投影技术在建筑遗产虚拟修复中的应用研究——以德绍Peter&Paul教堂的墙面彩绘虚拟修复项目为例

程 鹏

福建艺术职业学院，福建 福州 350100

0 前言

德绍Peter&Paul教堂坐落于德国萨克森-安哈尔特州德绍市，是一座砖木结构的新哥特式教堂，由牧师Franz Küstner根据科隆大教堂建筑师Vinzenz Statz的设计于1854—1858年主持建造。竣工后，因为预算原因，未对教堂内部立面做任何装饰。教堂于1904—1930年进行了多次不同规模的扩建和改造，在内部的墙面上也增添了华丽的彩绘。教堂在二战后期遭受了严重的损坏，穹顶完全损毁，二层大部分坍塌，仅有钟楼得以完好保存。1967—1968年，政府对教堂的建筑结构进行了全面的修复，并以现代主义风格重新装饰了教堂内部空间。

1 教堂墙面彩绘未被修复的原因

（1）历史原因。首先，在1967年教堂开始修复时，现代主义风格成为当地审美主流；其次，1964年签署的《威尼斯宪章》的第九项和第十二项明确指出保护建筑遗产真实性的重要性，强调了在建筑遗产的修复过程中必须区分其原始部分和缺失补足部分。

（2）当代原因。自建成以来，经过多次历史变迁，关于Peter&Paul教堂墙面彩绘的现存资料极少。时至今日，教堂现有的现代主义风格装饰也已成为其历史的重要见证，受到法规的严格保护。传统的修复手段不仅难以确保修复结果的客观性，而且会对教堂的保护现状造成不利影响。

2 投影技术作为教堂墙面彩绘虚拟修复手段的可行性与优势

2.1 投影技术作为修复手段的可行性

如今，投影技术已经成熟，高色域、高分辨率、高对比度的投影技术已经在商用、民用领域普及。投影技术能够将建筑空间的构成体作为影像呈现的介质，在理想的环境下对其进行视觉重塑[1]。光雕投影技术（Projection Mapping）可确保投影位置准确，而投影融合技术（Projection Fusion）则可为复杂环境中的大面积投影提供保障。

2.2 投影技术作为修复手段的优势

相较于传统修复手段，投影技术作为修复手段具有如下优势。（1）非接触性。无论是投影技术的画面投射还是投影设备的架设，都不会与教堂墙面产生实质性接触，不会改变教堂的现有状态，安全可控。（2）可修改性和实时性。随时可以根据需要对修复方案或是复原效果进行调整，并实时更新投射图像的输出内容和方式。（3）便捷性和成本合理性。投影设备的架设步骤较为简单，并且调试速度较快，修复内容的调整几乎全部可以通过计算机软件进行处理，节约了养护、更新成本。（4）可交互性。数字技术的发展使文物遗产实现了从单纯的陈列展览到现在蕴含了多种交互方式的转变。投影设备作为输出终端，输出方式或输出内容均可以与其他设备进行实时联动，从而实现人机交互和物联[2]。

相较于一般数字虚拟修复手段，投影技术作为修复手段具有如下优势。（1）直观性。现有的数字虚拟修复多是在显示器和幻影成像台上以三维数字模型的动画或实时渲染的方式呈现，相较于平面介质的虚拟修复效果图，投影技术通过画面投射直接在真实物体表面成像，这种虚拟和真实相结合的呈现方式具有前者不可比拟的视觉效果和临场真实感。（2）沉浸性。投影技术可以利用一个或多个表面来实现大画面的立体视觉效果，并配合音响系统使多个观看者同时具有沉浸式观影感受[3]。

3 投影技术作为虚拟修复手段对教堂保护的意义

3.1 突破建筑遗产保护和恢复相矛盾的困境

在此案例中，教堂内部的现代主义风格装饰作为其历史遗产的一部分同样需要加以保护。使用传统修复手段对墙面彩绘的恢复就意味着对现有保护状态的破坏。

如前文所述，投影技术以其独特的优势能在不改变教堂现有状态的情况下对其墙面彩绘进行虚拟复原，使教堂历史风貌的重现成为可能。同时，简化了复原流程，节约了复原成本，且避免了传统修复中因可能存在的错误修复导致的二次破坏，为建筑遗产的保护和修复提供了新的选择。

