数字技术在古建筑遗址复原中的应用研究

李新月　苏丽萍

摘 要：运用数字技术对古建筑文化遗址进行数字化复原以及文化的加工，为大众提供一个真实体验的平台，具有十分重要的现实意义。由于避暑山庄多处建筑被损毁的原因，导致很多非常优秀的中国园林建筑被掩盖。本文通过分析古建筑数字复原的思路，以碧静堂为例，详细研究了数字化复原过程，以此实现让游客通过数字技术感受古建筑魅力，达到传播古建筑文化的目的。

关键词：避暑山庄；交互技术；古建筑复原

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.06.011

0 引言

古建筑是社会进步、经济繁荣、文化昌盛的标志，它以独特的形式承载了大量的历史信息，是各地区独特文化的集中体现。避暑山庄作为中国皇家园林建筑的典型代表具有非常高的历史文化价值和艺术价值，但如今园内40％的建筑仅剩遗址，有的甚至连地基都消失不见了。在国家大力支持文化与技术融合的背景下，运用5G、VR/AR、人工智能、多媒体等数字技术开发馆藏资源，打造博物馆、景区数字化展示示范项目，开展虚拟讲解、艺术普及和交互体验等数字化服务逐渐普及，也符合当下的发展形势。

1 避暑山庄古建筑遗址现状

承德避暑山庄作为中国5A级景区，是中国皇家园林典型代表，亦是学者们公认的中国最美的皇家御苑之一。然而由于历史原因，其幸存的建筑可能不到全盛时期的十分之一，相较于北京圆明园也好不到哪里，劫后余生的建筑也是门、窗、装修丢失殆尽，多数只剩了大木结构，目前在景区看见的建筑也大多是经过后期保护和修复的。2020年，承德文物局与中央美术学院建筑学院签署策略性合作协议，在承德避暑山庄和外八庙及周边庙宇设立中央美术学院教学实习基地，共同进行承德避暑山庄和外八庙历史的修复和艺术再现。截至目前，天津工业大学、河北民族师范学院等高校也相继加入该课题研究。

2 古建筑数字复原的价值和意义

随着计算机技术的发展，通过三维建模技术和虚拟现实的结合，对古建筑进行数字复原的设计表现已经得到较为广泛的应用，它可以对建筑样式、历史街区进行复原设计，并通过虚拟现实手段对建筑文物进行交互展示，加深人们对建筑艺术的认识和理解。另一方面，也可以通过在线旅游的形式对景区进行宣传和展示。较之于文字图片，这种展示方式更為直观，能为受时间和经济条件限制的人们带来更好的虚拟现实体验，深化对建筑艺术价值的认知，在一定程度上降低了古建筑和历史街区的保护成本，减少对古建筑的破坏，使得建筑遗产的文化价值和历史价值能得到更好的保护与传承。

本项目制作的交互系统，可以让观者身临其境地感受避暑山庄已经消失的建筑，感受古建筑的风采，深入了解该建筑群的文化内涵。与传统古建筑复原相比，使用漫游交互技术进行数字化科普资源的开发制作成本低，创意性强，保存时间长。另外还可以通过数字化建模的方式进行实际复原模拟，将施工与结构1∶1复刻出来，提前预估复原的精确度，提前判断，在保护遗址上较传统的遗址保护方法成本上可以达到最低，最终视觉效果也依然可以得到呈现。

3 古建筑数字化复原思路

古建筑数字复原思路如图1所示：①本项目依据大量的史料记载，结合现场测绘数据，分析对比得到精准的数据资源，运用数字化手段进行建模，还原清代乾隆盛期避暑山庄“消失”的建筑原貌，完成科普微视频的制作；②利用VR、AR、MR、Unity等交互和虚拟技术，结合山庄内具体项目遗址文化内涵进行趣味性的互动设计，对避暑山庄项目遗址进行沉浸式展示；③将科普微视频资源借助避暑山庄5A景区和互联网线上平台优势进行传播，科普避暑山庄内的文化内涵和艺术成就；④将避暑山庄部分遗址作为范例，以点带面，逐步丰富避暑山庄乃至河北省古建筑遗址的数字化科普资源，构建古建筑遗址数字化科普资源库。

