虚拟仿真技术在建筑遗产保护中的研究与实践

姚美康 ，吴 尧

（1. 顺德职业技术学院，广东 佛山 528300；2. 澳门城市大学城市管理学院，澳门 999078）

1 虚拟仿真技术

虚拟仿真技术，就是利用计算机仿真系统创建一种体验式虚拟世界，实际上也就是生成了一种虚拟化的系统环境，用来模拟现实状况，综合多源信息，形成交互式的三维动态视景与实体行为，让体验用户仿佛置身于真实的情境中[1-4]。

2 虚拟仿真技术的优势特点

(1)多感知性。计算机虚拟现实技术能够让参与者从听觉、触觉、视觉、味觉、嗅觉以及动感等诸方面获得感知，也就是说，几乎人类所有能够感觉到的功能都可以通过VR虚拟仿真技术实现[5-6]。

(2)存在感。也叫临场感，可以理解成为真实感，指用户作为虚拟情境中的主角，在体验的过程中能够真实地感受到虚拟环境，一个成功的虚拟现实环境能够让体验者难辨真假，就好像置身在真正的环境中一样。

(3)交互性。主要指在虚拟环境中，用户对物体的可控性和操作性的掌控程度，用户可以从虚拟环境获得真实的反馈结果，即实时反馈。例如，用户可直接抓取环境中的物体，此时，体验者会有手里握着东西的感觉，能够感觉到物体的质量，而且视觉中的物体也会随着手的移动而移动。

(4)自主性。主要指在虚拟现实环境当中，环境中物体能够根据物理学规律运动的自主性程度，如在外力作用下，物体会向作用力方向移动，类似树叶随风摇摆，海水涨落，都是自主性的体现。

3 建筑遗产保护的意义

我国数千年历史孕育了深厚的精神财富与物质财富，给全世界人民带来了宝贵的精神食粮，其中建筑遗产有着不可小觑的重要地位，其保护对于国家、民族文化的发展有着重要的现实意义和价值。保护古建筑与历史街区实际上也是在保护城市的记忆，保护城市文化和城市血脉。建筑遗产的保护并非拆与不拆的问题，单纯听从专家意见，或单一从建筑遗产保护技术角度出发也不全面。类似故宫、天坛、古罗马斗兽场这样的遗产是独一无二的，而能够真正成为著名旅游景点的建筑遗产其实很少。需要保护的不一定是荒废的遗址，也可以是有生命的，上海的老街坊和弄堂就是如此。这些历经岁月洗礼保存下来的遗址未来究竟何去何从，才是所要思考和研究的课题。

随着科技水平提升，应用高新科技手段修复残缺破损的古代建筑物成为一种趋势，它可以降低后期维护难度和成本，减少对古建筑的破坏，避免建筑遗产的历史价值和文化价值受到人为破坏。其中，VR虚拟现实技术表现抢眼，如何更好地应用虚拟现实技术修复与保护建筑遗产已成为热点话题。当前，我国VR虚拟现实建筑遗产保护技术发展水平还存在很多不足，但相信通过不断努力，VR虚现实技术会发挥出更多作用和价值，更好地完成保护与修复历史建筑遗产的任务。

4 当前建筑遗产保护中存在的问题

我国建筑遗产资源丰富，拥有许多享誉国内外的历史名胜古迹，尽管各级地方政府都加强了对历史建筑遗产的多重保护力度，投放大量资金对破损的建筑进行修复，并且建造了地方博物馆让人们有机会一睹中国古代文明的璀璨之光，不过在实际工作中，仍然存在诸多问题。

其一，建筑遗产项目在保护过程中会受到自然灾害或者人为破坏，造成建筑物构件的损毁，部分游客素质亟待提高。而且，展示过程中也不可避免会被游客有意或无意地破坏，严重地影响了建筑物的寿命。

其二，和发达国家相比，我国建筑遗产保护技术还有很大提升空间，总体来说，保护方法与技术手段还比较落后，单纯依靠传统人工保护的方式已不能满足保护要求，同时人工修复还会对建筑物造成一定伤害，修复周期较长，工人工作的危险系数高。

其三，我国已开放了大量博物馆、名胜古迹，随着更多建筑遗产逐步对公众开放，如管理和保护措施不到位，会加速建筑遗产的衰败速度。

5 虚拟现实技术在建筑遗产保护中的应用[7-29]

