数字化技术在建筑复原和保护中的应用*

2022-11-18东南大学成贤学院郭城

数字技术与应用 2022年3期

东南大学成贤学院郭城

我国历史遗留下的很多建筑瑰宝因各种原因遭到不同程度的破坏甚至消失，复原这些建筑遗产并加以保护意义重大。以计算机技术兴起和发展为基础的数字化技术为建筑遗产的复原和保护提供了新思路：收集建筑遗产及与之相关的资料，根据整理的资料制作成三维建筑漫游动画影片，再进行虚拟现实的制作。如此，数字化技术既能实现损毁或消失建筑的三维立体可视化再现，又能给研究者提供身临其境的体验，更利于长期安全保护。

中华民族具有悠久的文化历史，给人类留下了丰富的建筑遗产，这些建筑遗产不仅作为建筑实体存在而具备价值，更是承载了宝贵的历史文化信息。保护和研究建筑遗产体现了对中华民族历史的尊重，具有极强的文化价值和意义。然而，由于种种原因，许多珍贵的建筑遗产遭到了破坏和损毁。如何修缮、复原并保护那些已经损毁或消失的建筑显得尤其重要。

数字化技术的产生和发展为建筑复原保护提供了全新的思路和方法。依据历史资料，通过数字技术复原城墙、宫殿等消失的古代建筑，修复损毁的文物、字画等历史瑰宝。虚拟数字的形式使得这些建筑、文物的保存变得安全长久，便于相关领域的专家随时调阅研究。

1 数字化技术与建筑复原保护

数字化技术（Digital Technology）是以计算机为载体，通过计算机手段实现各种目的的技术。近年数字化技术得到了广泛应用，很多专家和学者也将这种技术应用至建筑复原的研究，特别是三维数字技术和虚拟现实技术。

1.1 三维数字技术与建筑复原保护

随着社会进步和技术发展，静态平面的二维图形和文字资料由于具有抽象大于具象的硬伤，难以给研究者带来丰富的形象感受，不利于建筑遗产的保护和创新，不能满足庞大的市场需求。通过三维数字技术依据相关历史文化资料进行建筑模型的重新构建，再配合材质贴图、灯光效果、动画效果等，实现损毁或消失建筑的三维立体可视化再现，让原本残缺或不存在的建筑从文献资料里重现于人间，为研究者和广大人民群众提供丰富详细的建筑细节和直观具象的体验与感受。由于虚拟数字化的作品便于保存，不易遭到破坏，使三维数字技术成为建筑复原和保护的一个极其重要的方法。

1.2 虚拟现实技术与建筑复原保护

虚拟现实技术（Virtual Reality，缩写为VR），是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，是一种创造和体验虚拟世界的计算机仿真系统。

通过三维数字技术复原出相关历史建筑的模型和场景，在观察和研究时是处于客观的上帝视角。而利用虚拟现实技术沉浸感、交互性和构想性的特点，研究者或用户能够以第一人称主观视角的方式置身于历史建筑和场景中，达到“身临其境”的效果。这样的效果和感受比单纯的三维可视化观察又更进一步：通过虚拟现实能够最大程度地贴近历史建筑，感知其文化内涵和意境，这样更加利于研究、传承其文化内涵。

所以，数字化技术中三维数字技术和虚拟现实技术的结合应用能够有效重建和复原许多历史建筑遗迹，通过“身临其境”的沉浸互动效果使这些建筑最大限度得到认知、研究和保存。

2 数字化技术在建筑复原保护中的应用

本文将以南通伶工学社的数字化复原和保护为例，具体阐述如何将数字化技术应用在建筑复原保护中。

2.1 项目简介

伶工学社于1919年由著名教育家、实业家、政治家张謇在江苏南通创办，是一所新型的戏剧学校，旨中国戏剧发展的重要见证，至2019年有整100年的历史。

百年前的伶工学社已经不复存在，所以本次项目以伶工学社建筑的复原为切入点，通过建筑的三维数字化展现伶工学社及戏剧发展的百年变迁，将其制作成三维建筑动画视频，并用虚拟现实技术呈现“VR伶工学社”，使人们通过三维动画具体了解伶工学社及戏剧文化的发展历史，通过“VR伶工学社”实现“云参观”伶工学社的建筑风貌，“云参与”伶工学社举办的各种戏剧活动。不仅使伶工学社的建筑在互联网云端得以复原和保护，也更能传承伶工学社真正的核心点——戏剧文化，这对于以戏剧为代表的日趋式微的非物质文化遗产的传承与保护也具有很大的意义。

