虚拟现实技术在古建筑复原及保存中的应用研究——以徽派建筑为例

郎滨

（池州学院 文学与传媒学院，安徽 池州 247000）

徽派古建筑又称为徽州建筑，是具有文物价值的世界文化遗产，同时也是徽州文化的重要组成。徽派建筑设计精美，极具文化底蕴，是先人留给我们的财富，同时也是古人智慧的结晶。因此，如何更好的复原及保护徽派建筑一直是研究者所面临的重要课题。随着近年来虚拟现实技术的广泛应用，使古建筑在保护、展示以及修复都有了强大的技术支持。利用相关技术，制作徽派古建筑虚拟现实系统，对古建筑的复原、保护、传承都具有十分重要的现实意义。

一、虚拟现实技术与徽派古建筑复原

4月15日，位于法国市中心，有着800多年历史的巴黎圣母院发生了大火，整个建筑在火灾中受损严重。巴黎圣母院火灾之后，相关部门所面临的最大问题，就是如何对在火灾中损毁的建筑进行修复。值得庆幸的是，这项工作有着大量数据作为参考，在此之前瓦萨大学一位教师曾经对巴黎圣母院进行了数字扫描，并且保存了相关信息。可以说，在虚拟的世界中，巴黎圣母院仍然屹立不倒。正如浙江大学文化遗产研究院副教授李志荣所说：“灾难给我们的警醒是，保护文物本体永远是最重要的工作，没有之一。而且，对文物的数字化记录必须赶快进行，特别是对于世界遗产级别的文物，要真正记录到一旦损毁可复原的程度。”可见，用虚拟技术及数字化技术记录古建筑的信息，可以为损坏的文物进行修缮、保护和研究工作提供参照的数据。目前，虚拟现实技术、三维建模技术和摄影测量技术等现代化技术，已经全面应用于以古建筑保护、复原领域，我国对古建筑古文物的数字化保护还处在起步阶段，但也取得许多成果，如浙江大学对弥山石窟考古、云冈石窟第三窟的数字化记录和3D复原，以及西藏阿里托林寺白殿的壁画记录等。

虚拟现实技术（简称VR），是指在计算机技术基础上，利用仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、网络技术，协同处理技术和多重传感技术，通过模拟人的触觉、听觉和视觉，使人沉浸在计算机模拟的虚拟世界之中，并同时通过虚拟设备对人的动作进行捕捉，实现人机交互的技术。徽派建筑作为皖南地区传统村落的重要组成部分，经历了几百年分发展历程。它是我国传统建筑最重要的流派之一，是人文景观与自然景观高度和谐统一的典范。下文将以徽派建筑为例，阐述制作古建筑虚拟现实系统的过程，并对系统特性进行分析。

二、利用虚拟现实技术复原古建筑的过程分析

对徽派古建筑虚拟现实系统的设计，首先需要根据徽派古建筑的特征进行策划和调研工作，以此保证设计方案的科学性与合理性，策划和调研工作主要解决三个方面的问题：首先应选取哪些具有代表性的建筑制作虚拟现实系统，它们有哪些特征和内涵；其次要考虑使用什么手段建立虚拟现实系统，包括设计到哪些软件，操作过程中可能存在哪些技术问题；第三，虚拟现实系统的交互性界面包括哪些内容，如何能为用户提供良好的使用体验，系统制成后可以在哪些平台使用，相关的大小，分辨率及清晰度的要求有哪些。

（一）实地测量，搜集资料

徽派古建筑虚拟现实系统制作的首要步骤是实地测量，实地测量的目的在与获得古建筑的各项数据，以便后期进行建模和对古建筑进行数字还原。实地测量包括测量的平面、立面及环境数据，并在此基础上绘制建筑物的草图。搜集资料包括三个方面的内容：徽派建筑的文字资料、视频资料以及模型资料。对于文字资料的搜集主要通过查阅相关的论文、书籍，以归纳徽派建筑物的组成、建筑风格以及文化特征，以便为制作虚拟现实系统提供数据支持和理论支持。特别在虚拟现实系统的交互式界面中，需要向用户介绍徽派建筑的特征，如其结构、装饰及色彩的内涵，都需要大量的文字资料作为支撑。视频资料的收集包括两个部分：其一是对于徽派建筑整体格局的宏观记录，其二是对于徽派建筑的细节进行记录，如木雕、砖雕、石雕、马头墙等。对于徽派建筑的视频记录，既可以为后期制作虚拟系统的结构框架提供可供参考的影响，还可以通过视频展示结合讲解的方式向用户介绍徽派建筑。模型资料的收集，目的在于为后期建模及立体展示提供数据参考。

（二）调查访问、拍摄照片

访问调查是指，对于古建筑居民进行有针对性的走访、调查，通过同期声采访的方式，记录居民的口述资料，也可以和相关的文物保护单位联系，获取关于古建筑的资料。在调查访问的过程中，注重全面地了解古建筑文化遗产的历史与特征，以便为制作提供一手的资料。为了更好的在系统中还原古建筑以及方便后期进行纹理贴图，在调查访问之后，还需要拍摄照片。在拍摄照片时应该注意以下事项：首先，为了方便后期进行检索，需要对照片进行编号；其次，在拍摄过程中，应选取多种角度进行拍摄，另外，根据后期制作一天中不同时间的古建筑的环境需要，所以要分时段拍摄早晨、中午以及下午的古建筑照片；第三，在拍照过程中，除了要拍摄古建筑整体的影像外，还需要拍摄古建筑的细节，以便为后期制作贴图提供素材。

