姚美康 ，吳 堯

（1. 順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528300；2. 澳門城市大學(xué)城市管理學(xué)院，澳門 999078）

1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)，就是利用計算機仿真系統(tǒng)創(chuàng)建一種體驗式虛擬世界，實際上也就是生成了一種虛擬化的系統(tǒng)環(huán)境，用來模擬現(xiàn)實狀況，綜合多源信息，形成交互式的三維動態(tài)視景與實體行為，讓體驗用戶仿佛置身于真實的情境中[1-4]。

2 虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢特點

(1)多感知性。計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠讓參與者從聽覺、觸覺、視覺、味覺、嗅覺以及動感等諸方面獲得感知，也就是說，幾乎人類所有能夠感覺到的功能都可以通過VR虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)[5-6]。

(2)存在感。也叫臨場感，可以理解成為真實感，指用戶作為虛擬情境中的主角，在體驗的過程中能夠真實地感受到虛擬環(huán)境，一個成功的虛擬現(xiàn)實環(huán)境能夠讓體驗者難辨真假，就好像置身在真正的環(huán)境中一樣。

(3)交互性。主要指在虛擬環(huán)境中，用戶對物體的可控性和操作性的掌控程度，用戶可以從虛擬環(huán)境獲得真實的反饋結(jié)果，即實時反饋。例如，用戶可直接抓取環(huán)境中的物體，此時，體驗者會有手里握著東西的感覺，能夠感覺到物體的質(zhì)量，而且視覺中的物體也會隨著手的移動而移動。

(4)自主性。主要指在虛擬現(xiàn)實環(huán)境當中，環(huán)境中物體能夠根據(jù)物理學(xué)規(guī)律運動的自主性程度，如在外力作用下，物體會向作用力方向移動，類似樹葉隨風搖擺，海水漲落，都是自主性的體現(xiàn)。

3 建筑遺產(chǎn)保護的意義

我國數(shù)千年歷史孕育了深厚的精神財富與物質(zhì)財富，給全世界人民帶來了寶貴的精神食糧，其中建筑遺產(chǎn)有著不可小覷的重要地位，其保護對于國家、民族文化的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義和價值。保護古建筑與歷史街區(qū)實際上也是在保護城市的記憶，保護城市文化和城市血脈。建筑遺產(chǎn)的保護并非拆與不拆的問題，單純聽從專家意見，或單一從建筑遺產(chǎn)保護技術(shù)角度出發(fā)也不全面。類似故宮、天壇、古羅馬斗獸場這樣的遺產(chǎn)是獨一無二的，而能夠真正成為著名旅游景點的建筑遺產(chǎn)其實很少。需要保護的不一定是荒廢的遺址，也可以是有生命的，上海的老街坊和弄堂就是如此。這些歷經(jīng)歲月洗禮保存下來的遺址未來究竟何去何從，才是所要思考和研究的課題。

隨著科技水平提升，應(yīng)用高新科技手段修復(fù)殘缺破損的古代建筑物成為一種趨勢，它可以降低后期維護難度和成本，減少對古建筑的破壞，避免建筑遺產(chǎn)的歷史價值和文化價值受到人為破壞。其中，VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)表現(xiàn)搶眼，如何更好地應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)修復(fù)與保護建筑遺產(chǎn)已成為熱點話題。當前，我國VR虛擬現(xiàn)實建筑遺產(chǎn)保護技術(shù)發(fā)展水平還存在很多不足，但相信通過不斷努力，VR虛現(xiàn)實技術(shù)會發(fā)揮出更多作用和價值，更好地完成保護與修復(fù)歷史建筑遺產(chǎn)的任務(wù)。

4 當前建筑遺產(chǎn)保護中存在的問題

我國建筑遺產(chǎn)資源豐富，擁有許多享譽國內(nèi)外的歷史名勝古跡，盡管各級地方政府都加強了對歷史建筑遺產(chǎn)的多重保護力度，投放大量資金對破損的建筑進行修復(fù)，并且建造了地方博物館讓人們有機會一睹中國古代文明的璀璨之光，不過在實際工作中，仍然存在諸多問題。

其一，建筑遺產(chǎn)項目在保護過程中會受到自然災(zāi)害或者人為破壞，造成建筑物構(gòu)件的損毀，部分游客素質(zhì)亟待提高。而且，展示過程中也不可避免會被游客有意或無意地破壞，嚴重地影響了建筑物的壽命。