5.1 保护建筑遗产

VR虚拟现实技术在建筑遗产保护中具有很多突出优势。例如可避免建筑遗产长期裸露在外，避免遭受自然灾害，防止建筑物外墙墙体风化、褪色，同时可减少运输过程中给建筑物带来的破坏，避免部分游客随意涂鸦和破坏周边环境。很多大型建筑群已经开始应用该技术设计立体模拟景区，让游客身临其境地感受建筑遗产的魅力。

5.2 增加展示频率

因为VR虚拟现实技术是一种专业数字化的保护手段，不受时间与空间的限制，因此会有更多发展空间，展示功能也更强大。它可以让建筑遗产展示转变为具有观赏性的活动影像，提高展示效果的同时也为人们带来极大的便利。例如，参观者可以通过VR影像身临其境地参观某些地处偏远、不易到达的建筑遗产。所以VR虚拟现实技术可以大幅提升展示频率，让更多游客有机会近距离观赏建筑遗产。

6 虚拟现实技术在建筑遗产保护中的应用实例

6.1 香港天坛大佛

香港天坛大佛坐落在我国香港地区大屿山木鱼峰顶，是当今世界上最大的露天青铜坐像，大佛由202块青铜焊接而成，重达250 t，佛身高23 m，莲花座与基座高34 m。天坛大佛依照佛经如来三十二相设计，面相是龙门石窟的卢舍那佛，衣纹、头饰是释迦牟尼佛像，所以香港天坛大佛有隋唐佛教时期的艺术造像特色。

香港天坛大佛的设计参照了唐朝建筑群的布局思想和格式，采用了唐朝建筑型制，严格依照三进三出的平面规划布局。在利用虚拟仿真技术及三维信息系统对大佛进行保护时，首先需经过准确精细的实地测量，获得每一个构件的三维模型数据，然后整理形成建筑三维数字化档案库，再加工单一构件，最后对多个构件进行整体组装，整个过程都需要监控和质量把控。

(1)数据获取。香港天坛大佛建筑结构复杂，建造要求高，需通过人工测量、仪器测量以及摄影测量、激光扫描的方式，获得建筑遗产保护的整体规划方向和航拍影像。

(2)三维建模。通过前文所提及的各种数据采集的手段，就建筑物的某个特定部位构建模型，并对单位部件进行组合。通常，一个整体的建筑构件会由复杂的多个小的构件组成，需要对每一个构件完成三维立体建模。

(3)建造工艺的数字化转化。关于建造工艺的数字化的传承，大致表现在整体构件组装和部分构件组装两部分。比如对斗拱部分的组装，是在实际模型的观测和数据库研究的基础上，开展对虚拟组装的研究，这样在建筑文化遗产保护施工过程中，工艺规划管理与质量监督就更科学、便捷、高效。

(4)工程监理。工程监理指依据建筑数据库资源和建筑遗产保护专业知识，通过三维建模，对历史建筑文化遗产的建筑风格、构造作法，展开全面的监督管理。在管理的过程中，采用现代遥感、高精度的测量技术，构建传统历史文化建筑构件的三维立体模型，集成数据库以及三维数字档案，为今后的维修保护提供参考依据。

(5)虚拟漫游。虚拟漫游是虚拟仿真系统技术的一部分，对于建筑遗产而言，是通过三维数据库资料，建立一种浸入式的浏览体验方式。打破时间空间的限制和束缚，更全面、更系统地展示中国古代传统文化以及优秀建筑文化的工艺特点。通过提供API接口的方式来实现空间限制上的突破，同时漫游系统还可以很好地满足游客的各种需求，完成对建筑物历史信息的完整存储与数字档案管理，从而更好地促进地方旅游业的快速发展。

6.2 数字敦煌——莫高窟

敦煌莫高窟位于甘肃省敦煌市境内，有着西千佛洞的美称，居我国四大石窟之首，同时也是世界上现存规模最大，保存最完好的佛教艺术圣地。1987年12月，敦煌莫高窟被联合国教科文组织评为世界文化遗产。莫高窟开凿在鸣沙山东麓的断崖上，南北长度为1 600多m，上下5层,高低错落、鳞次栉比。不过，由于年代久远，风沙、崖体坍塌及地震等自然原因导致莫高窟受损。另外，人为刻画、偷盗以及旅游项目的过度开发，也造成了严重的破损和病害，彩塑损坏和壁画退化速度十分迅速。

