中华圣公会教堂室内历史环境虚拟修复技术应用研究

■董金慧 潘贺峰 张爱莉 赵 航 Dong Jinhui & Pan Hefeng & Zhang Aili & Zhao Hang

(1.2.3.4.北京工业大学艺术设计学院，北京 1000124）

1 概述

1.1 中华圣公会教堂室内历史环境现状分析

伴随世界跨入新纪元,诸多文物建筑遗址已处在濒危境地，对于一些稀有的建筑遗址实施科学的抢救性措施,是非常迫切的。中华圣公会教堂建于1907年，现属国家文物保护单位。现今教堂现处于“孤芳自赏”状态，失去教堂原有功能且因年久失修等原因，已出现墙体开裂、地面下陷、风化、碱化等现象。

1.2 中华圣公会教堂室内历史环境保护策略

究其承载的文化价值和社会地位，考虑建筑室内历史环境保护和修复的难度与现今社会、经济、政治等各大因素[1]，对于中华圣公会教堂室内历史环境的保护与修复应严格按照文物保护策略和建筑室内历史环境保护级别标准，以详实的现场信息数据和历史资料为依据，遵照建筑材料保护与修复实录手册规范，科学合理的形成中华圣公会教堂室内历史环境的保护策略。

1.3 中华圣公会教堂室内历史环境保护方式研究

对于中华圣公会教堂室内历史环境的保护与修复，应结合历史建筑价值评估体系、现场调研、现今修复技术水平等方面的不同因素，并根据历史建筑保护规划标准，确定中华圣公会教堂室内历史环境的保护级别，因不同的保护级别应采用不同的保护方式，所以保护方式的选择与确立，需综合社会各个因素，从而为选择合理科学的保护方式奠定基础[2]。现今对于历史建筑的保护方式大致分为两种：其一：传统实体修复方式；其二：数字化虚拟修复方式。

2 虚拟现实技术与建筑室内历史环境之间的关系

2.1 建筑历史环境传统修复手法的劣势

目前大部分的室内装修保护修复与实践缺乏系统的理论指导，实施修复的团队应由具备极高的建筑材料修复知识与经验、严谨的建筑工程体系、扎实的古建筑保护造诣、较高的艺术审美等多学科人员组成。诸多的保护理论研究与应用实践严重脱节，修复与实践缺少技术策略评估依据，缺乏技术性科学评估。针对建筑室内历史环境实施的保护与修复方案一旦缺乏科学的技术与理论支撑，那么方案落实结果往往会给历史建筑带来巨大的损失，且多数情况下损失不可逆。

2.2 VR技术在建筑室内历史环境保护中的优势

日前，VR技术应用领域广泛，技术娴熟，且在建筑室内展示、文物保护等方面均取得较可观效果，例如，故宫养心殿修复项目和敦煌石窟壁画修复项目等。虚拟现实技术以计算机平台为支撑构建的一种高仿真系统，进入该系统用户可体验虚拟世界，依载计算机输出可视化虚拟空间，该世界通过多维信息融合技术为用户呈现三维交互全互动环境和用户行为及时反馈的仿真世界，提供完美的沉浸式体验。虚拟修复能够较完整真实存储建筑信息数据，在建筑空间利用虚拟修复技术完全遵循可逆的修复原则。

2.3 VR技术在建筑室内历史环境保护中的意义

当前,利用虚拟现实技术实现对建筑室内历史环境构建三维虚拟仿真环境具有划时代的意义。因其在保护与研究、历史与人文等方面都能起到不可小觑的效用,因此在国际文物保护界得到普遍认可。虚拟现实技术实现了三维仿真环境漫游，突破了古建筑文物数字化、虚拟复原、场景还原、场景生成、真实再现等技术瓶颈，有效提升了遗址遗存的文化价值，拓宽了传播途径。数字化建筑保护方式不仅弱化了实体建筑之间的鸿沟而且还淡化了数字建筑和实体建筑之间的界限，力求形成历史建筑保护为基点，与时俱进的科学技术手段为架构，双管齐下的历史建筑保护传承新模式。

3 中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景分析

3.1 中华圣公会教堂室内环境三维虚拟交互场景可行性分析

在设计方案前,对拟方案进行了可行性分析。分析的重点是拟方案将要提出的设计方案是否具有实现的科学性和可能性;如何根据中华圣公会教堂现有情况设计出更为科学、合理的交互场景；开发难度分析;分析并预测用户体验该场景中可能会遇到的情景；交互场景架构设计与交互方式设计是否能够为用户提供中华圣公会教堂历史信息和修复技术的知识科普以及保证良好的用户体验。根据以上可行性分析，得出结论：笔者需要深度分析用户体验场景的过程中可能出现的问题并设计出相匹配的应对方案,力求形成一个相对完好的交互场景方案。