其二，和發(fā)達國家相比，我國建筑遺產(chǎn)保護技術(shù)還有很大提升空間，總體來說，保護方法與技術(shù)手段還比較落后，單純依靠傳統(tǒng)人工保護的方式已不能滿足保護要求，同時人工修復(fù)還會對建筑物造成一定傷害，修復(fù)周期較長，工人工作的危險系數(shù)高。

其三，我國已開放了大量博物館、名勝古跡，隨著更多建筑遺產(chǎn)逐步對公眾開放，如管理和保護措施不到位，會加速建筑遺產(chǎn)的衰敗速度。

5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑遺產(chǎn)保護中的應(yīng)用[7-29]

5.1 保護建筑遺產(chǎn)

VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑遺產(chǎn)保護中具有很多突出優(yōu)勢。例如可避免建筑遺產(chǎn)長期裸露在外，避免遭受自然災(zāi)害，防止建筑物外墻墻體風化、褪色，同時可減少運輸過程中給建筑物帶來的破壞，避免部分游客隨意涂鴉和破壞周邊環(huán)境。很多大型建筑群已經(jīng)開始應(yīng)用該技術(shù)設(shè)計立體模擬景區(qū)，讓游客身臨其境地感受建筑遺產(chǎn)的魅力。

5.2 增加展示頻率

因為VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種專業(yè)數(shù)字化的保護手段，不受時間與空間的限制，因此會有更多發(fā)展空間，展示功能也更強大。它可以讓建筑遺產(chǎn)展示轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂杏^賞性的活動影像，提高展示效果的同時也為人們帶來極大的便利。例如，參觀者可以通過VR影像身臨其境地參觀某些地處偏遠、不易到達的建筑遺產(chǎn)。所以VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以大幅提升展示頻率，讓更多游客有機會近距離觀賞建筑遺產(chǎn)。

6 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑遺產(chǎn)保護中的應(yīng)用實例

6.1 香港天壇大佛

香港天壇大佛坐落在我國香港地區(qū)大嶼山木魚峰頂，是當今世界上最大的露天青銅坐像，大佛由202塊青銅焊接而成，重達250 t，佛身高23 m，蓮花座與基座高34 m。天壇大佛依照佛經(jīng)如來三十二相設(shè)計，面相是龍門石窟的盧舍那佛，衣紋、頭飾是釋迦牟尼佛像，所以香港天壇大佛有隋唐佛教時期的藝術(shù)造像特色。

香港天壇大佛的設(shè)計參照了唐朝建筑群的布局思想和格式，采用了唐朝建筑型制，嚴格依照三進三出的平面規(guī)劃布局。在利用虛擬仿真技術(shù)及三維信息系統(tǒng)對大佛進行保護時，首先需經(jīng)過準確精細的實地測量，獲得每一個構(gòu)件的三維模型數(shù)據(jù)，然后整理形成建筑三維數(shù)字化檔案庫，再加工單一構(gòu)件，最后對多個構(gòu)件進行整體組裝，整個過程都需要監(jiān)控和質(zhì)量把控。

(1)數(shù)據(jù)獲取。香港天壇大佛建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建造要求高，需通過人工測量、儀器測量以及攝影測量、激光掃描的方式，獲得建筑遺產(chǎn)保護的整體規(guī)劃方向和航拍影像。

(2)三維建模。通過前文所提及的各種數(shù)據(jù)采集的手段，就建筑物的某個特定部位構(gòu)建模型，并對單位部件進行組合。通常，一個整體的建筑構(gòu)件會由復(fù)雜的多個小的構(gòu)件組成，需要對每一個構(gòu)件完成三維立體建模。

(3)建造工藝的數(shù)字化轉(zhuǎn)化。關(guān)于建造工藝的數(shù)字化的傳承，大致表現(xiàn)在整體構(gòu)件組裝和部分構(gòu)件組裝兩部分。比如對斗拱部分的組裝，是在實際模型的觀測和數(shù)據(jù)庫研究的基礎(chǔ)上，開展對虛擬組裝的研究，這樣在建筑文化遺產(chǎn)保護施工過程中，工藝規(guī)劃管理與質(zhì)量監(jiān)督就更科學(xué)、便捷、高效。

(4)工程監(jiān)理。工程監(jiān)理指依據(jù)建筑數(shù)據(jù)庫資源和建筑遺產(chǎn)保護專業(yè)知識，通過三維建模，對歷史建筑文化遺產(chǎn)的建筑風格、構(gòu)造作法，展開全面的監(jiān)督管理。在管理的過程中，采用現(xiàn)代遙感、高精度的測量技術(shù)，構(gòu)建傳統(tǒng)歷史文化建筑構(gòu)件的三維立體模型，集成數(shù)據(jù)庫以及三維數(shù)字檔案，為今后的維修保護提供參考依據(jù)。

