三維虛擬技術(shù)在中國(guó)古建筑維護(hù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展路徑

文 / 吳揚(yáng)

三維虛擬技術(shù)在中國(guó)古建筑維護(hù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展路徑

文 / 吳揚(yáng)

古建筑作為重要的古代建筑文物，見(jiàn)證了人類文明及歷史的發(fā)展，體現(xiàn)了古代勞動(dòng)人民在建筑工程、文化藝術(shù)方面的成就。這些文物歷經(jīng)千百年的時(shí)代變遷，都在不同程度上受到了人為和自然界的破壞和損毀。文章就古建筑維護(hù)方面存在的一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題進(jìn)行闡述，并對(duì)當(dāng)前數(shù)字媒體領(lǐng)域中的三維虛擬技術(shù)在古建筑修復(fù)、演示方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討與分析，希望對(duì)古建筑維護(hù)手段及古代文化傳播有所幫助。

三維虛擬技術(shù)；古建筑

我國(guó)歷史悠久，地大物博，鉛華過(guò)后，留下了許許多多的古建筑，這些古建筑遺產(chǎn)是人類共同的珍貴財(cái)富，對(duì)中華兒女意味更深。一方面，它是歷史的真實(shí)見(jiàn)證，攜帶了大量的歷史文化信息，具有獨(dú)特的傳承紀(jì)念價(jià)值；另一方面，古建筑是古代勞動(dòng)人民智慧的象征，即便是今天，古建筑身上仍然存在著很多值得研究借鑒的地方，做好了古建筑保護(hù)工作，對(duì)整個(gè)社會(huì)有著特殊的文化感情意義。

然而，目前我國(guó)的古建筑生存狀況令人堪憂，很多古建筑正處于危險(xiǎn)的境地，其生存威脅包括時(shí)間的磨損、地殼運(yùn)動(dòng)的變化以及自然氣候的影響，但最主要的還是人類活動(dòng)。近些年來(lái)出現(xiàn)的旅游業(yè)對(duì)古建筑的破壞不可謂不嚴(yán)重，所以，系統(tǒng)而科學(xué)的維護(hù)工作對(duì)于古建筑的生存而言至關(guān)重要。

受到歷史及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響，目前尚有大量的古建筑急需修復(fù)，但僅靠傳統(tǒng)的手工修繕維護(hù)技術(shù)無(wú)法滿足破損古建筑量的需求，而且傳統(tǒng)的維修復(fù)原手段主要靠人力手工技藝完成，工作量及耗費(fèi)的時(shí)間相當(dāng)大。且在修復(fù)的過(guò)程中必須按照古法搭建技術(shù)層層遞進(jìn)，步步嚴(yán)謹(jǐn)，稍有不慎還會(huì)出現(xiàn)古建筑物的再次損壞，故存在一定的風(fēng)險(xiǎn)因素。所以，為了減少和避免古建筑修復(fù)過(guò)程中耗時(shí)及再損壞現(xiàn)象，三維虛擬修復(fù)保護(hù)技術(shù)的研究已成為未來(lái)古建筑維護(hù)的必要手段。

