文物建筑保护中虚拟现实技术的应用研究——以西大街耶稣圣心堂为例

祝 笋 袁赵蔓

中华民族文化历史源远流长，是民族的血脉，作为其物质实体而体现的文物建筑更是文化传承中的“见证者”。近年来，中国经济快速增长，城市的开发规模逐步扩大，影响了文物建筑保护修缮工程，快速的生活节奏也促使人们对文化生活追求的提升，这也提高了城市内文物建筑保护的要求，与此同时，文物建筑保护与城市开发之间的矛盾与日俱增，如何寻找其中的平衡点，成为了文物建筑保护工作者需要共同探讨的课题。

在互联网信息技术飞速发展的时代，计算机技术已成为当今社会不可或缺的部分，其中虚拟现实凭借其新颖的数字化人机交互技术，已慢慢融入人们的生活。在文物建筑保护领域，虚拟现实技术也在开疆扩土。

1 当前文物建筑保护中存在的问题

（1）城市快速发展带来的文物建筑环境破坏

文物建筑的历史环境是绝对的，在历史更迭中已发生多次变化，且在相对的现状环境不断变化过程中，周边景观、建筑都在颜色、高度、距离等方面不同程度地影响着文物建筑本体，在涉及文物建筑建设控制地带建设项目文物影响评估方案得到重视前，城市发展往往忽略了文物建筑周围环境对本体造成的影响，导致如今出现了许多文物建筑本体与周围环境格格不入的反面案例，让文物建筑完全跳脱于城市环境，违背了保护文物环境的初衷。

（2）不恰当的重建与修缮破坏原有建筑风貌

“修缮不等于保护。它可能是一种保护措施，也可能是一种破坏。”[1]许多建筑师在进行文物建筑保护时常在“做设计”，以当代的审美人为改变建筑风貌以达到文物建筑“理想”中的模样，其结果有时会导致“假古董”的出现。

（3）后期开发导致的一系列人为破坏

在博物馆展览式文物建筑中，大部分仅开放建筑的部分空间，参观者只能跟随导游的讲解沿着既定路线观看，多为走马观花式，甚至常常出现文物遭到“到此一游”的破坏。而封闭的保护建筑中，文物保护建筑彻底隔绝了与社会间的联系，失去了社会价值与历史价值。在全面开放的文物保护建筑中，自由的开发模式极其考验功能使用者的文物建筑保护意识，稍不注意可能会造成无法逆转的破坏。

可见，除自然因素外，人为的破坏在各方面均可造成文物保护建筑的损坏，我们必须充分利用科学技术对文物建筑进行恰当的保护与利用。而此时，虚拟现实技术凭借其卓越的沉浸感与交互能力展露头面，利用虚拟现实技术在文物建筑保护中的研究成果也逐步增多，因此，将虚拟现实技术与文物建筑保护相结合也是完善文物建筑保护方法的重要渠道之一。

2 文物建筑保护中虚拟现实技术应用现状

2.1 “V故宫”

“V”故宫是利用数字化技术对故宫建筑的形式、结构、装饰等多方面信息进行系统、准确地采集和再现，并以虚拟现实（VR）作品的形式公开展示；是集合故宫博物院自2000年以来积累的文化遗产优质数据资源，以三维数据可视化为主要手段，高拟真度再现的紫禁城。

以“养心殿”为例，研究所将故宫博物院维修时所积累的数据利用计算机图形技术转化为虚拟三维空间，在虚拟现实的沉浸体验下，近距离欣赏养心殿精妙的设计，除正殿的空间外，还可进入两端的东西暖阁及其他配殿，在空间体验上，研究人员能以人本视角进行观察，加深研究者对其工字型空间的认知；其次，对于养心殿的材质、细节，在虚拟现实空间中有了更清晰的体现，借助大量的真实数据与计算机图形技术，能够真实还原明清时期殿内的景象，从而使原本需封闭保护或已消逝的物品能够再次呈现（图1）。

图1 养心殿正殿VR内景

2.2 巴黎圣母院：时光倒流

2019年4月15日晚，巴黎圣母院屋顶起火，2/3的屋顶烧毁，对于法国乃至整个欧洲的中世纪文明都是一种前所未有的冲击，现实中的巴黎圣母院虽已逝去，但虚拟世界中还剩下一片净土。该事件过后，由法国游戏公司育碧提供协助，Ubisoft公司所制作的“巴黎圣母院：时光倒流”项目，将曾经的巴黎圣母院永久保留在了VR虚拟空间中，该空间是经过多名历史学家的指导，历经5000个工时精雕细琢得到的完全3D重建的巴黎圣母院。根据这一广受赞誉的模型而打造出的虚拟现实之旅，可让大家从多个角度参观游览，甚至踏足一些未向公众开放的区域（图2）。最终，观赏者将乘坐热气球飘上大教堂的尖顶，俯瞰脚下栩栩如生、波澜壮阔的18世纪巴黎。在4～9m2的区域内，参观者可以四下观看、略微移步，从多个角度欣赏这一建筑奇观。在参观的同时，还能欣赏著名的卡瓦勒-科尔管风琴演奏巴赫的名曲。