(5)虛擬漫游。虛擬漫游是虛擬仿真系統(tǒng)技術(shù)的一部分，對于建筑遺產(chǎn)而言，是通過三維數(shù)據(jù)庫資料，建立一種浸入式的瀏覽體驗方式。打破時間空間的限制和束縛，更全面、更系統(tǒng)地展示中國古代傳統(tǒng)文化以及優(yōu)秀建筑文化的工藝特點。通過提供API接口的方式來實現(xiàn)空間限制上的突破，同時漫游系統(tǒng)還可以很好地滿足游客的各種需求，完成對建筑物歷史信息的完整存儲與數(shù)字檔案管理，從而更好地促進地方旅游業(yè)的快速發(fā)展。

6.2 數(shù)字敦煌——莫高窟

敦煌莫高窟位于甘肅省敦煌市境內(nèi)，有著西千佛洞的美稱，居我國四大石窟之首，同時也是世界上現(xiàn)存規(guī)模最大，保存最完好的佛教藝術(shù)圣地。1987年12月，敦煌莫高窟被聯(lián)合國教科文組織評為世界文化遺產(chǎn)。莫高窟開鑿在鳴沙山東麓的斷崖上，南北長度為1 600多m，上下5層,高低錯落、鱗次櫛比。不過，由于年代久遠，風沙、崖體坍塌及地震等自然原因?qū)е履呖呤軗p。另外，人為刻畫、偷盜以及旅游項目的過度開發(fā)，也造成了嚴重的破損和病害，彩塑損壞和壁畫退化速度十分迅速。

隨著信息時代的來臨，數(shù)字化信息革命的浪潮正在波及各個領(lǐng)域，城市及建筑管理也逐步進入數(shù)字化管理時代，敦煌作為我國著名的歷史文化名城，率先實施了數(shù)字化管理，特別是在敦煌建筑文化遺產(chǎn)保護中，植入了數(shù)字化管理技術(shù)，將壁畫、洞窟、彩塑等敦煌各類建筑文化遺產(chǎn)及文物加工制作，收集整理成高品質(zhì)、智能化的數(shù)字圖像，充分收集分散在全球各地的敦煌文獻材料，再對各類素材進行數(shù)字化處理，建立系統(tǒng)的電子檔案，通過近景攝影、航空拍攝、激光掃描的技術(shù)手段，收集莫高窟外部和內(nèi)部的雕塑、壁畫、地貌環(huán)境、地形，多角度、全方位地展開影像數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)的處理，構(gòu)建敦煌莫高窟的正射影像模型、數(shù)字地面模型和三維可視模型，以便更好地凸現(xiàn)莫高窟內(nèi)的三維場景，保護現(xiàn)存的雕塑、壁畫等具有珍貴歷史文化價值的人類遺產(chǎn)，同時也能夠滿足游客通過虛擬仿真的技術(shù)手段全面欣賞莫高窟。

對于莫高窟某個點模型最終成果，先進行高精度的數(shù)據(jù)獲取，包括室內(nèi)掃描、室外獲取，然后制作正射影像與等值線圖，一同集成到三維數(shù)據(jù)庫中，利用測量手段獲取的三維信息模型，完成多點云數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)絡(luò)，建立三維灰度模型，并在紋理拼接和映射后形成完整的三維模型。

6.3 建筑遺產(chǎn)復(fù)原

6.3.1 數(shù)字化復(fù)原方案設(shè)計

為確保復(fù)原工程的順利開展，做到可靠性與科學(xué)性統(tǒng)一，首先要完成復(fù)原方案設(shè)計，即對需要復(fù)原的建筑文化遺產(chǎn)項目進行整體策劃設(shè)計。具體做法可分為4個步驟：首先利用虛擬仿真技術(shù)的表達方法，將復(fù)原所需要的三維體驗?zāi)Ｊ郊皥D片模式進行整合；其次，確定復(fù)原系統(tǒng)的形式，是采用數(shù)字博物館還是虛擬實驗室，不同形式對應(yīng)不同的設(shè)計方案；再次，合理安排時間，建筑遺產(chǎn)復(fù)原過程復(fù)雜，需根據(jù)實際情況進行合理規(guī)劃和安排；最終確定復(fù)原系統(tǒng)大小、清晰度、分辨率以及虛擬仿真復(fù)原結(jié)果的系統(tǒng)參數(shù)等。