一、當(dāng)前我國(guó)古建筑的體系及生存現(xiàn)狀

中國(guó)封建社會(huì)歷時(shí)兩千多年,在歷史長(zhǎng)河中,歷代匠師們?cè)趥鹘y(tǒng)思維的影響下，從古建筑的總體布局再到其中的每一個(gè)細(xì)微的構(gòu)件，從體積到造型，從裝飾美到藝術(shù)美，無(wú)一不體現(xiàn)出中華民族傳統(tǒng)文化的深度和底蘊(yùn)，從而建造出具有韻律感的民居、莊嚴(yán)的宮殿寺院、廟宇，建造師通過(guò)長(zhǎng)期在實(shí)踐中的不斷探索、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，繼承發(fā)展，形成了龐大的中國(guó)建筑體系。隨著時(shí)間的推進(jìn)，從最初原始社會(huì)的穴居、木架、夯土的土木結(jié)構(gòu)到唐代的佛教寺、塔、石窟再到宋代的寺廟園林建筑，最后進(jìn)化到代表中國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑最高水平的明、清以來(lái)的故宮、天壇、頤和園等著名的歷史文物建筑，其中經(jīng)歷了長(zhǎng)期繼承發(fā)展的過(guò)程，無(wú)論從結(jié)構(gòu)上還是形式上，始終都是承前啟后、一脈相承的，并保持一貫的完整性，具有鮮明的特色，使我國(guó)的古建筑在世界上形成了專屬獨(dú)特的體系和風(fēng)格[1]。

中國(guó)古建筑多以茅草、土、木、磚、石作為建筑材料，人們對(duì)這些天然或半天然材料進(jìn)行巧妙的組合搭配，才形成各種式樣不同地域風(fēng)格的建筑。木質(zhì)結(jié)構(gòu)作為最常用房屋基材，其材料具有自重輕、韌性強(qiáng)、易加工、建造靈活等特點(diǎn)，結(jié)實(shí)多變的卯榫結(jié)構(gòu)能讓建筑物在經(jīng)歷了幾百年、甚至千年以上都屹立不倒。

隨著朝代的更替，大小戰(zhàn)亂的人為破壞，使得許多古建筑物遭到毀滅，如公元前三世紀(jì)，秦朝宮殿阿房宮，被“楚霸王”項(xiàng)羽放火燒掉，史書(shū)記載：“燒秦宮室，火三月不滅。”位于山西省朔州市的應(yīng)縣木塔，作為中國(guó)現(xiàn)存最高的遼代木結(jié)構(gòu)塔式建筑，在舊中國(guó)的軍閥混戰(zhàn)中，遭受了大量的炮彈襲擊，致使部分梁柱劈裂、歪閃?？谷諔?zhàn)爭(zhēng)期間，更是有大量古建筑文物遭到了日本帝國(guó)主義的破壞及掠走，至今下落不明。[2]直接造成了古建筑的永久性毀滅，帶來(lái)了不可估量的損失。再者，木材作為生物材料，又使得木結(jié)構(gòu)存在著天然的弱點(diǎn)，主要是易腐朽、易蛀和易燃，加上火災(zāi)、臺(tái)風(fēng)、地震等自然因素的破壞，導(dǎo)致能夠存留下來(lái)的古建筑已經(jīng)面目全非且不可再生。所以，如何運(yùn)用當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)和科技進(jìn)行保護(hù)和復(fù)原就成了古建筑維護(hù)中一項(xiàng)重要研究項(xiàng)目。

二、三維虛擬技術(shù)在古建筑維護(hù)中的應(yīng)用

（一）三維虛擬技術(shù)概念

三維虛擬技術(shù)是一種借助于感官體驗(yàn)，以視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)為主的實(shí)時(shí)模擬、交互技術(shù)，緊跟著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，集計(jì)算機(jī)圖學(xué)、人工智能、人機(jī)接口技術(shù)、實(shí)時(shí)計(jì)算等為一體。三維虛擬技術(shù)最吸引人的地方就在于它可以憑借計(jì)算機(jī)卓越的計(jì)算處理能力，向用戶提供本體的感官交互體驗(yàn)，這是一種新型的高科技，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域且?guī)?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。上世紀(jì)90年代，三維虛擬技術(shù)初步進(jìn)入古建筑維護(hù)領(lǐng)域，它將計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)及仿真學(xué)等多項(xiàng)科技融合起來(lái)，把古建筑通過(guò)多媒體圖像及影片的重新設(shè)計(jì)并再現(xiàn)出來(lái)，從而可以有效地營(yíng)造虛擬世界，將破損、接近消失甚至已經(jīng)泯滅的古建筑再現(xiàn)于人們的眼前，在一定程度上讓人們認(rèn)識(shí)和了解古建筑的文化及歷史意義，實(shí)現(xiàn)了教育和保護(hù)功能。

