姚爽，陳彥冰，樊晨，周玉佳 （安徽科技學(xué)院，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展與網(wǎng)絡(luò)的普及，獲取資訊變得省時(shí)省力，同時(shí)世界各地為了更快速地傳播文化和更妥善地保存文物古跡，依托互聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的各類(lèi)虛擬圖書(shū)館、虛擬博物館應(yīng)運(yùn)而生。虛擬博物館向使用者呈現(xiàn)各式精選藏品及其歷史淵源，同時(shí)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將原本殘破甚至僅留存文字記載的物件復(fù)原展出。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分兩類(lèi)，虛擬實(shí)境技術(shù)和虛擬虛境技術(shù)，后者在古建筑復(fù)原方面運(yùn)用較為廣泛，如復(fù)原生成已湮滅了的阿房宮，構(gòu)建《清明上河圖》中的北宋汴京城等。

受上述古建筑虛擬復(fù)原項(xiàng)目的啟發(fā)，對(duì)以晥中巢湖為主的古民居建筑展開(kāi)調(diào)研，取巢湖之濱的三河古鎮(zhèn)作為范例進(jìn)行測(cè)繪與建模，并運(yùn)用虛擬虛鏡技術(shù)構(gòu)建保護(hù)性古民居建筑虛擬博物館。

2 晥中古民居建筑特色分析

2.1 晥中巢湖地區(qū)傳統(tǒng)建筑風(fēng)貌

巢湖位于安徽中部，地屬合肥，連淮接江，受地理因素影響，環(huán)巢湖地區(qū)是山水丘陵地帶，地勢(shì)平緩且水系發(fā)達(dá)，并有著“一湖兩城十二鎮(zhèn)”的說(shuō)法，其中十二鎮(zhèn)就包含肥西的三河鎮(zhèn)。而環(huán)巢湖地區(qū)的古民居建筑具有布局復(fù)雜多變、結(jié)構(gòu)自成一脈、材料因地制宜、色彩樸實(shí)自然等特色，在特殊的地理氣候條件的影響下形成了獨(dú)特的建筑形態(tài)，比如走馬回廊——著名的李鴻章故居中的走馬轉(zhuǎn)心樓，因廊寬七尺四面圍合，可供馬匹繞樓內(nèi)一周而得名，下文所述的張百萬(wàn)私宅也借鑒了這一平面形制。此外巢湖地區(qū)民居建筑融入了南北方古民居建筑的元素，用兼容并蓄、融會(huì)貫通的手法造就了環(huán)巢湖地區(qū)古樸典雅的傳統(tǒng)建筑風(fēng)貌。

2.2 三河古鎮(zhèn)傳統(tǒng)民居建筑綜述

三河古鎮(zhèn)古名鵲渚，地處巢湖西岸，位于肥西縣、廬江縣與舒城縣的交界處，古鎮(zhèn)總面積約2.9km2?？傮w上，古鎮(zhèn)的民居建筑多建于明清時(shí)期，建筑風(fēng)格融合北方嚴(yán)整方正的院落式布局形式和皖南徽派建筑精致秀麗的外部造型，其大木構(gòu)架采用抬梁式與穿斗式相結(jié)合的混合式。人文經(jīng)濟(jì)方面，晥中自古受到徽商影響，直至清初徽商躍然成為十大商幫之首，使得三河地區(qū)依靠于豐樂(lè)河、杭埠河米業(yè)發(fā)達(dá)，從而經(jīng)濟(jì)水平顯著提升，外來(lái)人口大量涌入造就了三河古鎮(zhèn)地少人多的狀態(tài)。風(fēng)俗環(huán)境方面，古人重視宅基地的選擇，大戶人家建造多進(jìn)院落，院門(mén)多朝南向但非正南，宅院不超過(guò)九進(jìn)且多為三到五進(jìn)，庭院圍合成“四水歸堂”的形式（圖1）。建筑形式方面，因?yàn)橥恋孛娣e緊張，許多宅院都是占地狹小外觀單一，卻內(nèi)有乾坤，多組三合院四合院相互拼接的平面布局，精致的木雕門(mén)牖和絢麗的彩畫(huà)都彰顯著戶主低調(diào)奢華的生活態(tài)度（圖2）。