种苗移栽前10～20天对种植地挖穴，行距2.5～3米、株距1.5～2米，穴径40～50厘米、穴深30～40厘米，打穴时表土、心土分开。每穴分层施入腐熟农家肥5公斤+45%复合肥0.25公斤。回填时先表土，后心土，并使土肥混合。

2.2 数字化复原制作过程

此次数字化建筑复原研究与制作将会形成两项成果：(1)数字化三维建筑漫游动画展现百年伶工学社场景及我国戏剧艺术兴衰历史；(2)虚拟现实技术打造“VR伶工学社”，实现伶工学社的“云参观”和“云浏览”。

具体研究与制作过程如下：

(1)项目前期阶段，通过查阅文献、现场测量、走访等方法搜集了大量有关伶工学社的文字、图片以及视频资料，项目团队对这些资料充分研究后进行归纳总结，提炼出有用的部分。笔者带领学生亲临伶工学社现场，采用测绘测量法采集现有伶工学社建筑（改革开放后复建）数据，并用AutoCAD软件绘制出建筑的平立面图。相关资料的搜集整理以及建筑平立面图的绘制，为之后百年前伶工学社的建筑复原打下坚实的基础。

(2)根据搜集整理的资料制作出三维建筑漫游动画的分镜脚本。这是关键的一步，因为影片的好坏往往取决于脚本的质量。分镜脚本需要体现出伶工学社作为中国戏剧发展的重要一环，见证了张謇、欧阳予倩、梅兰芳等前辈大家为戏剧文化的传承发展做出的努力，并映射出百年以来中国戏剧艺术发展的浮尘兴衰。本片要做到利用视听语言的艺术感染力与戏剧行内人士产生共情，使他们观看之后收获感动与认同，与戏剧外行人士产生联动，使他们观看之后对伶工学社及戏剧艺术产生兴趣。

(3) 使用3DS Max软件进行伶工学社建筑三维模型的创建。根据AutoCAD软件绘制出的建筑平立面图，使用样条线建模为主，实体建模为辅的方式来进行建模。在对建筑造型进行雕刻时注意区分现有伶工学社建筑与百年前伶工学社建筑在造型风格等细节上的区别，根据归纳整理的历史资料合理构建出百年前伶工学社建筑的场景与造型。同时需要注意单个建筑与整体场景的关系、室内戏台与室外戏台的区别等建模要点，最终呈现出伶工学社整体场景的三维模型。

(4)完成模型后，使用3DS Max软件中的材质球功能为建筑模型添加贴图和材质。贴图和材质的制作依据来源于前期准备阶段搜集整理的相关资料。调整材质球的漫反射、高光反射、折射等数值，并综合运用自发光材质、多维子材质、衰减贴图、黑白贴图、烘焙贴图等功能，制作出符合历史时代特征的伶工学社建筑质感，贴图和材质的历史感力求真实且有据可考。

(5)伶工学社建筑场景的三维模型、贴图、材质制作完成后，项目的基础部分已经完成，接下来根据成果需求的不同可以应用在三维建筑漫游动画和虚拟现实场景两个不同领域。为了完成三维建筑漫游动画，在制作好的场景中利用3DS Max软件中的灯光系统创建合适的灯光，模拟真实场景中的太阳光、月光、烛火、灯笼等光源，最终达到真实的光感效果。之后在3DS Max中创建摄像机，并根据前期拟定好的分镜脚本来制作摄像机镜头动画，经过电脑渲染后得到三维动画序列帧。

(6)使用Adobe After Effects软件对渲染出的序列帧进行后期制作，其中包括调色、合成、特效等步骤，通过后期制作可以得到符合百年伶工学社历史厚度和质感的镜头画面：例如，百年前建筑与周边环境的风格、随着时间流逝逐渐老化的道具，春夏秋冬四季变换等。在处理完所有动画序列帧后，使用Adobe Premier软件对这些序列帧进行剪辑、配乐、音效等工序的制作，使影片具有相应的节奏和叙事，最终输出成一部完整的伶工学社三维建筑漫游动画影片。