（二）三維虛擬技術(shù)在古建筑維護(hù)中的優(yōu)勢(shì)

如今三維數(shù)字技術(shù)已遍布人們?nèi)粘Ｉ?，其表現(xiàn)形式在醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)、政治、文化等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用異常豐富，特別是在文物及古建筑的修復(fù)方面也得到了迅猛發(fā)展。近幾年，我國(guó)國(guó)家文物局啟動(dòng)了“中國(guó)數(shù)字博物館”重大課題研究，提出運(yùn)用多種科學(xué)方法和現(xiàn)代化技術(shù)手段，對(duì)古建筑及文物進(jìn)行“五化”建設(shè)，即存儲(chǔ)數(shù)字化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化、資源共享化、展示多元化、管理計(jì)算機(jī)化。其中存儲(chǔ)數(shù)字化和展示多元化都要求對(duì)古建筑及其周邊環(huán)境進(jìn)行三維虛擬仿真，實(shí)現(xiàn)人們希望隨時(shí)隨地參觀古建筑文物的文化生活需求，因此，三維虛擬憑借其便利、直觀技術(shù)優(yōu)勢(shì)必將成為未來(lái)古跡維護(hù)和展示的重要手段。

歲月的侵蝕以及各種人為因素的影響，使許多古建筑出現(xiàn)了不同程度的破壞，如若得不到及時(shí)修復(fù)，必然會(huì)造成巨大損失。一直以來(lái)，我國(guó)古建筑維護(hù)工作走的都是直接主動(dòng)的風(fēng)格，即采用傳統(tǒng)技術(shù)和材料對(duì)病變、損壞結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固修復(fù)，近些年，隨著新媒體技術(shù)的發(fā)展，業(yè)內(nèi)開(kāi)始嘗試采用三維虛擬技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行維護(hù)。較之傳統(tǒng)修復(fù)方式，三維虛擬技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，它既大幅度減少了資金、人力上的投入，又以一種科學(xué)有趣的方式提供給參觀者多維的體驗(yàn)，古建筑原體的不直接操作更是避免了人員修復(fù)過(guò)程中的二次破壞，因而具有光明的應(yīng)用前景。

1.增強(qiáng)古建筑的展出效果。三維虛擬技術(shù)的保護(hù)作用，主要表現(xiàn)為對(duì)古建筑的場(chǎng)景還原，包括紋理、色彩、亮度等細(xì)節(jié)甚至于身處不同環(huán)境的光影效果改變都可以系統(tǒng)、真實(shí)地再現(xiàn)。用戶通過(guò)三維虛擬技術(shù)設(shè)備，能夠細(xì)致地觀察到古建筑的每個(gè)角度，聆聽(tīng)古建筑的歷史，對(duì)其達(dá)到全方位、多媒體的認(rèn)知。與此同時(shí)，部分建筑可能正處于損耗嚴(yán)重的狀態(tài)，利用一定的空間對(duì)之進(jìn)行原貌模擬，有效地避免了古建筑的進(jìn)一步消亡。

以故宮博物院開(kāi)發(fā)的《紫禁城·天子的宮殿》為例，就是通過(guò)三維高清虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)故宮主要古建筑和珍藏文物的形式、結(jié)構(gòu)特征、表面裝飾乃至建筑技術(shù)和建筑藝術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、系統(tǒng)、綜合性的采集和逼真的三維仿真再現(xiàn)，從而建立完整的、傳世的古建筑和古文物三維數(shù)字模型及數(shù)據(jù)庫(kù)。并且讓游客以第一人稱視角參與其中，通過(guò)仿真場(chǎng)景中的互相交流，從而產(chǎn)生身臨其境的人機(jī)虛擬互動(dòng)視聽(tīng)效果，達(dá)到科普和展示的完美統(tǒng)一。