6.3.2 實踐路徑

數(shù)字化復(fù)原的實踐路徑中，首先，應(yīng)當對需要復(fù)原的建筑文化遺產(chǎn)有初步了解和調(diào)查，再進行實地實物考察與勘測，統(tǒng)計、勘測具體的數(shù)據(jù)信息和指標。其次，在考察勘測過程中，要針對建筑物本體、周邊環(huán)境以及殘余建筑物進行全面拍攝，盡可能選擇像素較高的拍照設(shè)備。最后，根據(jù)拍攝所得資料構(gòu)建三維模型，并對三維模型進行優(yōu)化設(shè)計。在技術(shù)上，應(yīng)爭取用最少的面來表現(xiàn)，以便后期完成場景制作。在制作過程中，需要對VR虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)性能進行測試，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和兼容性都能夠達到建筑文化遺產(chǎn)復(fù)原的需求。

6.3.3 圖片優(yōu)化技術(shù)和貼圖烘焙

歷史建筑文化遺產(chǎn)數(shù)字化復(fù)原過程中，圖片優(yōu)化技術(shù)和貼圖烘焙手法是整個設(shè)計與復(fù)原過程中的關(guān)鍵步驟。由于不同的圖片格式適用于不同數(shù)據(jù)模型，所以貼圖烘焙處理時，應(yīng)當滿足原圖片的格式要求，采取不同的格式呈現(xiàn)方式。另外，為確保復(fù)原的真實性以及后期復(fù)原場景呈現(xiàn)的系統(tǒng)流暢性，還要對模型進行分類處理，并利用虛擬仿真系統(tǒng)自帶的圖片優(yōu)化軟件，優(yōu)化貼圖文件，適當壓縮圖片，以減少內(nèi)存的占用量。

6.3.4 交互設(shè)計與編譯輸出

在通常情況下需要借助攝像機，最終以交互式場景的形式，完成場景復(fù)原設(shè)置，在交互設(shè)計和編譯中，需應(yīng)用程序模塊來實現(xiàn)編程控制，操作攝像機。在交互式設(shè)計過程中，要將人物角色載入到虛擬場景中，結(jié)合實際情況把控人物比例，要特別注意人物尺度與場景的一致性。另外，在場景中要設(shè)定角色動作，按操作指令完成動作，以達到最真實的人物仿真效果。最終，利用編譯手段，通過格式轉(zhuǎn)換輸出的方式實現(xiàn)模型和指令的輸出，在虛擬狀態(tài)下完成對歷史建筑文化遺產(chǎn)的復(fù)原。

6.4 建筑遺產(chǎn)保護施工過程

6.4.1 施工方案設(shè)計

為更好地實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸性和交互性，保護方案的設(shè)計者應(yīng)參與到情境的計算過程中，對建筑設(shè)計方案給予動態(tài)化的優(yōu)化設(shè)計，確保設(shè)計方案的最優(yōu)解，通過可視化的虛擬模型結(jié)果實時調(diào)整設(shè)計方案。因此，建筑遺產(chǎn)保護施工方案設(shè)計的優(yōu)化流程是：在VR環(huán)境中，利用CAD設(shè)計制圖軟件建立對象的實體模型，在模型中的有限元分析軟件ANSYS中完成幾何信息的輸入，建立三維可視化的有限元分析模型，然后展開計算分析，把有限元模型數(shù)據(jù)與分析結(jié)果分別存入數(shù)據(jù)庫中，完成圖形文件轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)對三維可視化虛擬環(huán)境中模型的沉浸，整個優(yōu)化過程結(jié)合設(shè)計人員的工作經(jīng)驗，由計算機操作完成。

6.4.2 施工人員培訓(xùn)

在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中是交互式操作，用戶具有主觀能動性，且操作可重復(fù)，這一特性為建筑遺產(chǎn)保護工程施工人員的培訓(xùn)提供了一種理想的培訓(xùn)方式。即前期在虛擬環(huán)境中學(xué)習，參與施工組織管理，由于虛擬環(huán)境中的交互方式同現(xiàn)實世界完全一致的，所以在經(jīng)驗豐富的施工人員的引領(lǐng)下，缺少經(jīng)驗的人員能很快熟悉施工方法。另一方面，VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對建筑遺產(chǎn)保護施工方案進行動態(tài)模擬，參與者可隨意選擇觀察點和觀察角度，實現(xiàn)對建筑施工現(xiàn)場的實時漫游，從這個角度上講，VR虛擬仿真技術(shù)是一種有趣的、高效的培訓(xùn)工具。