（三）建立古建筑三维模型

制作古建筑模型是一个较为复杂的工序，因为古建筑的结构复杂，所以要想将其展示在虚拟空间中，必须要进行细致入微的建模。根据前期收集的相关视频，图片资料，结合三维软件，如Unity3D、3DMAX、C4D进行建模和制作三维动画。对于台阶、走廊、墙壁、窗户、等较为规整的元素，可根据其内部的纹理标准进行建模，如球体、立方体、圆柱体等形状，可以使用多边形、曲面的方法来建模。对于一些不规则的元素，如盆景、雕刻、树木等，需要采用随机的分形集合技术来制作模型。建模以后，将场景模型添加到整体环境中，并在环境中制作UI界面，通过UI界面进行同用户之间的交互。

（四）场景的贴图、灯光和烘焙处理

在整体环境制作完成以后，需要对古建筑模型进行贴图，贴图的过程是将前期拍摄的古建筑的照片，通过软件，与古建筑框架进行合成。对于某些达不到要求的照片，还需要先用过PHOTOSHOP软件进行处理，然后才能进行贴图。比如对于照片色相、饱和度、曲线、对比度的修复，目的在于让照片更加的合理逼真，以能够更完美的贴合场景。

（五）合成与测试

该阶段主要是将贴图、模型、场景，通过添加特效以及摄影机的运用最终合成为一个完整的虚拟现实系统的过程。在合成以后，还需要对系统在不同的操作平台下进行测试，重点测试古建筑虚拟现实系统的稳定性和交互性。测试结束后，根据测试结果进行进一步的调整，以保证各个交互式界面的功能够稳定的运行，并总结出该系统运行的硬件环境。

三、虚拟古建筑特征分析

1993年，美国科学家Burdea在他所发表的报告《虚拟现实系统及其应用》中，提出了“虚拟现实的三角形表示”[1]。其描述了虚拟现实技术的3I 特性——交互性(Interaction)、沉浸感(Immersion)和构想性(Imagination)。根据对前期制作的虚拟现实系统的分析，对照虚拟现实技术3I特性，可以总结书徽派建筑虚拟现实系统的特征有以下三个方面。

（一）交互性

同计算机系统的交互式界面不同，虚拟现实系统的交互实现不是通过键盘和鼠标等外部设备，而是借助位置追踪仪、遥控器、数据手套、眼动仪等设备通过捕捉用户的动作在虚拟场景中进行交互。如在虚拟场景中，用户可以通过步行、转身、坐下等动作进行交互，还可以通过力反馈设备拾取虚拟场景中的物体，而物体的设计重量会通过力反馈设备作用在人的手上，进而模拟出真正拾取物体的重量感。在虚拟古建筑系统中，用户可以通过VR眼镜、数据手套、追踪头盔、遥控器等外设，进行360度全方位的场景浏览，在浏览的过程中，用户可以触发系统中的若干开关，以得到系统的反馈信息，如用户可通过数据手套虚拟触摸系统中的门环，此时古建筑的大门就会打开。此外，用户还可以借助互联网和同时在线的体验者进行语音和视频的交流，这些交互模式都能够对用户的动作做出反馈，并带给用户真实的模拟效果。

（二）沉浸感

虚拟现实系统的沉浸来源于通过计算机模拟的虚拟世界给用户带来视觉、听觉、嗅觉以及触觉全方位的感受。从视觉和听觉来讲，徽派建筑虚拟现实系统可使用户产生身临其境的感觉，这种体验一方面来源于对于徽派古建筑逼真的视频捕捉，另一方面来源于对于真实环境的光与影，色彩与细节的复原。此外，带给用户沉浸性体验的虚拟环境并非一层不变的，通过界面设计，在原有建筑物不变的基础上，增加春、夏、秋、冬季节更迭所带来的环境变换，同时模拟出早晨、中午、傍晚的一天的时间变化所带来的光线变化，强烈的真实感与互动感让体验者能沉浸其中。嗅觉和触觉的体验，需要借助相应的终端设备才能实现，参考当下流行的4D电影观赏模式，我们发现，对于触觉与嗅觉的模拟体验，主要来源与对于温度和空气的控制，4D电影中的触觉和嗅觉模拟，主要是通过添加了喷雾装置及机械联动装置的座椅来实现，在虚拟现实系统中，还需要相应设备的普及才能带给观众相同的体验。

（三）构想性

虚拟现实系统的构想性主要是指在虚拟的环境中，体验者根据获取的信息，对环境进行判断和想象，并由此掌握相关的规律的过程。虚拟现实系统的想象性体现在用户通过对于虚拟环境的认知，经过理性思维，创造性的构想出客观上不存在的环境。“虚拟现实技术中的想象性强调作品具有广阔的可想象空间，可以拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，还可以随意构想客观上不存在的甚至是不可能发生的环境。”[2]徽派建筑虚拟现实系统除了可以再现安徽地区的古建筑意外，其实践操作模块，还可以使用户自己组合相应的建筑物，打造自己的建筑空间。在这个场景中，每一个客户都可以是设计师、艺术家，他们可以根据自己的兴趣和审美，创造自己的古建筑。“虚拟现实系统的沉浸性和交互性能够给体验者带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的虚拟体验，想象性则能给体验者从虚拟环境中得到感性和理性的认识，从而深化概念和萌发新意。”[3]古建筑虚拟现实系统，可以通过其想象性的特征，使用户在获得身临其境的虚拟体验的同时，还可以使其对古建筑的内涵以及结构产生理性的认知。