3.2 解决建筑遗产修复中“叠压”的学术争论

客观地再现原始场景是建筑遗产复原的主要目的之一，但是对于那些经历了多个时代的建筑遗产，如何在修复中取舍或协调其在多个不同时期的不同风貌，一直都是学界的难题。

在此案例中，德绍Peter&Paul教堂在各种因素的影响下经历了多种装饰风格，这些不同风格的装饰皆有其历史价值。投影技术能够在不改变教堂现有状态的情况下对其墙面彩绘进行虚拟复原，使教堂同时再现多个时期的不同风貌成为可能。

3.3 保护建筑遗产非物质的原真性

非物质性的原真性在建筑遗产保护中主要指建筑遗产所处人文环境的状态，如生活方式、宗教习俗、艺术形式、政治形态等。对于这部分内容的保护，《威尼斯宪章》第七项略有提及，但并不明确。直到2005年，《西安宣言》才明确提出：“除了实体和视觉方面的含义之外，周边环境还包括与自然环境之间的相互关系；所有过去和现在的人类社会和精神实践、习俗、传统的认知或活动、创造并形成了周边环境空间的其他形式的非物质文化遗产，以及当前活跃发展的文化、社会、经济氛围。”这意味着，原真性中包含了非物质的属性。

德绍Peter&Paul教堂作为罗马天主教在当地教区的教区长教堂，除了举行日常宗教仪式，还是每年重要公共节庆活动的中心之一，自落成起一直是当地社会生活中不可分割的重要组成部分。作为受保护的历史建筑，相关政府部门禁止对教堂的现有状态进行变动。教堂建筑的任何变动都需要经过严格的评估和审批。因此，通过计算机的图像处理，投影技术能够快速且无损地重新装饰教堂，使教堂在各种社会活动中有更强的适用性和带入感，从而更好、更快地服务于当代社会生活。

此外，投影技术除了可以展示教堂在不同历史时期的风貌，还可以将教堂实时改造成实地课堂，如通过虚拟透视的视觉效果呈现墙体内的建筑结构，通过制作专门的动画再现历史故事情景，或是结合数字交互技术使参观者与建筑遗产本身进行互动。这些功能将从另一方面促进建筑遗产保护和传承事业的发展。

4 投影技术作为虚拟修复手段的局限性

4.1 介质制约

投影必须有实体结构作为成像介质。投影通过投影光源投射在物体表面形成漫反射成像，因而投影介质的材质是影响成像效果的关键因素之一。现今最流行的LCD及DLP投影仪高效能的光学引擎已能让影像即使投射在白墙或卡纸上也有不俗的效果表现。但对于投射到建筑表面的光雕投影来说，任何深色的、透明的或是经过打磨抛光的表面都会大幅度影响成像效果，如红砖、玻璃和釉面。

4.2 环境制约

狭窄、复杂环境中的部分物体还有可能对投影产生遮挡，限制投影角度，进而影响设备架设、成像效果。对于投影来说，任何环境光（包括投影光本身对投影面周围物体的漫反射）都有可能降低影像暗位的沉黑感，或是提高影像亮位的光亮度，从而出现影像被淡化的现象，然而在环境光缺失的情况下，建筑结构又无法得到充分的展现，因此把握光线之间的平衡对优化最终成像效果尤为重要，但大型建筑光雕投影中的环境光往往难以进行人为调节。

此外，投影仪摆位、安装方式、散热以及对其运行环境温度、湿度等的要求也在一定程度上限制了投影设备的实际使用范围。

4.3 技术制约

投影的漫反射成像特质会导致其无法对某些特定材质进行精确的视觉还原。在光雕投影中，投影设备的分辨率决定着画面细节呈现的上限，限制着投影影像的最小观看距离，观看者必须处于这个距离之外以获得最佳视觉效果，如果过于靠近，画面颗粒感就会大幅上升。这种情况在以实现拟真为目标的影像中对感官体验的影响最为明显，一般情况下可以利用投影融合技术加以优化，但需要增加设备数量，这不仅提高了成本，还有可能大幅提高设备架设难度。

4.4 潜在危害

一方面，投影光可能对一些特殊的材料产生伤害；另一方面，投影成像的漫反射和投影设备工作时产生的噪声及热量也有可能对文物造成影响。

5 展望

在世界范围内，人们对建筑遗产的保护和利用愈发重视，基于媒体技术的虚拟修复将成为建筑遗产保护的另一种重要手段。尽管目前投影虚拟复原的最终视觉呈现效果会受到投影环境、投影介质等多方面因素限制，但是随着混合现实（Mix Reality）和全息投影（Holographic Projection）等多种新型媒体技术的发展，将有更多的媒体技术出现并为建筑遗产的虚拟修复提供多样化的解决方案，突破建筑遗产保护原有的理论争议与技术障碍，为其保护和传承带来新的活力和可能。