图2 虚拟空间中的巴黎圣母院

3 虚拟现实技术

3.1 虚拟现实技术概念

虚拟现实（Virtual Reality，缩写VR）技术，又称虚拟环境或灵镜技术，是一种利用电脑模拟产生一个全新三维虚拟世界的高技术模拟系统。通过电脑的复杂运算，能够提供给用户三维世界影像传回的临场感，即所谓身临其境的感受，包括视觉、听觉、触觉等多种感官，也能让用户突破真实世界的物理定律观察新三维空间内的事物。该技术集成了电脑图形、电脑仿真、人工智能、感应、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果，目前已经逐渐应用于影视娱乐、教育、设计、医疗、军事等方面。

3.2 虚拟现实技术特征

1993 年，美国科学家Burdea G.和Philippe Coiffet在“Virtual Reality systems and Application”文中，首次提出了虚拟现实技术的“3I”特征，即“虚拟现实技术的三角形”，分别是沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）（表1），这三大特征的概述沿用至今。

表1 VR特征

（1）沉浸性

沉浸性为虚拟现实技术最主要的特征，借助可穿戴的虚拟现实头戴式显示设备（简称“VR头显”），对外界的视觉、听觉产生封闭，通过各项传感设备与电脑间的运算，引导用户产生新的感知系统，使用户感觉如同进入另一个“真实”的世界。

（2）交互性

与传统的通过鼠标、键盘与计算机系统产生交互作用不同，虚拟现实技术的交互是基于各项传感设备的协同作用产生的，用户借助穿戴式传感设备，模拟现实世界中的种种动作与行为使虚拟世界的环境做出相应反馈，如捡起掉落的物品或攀爬等动作。该特性本质上进一步加强了虚拟现实中的临场感，强调其沉浸性。

（3）想象性

想象性则是充分发挥计算机创造虚拟世界的优势，既可创建与现实世界相似的虚拟环境，也可利用想象性创造新的三维空间环境，充分体现“虚拟”的特点，从而启发用户的创造性思维。

4 圣心堂文物建筑保护中虚拟现实技术的具体应用

4.1 西大街耶稣圣心堂现状分析

武汉市西大街耶稣圣心堂（简称“圣心堂”）位于汉阳区归元寺片区的西大街182号（图3），该教堂于1940年—1941年建成于西大街上，分管了汉阳近郊各处的教务，最终于1958年停止宗教活动。全国第三次文物普查时将西大街耶稣圣心堂列入不可移动文物，2018年该建筑被武汉市人民政府评为优秀历史建筑。

图3 西大街耶稣圣心堂区位示意图

圣心堂为一栋两层楼的西式建筑，四坡顶（图4），建筑通面阔14.58m，通进深8.76m，占地面积128.61m2，建筑面积为257.22m2。由于年代久远、欠缺保护，整体保存质量一般，目前建筑室内无人居住，处于废弃状态，根据现场勘查，圣心堂残损部位基本归为台基、地面、墙体、屋面、装饰五部分，均存在不同程度风化与破损（表2），根据建筑结构可见该建筑后期人为改造痕迹明显，建筑原有平面布局及立面风貌损坏严重。

图4 西大街耶稣圣心堂鸟瞰图

表2 圣心堂残损现状

4.2 文物建筑保护方案与虚拟现实结合框架

应用虚拟现实技术进行的文物建筑保护以计算机图形学为基础，根据前期现状勘察与数据的测量，在此基础上采用SketchUp等软件进行基础建模，同时根据制定的保护修缮策略对建筑风貌进行还原，并将现状照片与对应部位的修缮策略制作为实体模型与贴图的形式进行单独保存。完成建模后，按照不同修缮节点对模型导入M ARS系统完成数据库内每个单元的制作，其中也包括虚拟场景中场景、光影、材质等效果的调节，最后在VENUS系统内完成数据库的组装，并加入交互节点，完成对整个圣心堂保护方案与修缮效果的可视化呈现（图5）。

