保护性古民居建筑虚拟博物馆的构建研究——以三河古镇虚拟复原为例

姚爽，陈彦冰，樊晨，周玉佳 （安徽科技学院，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

随着互联网技术的高速发展与网络的普及，获取资讯变得省时省力，同时世界各地为了更快速地传播文化和更妥善地保存文物古迹，依托互联网和虚拟现实技术的各类虚拟图书馆、虚拟博物馆应运而生。虚拟博物馆向使用者呈现各式精选藏品及其历史渊源，同时结合虚拟现实技术，将原本残破甚至仅留存文字记载的物件复原展出。虚拟现实技术分两类，虚拟实境技术和虚拟虚境技术，后者在古建筑复原方面运用较为广泛，如复原生成已湮灭了的阿房宫，构建《清明上河图》中的北宋汴京城等。

受上述古建筑虚拟复原项目的启发，对以晥中巢湖为主的古民居建筑展开调研，取巢湖之滨的三河古镇作为范例进行测绘与建模，并运用虚拟虚镜技术构建保护性古民居建筑虚拟博物馆。

2 晥中古民居建筑特色分析

2.1 晥中巢湖地区传统建筑风貌

巢湖位于安徽中部，地属合肥，连淮接江，受地理因素影响，环巢湖地区是山水丘陵地带，地势平缓且水系发达，并有着“一湖两城十二镇”的说法，其中十二镇就包含肥西的三河镇。而环巢湖地区的古民居建筑具有布局复杂多变、结构自成一脉、材料因地制宜、色彩朴实自然等特色，在特殊的地理气候条件的影响下形成了独特的建筑形态，比如走马回廊——著名的李鸿章故居中的走马转心楼，因廊宽七尺四面围合，可供马匹绕楼内一周而得名，下文所述的张百万私宅也借鉴了这一平面形制。此外巢湖地区民居建筑融入了南北方古民居建筑的元素，用兼容并蓄、融会贯通的手法造就了环巢湖地区古朴典雅的传统建筑风貌。

2.2 三河古镇传统民居建筑综述

三河古镇古名鹊渚，地处巢湖西岸，位于肥西县、庐江县与舒城县的交界处，古镇总面积约2.9km²。总体上，古镇的民居建筑多建于明清时期，建筑风格融合北方严整方正的院落式布局形式和皖南徽派建筑精致秀丽的外部造型，其大木构架采用抬梁式与穿斗式相结合的混合式。人文经济方面，晥中自古受到徽商影响，直至清初徽商跃然成为十大商帮之首，使得三河地区依靠于丰乐河、杭埠河米业发达，从而经济水平显著提升，外来人口大量涌入造就了三河古镇地少人多的状态。风俗环境方面，古人重视宅基地的选择，大户人家建造多进院落，院门多朝南向但非正南，宅院不超过九进且多为三到五进，庭院围合成“四水归堂”的形式（图1）。建筑形式方面，因为土地面积紧张，许多宅院都是占地狭小外观单一，却内有乾坤，多组三合院四合院相互拼接的平面布局，精致的木雕门牖和绚丽的彩画都彰显着户主低调奢华的生活态度（图2）。

图1 张百万私宅“四水归堂”（自摄）

图2 张百万私宅走廊彩画（自摄）

古镇整体的建筑风格独特，同时也是晥中古建筑群落中保存最完整的水乡古镇，它不仅是历史文脉，还影响着现代晥中甚至整个江淮地区的民居建筑，在建筑设计方面的指导影响深远。因此，对于三河古镇传统民居的保护工作至关重要，使用虚拟复原技术和构建虚拟博物馆能更为长久地保留木质建筑的形象，也能更广泛地传播古建筑文化。但由于古镇因地形和主要街道的影响，形成前店后坊的格局，以至房屋形态多变、布局复杂、鳞次栉比，大大提高了测绘作业的难度。