圓明園作為皇家園林建筑的代表，被譽(yù)為“萬(wàn)園之園”。2010年，在圓明園罹劫150周年之際，中視典數(shù)字科技推出了全球首個(gè)虛擬圓明園主題網(wǎng)站，利用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)恢復(fù)圓明園建筑群完美的景象，氣勢(shì)恢宏、制作精美，其中陳設(shè)、布局真實(shí)精細(xì)，構(gòu)造紋理也清晰可辨，運(yùn)用聲、光、電等高科技手段動(dòng)感呈現(xiàn)，使觀者如臨仙境，讓曾經(jīng)消逝的人類園林瑰寶再次逼真地呈現(xiàn)在世人面前。[3]讓大家更加直觀、方便地了解和緬懷這一段沉痛的歷史，具有觀賞和愛(ài)國(guó)主義教育雙重意義。

2.優(yōu)化古建筑的維護(hù)手段。我國(guó)許多古建筑上都有著大量而豐富的彩繪，題材各異，如梁坊上的人物故事、門牌上的花鳥(niǎo)魚(yú)蟲(chóng)、游廊中的飛禽走獸，無(wú)一不體現(xiàn)出我國(guó)在傳統(tǒng)建筑藝術(shù)的功能和裝飾上的完美結(jié)合。然而，隨著歲月的流逝，現(xiàn)存古建筑普遍出現(xiàn)脆化、脫色、漆皮剝落等現(xiàn)象，人工修復(fù)存在不確定性，很有可能出現(xiàn)損壞加劇的情況。因此，通過(guò)三維虛擬技術(shù)，我們可以事先模擬修復(fù)后的影像，檢驗(yàn)多種修復(fù)方案的可行性以及修復(fù)后的維護(hù)環(huán)節(jié)，并且經(jīng)過(guò)原始數(shù)據(jù)的處理，用戶可以主動(dòng)地在虛擬環(huán)境中添加、修改對(duì)象，以多維角度對(duì)修復(fù)后的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估、二次加工，三維虛擬技術(shù)帶來(lái)的身臨其境感大大增強(qiáng)了維護(hù)方案的科學(xué)性與精準(zhǔn)程度。

3.充分挖掘古建筑的綜合價(jià)值。古建筑和文物一樣，都屬于不可再生資源，不同地區(qū)的古建筑展現(xiàn)出其風(fēng)格迥異的地域風(fēng)貌特色。我國(guó)國(guó)土遼闊，古建筑幾乎遍布于每個(gè)省份的各個(gè)地區(qū)。但由于受到地質(zhì)因素和朝代變遷的影響，有很多古建筑處于交通閉塞的偏遠(yuǎn)地區(qū)，古建筑所載有的經(jīng)濟(jì)文化價(jià)值難以充分地展現(xiàn)和研究。而三維虛擬技術(shù)巧妙地避開(kāi)了這些建筑遺產(chǎn)的劣勢(shì)，提供了脫離本體依舊達(dá)到全方位展出目的的科技平臺(tái)。科技治國(guó)一直是新中國(guó)的發(fā)展方針，現(xiàn)代人也越來(lái)越樂(lè)于接受高科技，所以如若能夠通過(guò)新媒體技術(shù)將古建筑資源整合起來(lái)，形成三維虛擬系統(tǒng)展示給觀眾，也是一種對(duì)古建筑綜合價(jià)值的開(kāi)發(fā)性保護(hù)。