随着信息时代的来临，数字化信息革命的浪潮正在波及各个领域，城市及建筑管理也逐步进入数字化管理时代，敦煌作为我国著名的历史文化名城，率先实施了数字化管理，特别是在敦煌建筑文化遗产保护中，植入了数字化管理技术，将壁画、洞窟、彩塑等敦煌各类建筑文化遗产及文物加工制作，收集整理成高品质、智能化的数字图像，充分收集分散在全球各地的敦煌文献材料，再对各类素材进行数字化处理，建立系统的电子档案，通过近景摄影、航空拍摄、激光扫描的技术手段，收集莫高窟外部和内部的雕塑、壁画、地貌环境、地形，多角度、全方位地展开影像数据和三维数据的处理，构建敦煌莫高窟的正射影像模型、数字地面模型和三维可视模型，以便更好地凸现莫高窟内的三维场景，保护现存的雕塑、壁画等具有珍贵历史文化价值的人类遗产，同时也能够满足游客通过虚拟仿真的技术手段全面欣赏莫高窟。

对于莫高窟某个点模型最终成果，先进行高精度的数据获取，包括室内扫描、室外获取，然后制作正射影像与等值线图，一同集成到三维数据库中，利用测量手段获取的三维信息模型，完成多点云数据采集，构建不规则三角网络，建立三维灰度模型，并在纹理拼接和映射后形成完整的三维模型。

6.3 建筑遗产复原

6.3.1 数字化复原方案设计

为确保复原工程的顺利开展，做到可靠性与科学性统一，首先要完成复原方案设计，即对需要复原的建筑文化遗产项目进行整体策划设计。具体做法可分为4个步骤：首先利用虚拟仿真技术的表达方法，将复原所需要的三维体验模式及图片模式进行整合；其次，确定复原系统的形式，是采用数字博物馆还是虚拟实验室，不同形式对应不同的设计方案；再次，合理安排时间，建筑遗产复原过程复杂，需根据实际情况进行合理规划和安排；最终确定复原系统大小、清晰度、分辨率以及虚拟仿真复原结果的系统参数等。

6.3.2 实践路径

数字化复原的实践路径中，首先，应当对需要复原的建筑文化遗产有初步了解和调查，再进行实地实物考察与勘测，统计、勘测具体的数据信息和指标。其次，在考察勘测过程中，要针对建筑物本体、周边环境以及残余建筑物进行全面拍摄，尽可能选择像素较高的拍照设备。最后，根据拍摄所得资料构建三维模型，并对三维模型进行优化设计。在技术上，应争取用最少的面来表现，以便后期完成场景制作。在制作过程中，需要对VR虚拟现实系统性能进行测试，以保证系统的稳定性、可靠性和兼容性都能够达到建筑文化遗产复原的需求。

6.3.3 图片优化技术和贴图烘焙

历史建筑文化遗产数字化复原过程中，图片优化技术和贴图烘焙手法是整个设计与复原过程中的关键步骤。由于不同的图片格式适用于不同数据模型，所以贴图烘焙处理时，应当满足原图片的格式要求，采取不同的格式呈现方式。另外，为确保复原的真实性以及后期复原场景呈现的系统流畅性，还要对模型进行分类处理，并利用虚拟仿真系统自带的图片优化软件，优化贴图文件，适当压缩图片，以减少内存的占用量。

6.3.4 交互设计与编译输出

在通常情况下需要借助摄像机，最终以交互式场景的形式，完成场景复原设置，在交互设计和编译中，需应用程序模块来实现编程控制，操作摄像机。在交互式设计过程中，要将人物角色载入到虚拟场景中，结合实际情况把控人物比例，要特别注意人物尺度与场景的一致性。另外，在场景中要设定角色动作，按操作指令完成动作，以达到最真实的人物仿真效果。最终，利用编译手段，通过格式转换输出的方式实现模型和指令的输出，在虚拟状态下完成对历史建筑文化遗产的复原。