■图1 现场照片采集

■图2 交互界面设计

表1 图像采集规范样表

3.2 中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景框架分析

通过仔细探究现场调研实录、详实研读历史资料并结合现今社会发展水平，定义中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景应为用户与建筑实体之间提供便捷的链接纽带且为古建筑数据留存开拓新的平台[3]。中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景框架设计以发掘传统古建筑保护和修复的缺陷为研究痛点。比如，现有保护修复的遗址数量与维护资金、修复团队数量之间不平衡、传统修复手段单一枯燥、历史资料遗失严重、大多数古建筑遗址处于封闭状态不能较完整传承文化等等。为改变当前状况，设计的中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景满足古建筑数字化留存需求又为古建筑走出去提供数字化平台，且该平台可根据时代需求配置新功能或录入新的遗迹信息。平台可基于一个或多个实体建筑或建筑群，甚至是在建筑尺度、文物尺度、城市尺度、遗址尺度更甚无限尺度等不同尺度范围内，搭建一个完整地人工智能大数据生态平台。

4 中华圣公会教堂三维场景构建

4.1 中华圣公会教堂室内历史环境信息采集

此次信息采集包括中华圣公会教堂室内环境的图像采集-整体图像和局部图像、尺寸测量、破损信息采集等。其中在室内局部信息采集板块有严格的规范：如拍摄距离限定和图片像素规格以及图片布光规则等。

4.1.1 中华圣公会教堂室内历史环境图像采集

为创建场景还原类高仿真三维教堂建筑室内历史环境，需要对教堂建筑室内环境表层信息进行详细的摄影记录。纹理图像采集使用数码相机佳能70D（2020万数码像素），要求现场纹理图像采集时在无阳光直射的前提下，破损信息采集时应尽可能周详、原真。为创建三维彩色仿真模型因此拍摄数码影像的数量与质量应尽可能与建筑本体信息保持高程度一致性。经统计，笔者拍摄可用图片约为3800多张（图1），其中包含整体图像400张，局部图像3400多张。经中华圣公会教堂室内环境信息采集后笔者设计了图像采集的规范样表（表1）。

4.1.2 中华圣公会教堂室内历史环境尺寸记录规范

中华圣公会教堂室内环境尺寸测量原则将历史资料记载的平面图、立面图与现场数据做比对，进行有效数据更新处理。因中华圣公会教堂自1907年成立以来，使用功能不断演变，根据其变迁发展需要，现阶段室内构造较历史资料记载对比局部空间已发生改变，如增设卫生间、设备间等；外加年久失修，室内墙皮大面积脱落、木地板轻微下沉、基柱存在风化碱化、破损等现象。现场尺寸记录不仅仅包括空间结构数据更新，还包括破损信息录入，记录破损位置、破损大小、破损原因、破损图片等。经统计：墙面裂缝大小一般为50-60公分，木基柱表面裂纹宽度为4-6公分，基柱裂纹长度在30-40公分不等。

4.1.3 中华圣公会教堂室内历史环境材质制作原理

中华圣公会教堂室内环境材质制作原理依据现场局部图片中相同材质之间的重叠区域做拼合处理，辅以计算人眼视差测算阈值并进行拼图信息精准映射，匹配成功后结合教堂室内全景图匹配该材质所在位置。材质制作的过程中纹理重建部分要求遵照纹理真实特征、色彩一致、位置精准配比等信息合成。因材质制作过程中各个因素变化多样且制作工程精密复杂，不免出现轻微的多纹理色差、纹理间几何错位、纹理间色彩不一致等情况，针对这些情况设计的应对措施为：颜色差异类-采取局部错位处理方式、纹理间几何错位类-采取多接缝微调方式等等，力求高保真还原现场材质。

4.2 中华圣公会教堂室内历史环境三维模型创建方法

中华圣公会教堂室内模型创建依托工具：Autodesk3D Max，Autodesk3D Max是一款基于PC系统的三维动画制作渲染软件[4]，运用该软件能够较真实呈现中华圣公会教堂室内历史环境。模型创建的数据来源于现场空间数据与历史资料的科学结合，详实的历史资料和精准的现场数据为中华圣公会教堂室内历史环境三维模型创建提供了必要条件；三维模型创建成功后即为模型附材质，材质来源如上文所述的材质制作方法，材质附加时应遵守相应材质附给对应模型，此时在附材质时应控制好单个模型的UV参数，UV参数尺度是根据材质的尺寸与模型特征并结合现实材质纹理大小进行精准UV阈值调整，科学的UV参数能够真实的呈现空间信息，营造出高仿真空间氛围，UV参数设置成功后，进行模型数据核对和现场信息比对，删除无用模型，控制模型内存大小，完成后导出模型，为了后续依托Unity3D程序构建三维虚拟互动环境，要求此时，模型导出的格式应为FBX格式。

5 中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景设计

5.1 中华圣公会教堂室内环境三维虚拟交互场景架构设计

根据前期对中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景框架分析可知，虚拟现实技术为古建筑数据留存提供了更为便捷、科学的新平台[5]。鉴于此为虚拟现实技术与中华圣公会教堂首次结合试验，考虑到虚拟现实设备的特性，因此中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景的交互流程应相对简单且易于操作。这就要求中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景应按照用户需求设计功能结构和布局板块，交互方式应符合用户的行为习惯，尽可能降低用户的认知负担。因此，交互场景架构设计为信息查询、环境浏览、破损信息三个板块。此版块布局可为用户呈现中华圣公会教堂历史信息和现存状态以及沉浸式的互动场景漫游体验的效果。