1）第一种做法为720全景漫游：在3DS Max软件中利用已经制作好灯光的场景，创建全景摄像机，通过全景摄像机渲染得到720°全景图，运用当前十分普及的全景制作软件将720°全景图制作成可以通过鼠标点击滑动自由浏览的720°全景漫游VR。这种全景VR的优点是文件小、启动方便，便于传播，微信、朋友圈就能互相发送并点开浏览观看。缺点是由于虚拟现实的主体是由全景图片构成，细节相对不够深入。同时只能由鼠标在某个特定点滑动点击浏览场景，不能像第一人称视角射击游戏那样任意浏览场景的各个角落，所以VR的自由度相对较低。

2）第二种做法是将已经制作好的三维模型导入相关引擎软件，如：虚幻引擎、Unity3D等软件，利用引擎制作真实的VR场景。用引擎制作的优点在于虚拟现实场景中体验者可以随心所欲地自由浏览，不受任何限制。再搭配上VR头盔、万向行走仪等专业设备，完全可以在感官和身体活动双重层面上达到身临其境的效果。真实的VR场景能够让体验者的互动感受达到最佳，但缺点是文件比第一种720°全景VR要大得多，不利于广泛、快速传播。

3 伶工学社数字化复原项目的创新点与存在的问题

本次项目的创新点在于以百年前伶工学社的建筑场景复原为切入点，以三维建筑漫游动画和虚拟现实成果作为手段，在复原保护建筑的同时推广和发展戏剧文化，用数字化和虚拟现实的方式使年轻一代人主动自愿的接触并喜爱戏剧，再通过网络传播不断扩大受众数量，增强戏剧文化的影响力，以达到发展戏剧文化的目的。这样一种通过建筑的复原和保护升华至文化的传承与发展的创新方法可以为许多日趋式微的中华民族非物质文化遗产的传承提供全新的思路。

在整个伶工学社数字化复原研究和实践过程会遇到很多问题，主要有：

3.1 软件联动

制作过程中使用了不同公司不同种类的制作软件，使用不同软件相互配合联动，所以各软件之间的配合兼容非常重要，其中不可避免的素材多次的输入输出会导致画面分辨率下降，软件与软件之间视频码率格式是否支持转化，最终输出的影片能否流畅无误的播放，都离不开软件与软件之间的配合程度与使用者的熟练程度。

3.2 真实详尽的资料搜集和体现

资料搜集最大的难度在于资料的详细性和真实性。所以单单从网上查找资料是远远不够的，网上的一些资料数量稀少且半真半假，真实性无法得到保证，这对于想要真实还原百年前伶工学社的风貌来说是完全不够的。基于此问题，我们联系到了南通文化馆及伶工学社相关负责人，通过官方渠道获得了官方保存的大量珍贵翔实的一手资料，并亲至南通市对现存伶工学社社址进行了实地测绘考察，力求所有资料数据真实准确。

3.3 三维建筑场景时代感的把控

由于本项目是根据历史资料以及改革开放后复建的一部分伶工学社为基础来还原百年前的伶工学社风貌，所以如何在模型、材质、贴图等细节上尽量贴近历史、还原历史和如何根据现有资料和建筑表现出百年前建筑的时代感和质感在技术上都需要有所创新和突破。

3.4 VR伶工学社的运营维护

由于本项目的成果之一：VR伶工学社不仅仅是单纯的虚拟现实漫游场景，同时还承载了线上同步参与戏剧活动的任务，所以及时更新相关活动内容、VR伶工学社程序的日常维护、线上推广、受众数量的扩散等问题是该项目在完成后的后续运营所要面临的问题。

针对以上问题，我们在项目实施前就需要不断训练实施者对所需软件的熟练程度，通过不同的项目实践以做代练，不断增加软件使用技能。而对于场景建筑时代感的把控，我们需要在项目制作过程中做到尊重历史、尊重资料，综合运用自发光材质、多维子材质、衰减贴图、黑白贴图、烘焙贴图等功能，耐心细致的制作历史质感所需的一切细节。在这过程中我们需要不断试错并不断总结，最终得到一套行之有效的理念和方法。而对于VR伶工学社的运营维护问题，我们可以利用跨专业合作的方式与计算机信息工程等专业的老师与同学进行合作，取长补短，共同对VR伶工学社程序实现长久有效地运营维护。