圖1 張百萬(wàn)私宅“四水歸堂”（自攝）

圖2 張百萬(wàn)私宅走廊彩畫(huà)（自攝）

古鎮(zhèn)整體的建筑風(fēng)格獨(dú)特，同時(shí)也是晥中古建筑群落中保存最完整的水鄉(xiāng)古鎮(zhèn)，它不僅是歷史文脈，還影響著現(xiàn)代晥中甚至整個(gè)江淮地區(qū)的民居建筑，在建筑設(shè)計(jì)方面的指導(dǎo)影響深遠(yuǎn)。因此，對(duì)于三河古鎮(zhèn)傳統(tǒng)民居的保護(hù)工作至關(guān)重要，使用虛擬復(fù)原技術(shù)和構(gòu)建虛擬博物館能更為長(zhǎng)久地保留木質(zhì)建筑的形象，也能更廣泛地傳播古建筑文化。但由于古鎮(zhèn)因地形和主要街道的影響，形成前店后坊的格局，以至房屋形態(tài)多變、布局復(fù)雜、鱗次櫛比，大大提高了測(cè)繪作業(yè)的難度。

3 三河古鎮(zhèn)民居建筑虛擬復(fù)原

三河古鎮(zhèn)的保護(hù)性民居建筑數(shù)量龐大且種類(lèi)繁雜，廣為人知的有劉同興隆莊、大夫第、張百萬(wàn)私宅和鶴廬等居住建筑，還有曾是戲曲臺(tái)子的萬(wàn)年臺(tái)、道觀仙姑樓和老酒坊民俗園等公共建筑，這些建筑目前保存完好。

此外三河古街上有許多私宅，有的是前店后坊的格局，即前部商業(yè)后部居住的結(jié)構(gòu)，有的是下部商業(yè)上部居住的結(jié)構(gòu)，有的是中間商業(yè)兩側(cè)居住的結(jié)構(gòu)，沿街的商業(yè)店鋪都使用木板修筑正面的墻體，并用馬頭墻的山墻分隔。下圖為筆者團(tuán)隊(duì)用AutoCAD和SketchUp復(fù)原的古西街模型（圖3）。

圖3 三河古鎮(zhèn)復(fù)原模型（自繪）

3.1 傳統(tǒng)民居虛擬復(fù)原流程

構(gòu)建保護(hù)性古民居建筑虛擬博物館項(xiàng)目需要時(shí)間，三河古鎮(zhèn)民居建筑的虛擬復(fù)原工作也并非一朝一夕可以完成。

虛擬復(fù)原工作包括兩個(gè)步驟。

①實(shí)景采集與測(cè)繪制圖。實(shí)景采集主要針對(duì)民居建筑中的木雕、石作、瓦作、彩畫(huà)等，通過(guò)拓印和拍攝的方法記錄保存，后可導(dǎo)入SketchUp供建模使用和置入博物館中展覽。測(cè)繪制圖指的是用紅外測(cè)距儀、全站儀測(cè)得數(shù)據(jù)繪制手稿，手稿圖紙記錄建筑的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，比如大木構(gòu)件、小木構(gòu)件的尺寸和位置，之后使用AutoCAD整理手稿內(nèi)容。

②軟件建模與場(chǎng)景渲染。軟件建模是整合第一步獲取的圖片和數(shù)字信息，利用SketchUp、Rhino、3ds Max等三維建模軟件，構(gòu)建民居整體和各類(lèi)建筑構(gòu)件的虛擬模型。場(chǎng)景渲染則是用到Lu?mion。

3.2 張百萬(wàn)私宅虛擬復(fù)原展示

為了更為直觀的闡明上述步驟，下文將展示張百萬(wàn)私宅的虛擬復(fù)原過(guò)程。張百萬(wàn)私宅始建于晚清時(shí)期，距今有160年歷史，原為財(cái)主張百萬(wàn)為待字閨中的女兒修建的兩層繡樓，現(xiàn)已改稱(chēng)為古娛坊。此繡樓平面布局為四合院式，共兩層。一層南側(cè)為門(mén)廳，中央天井區(qū)域東西各用六扇木雕花窗遮擋視線，西側(cè)有木質(zhì)樓梯通向二層，一樓北側(cè)為會(huì)客廳與耳房；二樓南北兩側(cè)各為丫鬟房和小姐房，其中丫鬟房前的走廊檐枋不足1.5m高。東西向皆為過(guò)廊，其中西側(cè)的山墻內(nèi)壁繪有仕女圖的彩畫(huà)。二層圍繞院落中心天井四周設(shè)置走馬回廊，并在天井中央開(kāi)了一方水池，使得四方雨水皆匯于此，寓意財(cái)不外露（圖4、圖5）。