5.2 中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景的视觉设计

中华圣公会教堂室内环境三维虚拟交互场景视觉设计的色调与风格应与中华圣公会教堂的色调与风格保持一定程度上的统一，以黄、棕配色为主，辅以白色。整体视觉设计风格属简洁、大气的扁平风。不同板块之间的既统一又富有变化。用户佩戴头显后进入场景，协调的视觉设计提升了用户的互动体验。

5.3 中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景的界面设计

中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景界面的设计原则要求在遵循层次性原则的同时满足统一性原则。层次性原则即在界面设计时需恰到好处的布局元件位置与内容，布局的排布富有节奏与层次关系；统一性原则是界面设计时采用的与场景空间一致的配色、风格、元素等，这里应注意的是，所有界面的设计语言应不仅仅局限于这些规范，还应为其设计相匹配的交互方式和反馈机制。这样的设计方式不仅能够降低用户的学习成本而且能够使用户快速熟练交互场景的架构和逻辑，同时统一鲜明的设计风格也能给用户留下美好的印象（图2）[6]。

5.4 中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景的交互设计

在拟定交互设计方案之前，首先对目前虚拟现实技术可应用交互方式进行了调研与研究，总结出四种交互方式：①基于对人体动作判断的交互方式；②基于VR手柄触觉反馈的交互方式；③基于VR头显的眼球追踪交互方式；④基于捕捉用户手势的交互方式。每种交互方式各有利弊、各配场景。中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景中的交互设计以场景特性和用户研究为依据，为用户营造科学有效的体验环境，因此，所采用的交互方式是基于VR手柄触觉反馈的交互方式与基于VR头显的眼球追踪交互方式相结合的设计手法，企望为用户呈现多感官、多通道、智能化交互场景（表2）。

6 中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景构建

中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景构建应用程序是Unity3D，Unity3D是一款能够构建实时三维动画、三维游戏等多互动多终端的附加型游戏开发工具。中华圣公会教堂室内历史环境三维虚拟交互场景构建步骤为首先导入优化后的FBX格式三维模型，倒入模型后检查导入的模型是否在Unity里适配烘焙到纹理，查验模型材质是否丢失，如若丢失需要重新附材质到模型，随后导入与之相匹配的UI界面和Steam VR，设置摄像机参数，调节设计相机位置与焦距，摄像机设置成功后，绘制游览路径，此时应合理控制路径上的关键点数量和关键点之间的距离长短，同等距离关键点之间的距离越短用户体验式游览速度越慢，反之亦然，究中华圣公会室内历史环境规格与特点，绘制关键点需满足以下要求：①关键点个数在30-40个之间为最佳，②路径形成的路线为用户游览教堂室内环境真实情况下的参观路线，③所有相邻关键点之间的距离应相等，保证游览速度均衡，为用户提供良好体验，路径绘制完成后进行模型渲染烘焙，在烘焙实施前应建立在场景中真实布光、材质清晰、模型无误的基础上，烘焙完成后，依照交互流程编写交互方式，交互方式编写时应充分考虑用户习惯、现实环境、VR特点等因素，合理控制交互方式和整体和单一交互时长，科学配置反馈机制，此时可考虑让小部分用户体验试测，收集整理用户反馈，优化升级方案，最后，导出程序发布exe文件。

■表2 交互流程

7 结语

本文的立足点以建筑室内历史环境保护为核心，依托与时俱进的技术手段，力求形成数字化的建筑室内历史环境保护发展新模式。为建筑室内历史环境保护和修复做好科学记录，多种形式并举使建筑室内历史环境活起来，走出去。彰显出历史建筑数字化与智慧化、信息化与智能化，为未来历史建筑的保护提供更准确的数据支撑和更便捷的保护方式。

现阶段如何科学有效的实现对历史建筑的保护与利用，形成历史建筑数字化模型管理方法和虚拟展示系统解决方案为建筑遗产数字化广泛传播提供平台支撑等是历史建筑保护面临的主要困境。此次研究的目标为实现历史建筑 “永久保存、永续利用”，为未来历史建筑实现高保真、科学修复做铺垫。

（责任编辑：张 杨）

[1]刘怡.非物质文化视野下丝绸之路(陕西段)整体性保护研究[D].西安:西安建筑科技大学,2014.

[2]刘娟.三维动画设计课程的教学与研究[J].文教资料,2011,(01):1.

[3]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.

[4]王岚,戴向东.文化建筑中共享空间的光影艺术研究[J].家具与室内装饰,2017,(01):26-27.

[5]王雨.色彩在室内空间应用研究[J].家具与室内装饰,2016,(12):116-117.

[6]冼宁,倪东舒.历史建筑的价值认识初探[J].家具与室内装饰,2016,(10):112-113.