具有自重轻、韧性强、易加工、建造灵活等特点，结实多变的卯榫结构能让建筑物在经历了几百年、甚至千年以上都屹立不倒。

随着朝代的更替，大小战乱的人为破坏，使得许多古建筑物遭到毁灭，如公元前三世纪，秦朝宫殿阿房宫，被“楚霸王”项羽放火烧掉，史书记载：“烧秦宫室，火三月不灭。”位于山西省朔州市的应县木塔，作为中国现存最高的辽代木结构塔式建筑，在旧中国的军阀混战中，遭受了大量的炮弹袭击，致使部分梁柱劈裂、歪闪。抗日战争期间，更是有大量古建筑文物遭到了日本帝国主义的破坏及掠走，至今下落不明。[2]直接造成了古建筑的永久性毁灭，带来了不可估量的损失。再者，木材作为生物材料，又使得木结构存在着天然的弱点，主要是易腐朽、易蛀和易燃，加上火灾、台风、地震等自然因素的破坏，导致能够存留下来的古建筑已经面目全非且不可再生。所以，如何运用当前先进的技术和科技进行保护和复原就成了古建筑维护中一项重要研究项目。

二、三维虚拟技术在古建筑维护中的应用

（一）三维虚拟技术概念

三维虚拟技术是一种借助于感官体验，以视觉、听觉、嗅觉为主的实时模拟、交互技术，紧跟着计算机技术的发展，集计算机图学、人工智能、人机接口技术、实时计算等为一体。三维虚拟技术最吸引人的地方就在于它可以凭借计算机卓越的计算处理能力，向用户提供本体的感官交互体验，这是一种新型的高科技，被广泛应用于各个领域且带来了巨大的经济效益。上世纪90年代，三维虚拟技术初步进入古建筑维护领域，它将计算机图形图像学、虚拟现实及仿真学等多项科技融合起来，把古建筑通过多媒体图像及影片的重新设计并再现出来，从而可以有效地营造虚拟世界，将破损、接近消失甚至已经泯灭的古建筑再现于人们的眼前，在一定程度上让人们认识和了解古建筑的文化及历史意义，实现了教育和保护功能。

（二）三维虚拟技术在古建筑维护中的优势

如今三维数字技术已遍布人们日常生活，其表现形式在医学、经济、政治、文化等各个领域的应用异常丰富，特别是在文物及古建筑的修复方面也得到了迅猛发展。近几年，我国国家文物局启动了“中国数字博物馆”重大课题研究，提出运用多种科学方法和现代化技术手段，对古建筑及文物进行“五化”建设，即存储数字化、传输网络化、资源共享化、展示多元化、管理计算机化。其中存储数字化和展示多元化都要求对古建筑及其周边环境进行三维虚拟仿真，实现人们希望随时随地参观古建筑文物的文化生活需求，因此，三维虚拟凭借其便利、直观技术优势必将成为未来古迹维护和展示的重要手段。

岁月的侵蚀以及各种人为因素的影响，使许多古建筑出现了不同程度的破坏，如若得不到及时修复，必然会造成巨大损失。一直以来，我国古建筑维护工作走的都是直接主动的风格，即采用传统技术和材料对病变、损坏结构进行加固修复，近些年，随着新媒体技术的发展，业内开始尝试采用三维虚拟技术对古建筑进行维护。较之传统修复方式，三维虚拟技术有着明显的优势，它既大幅度减少了资金、人力上的投入，又以一种科学有趣的方式提供给参观者多维的体验，古建筑原体的不直接操作更是避免了人员修复过程中的二次破坏，因而具有光明的应用前景。

1.增强古建筑的展出效果。三维虚拟技术的保护作用，主要表现为对古建筑的场景还原，包括纹理、色彩、亮度等细节甚至于身处不同环境的光影效果改变都可以系统、真实地再现。用户通过三维虚拟技术设备，能够细致地观察到古建筑的每个角度，聆听古建筑的历史，对其达到全方位、多媒体的认知。与此同时，部分建筑可能正处于损耗严重的状态，利用一定的空间对之进行原貌模拟，有效地避免了古建筑的进一步消亡。

以故宫博物院开发的《紫禁城·天子的宫殿》为例，就是通过三维高清虚拟现实技术，对故宫主要古建筑和珍藏文物的形式、结构特征、表面装饰乃至建筑技术和建筑艺术进行准确、系统、综合性的采集和逼真的三维仿真再现，从而建立完整的、传世的古建筑和古文物三维数字模型及数据库。并且让游客以第一人称视角参与其中，通过仿真场景中的互相交流，从而产生身临其境的人机虚拟互动视听效果，达到科普和展示的完美统一。