三、三維虛擬技術(shù)在古建筑維護(hù)中的社會(huì)意義

（一）廣泛傳播體現(xiàn)文化傳承

三維虛擬技術(shù)的運(yùn)用為古建筑的保護(hù)、研究以及廣泛傳播提供了新的技術(shù)支持，增加了對(duì)古建筑傳播以及傳承的途徑。三維虛擬技術(shù)的運(yùn)用打破了傳統(tǒng)對(duì)于古建筑的傳播及保護(hù)方式，用數(shù)字化的形式生動(dòng)地再現(xiàn)古建筑的歷史由來(lái)及建筑風(fēng)貌，從而使古建筑在虛擬現(xiàn)實(shí)中得到永久保護(hù)。將古建筑圖像和虛擬復(fù)原古建筑以數(shù)字化的形式呈現(xiàn)在數(shù)字圖書(shū)館和數(shù)字博物館及其他媒體，并用于檢索和展示研究，這樣的傳播途徑和方式不僅起到了很好的展示和宣傳作用，在資源共享的同時(shí)也在一定程度上填補(bǔ)了館藏文物的缺失，使古建筑所承載的文化資源得以在更廣闊范圍內(nèi)進(jìn)行傳承與交流。其次，強(qiáng)大的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使人們可以通過(guò)手機(jī)、電視、戶外媒體等輕松獲取古建筑的全面信息，對(duì)古建筑的展示及宣傳都能引起更大范圍的關(guān)注。

（二）精度修復(fù)體現(xiàn)科研價(jià)值

一般古建筑歷經(jīng)時(shí)代變遷、自然災(zāi)害、人為破壞等飽含滄桑都多少會(huì)有損壞，有的年久失修或未能及時(shí)修復(fù)使古建筑處于一種尷尬境況，在修復(fù)過(guò)程中會(huì)遇到材料、技術(shù)、修復(fù)者審美等問(wèn)題存在，導(dǎo)致修復(fù)工作存在一定的缺憾，而三位虛擬技術(shù)在這方面卻有著驚人的表現(xiàn)，計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的技術(shù)可以讓古建筑修復(fù)工作不再繁雜，簡(jiǎn)單且更加精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)古建筑修復(fù)數(shù)據(jù)管理的系統(tǒng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，在短時(shí)間內(nèi)高效地再現(xiàn)古建筑的原始風(fēng)貌及不同時(shí)期的歷史風(fēng)貌，博大精深的古建筑文化精準(zhǔn)快捷的呈現(xiàn)，為古建筑的研究提供直觀的科研價(jià)值，也使得古建筑所承載的文化資源得以更加廣泛地研究與挖掘。

四、結(jié)語(yǔ)

21世紀(jì)是信息分享的時(shí)代，三維虛擬技術(shù)在社會(huì)生活中運(yùn)用得愈加廣泛，它以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，大幅度改變著人們的生活方式，同時(shí)帶來(lái)超出尋常的便捷性。時(shí)下，三維技術(shù)仍然處于發(fā)展階段，存在著很多矛盾，對(duì)其進(jìn)行研究有著必要的現(xiàn)實(shí)意義，古建筑的復(fù)原技術(shù)是一項(xiàng)長(zhǎng)期艱巨的任務(wù)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的進(jìn)步，將會(huì)有更多的古建筑得到進(jìn)一步的數(shù)字虛擬修復(fù)及展示，從而拓展傳統(tǒng)古代文化的傳承，推動(dòng)人類社會(huì)文化史和建筑藝術(shù)史的發(fā)展研究。

[1]張馭寰.中國(guó)古建筑源流新探[M].天津:天津大學(xué)出版社,2010.

[2]祁英濤.中國(guó)古代建筑的保護(hù)和維修[M].北京:文物出版社,1986.

[3]孫霖楠.數(shù)字技術(shù)之于文物修復(fù)的意義研究[J].博物館研究,2010,(1).

TU17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-9652（2016）06-0180-03

江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“明代南昌城數(shù)字虛擬復(fù)原研究”的階段性成果，項(xiàng)目編號(hào)：CK201412251。

（責(zé)任編輯：魏登云）

吳揚(yáng)（1983-），男，江西南昌人，南昌航空大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，碩士，講師，研究方向：設(shè)計(jì)學(xué)。