6.4 建筑遗产保护施工过程

6.4.1 施工方案设计

为更好地实现虚拟现实系统的沉浸性和交互性，保护方案的设计者应参与到情境的计算过程中，对建筑设计方案给予动态化的优化设计，确保设计方案的最优解，通过可视化的虚拟模型结果实时调整设计方案。因此，建筑遗产保护施工方案设计的优化流程是：在VR环境中，利用CAD设计制图软件建立对象的实体模型，在模型中的有限元分析软件ANSYS中完成几何信息的输入，建立三维可视化的有限元分析模型，然后展开计算分析，把有限元模型数据与分析结果分别存入数据库中，完成图形文件转化，实现对三维可视化虚拟环境中模型的沉浸，整个优化过程结合设计人员的工作经验，由计算机操作完成。

6.4.2 施工人员培训

在虚拟现实环境中是交互式操作，用户具有主观能动性，且操作可重复，这一特性为建筑遗产保护工程施工人员的培训提供了一种理想的培训方式。即前期在虚拟环境中学习，参与施工组织管理，由于虚拟环境中的交互方式同现实世界完全一致的，所以在经验丰富的施工人员的引领下，缺少经验的人员能很快熟悉施工方法。另一方面，VR虚拟现实技术可以对建筑遗产保护施工方案进行动态模拟，参与者可随意选择观察点和观察角度，实现对建筑施工现场的实时漫游，从这个角度上讲，VR虚拟仿真技术是一种有趣的、高效的培训工具。

在建筑遗产保护的实际施工过程中，工序之间彼此的协调配合并非易事，而在VR虚拟环境中，能够非常直观地观察到操作对象之间的相互作用及空间关系，能对方案进行反复试验，获得参数，更有利于后期施工方案的实施。当然，过程中有可能产生有干扰对象，要提醒施工人员在实际施工过程中加以注意与提防。

6.4.3 施工组织管理中的实践

建筑遗产保护工程的施工组织与管理千头万绪，而且是动态变化的，这类工程一般都是比较大型的项目，施工周期长，工程量大，资金投入大，涉及多个工种的协调配合，施工材料的调度安排，设备机械的管理和分配，还有施工工期、成本控制、质量监控、后期服务、合同等项目的管理，虚拟仿真技术能够高效实施全过程的施工组织管理。

为了保证有效整合建筑文化遗产保护工程项目的信息，进一步落实对施工过程的集成化、信息化、智能化、可视化的控制与管理，建立4D项目管理信息系统。4D模型是在三维模型基础上延伸而来的，需要附加时间/成本因素，作为一种可视化媒介，这种技术合成能够使用户清晰地看到物体变化过程中的模拟图形，提高现场操作的安全性，并优化与控制整体变化过程，还能模拟施工时间进度，精确计算与控制工期，方便统筹规划和调度，实现对建筑保护施工过程的交互式可视化与信息智能化管理。

6.4.4 应用展望

VR虚拟现实技术虚拟施工目前在我国尚没有形成一套完整的理论体系，虽然现阶段在西方国家已经开始了这方面的研究，但学术界和技术界并没有明确的关于虚拟建筑遗产施工保护的界定，所以要加强对建筑施工理论的探索和研究，力求在建筑施工理论上获得突破。

VR虚拟现实技术能否在建筑遗产保护领域中得到更多的推广与应用，取决于计算机硬件与软件技术的发展。就目前而言，虚拟现实软件系统的开发与应用对计算机硬件要求比较高，要在专业的工作站或实验室中完成，而且国内还没有完善的自主开发软件平台，必须向国外进口VR虚拟可视化软件、建模软件、虚拟现实软件以及网络接口软件等。因此要努力建立虚拟现实技术实验室，开发出一套能够面向工程项目施工的专用集成性软件系统，减少单项工程的造价，加快VR虚拟软件的普及，使虚拟现实技术在建筑遗产保护领域中得到更多的推广应用。

7 结束语

综上所述，VR虚拟仿真技术对于历史建筑文化遗产保护工程具有重大的实用价值和历史意义，它能提前模拟建筑文化遗产修复后的情景，不但有利于修复手段、修复技术的可行性研究，而且有利于有序规划安排修复整理过程中各个步骤，缩短工期，还能够大幅提修复后的建筑耐久性。

此外，VR虚拟仿真技术通过影像采集数据，建立实物三维模型和数据库模型，实现了对建筑文化遗产信息存档及永久性保存，为可持续修复和保护文化遗产提供了支撑，达到了对濒危历史建筑遗产的科学、精准与永久性的保存之目的。VR虚拟仿真技术突破了时空限制，通过建立虚拟博物馆，向全世界传播中华文化，实现对历史建筑文化遗产资源的最大化保护、利用、传承和发展。

参考文献

[1]丁延辉,高清林.三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用[J].北京测绘,2017(S2):63-67.