3 三河古镇民居建筑虚拟复原

三河古镇的保护性民居建筑数量庞大且种类繁杂，广为人知的有刘同兴隆庄、大夫第、张百万私宅和鹤庐等居住建筑，还有曾是戏曲台子的万年台、道观仙姑楼和老酒坊民俗园等公共建筑，这些建筑目前保存完好。

此外三河古街上有许多私宅，有的是前店后坊的格局，即前部商业后部居住的结构，有的是下部商业上部居住的结构，有的是中间商业两侧居住的结构，沿街的商业店铺都使用木板修筑正面的墙体，并用马头墙的山墙分隔。下图为笔者团队用AutoCAD和SketchUp复原的古西街模型（图3）。

图3 三河古镇复原模型（自绘）

3.1 传统民居虚拟复原流程

构建保护性古民居建筑虚拟博物馆项目需要时间，三河古镇民居建筑的虚拟复原工作也并非一朝一夕可以完成。

虚拟复原工作包括两个步骤。

①实景采集与测绘制图。实景采集主要针对民居建筑中的木雕、石作、瓦作、彩画等，通过拓印和拍摄的方法记录保存，后可导入SketchUp供建模使用和置入博物馆中展览。测绘制图指的是用红外测距仪、全站仪测得数据绘制手稿，手稿图纸记录建筑的外部形态和内部结构，比如大木构件、小木构件的尺寸和位置，之后使用AutoCAD整理手稿内容。

②软件建模与场景渲染。软件建模是整合第一步获取的图片和数字信息，利用SketchUp、Rhino、3ds Max等三维建模软件，构建民居整体和各类建筑构件的虚拟模型。场景渲染则是用到Lu⁃mion。

3.2 张百万私宅虚拟复原展示

为了更为直观的阐明上述步骤，下文将展示张百万私宅的虚拟复原过程。张百万私宅始建于晚清时期，距今有160年历史，原为财主张百万为待字闺中的女儿修建的两层绣楼，现已改称为古娱坊。此绣楼平面布局为四合院式，共两层。一层南侧为门厅，中央天井区域东西各用六扇木雕花窗遮挡视线，西侧有木质楼梯通向二层，一楼北侧为会客厅与耳房；二楼南北两侧各为丫鬟房和小姐房，其中丫鬟房前的走廊檐枋不足1.5m高。东西向皆为过廊，其中西侧的山墙内壁绘有仕女图的彩画。二层围绕院落中心天井四周设置走马回廊，并在天井中央开了一方水池，使得四方雨水皆汇于此，寓意财不外露（图4、图5）。

图4 张百万私宅一层平面图（自绘）

图5 张百万私宅模型（自绘）

4 构建虚拟博物馆的技术分析

虚拟博物馆是古民居虚拟复原成果的载体，搭建符合线上观展的展厅，有效融合古民居建筑元素，都是为了在艺术层面上更好地烘托复原成果，技术方面是通过虚拟虚镜技术达到身临其境的感受。在三河古镇虚拟博物馆的构建过程中，为达到预期的视觉效果，先后采用了两种技术方法，分别是360度全景漫游技术和基于Unity3D的VR技术。

4.1 两种技术的适用性与弊端

4.1.1 360度全景漫游技术分析

360度全景漫游技术是一项新兴文博展览技术，在视觉效果呈现和动态镜头模拟等程序的控制下实现全方位的交互视觉效果，观展者足不出户也可以身临其境的感官体验。与传统的360度全景虚拟技术相比，360全景虚拟技术是指将实摄的二维图片处理成三维场景的技术，也多用于将实体展厅转化为可供线上观展的虚拟展厅，属于虚拟实镜技术范畴。二者相比，360度全景漫游技术增强了空间感官的塑造，改善了360度全景虚拟技术因升维导致的视角畸变，运用范围也不局限于线上展厅、全景地图等，由于增加了交互性能，提高了情景的趣味性。