图5 圣心堂文物建筑保护虚拟现实结合框架图

4.3 圣心堂虚拟场景与可视化数据库组建

在圣心堂虚拟场景的构建中，根据对建筑本体现状的残损评估与结构检查，在场景中拆除了建筑的附加部分，并恢复了建筑立面的门窗形制，全面翻新了原本酥碱、残破的瓦面构件，赋予了新的排水系统。因史料文献的缺失，对于文物保护建筑所在的西大街原始风貌已无从考证，又考虑到圣心堂现规划于远洋归元寺商业片区内，后期新建的商业建筑可能对其建筑立面风貌产生不利影响，故虚拟场景中的建筑环境回归于原始的自然环境，仅突显圣心堂文物建筑本体，用自然植物进行衬托与点缀（图6）。

图6 圣心堂修缮效果

圣心堂修缮策略的可视化数据库单元制作需将建筑现状残损评估与相应的修缮部位进行匹配，利用建模与Mars系统将其转换为可视化单元，将其与圣心堂修缮效果放置于同一虚拟场景中，从而达到了在观察建筑相应部位修缮效果的同时可以直接阅览该部位的建筑原状与修缮策略（表3）。在完成数据单元后，需借助Venus系统将单元组合为数据库（图7），将单元分别导入预览界面中，使用其热点功能完成各单元的切换，从而使其集中于整体修缮效果场景内，形成可视化库。

图7 VENUS中可视化数据库形成

表3 圣心堂各部位修缮方法与可视化数据库呈现

4.4 圣心堂文物建筑保护虚拟现实方案发布

独立的圣心堂文物建筑保护策略数据库仅能呈现修缮措施与效果部分，可借助Venus系统的热点功能将圣心堂的建筑背景、保护价值等文化信息以类似的方式组织一体（图8），并增设自由的观察角度与语音解说背景，形成一套不同于纸质图文的可视化文物建筑保护方案。最后通过Venus系统的发布功能，可将整套可视化方案移植至移动端与PC端，在移动端通过VR眼镜盒子与手机的组合，便可达到沉浸式的观察效果（图9）。至此，圣心堂文物建筑的保护修缮方案即浓缩为一套可视化程序文件，随时在手机或电脑端查看。

图8 圣心堂背景介绍（图为手机端VR左右眼展示效果）

图9 移动端观察圣心堂修缮效果

5 虚拟现实技术的应用价值辨析

5.1 可视化数据的保存

针对城市快速发展带来的文物建筑环境破坏与不恰当的重建与修缮破坏原有建筑风貌的问题，通过虚拟现实技术形成的可视化数据库即可较好地应对该问题。虚拟场景中的建筑环境将不受现实环境的限制，可选择根据历史风貌还原或新建有利于文物保护建筑的环境，充分发挥虚拟现实技术的想象性。针对建筑本身的破坏性修缮，也可在计算机图形中反复修改确认，“所见即所得”的可视化数据库观察方式也能直观地体现修缮细节，反映问题，方便保存的同时也能使保护单位之间的交流更加直观、快捷，有效避免沟通中容易出现的理解性误差。

5.2 提升公众文物建筑保护参与度

借助虚拟现实的沉浸性，可使文物建筑保护工作者或群众跨越时间与地域的限制以人本视角体会真实的建筑空间，且文物保护建筑的空间可达性极高，能产生与实物截然不同的观察体验，这是旅游实地景点无法比拟的，同时也解决了建筑在后期利用时产生的人为破坏问题；虚拟现实的交互性则使文物保护建筑有了多样化的呈现方式，将文物建筑保护方案以可视化的方式呈现使原本充满专业技术性的修缮内容通俗易懂，在沉浸体验的过程中以故事叙述的方式渐进了解文物保护建筑的背景、修缮前状态、修缮方法与修缮效果，降低了了解文物建筑保护知识的门槛，从而提升公众文物建筑保护参与度。

结语

通过对西大街耶稣圣心堂文物建筑保护的应用，可见虚拟现实技术对文物建筑进行保护具有重大的使用价值和历史意义。然而，将虚拟现实技术广泛应用于文物建筑保护仍面临多方面挑战，如建立文物建筑相关数据库需要集合各方向科研力量，虚拟现实技术对多专业的高技术人才的要求稀缺，软件与硬件方面发展带来性能体验上的限制，且虚拟现实文物保护在我国尚没有形成一套完整的理论体系等。但随着科技和产业业态的持续发展对虚拟现实概念的不断演进，以及国家对文物建筑保护规范的不断完善，VR技术在文物建筑保护领域中的应用也将从专业实验室走入寻常建筑保护体系中，利用VR技术的优势，实现对文物建筑最大化的保护、利用、传承与发展。

资料来源：

表1，图2：图片来自网络；

文中其余图片均为作者自摄、自绘。