4 避暑山庄碧静堂数字化复原过程

4.1 实地测量Auto CAD绘图

由于本项目遗址损坏严重，除现场获得的信息外，还参考了文物局陈东老师提供的资料，本次复原度极高，通过阅读学习《中国古典园林》《清代营造法式》《清宫热河档案》《陈设档》等书籍，积累大量理论知识，再结合清代绘画、老照片、现场进行合理推断。结合建筑位置、结构尺寸等用Auto CAD软件绘制园林布局平面图（图2）、各建筑立面图（图3）以及室内装修图，其中具体包括槛墙厚度、台基尺寸、金柱径、檐柱径、门窗样式以及大木结构，尺寸精确到毫米，复原度、准确度极高。

4.2 SketchUp数字化建模

本次项目模型使用SketchUp软件进行建模，建模过程中严格使用前期计算测量好的CAD尺寸进行建模。将模型进行全材质实景贴图，贴图清晰、准确、逼真，以达到丰富真实的模型效果，材质贴图非常影响后期渲染的细节及精细程度；另外，在建的过程中会使用pizitools、Fredo、tt-truebenf系列工具插件更加方便快捷。当然，相较于一般建筑来说，古建筑的结构复杂，面、线较多，在制作过程中非必要部分会使用面片结构，外观上与实体结构并无差别（建筑模型要注意面的正反，若片面为反的在后期贴图和交互时会出现贴图重复或者片面缺失等问题）。

另外，由于该建筑遗址位于山区部分，周围地形环境复杂，运用无人机扫描技术将建筑遗址周围的等高线图制作出来，再使用SketchUp软件的实体沙盒工具进行建模，最后用顶点编辑器再进行微调，将实际地形进行还原，更加真实准确。

4.3 数字化渲染

效果图渲染部分便是前期工作的表现，本项目将真实还原效果与用户更易接受的效果结合，最后采用了较为真实、光影感较强的效果图表现。在渲染时使用的植物模型也是通过考察避暑山庄山区内的植物以及现场观察的植被确定，碧静堂园中的植物确定为古松、五角枫与地面草皮，地面少许野花点缀。这也是避暑山庄植物的一大特点。

前期我们测试了市面上使用的主流渲染器Enscape、Lumion，由于Lumion较为稳定，效果更加逼真，可操作性更强，最后使用该软件进行渲染。在创建的新ln格式文件里模拟天空、环境光、风的强度、云的密度等。再将建好的模型导入，调整材质，最后渲染出图，其中包括节点图、细节图、鸟瞰图、全景图以及部分视频片段。当然这些图片资源和视频资源还要经过后期处理将颜色、质感表现出来（图4、图5）。

4.4 视频制作

为了提高观者的沉浸感，也让游客重新感受建筑文物的魅力，我们完成数字建模后，并对建筑模型进行视频制作。通过视频我们也可以在线上、线下多个平台上展示宣传避暑山庄，同时，也以避暑山庄碧静堂为载体宣传我国传统文化，让更多的人知道并了解避暑山庄文化。较之于文字图片，这种展示方式更为直观，能为受时间和经济条件限制的人们带来更好的体验，深化他们对建筑艺术价值的认知，使得建筑遗产的文化价值和历史价值能得到更好的保护与传承。而且视频剪辑包含了我们从现场测量到最后成果的输出，也起到了很好的记录作用。

4.5 漫游交互设计

在增强现实移动展示系统实现方面，使用Unity2022版本，可以直接通过选择组件环节选择需要的平台支持组件（i0S、Android、UWP）以及主角（Xdreamer），然后安裝。安装完成后我们创建新的3D项目。步骤如下：