在建筑遺產(chǎn)保護的實際施工過程中，工序之間彼此的協(xié)調(diào)配合并非易事，而在VR虛擬環(huán)境中，能夠非常直觀地觀察到操作對象之間的相互作用及空間關(guān)系，能對方案進行反復(fù)試驗，獲得參數(shù)，更有利于后期施工方案的實施。當然，過程中有可能產(chǎn)生有干擾對象，要提醒施工人員在實際施工過程中加以注意與提防。

6.4.3 施工組織管理中的實踐

建筑遺產(chǎn)保護工程的施工組織與管理千頭萬緒，而且是動態(tài)變化的，這類工程一般都是比較大型的項目，施工周期長，工程量大，資金投入大，涉及多個工種的協(xié)調(diào)配合，施工材料的調(diào)度安排，設(shè)備機械的管理和分配，還有施工工期、成本控制、質(zhì)量監(jiān)控、后期服務(wù)、合同等項目的管理，虛擬仿真技術(shù)能夠高效實施全過程的施工組織管理。

為了保證有效整合建筑文化遺產(chǎn)保護工程項目的信息，進一步落實對施工過程的集成化、信息化、智能化、可視化的控制與管理，建立4D項目管理信息系統(tǒng)。4D模型是在三維模型基礎(chǔ)上延伸而來的，需要附加時間/成本因素，作為一種可視化媒介，這種技術(shù)合成能夠使用戶清晰地看到物體變化過程中的模擬圖形，提高現(xiàn)場操作的安全性，并優(yōu)化與控制整體變化過程，還能模擬施工時間進度，精確計算與控制工期，方便統(tǒng)籌規(guī)劃和調(diào)度，實現(xiàn)對建筑保護施工過程的交互式可視化與信息智能化管理。

6.4.4 應(yīng)用展望

VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬施工目前在我國尚沒有形成一套完整的理論體系，雖然現(xiàn)階段在西方國家已經(jīng)開始了這方面的研究，但學(xué)術(shù)界和技術(shù)界并沒有明確的關(guān)于虛擬建筑遺產(chǎn)施工保護的界定，所以要加強對建筑施工理論的探索和研究，力求在建筑施工理論上獲得突破。

VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)能否在建筑遺產(chǎn)保護領(lǐng)域中得到更多的推廣與應(yīng)用，取決于計算機硬件與軟件技術(shù)的發(fā)展。就目前而言，虛擬現(xiàn)實軟件系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用對計算機硬件要求比較高，要在專業(yè)的工作站或?qū)嶒炇抑型瓿?，而且國?nèi)還沒有完善的自主開發(fā)軟件平臺，必須向國外進口VR虛擬可視化軟件、建模軟件、虛擬現(xiàn)實軟件以及網(wǎng)絡(luò)接口軟件等。因此要努力建立虛擬現(xiàn)實技術(shù)實驗室，開發(fā)出一套能夠面向工程項目施工的專用集成性軟件系統(tǒng)，減少單項工程的造價，加快VR虛擬軟件的普及，使虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑遺產(chǎn)保護領(lǐng)域中得到更多的推廣應(yīng)用。

7 結(jié)束語

綜上所述，VR虛擬仿真技術(shù)對于歷史建筑文化遺產(chǎn)保護工程具有重大的實用價值和歷史意義，它能提前模擬建筑文化遺產(chǎn)修復(fù)后的情景，不但有利于修復(fù)手段、修復(fù)技術(shù)的可行性研究，而且有利于有序規(guī)劃安排修復(fù)整理過程中各個步驟，縮短工期，還能夠大幅提修復(fù)后的建筑耐久性。

此外，VR虛擬仿真技術(shù)通過影像采集數(shù)據(jù)，建立實物三維模型和數(shù)據(jù)庫模型，實現(xiàn)了對建筑文化遺產(chǎn)信息存檔及永久性保存，為可持續(xù)修復(fù)和保護文化遺產(chǎn)提供了支撐，達到了對瀕危歷史建筑遺產(chǎn)的科學(xué)、精準與永久性的保存之目的。VR虛擬仿真技術(shù)突破了時空限制，通過建立虛擬博物館，向全世界傳播中華文化，實現(xiàn)對歷史建筑文化遺產(chǎn)資源的最大化保護、利用、傳承和發(fā)展。

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