摘 要：本文的應(yīng)用研究是利用虛擬現(xiàn)實這一現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)和展示方式，以新的思路延長北戴河老別墅建筑群的生命力。研究不僅在于用虛擬現(xiàn)實的技術(shù)手段復(fù)原歷史建筑的原貌，并且基于北戴河老別墅在中國建筑歷史中的重要性，利用虛擬現(xiàn)實多角度研究，對部分建筑提出具有可行性的修繕方案，提高北戴河老別墅在保護修復(fù)過程中的安全性和可靠性，并致力推廣虛擬現(xiàn)實技術(shù)在歷史建筑保護中發(fā)揮的作用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；北戴河老別墅；歷史建筑保護

1 北戴河老別墅

北戴河的美麗和神秘，撥動了古今中外多少志士仁人的心弦。千古一帝秦始皇，雄才大略漢武帝，志在千里曹孟德，一代明主唐太宗，在這里留下了他們的足跡；康有為、張學(xué)良等等風(fēng)云人物，在這里上演了一出出歷史活??；新中國四代領(lǐng)導(dǎo)人在這里做出了許多關(guān)乎國家命運的重大決策。美麗的風(fēng)光，吸引了無數(shù)風(fēng)云人物，又為她平添了一份神秘色彩。早在光緒十九年（1898）清政府就已經(jīng)正式辟北戴河為避暑地，允許“中外人士雜居”。全世界幾十個國家的傳教士、外交官員、富商大賈、學(xué)者名流，北戴河購買土地，修建別墅，為后人留下了一個蔚然壯觀、風(fēng)格各異的世界建筑群。

1.1 北戴河老別墅的保護價值

至近代，北戴河各式的名人別墅已達千余幢，傅作義、何香凝、張學(xué)良等一代名人都在此占有一席之地，北戴河與廬山、廈門和青島并稱為“中國四大別墅區(qū)”。北戴河的老別墅地域特點明確，多為單層建筑，部分為二三層建筑，均顯露出鮮明的異國格調(diào)和建筑流派，包含了美、英、法、德、俄、意、比利時、加拿大、奧地利、西班牙、希臘等多國人文建筑類型，其建筑風(fēng)格也囊括了維多利亞式、羅馬式、拜占庭式、東洋式等多種建筑形態(tài)。

歷史建筑是文化領(lǐng)域中最具有時代性、社會性和民族性的因素，整體而又集中地體現(xiàn)了所建時期的社會生產(chǎn)力、時代精神、民族傳統(tǒng)、地域特性以及社會的價值取向，北戴河老別墅所反映出來的空間與時間關(guān)系，其深度和廣度是地域內(nèi)其他文化載體所無可比擬的。它們最能代表城市發(fā)展的歷史，在城市近化過程中最具有歷史和藝術(shù)特征的也是歷史建筑。它們是城市風(fēng)貌特色的具體體現(xiàn)，是不可再生的寶貴文化資源。

1.2 北戴河老別墅調(diào)研現(xiàn)狀

由于近百年來的風(fēng)雨剝蝕和各種人為因素的影響，這些不可再得的名人別墅已遭到嚴(yán)重的破壞和蠶食。至目前只存130余座，僅占原來的18%。隨著一幢幢近代名人別墅被拆除，代之而起的是越來越高、設(shè)計雷同的現(xiàn)代建筑，致使北戴河不少地方失去了昔日和諧靜謐的生態(tài)環(huán)境，失去了優(yōu)美的天際輪廓線。

通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，除使用單位雜亂之外，北戴河歷史建筑及周邊環(huán)境還存在非法拆除、非法改造與私搭亂建、多數(shù)建筑缺乏保護范圍和建設(shè)控制地帶、新建建筑與歷史建筑的不協(xié)調(diào)、通海視廊被侵占等問題，由于各種原因，現(xiàn)在非法改拆歷史建筑的現(xiàn)象雖然不多，但仍然存在。私搭亂建使建筑和環(huán)境破敗、缺乏維護。如建筑群中的漢納根別墅，改造后的窗體過于現(xiàn)代化，與歷史氛圍嚴(yán)重不符。有些現(xiàn)代建筑嚴(yán)重擠壓歷史建筑，無論是建筑高度、形式、體量、色彩等都與歷史建筑格格不入。

背依山體，俯瞰大海，強調(diào)看海的視線不受阻隔，這是北戴河歷史建筑的特色。但由于種種原因，北戴河歷史建筑的周邊環(huán)境多被破壞，如喬和別墅，被新建的高層商業(yè)建筑擋住通海視線。另外有些歷史建筑明裝敷設(shè)的室外電線、空調(diào)等嚴(yán)重的影響了城市景觀并存在安全隱患。有些建筑或廢棄或損壞的情況也較為嚴(yán)重，急需進行搶救性保護。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)及研究應(yīng)用

隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息化已滲透到社會生產(chǎn)與社會生活的各個領(lǐng)域，強烈地沖擊著現(xiàn)代城市建設(shè)。21世紀(jì)是一個數(shù)字城市的世紀(jì)，數(shù)字城市將改變傳統(tǒng)的城市發(fā)展模式，改變?nèi)藗兩a(chǎn)、生活和相互交往的方式，改變經(jīng)濟、生態(tài)、社會和家庭的面貌。而作為城市建設(shè)重要研究部分的歷史建筑保護與更新的方法也必將發(fā)生根本的改變。

2.1 研究定向

歷史建筑因所處城市空間的特性演變而呈現(xiàn)出新的變化，從城市的功能作用到形象地位都有變異，數(shù)字及其網(wǎng)絡(luò)又提供了保護與更新的新技術(shù)以適應(yīng)社會的發(fā)展需求。利用虛擬互動技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺的整合，將本研究成果以建筑原貌形式向世人展示，希望該研究手段成為另一種值得推廣的歷史資料保護渠道。

本研究由于部分北戴河老別墅的保護曾經(jīng)一度處于無序狀態(tài)，并導(dǎo)致現(xiàn)在現(xiàn)場測量工作的難度，由于受到各方面因素的制約，有些在既定測量范圍之內(nèi)的建筑無法進行精密測量，所以按照現(xiàn)有條件和不同的保護要求，將北戴河老別墅的測量分為三類，即可以精密測量的、可以短期接觸測量的、和只能作非接觸式測量的。

這里的非接觸式測量是指只可以進行現(xiàn)場專業(yè)全角度拍照的，并盡量做到采集詳盡，對建筑的形式、結(jié)構(gòu)、材料、保護和損壞的程度等進行后期分析和整理?？梢宰骶軠y量的，盡量將現(xiàn)場建筑數(shù)據(jù)和地形景觀等因素做到調(diào)研到位，現(xiàn)場繪制建筑的各層平面圖、各個立面圖、和內(nèi)部房間分隔、水平交通和垂直交通的結(jié)構(gòu)等并記錄數(shù)據(jù)，視頻備案，并現(xiàn)場分析建筑原貌以備作為第一手資料記錄在案。

根據(jù)現(xiàn)場記錄的數(shù)據(jù)，并依據(jù)需要保護的級別分析整理調(diào)研資料，并按照名稱、原房主國籍、建造年代、位置和所處單位、面積和層數(shù)、現(xiàn)狀和建筑風(fēng)格等特點進行匯總成庫。

2.2 研究學(xué)科領(lǐng)域

建筑科學(xué)——研究涉及到了定量化的中國歷史建筑理論，其既是一門關(guān)于建筑物優(yōu)化取向的建筑環(huán)境理論，又是一種現(xiàn)代化時空理論。本研究主要內(nèi)容包括北戴河歷史建筑中的建筑內(nèi)外風(fēng)格、建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料、并將測繪、制圖及新型材料技術(shù)等在歷史建筑中的應(yīng)用等部分。

景觀科學(xué)——本研究體現(xiàn)了景觀學(xué)與建筑工程科學(xué)的交叉，將生態(tài)保護措施與建筑工程措施相結(jié)合，營建能充分展示景觀多重價值的人文環(huán)境，形成以不同時空尺度下的格局與過程，以人類作用為主導(dǎo)的景觀演化等概念的中心理論框架，形成強調(diào)自然與人文因子相結(jié)合的景觀規(guī)劃。主要研究內(nèi)容包括植物的豎向的詳細配置、景觀小品的布置、景觀的規(guī)劃等。

計算機科學(xué)——本研究是計算科學(xué)與軟件科學(xué)和信息處理的整體綜合體現(xiàn)。主要應(yīng)用的專業(yè)軟件包括AutoCad、3dsMax、Photoshop、中視典VRP、DreamWeaver等軟件和相關(guān)插件的應(yīng)用及對老建筑建立數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計軟件等。

另外開展了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在歷史建筑保護的應(yīng)用研究，基于混合現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)歷史建筑虛擬還原和仿真修復(fù)系統(tǒng)，通過建立三維立體模型和模擬復(fù)原技術(shù)動畫，提高了歷史建筑保護修復(fù)的安全性和可靠性，降低歷史建筑修復(fù)的風(fēng)險和工作量?！岸鄬W(xué)科的結(jié)合和協(xié)調(diào)、科學(xué)的內(nèi)涵、藝術(shù)的外貌、文化的底蘊”也是本研究體現(xiàn)的主要內(nèi)容。

2.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在本研究中的應(yīng)用方法

確定歷史建筑的平立面及視頻等采集整理的資料統(tǒng)計完成之后，就是逐個建立虛擬三維模型。對待本研究中三維虛擬模型的技術(shù)處理，首先是確定虛擬現(xiàn)實的模型精度，根據(jù)其所處位置不同，應(yīng)采用不同級別的對待。