圆明园作为皇家园林建筑的代表，被誉为“万园之园”。2010年，在圆明园罹劫150周年之际，中视典数字科技推出了全球首个虚拟圆明园主题网站，利用三维虚拟现实技术恢复圆明园建筑群完美的景象，气势恢宏、制作精美，其中陈设、布局真实精细，构造纹理也清晰可辨，运用声、光、电等高科技手段动感呈现，使观者如临仙境，让曾经消逝的人类园林瑰宝再次逼真地呈现在世人面前。[3]让大家更加直观、方便地了解和缅怀这一段沉痛的历史，具有观赏和爱国主义教育双重意义。

2.优化古建筑的维护手段。我国许多古建筑上都有着大量而丰富的彩绘，题材各异，如梁坊上的人物故事、门牌上的花鸟鱼虫、游廊中的飞禽走兽，无一不体现出我国在传统建筑艺术的功能和装饰上的完美结合。然而，随着岁月的流逝，现存古建筑普遍出现脆化、脱色、漆皮剥落等现象，人工修复存在不确定性，很有可能出现损坏加剧的情况。因此，通过三维虚拟技术，我们可以事先模拟修复后的影像，检验多种修复方案的可行性以及修复后的维护环节，并且经过原始数据的处理，用户可以主动地在虚拟环境中添加、修改对象，以多维角度对修复后的结果进行评估、二次加工，三维虚拟技术带来的身临其境感大大增强了维护方案的科学性与精准程度。

3.充分挖掘古建筑的综合价值。古建筑和文物一样，都属于不可再生资源，不同地区的古建筑展现出其风格迥异的地域风貌特色。我国国土辽阔，古建筑几乎遍布于每个省份的各个地区。但由于受到地质因素和朝代变迁的影响，有很多古建筑处于交通闭塞的偏远地区，古建筑所载有的经济文化价值难以充分地展现和研究。而三维虚拟技术巧妙地避开了这些建筑遗产的劣势，提供了脱离本体依旧达到全方位展出目的的科技平台。科技治国一直是新中国的发展方针，现代人也越来越乐于接受高科技，所以如若能够通过新媒体技术将古建筑资源整合起来，形成三维虚拟系统展示给观众，也是一种对古建筑综合价值的开发性保护。

三、三维虚拟技术在古建筑维护中的社会意义

（一）广泛传播体现文化传承

三维虚拟技术的运用为古建筑的保护、研究以及广泛传播提供了新的技术支持，增加了对古建筑传播以及传承的途径。三维虚拟技术的运用打破了传统对于古建筑的传播及保护方式，用数字化的形式生动地再现古建筑的历史由来及建筑风貌，从而使古建筑在虚拟现实中得到永久保护。将古建筑图像和虚拟复原古建筑以数字化的形式呈现在数字图书馆和数字博物馆及其他媒体，并用于检索和展示研究，这样的传播途径和方式不仅起到了很好的展示和宣传作用，在资源共享的同时也在一定程度上填补了馆藏文物的缺失，使古建筑所承载的文化资源得以在更广阔范围内进行传承与交流。其次，强大的互联网技术使人们可以通过手机、电视、户外媒体等轻松获取古建筑的全面信息，对古建筑的展示及宣传都能引起更大范围的关注。

（二）精度修复体现科研价值

一般古建筑历经时代变迁、自然灾害、人为破坏等饱含沧桑都多少会有损坏，有的年久失修或未能及时修复使古建筑处于一种尴尬境况，在修复过程中会遇到材料、技术、修复者审美等问题存在，导致修复工作存在一定的缺憾，而三位虚拟技术在这方面却有着惊人的表现，计算机强大的技术可以让古建筑修复工作不再繁杂，简单且更加精准地实现古建筑修复数据管理的系统化、数字化、网络化，在短时间内高效地再现古建筑的原始风貌及不同时期的历史风貌，博大精深的古建筑文化精准快捷的呈现，为古建筑的研究提供直观的科研价值，也使得古建筑所承载的文化资源得以更加广泛地研究与挖掘。

四、结语

21世纪是信息分享的时代，三维虚拟技术在社会生活中运用得愈加广泛，它以计算机网络技术为基础，大幅度改变着人们的生活方式，同时带来超出寻常的便捷性。时下，三维技术仍然处于发展阶段，存在着很多矛盾，对其进行研究有着必要的现实意义，古建筑的复原技术是一项长期艰巨的任务，随着我国经济和科技的进步，将会有更多的古建筑得到进一步的数字虚拟修复及展示，从而拓展传统古代文化的传承，推动人类社会文化史和建筑艺术史的发展研究。

[1]张驭寰.中国古建筑源流新探[M].天津:天津大学出版社,2010.

[2]祁英涛.中国古代建筑的保护和维修[M].北京:文物出版社,1986.

[3]孙霖楠.数字技术之于文物修复的意义研究[J].博物馆研究,2010,(1).

TU17 文献标识码：A 文章编号：1005-9652（2016）06-0180-03

江西省科技支撑计划项目“明代南昌城数字虚拟复原研究”的阶段性成果，项目编号：CK201412251。

（责任编辑：魏登云）

吴扬（1983-），男，江西南昌人，南昌航空大学艺术与设计学院，硕士，讲师，研究方向：设计学。