360度全景漫游技术的特点在于两方面。

①漫游中的展品是采用数字化技术复原的，观览者可以全方位的观察展品，既不同于传统展厅隔着陈列柜欣赏展品带来的模糊感，也不同于全景虚拟展厅中的展品——带着镜头畸变的二维图片带来的虚假感，它通过交互性能带给观览者真实感，观览者可以“拿起”展品细致品鉴，也不必担心损坏展品。

②漫游场景是基于真实数据构建的，展厅的空间适宜于展品和观览者，动线合理、层层递进的空间处理使观览者产生身临其境的沉浸感。针对于古建筑类型的博物馆，大多会专门设置一间或多间古建筑场景1∶1还原的展室作为观展过程中的高潮，而360度全景漫游技术与之结合能增大古建筑还原场景规模。

4.1.2 基于Unity3D的VR技术分析

Unity是一款有着实时交互功能的游戏引擎，随着互联网的发展，不同专业间的交叉领域增多，Unity已经不单单是一个游戏引擎，其使用范围已扩大到诸多领域。在AEC领域，Unity可以将工程图纸打造成可视化的三维实体，并构建虚拟场景达到交互的目的，通过虚拟体验可以对设计方案的利弊作出合理评估，这大大的降低了工程设计的成本，尤其在建筑工程方面运用较为普遍，其中以美国布鲁克林的9 Dekalb项目为代表。而在古建筑虚拟复原方面，近年来我国有多所高校的数字媒体技术专业与建筑学专业在研究该课题，通常是利用Unity搭载环境vrtk，结合HTC VIVE PRO眼动追踪技术，渲染生成无固定路径的交互式场景。

360度全景漫游技术的普适性较强，可兼容各类播放设备，适宜各年龄段人群使用，对传播古民居文化更有利。Unity3D则是拥有逼真的渲染效果，非固定的游览路径更刺激感官，但对设备的要求远远高于360度全景漫游技术。

4.2 三河古镇民居建筑虚拟博物馆构建过程

基于古民居建筑的虚拟复原这一主题，先根据Vray For SketchUp的模型成果，对需要搭建SketchUp模型的古民居建筑数量和规模进行评估，然后对展示场景和漫游流线进行规划，设计符合线上展览功能的空间。考虑到VR头显的普及度较低，虚拟博物馆的构建以360度全景漫游技术为主，Unity作为后期的技术补充。

5 三河古镇民居建筑虚拟博物馆成果展示

三河古镇的董寅初纪念馆是一所由古民居改建的博物馆，馆内布置古建筑木构件原件、经修复后的家具实体模型、包含图片和文字的展板，全面反映了当地古民居文化的历史脉络。以此作为参考，结合实地调研与资料查阅，还原三河古镇民居建筑历史面貌。

虚拟博物馆总面积为580m2（图6），分三个展室。

图6 展品室（自绘）

①沙盘展室。中央放置三河古镇沙盘，两面墙壁悬挂古民居的历史文脉、人文内涵、风俗典故、营造技法的展板，并在展厅中设置交互屏幕，让观览者更全面的了解三河民居建筑。

②展品室。展示张百万私宅的虚拟复原模型与民居建筑中原有的古器文物，中央模型在360度全景漫游技术的加持下可以随意旋转放缩观察。

③实景展室。该展室有六个1∶1还原的古民居场景，这类展室存在于许多线下大型古建筑博物馆，但在线上搭建实景远比线下省时省力，依托360度全景漫游技术仍然可以让观览者体会到与线下观展别无二致的乐趣。

6 结语

构建保护性古建筑虚拟博物馆是一个系列课题，全国各地有着数以千计的古建筑群落，而对古建筑的保护工作不应该仅停留在木结构防腐、防潮、防火等方面，在互联网技术发达的今天更需要用数字化的技术保存古老的文明。三河古镇地虚拟复原和虚拟博物馆地构建抛砖引玉，呼吁古建筑保护工作与时俱进，为古建筑文化遗产保护工作提供新思路。