圖4 張百萬(wàn)私宅一層平面圖（自繪）

圖5 張百萬(wàn)私宅模型（自繪）

4 構(gòu)建虛擬博物館的技術(shù)分析

虛擬博物館是古民居虛擬復(fù)原成果的載體，搭建符合線上觀展的展廳，有效融合古民居建筑元素，都是為了在藝術(shù)層面上更好地烘托復(fù)原成果，技術(shù)方面是通過(guò)虛擬虛鏡技術(shù)達(dá)到身臨其境的感受。在三河古鎮(zhèn)虛擬博物館的構(gòu)建過(guò)程中，為達(dá)到預(yù)期的視覺(jué)效果，先后采用了兩種技術(shù)方法，分別是360度全景漫游技術(shù)和基于Unity3D的VR技術(shù)。

4.1 兩種技術(shù)的適用性與弊端

4.1.1 360度全景漫游技術(shù)分析

360度全景漫游技術(shù)是一項(xiàng)新興文博展覽技術(shù)，在視覺(jué)效果呈現(xiàn)和動(dòng)態(tài)鏡頭模擬等程序的控制下實(shí)現(xiàn)全方位的交互視覺(jué)效果，觀展者足不出戶也可以身臨其境的感官體驗(yàn)。與傳統(tǒng)的360度全景虛擬技術(shù)相比，360全景虛擬技術(shù)是指將實(shí)攝的二維圖片處理成三維場(chǎng)景的技術(shù)，也多用于將實(shí)體展廳轉(zhuǎn)化為可供線上觀展的虛擬展廳，屬于虛擬實(shí)鏡技術(shù)范疇。二者相比，360度全景漫游技術(shù)增強(qiáng)了空間感官的塑造，改善了360度全景虛擬技術(shù)因升維導(dǎo)致的視角畸變，運(yùn)用范圍也不局限于線上展廳、全景地圖等，由于增加了交互性能，提高了情景的趣味性。

360度全景漫游技術(shù)的特點(diǎn)在于兩方面。

①漫游中的展品是采用數(shù)字化技術(shù)復(fù)原的，觀覽者可以全方位的觀察展品，既不同于傳統(tǒng)展廳隔著陳列柜欣賞展品帶來(lái)的模糊感，也不同于全景虛擬展廳中的展品——帶著鏡頭畸變的二維圖片帶來(lái)的虛假感，它通過(guò)交互性能帶給觀覽者真實(shí)感，觀覽者可以“拿起”展品細(xì)致品鑒，也不必?fù)?dān)心損壞展品。

②漫游場(chǎng)景是基于真實(shí)數(shù)據(jù)構(gòu)建的，展廳的空間適宜于展品和觀覽者，動(dòng)線合理、層層遞進(jìn)的空間處理使觀覽者產(chǎn)生身臨其境的沉浸感。針對(duì)于古建筑類(lèi)型的博物館，大多會(huì)專(zhuān)門(mén)設(shè)置一間或多間古建筑場(chǎng)景1∶1還原的展室作為觀展過(guò)程中的高潮，而360度全景漫游技術(shù)與之結(jié)合能增大古建筑還原場(chǎng)景規(guī)模。