本研究按照兩個標(biāo)準(zhǔn)進行了模型的制作：在進行全景瀏覽、鳥瞰時，因場景中的模型較多，系統(tǒng)處理速度主要決定于場景中所使用的模型總面數(shù)，此時應(yīng)盡量使用粗模，減少運算面數(shù)。

在某些具體的建筑物中穿行或進入其內(nèi)部時，由于要表現(xiàn)該建筑的細節(jié)組成，應(yīng)創(chuàng)建相應(yīng)的近景精模。無論是近景模型還是遠景模型都應(yīng)嚴(yán)格按照1∶1的比例進行制作，它們都需要根據(jù)相關(guān)建筑的詳細圖紙資料進行創(chuàng)建。本研究通過Auto cad的地塊文件，在3ds max中將其平面設(shè)置為Top工作視窗（相當(dāng)于建筑物平面圖）的背景文件，根據(jù)圖紙和尺寸進行平面描線；在3ds max中將其立面圖設(shè)置為Front工作視窗（相當(dāng)于建筑物前視圖）的背景文件，將平面線型通過相關(guān)的三維化命令如Exturde擠壓至正確高度后得到該建筑物的三維模型。

在制作模型的遠景時，需要配合該建筑物上、前、后、左、右的表面圖片，按模型各面的ID號進行貼圖，同時將表面圖片在Photoshop中制作為黑白的透明貼圖放入材質(zhì)的Opacity通道中即可。

在制作模型近景時，除了依照前面的方法創(chuàng)建主體部分之外，還必須根據(jù)該建筑的詳細圖紙，對每一個建筑物的細節(jié)分別進行創(chuàng)建，賦好貼圖之后，按照實際情況進行位置調(diào)整，最后再進行群組化（Group）處理，以便在場景中對其進行合理的調(diào)用。

另外環(huán)境光源的表現(xiàn)和真實的現(xiàn)場材質(zhì)運用也極為重要，燈光的精細處理會在模型烘焙渲染中產(chǎn)生極為真實的效果，材質(zhì)是整體展現(xiàn)模型質(zhì)感的優(yōu)選手段。因此在每一個場景模型中及時處理好建筑物與這些因素的關(guān)系，對建筑環(huán)境虛擬現(xiàn)實的前期制作是非常重要的。

由于本次研究制作的是若干個建筑三維漫游動畫，因此，能夠使每一個畫面中的建筑布局、人文景觀、城市綠地等都產(chǎn)生合理的亮面、灰面、暗面以及陰影的最好辦法是使用在3ds max中的Sky Lights（天光）系統(tǒng)，配合使用高級照明（Advanced Lighting）中的Light Tracker（照明追蹤）可以形成真實、自然的三維室外光照效果。但研究中也發(fā)現(xiàn)天光系統(tǒng)并不是能夠解決所有的問題，如在動畫過程中，某些建筑物的暗面黑洞洞的一片，影響了整個畫面的最終效果，因此，就需要格外的添加光源，并設(shè)置光源的影響范圍及排除條件，使其只對目標(biāo)物體產(chǎn)生光照，達到補光效果。

上述方法主要是通過路徑約束設(shè)置動畫效果，有時對一個場景的動畫描述也可以通過對Camera視窗設(shè)置關(guān)鍵幀的方法得到。 在漫游中，特別重視環(huán)境的制作，天空、樹木、花草、晨霧、云彩等配景占據(jù)著畫面構(gòu)圖中的大部分空間，對環(huán)境的制作成功與否也在一定程度上決定著整個畫面的最終視覺效果。

樹木、花草的制作可以使用Tree、Storm、Forest、Pro或是NatsEasy這些專門制作植物、森林的3ds Max的外掛插件來完成樹木、花草的制作；還可以使用兩個plane進行垂直交叉，在其Diffuse（漫反射）通道中加入樹木的彩色圖片，在其Opacity（不透明）通道中加入相應(yīng)的黑白圖片的方法得到只占用兩個面的三維的樹木效果，這種方法在其可行性被驗證后，大量應(yīng)用于該項目的人視角遠景環(huán)境制作中，并取得了很好的效果。

配以之前合成的3dsMax三維烘焙模型，本研究虛擬演示制作使用了中視典VRP學(xué)習(xí)版軟件制作，動畫根據(jù)其位置變化可以分為飛行、自由行進、人視角的漫步等幾種狀態(tài)，這幾種狀態(tài)各有各的表現(xiàn)效果，通過為攝像機設(shè)置相應(yīng)的漫游位移路徑，調(diào)整控制節(jié)點個數(shù)、屬性，單位時間內(nèi)路徑的長度確定、路徑的形狀、在場景中的位置等都可以得到相應(yīng)的表現(xiàn)效果。