[2]郑国强,刘露,杨小竹.新媒体技术给广告带来的巨大影响[J].艺术科技,2013(11):1-2.

[3]杨树涛.数字化技术在乡村古建筑保护中的应用研究[J].中国新通信,2017,19(19):99-100.

[4]阎阳.张家口堡建筑遗产数字化保护研究[D].张家口:河北建筑工程学院,2017.

[5]宋林柯.试论虚拟现实技术在建筑遗产保护中的应用[J].中国住宅设施,2017(4):115-116.

[6]王新宇.面向版权保护的三维网格模型数字水印算法研究[D].镇江:江苏大学,2017.

[7]秦一.虚拟现实技术在文物遗产保护和博物馆教育中的应用研究[J].现代营销(下旬刊),2017(1):140-141.

[8]郭苏琳.虚拟现实技术在建筑遗产保护中的应用[J].黑龙江科技信息,2016(28):235.

[9]吕超.浅论虚拟现实技术在非物质文化遗产保护中的应用[J].散文百家(新语文活页),2016(9):246.

[10]吴萌.应用CAVE技术进行历史建筑空间的展示应用初探:以三希堂沉浸式虚拟现实原状陈列展示为例[J].故宫学刊,2016(1):194-200.

[11]韩云肖,张攀峰.大数据视野下的非物质文化遗产数字化表征研究[J].电子世界,2016(13):11-12.

[12]张熔.数字媒体技术在满族民居建筑传承与保护中的应用研究[D].齐齐哈尔:齐齐哈尔大学,2016.

[13]黄颖.基于Unity3D虚拟现实技术的岳麓书院3D漫游设计[D].长沙:湖南大学,2016.

[14]绪言,于玥泓.虚拟技术与古代建筑文化[J].四川水泥,2016(5):330.

[15]李渝婵.鲁土司衙门虚拟现实动画的应用研究与实现[D].西安:陕西师范大学,2016.

[16]范智.城市建筑文化遗产空间环境信息模型研究[D].兰州:兰州交通大学,2016.

[17]牟波.虚拟现实技术在数字化校史馆中的应用研究:以贵州师范学院数字化校史馆建设为例[J].信息通信,2015(10):86-87.

[18]高力群,杨波.虚拟现实技术在河北省非物质文化遗产保护中的应用研究[J].大舞台,2015(3):231-232.

[19]况扬.新媒体技术在江西非物质文化遗产保护中的应用研究[J].科技广场,2014(5):156-159.

[20]张辉,刘增良.虚拟现实技术在工业遗产保护中的应用[J].海峡科技与产业,2013(9):63-67.

[21]李静.论红色文化遗产保护中虚拟现实技术应用的必然性[J].中国包装工业,2013(16):108.

[22]陈滨.中国古建筑艺术与数字化虚拟研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013.

[23]闫涛.数字影像技术在古建保护中的应用[C]//中国紫禁城学会论文集第八辑(下).北京:中国紫禁城学会,2012:15.

[24]胡亚希.虚拟现实技术在非物质文化遗产保护中的应用[J].江西社会科学,2012,32(8):196-200.

[25]郭云仲.虚拟现实技术在古建筑复原中的应用研究[D].武汉:武汉理工大学,2008.

[26]王航宇,黎婷,王计平.虚拟现实技术在世界文化遗产保护中的应用:以秦始皇陵为例[J].数字技术与应用,2012(6):89-90,93.

[27]万国伟.面向建筑物的三维点云生成、增强和重建技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2011.

[28]章立.虚拟现实技术在建筑遗产保护中的应用研究[D].无锡:江南大学,2009.

[29]李德仁.虚拟现实技术在文化遗产保护中的应用[J].云南师范大学学报(哲学社会科学版),2008(4):1-7.