4.1.2 基于Unity3D的VR技術(shù)分析

Unity是一款有著實(shí)時(shí)交互功能的游戲引擎，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，不同專(zhuān)業(yè)間的交叉領(lǐng)域增多，Unity已經(jīng)不單單是一個(gè)游戲引擎，其使用范圍已擴(kuò)大到諸多領(lǐng)域。在AEC領(lǐng)域，Unity可以將工程圖紙打造成可視化的三維實(shí)體，并構(gòu)建虛擬場(chǎng)景達(dá)到交互的目的，通過(guò)虛擬體驗(yàn)可以對(duì)設(shè)計(jì)方案的利弊作出合理評(píng)估，這大大的降低了工程設(shè)計(jì)的成本，尤其在建筑工程方面運(yùn)用較為普遍，其中以美國(guó)布魯克林的9 Dekalb項(xiàng)目為代表。而在古建筑虛擬復(fù)原方面，近年來(lái)我國(guó)有多所高校的數(shù)字媒體技術(shù)專(zhuān)業(yè)與建筑學(xué)專(zhuān)業(yè)在研究該課題，通常是利用Unity搭載環(huán)境vrtk，結(jié)合HTC VIVE PRO眼動(dòng)追蹤技術(shù)，渲染生成無(wú)固定路徑的交互式場(chǎng)景。

360度全景漫游技術(shù)的普適性較強(qiáng)，可兼容各類(lèi)播放設(shè)備，適宜各年齡段人群使用，對(duì)傳播古民居文化更有利。Unity3D則是擁有逼真的渲染效果，非固定的游覽路徑更刺激感官，但對(duì)設(shè)備的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于360度全景漫游技術(shù)。

4.2 三河古鎮(zhèn)民居建筑虛擬博物館構(gòu)建過(guò)程

基于古民居建筑的虛擬復(fù)原這一主題，先根據(jù)Vray For SketchUp的模型成果，對(duì)需要搭建SketchUp模型的古民居建筑數(shù)量和規(guī)模進(jìn)行評(píng)估，然后對(duì)展示場(chǎng)景和漫游流線進(jìn)行規(guī)劃，設(shè)計(jì)符合線上展覽功能的空間?？紤]到VR頭顯的普及度較低，虛擬博物館的構(gòu)建以360度全景漫游技術(shù)為主，Unity作為后期的技術(shù)補(bǔ)充。

5 三河古鎮(zhèn)民居建筑虛擬博物館成果展示

三河古鎮(zhèn)的董寅初紀(jì)念館是一所由古民居改建的博物館，館內(nèi)布置古建筑木構(gòu)件原件、經(jīng)修復(fù)后的家具實(shí)體模型、包含圖片和文字的展板，全面反映了當(dāng)?shù)毓琶窬游幕臍v史脈絡(luò)。以此作為參考，結(jié)合實(shí)地調(diào)研與資料查閱，還原三河古鎮(zhèn)民居建筑歷史面貌。

虛擬博物館總面積為580m2（圖6），分三個(gè)展室。

圖6 展品室（自繪）

①沙盤(pán)展室。中央放置三河古鎮(zhèn)沙盤(pán)，兩面墻壁懸掛古民居的歷史文脈、人文內(nèi)涵、風(fēng)俗典故、營(yíng)造技法的展板，并在展廳中設(shè)置交互屏幕，讓觀覽者更全面的了解三河民居建筑。

②展品室。展示張百萬(wàn)私宅的虛擬復(fù)原模型與民居建筑中原有的古器文物，中央模型在360度全景漫游技術(shù)的加持下可以隨意旋轉(zhuǎn)放縮觀察。

③實(shí)景展室。該展室有六個(gè)1∶1還原的古民居場(chǎng)景，這類(lèi)展室存在于許多線下大型古建筑博物館，但在線上搭建實(shí)景遠(yuǎn)比線下省時(shí)省力，依托360度全景漫游技術(shù)仍然可以讓觀覽者體會(huì)到與線下觀展別無(wú)二致的樂(lè)趣。

6 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建保護(hù)性古建筑虛擬博物館是一個(gè)系列課題，全國(guó)各地有著數(shù)以千計(jì)的古建筑群落，而對(duì)古建筑的保護(hù)工作不應(yīng)該僅停留在木結(jié)構(gòu)防腐、防潮、防火等方面，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)達(dá)的今天更需要用數(shù)字化的技術(shù)保存古老的文明。三河古鎮(zhèn)地虛擬復(fù)原和虛擬博物館地構(gòu)建拋磚引玉，呼吁古建筑保護(hù)工作與時(shí)俱進(jìn)，為古建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)工作提供新思路。