①开发人员需要在官网下载Xdreamer组件。②下载之后打开unity建立一个3D工程文件。③打开之后直接双击或者拖动提前下好的xdreamer组件，之后会在顶端菜单栏会出现xdreamer下拉找到工具库、状态库、状态机。然后就可以把漫游的场景模型导入（注意最好是sdk格式的模型，其他格式可能会出现模型异常，材质丢失等问题），这样前期准备工作就做好了。④导入模型会有部分贴图丢失，可以在模型窗口底部的素材图片文件夹中选取素材图片，然后通过鼠标左键将图片拖到模型上，这样就添加好材质了。当然这些材质也可以进行软件内调整，如有需要也可通过Photoshop制作贴图然后进行导入。⑤漫游交互有三种：第一种是动画漫游，提前在库中找到渲染器box，利用box设置动画的路线，然后使用状态库中的路径动画，将每一个box按顺序导入，形成一个流畅的路线，然后添加3个UI按钮，点击状态机建立新的交互逻辑，在状态库中找到按钮点击添加状态，找到状态激活导入状态库中的时间轴，在工具库中找到定点相机，与最开始的box放在一起，然后拖入路径动画的游戏对象中，这样第一种动画漫游就可以通过之前的UI按钮点击进行路径游览；第二种和第三种比较相似，都是直接通过xdreamer的工具库中的行走相机和飞行相机直接进行交互，不同点在于行走漫游需要在模型中设置碰撞体，否则运行时相机会坠落，飞行相机也可以通过d、w、a、s四个键进行前后左右的移动通过qe来飞行和降低，且可以直接穿过模型，交互也是首先建立按钮点击，然后建立状态激活和相机切换器，通过状态激活切换相机开关，把之前做的另外两个UI按钮导入按钮点击，这样场景的漫游就做好了（图6）。⑥文件打包运行，在左上角的文件中找到建立与运行选择平台（平台需要预先下载，如果没有想要发布的平台可以在Unity hub安装中进行模块下载），用户可以通过相关渠道下载apk、exe、pxl等格式安装文件，再从相应客户端进行安装，便能正常使用我们的软件，其不仅可以线上使用，还可放在景区或博物馆方便游客线下体验，虽然一些建筑都已“消失”不见，但通过我们的技术还是可以让这些文化瑰宝重新出现在大众面前（图7）。

4.6 古建筑沉浸式漫游交互技术的实际运用

在漫游交互系统在制作时便要考虑用户体验感和趣味性，为了确保还原的真实性，应现场实地考察，运用真实的材质、纹样贴图。我们制作了两种游览形式：一种是我们在环境内设置好的最佳游览路线；另一种便是可以在系统内通过使用两边的滑轮或w、a、s、d键来随意操控方向和进退，在游览时可以任意点击建筑周围的标记，便会出现关于此建筑的介绍和相关诗文的解释。这样一来可以让使用者在我们的建筑中去到任意想要去的地方，更加细致地了解我国的建筑文化。

5 避暑山庄碧静堂其他数字化复原成果

对避暑山庄内遗址项目进行精准建模，运用数字化手段将其转变成具有科普价值的旅游产品，既有能进行人机交互的视频资源，也有结合虚拟现实技术让游客沉浸式感受“消失”的古建筑风采的现场资源，通过线上线下两个平台科普项目展示其独特的历史地位、造园艺术以及文化内涵等，以求为古建筑遗址数字化科普资源开发探明道路，让更多的人在旅游的同时了解古建筑遗址的历史文化内涵和艺术成就。

数字技术使文物保护从过去的实物保护与复原转变为今天的数字化复原，为文物遗址保护增添科技的魅力。除此之外，还可以运用Bim进行工程预演和工程预算的模拟。当然文物保护不仅仅是以上数字技术的运用，还有许许多多数字化保护手段，主要包括数字影视、数字动画、数字交互产品、VR虚拟现实技术、AR增强现实技术、全息影像技术、数字藏品、数字博物馆等。

这些技术的使用可谓是大势所趋，随着科技时代的进步与时代的发展，在展示展览方面也必须有更进一步的迭代和创造。我们也将追寻科技的脚步，一步步地完善和改进本项目成果。

6 结语

本项目的研究课题是数字技术在古建筑遗址复原中的应用研究，在了解数字技术的国内研究现状后，对避暑山庄现存遗址进行分析与测量。这也是目前国内外对这一技术研究方向的一大趋势，国家和政策也都大力支持，国内也有很多学者、机构及高校对避暑山庄的文化与建筑进行了深入研究。本次研究注重与建筑结构、艺术、文化以及技术的高层次结合，丰富了科普资源的数量和种类，拓宽了古建筑遗址的传播技术手段，促进中华优秀传统文化传承与创新，具有很高的经济价值、文化价值和科普价值。

参考文献

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