鏡頭本身不可以沿一個路徑進行約束，但通過添加一個Dummy（虛擬物體），為虛擬物體進行路徑約束，鏡頭的Look At Target對虛擬物體進行Pick Target，將該虛擬物體拾取為鏡頭的跟隨目標(biāo)，其運動可以歸納為推、拉、搖、移、俯、仰、跟、追八種方法。并為攝像機鏡頭設(shè)置的動畫實現(xiàn)了觀測視點的變換效果。將攝像機動畫與攝像機鏡頭動畫進行結(jié)合之后，通過觀測、調(diào)試即能生成雙重交叉的漫游動畫效果。

另外研究中將必要的二維分析、解說等，采用二維、三維動畫及非線性編輯等多種技術(shù)有機的整合到一起，利用DreamWeaver制作的網(wǎng)站平臺使演示中的圖片、文字、聲音、虛擬互動場景文件相互結(jié)合，令演示效果更加生動活潑。將北戴河老別墅最動人之處精練概括出來，使觀者不受其他細枝未節(jié)的干擾，盡快進入主題，深入了解所要展示的精華所在，在充分詳實的基礎(chǔ)上做到主題明確、重點突出、優(yōu)勢畢顯。

3 研究的意義

本研究運用了多學(xué)科多平臺合作的技術(shù)手段，結(jié)合了建筑、結(jié)構(gòu)、景觀等專業(yè)，運用了多個專業(yè)軟件，采用非接觸測量技術(shù)、三維成像技術(shù)，經(jīng)過實地攝影、建筑數(shù)據(jù)采集、二維圖紙繪制、三維模型建立等，實現(xiàn)了歷史建筑影像的三維模型，并利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將修繕保護工程方案制作成一套全面、具體、準(zhǔn)確、生動的修繕過程演示片及網(wǎng)絡(luò)宣傳展示平臺，并希望通過研究成果應(yīng)用，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的保護手段在同類歷史建筑群中得到廣泛的推廣，這將對歷史建筑的保護、更新、延續(xù)具有重要的現(xiàn)實意義。

本研究不僅在于用現(xiàn)代化的手段復(fù)原歷史建筑的原貌，并介于北戴河歷史名人別墅在中國歷史建筑中的重要性，結(jié)合北戴河現(xiàn)狀旅游資源的開發(fā)整合，有針對性的對北戴河歷史建筑提出具有可行性的修繕方案。并且在該研究的進行中，將總結(jié)出的數(shù)據(jù)和形成的步驟及成果等相關(guān)資料進行成庫管理，這將對同類歷史建筑群及各地域保護建筑的保護手段和宣傳都將具有指導(dǎo)性意義。

正確處理好建設(shè)與保護的關(guān)系，是加強北戴河歷史建筑保護的關(guān)鍵。在城市更新的同時，應(yīng)著重保護在近代建設(shè)史上有一定地位、具有史料價值和藝術(shù)價值的優(yōu)秀建筑和能代表城市特色的建筑。保護其原貌、改造其功能，對建筑物周邊的環(huán)境也應(yīng)當(dāng)進行必要的保護。使新舊建筑之間在風(fēng)格、色調(diào)、建筑界面上相協(xié)調(diào)，整體格局達到和諧。同時按照經(jīng)營城市的理念利用好這些歷史文化資源做好文物旅游開發(fā)等項目。并結(jié)合城區(qū)改造，采取逐步整治的方式，注意保存歷史建筑的外貌及特色，在保持原有建筑格局、外觀的前提下，引進和采用現(xiàn)代化生活設(shè)施和市政設(shè)施，以適應(yīng)當(dāng)前生活的需要。但不能大拆大建，而應(yīng)以完善基礎(chǔ)設(shè)施，改善內(nèi)部居住條件，適應(yīng)現(xiàn)代生活功能的需要為原則。調(diào)整部分文物建筑的使用功能，使其具有新的價值。已對外開放的歷史建筑應(yīng)進一步豐富其內(nèi)容，形成可供對外參觀的人文景觀。

近年來，隨著旅游業(yè)的興起和城市的發(fā)展的需要，為凸顯旅游優(yōu)勢和悠久的歷史文脈，新一輪城市規(guī)劃的展開，利用現(xiàn)代三維數(shù)字化技術(shù)和高科技手段對歷史建筑進行靜態(tài)還原保護，并在當(dāng)代歷史語境下對歷史的建筑提出動態(tài)傳承的建設(shè)性修葺措施。無論是對區(qū)域歷史特色的持續(xù)，還是對建設(shè)具有多元文化底蘊的城市以及它與城市經(jīng)濟發(fā)展間的和諧都將會帶來廣泛的經(jīng)濟效益和社會效益。

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