基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的南京明城墻數(shù)字復原研究

李至惟

（南京藝術(shù)學院 設(shè)計學院， 江蘇 南京，210013）

一、南京明城墻現(xiàn)狀

“經(jīng)營邑都，其取龍盤虎踞之勢，長江護衛(wèi)之雄，群山拱翼之嚴，化天地之所造社也?！盵1]

——（明）《洪武京城圖志·序》

明城墻是古都南京的城市名片，對于城市未來的發(fā)展以及城市文脈建設(shè)具有重要的意義。“人盡其謀，地盡其力”，是后代對南京明城墻設(shè)計理念和施工工藝的高度概括。明城墻突出以皇權(quán)為設(shè)計原則，不惜代價地追求“非古之金陵，亦非六朝之建業(yè)”的“一代之制”，因此其形制的文化內(nèi)涵極為豐富。

南京明城墻始建于朱元璋時期，明代包含宮城、京城、內(nèi)廓、外廓，現(xiàn)存的城墻指內(nèi)廓。二戰(zhàn)期間南京明城墻受到日軍的轟炸，包括中華門的城樓在內(nèi)的珍貴歷史遺存毀于一旦，1955—1962年間又在拆城運動中以“城市建設(shè)[2]”為由拆除了約11.5km，通濟門這個當時世界最大甕城也因此完全消失。

1.漢西門遺址

漢西門遺址位于今漢中門廣場區(qū)域，它的歷史最早可以追溯到南唐都城的大西門，明代改建并稱作“旱西門”。清末民初的排滿興漢思潮中，改名為“漢西門”。在上世紀的城市建設(shè)中，漢西門損毀嚴重，大量城磚被挪作新房建設(shè)。南京市政府于1997年加固了殘存部分，并將該區(qū)域改造成了漢中門廣場。遺址現(xiàn)存主城樓基座、閘樓基座一座、城墻片段若干（圖1）。

圖1 漢中門廣場現(xiàn)狀（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

圖2 20世紀30年代國民政府航空測量隊拍攝的通濟門舊照及僅存遺址位置標示（紅色圈內(nèi)為遺址位置）

圖3 “Virtual Egyptian Temple”項目（圖片來源于項目官網(wǎng)）

由于道路建設(shè)以及漢中門廣場的修建占用了遺址地塊，實體復原漢西門完整的甕城結(jié)構(gòu)已不現(xiàn)實。

2.通濟門

20世紀30年代朱契的《金陵古跡圖考》寫道：“十三門中，三山，通濟而外，以聚寶最為崇宏。”[3]南京地方志辦公室編纂的《南京建置志》則寫道：“在現(xiàn)存的清代實測地圖上按比例尺計算，通濟門內(nèi)甕城占地面積為明代南京十三座京城城門中最大的一座?！盵4]不僅如此，通濟門被秦淮河所環(huán)繞，古代取象于意為水流盛大樣子的《易經(jīng)》中的“渙”卦來設(shè)計該甕城的建筑形制，把通濟門設(shè)計成了船型結(jié)構(gòu)[5]，具有極高的歷史價值與文化價值。與漢西門僅為局部損壞的情況不同，通濟門在上世紀50年代末興起的拆城運動中被徹底拆除，所處地塊已被龍蟠中路以及居民小區(qū)占據(jù)，因此無法對通濟門進行實地測量。幸運的是，現(xiàn)存一張20世紀30年代國民政府航空測量隊拍攝的通濟門舊照。通過照片可以發(fā)現(xiàn)通濟門與保存較為完好的中華門在結(jié)構(gòu)上有頗多相似之處，例如都有雙排藏兵洞結(jié)構(gòu)，因此，通過對中華門結(jié)構(gòu)的研究可以探知通濟門的構(gòu)造特征。另外，近年又發(fā)現(xiàn)了通濟門甕城一角的地基遺址，由此可以知道通濟門的確切位置以及它的地基材料信息（圖2）。

二、運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)復原南京明城墻的意義

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）就是使用具有交互性的軟件和硬件設(shè)備，創(chuàng)造真實性和沉浸感的人工模擬的三維環(huán)境，并通過用戶的肢體對其進行控制， “通過電腦產(chǎn)生沉浸感、交互性的體驗[6]”。沉浸式體驗是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心要求，要為用戶帶來沉浸式體驗，需要多方面因素的共同作用，包括生成虛擬環(huán)境、用戶感知、用戶動作以及相應傳感設(shè)備。

近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種新技術(shù)手段被廣泛運用于遺址展示領(lǐng)域。例如美國匹茲堡的卡內(nèi)基自然歷史博物館（Carnegie Museum of Natural History）的 虛 擬 現(xiàn) 實 項 目“Virtual Egyptian Temple”（圖3）就利用該技術(shù)對古埃及的廟宇進行數(shù)字復原，通過精細的模型和逼真的貼圖還原廟宇的真實環(huán)境，并運用虛擬現(xiàn)實放映設(shè)備讓游客能沉浸式體驗漫步埃及廟宇的感受。寬闊的用戶視野提供給游客極佳的視覺享受，具有相當高的體驗真實性。國內(nèi)有敦煌研究院主持的“數(shù)字敦煌”項目，把若干個經(jīng)典洞窟數(shù)字化，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行放映，并在同濟大學、洛杉磯、俄羅斯等地展出，觀眾通過虛擬現(xiàn)實眼鏡感受藏經(jīng)洞的魅力[7]。

運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)復原南京明城墻的現(xiàn)實意義：

1.部分城墻無法實體復原

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和思想的進步，人們的文物保護觀念逐漸加強，逐漸意識到拆城運動中被損毀嚴重的城墻巨大的歷史價值和文化價值，進而迫切希望被毀城墻中的一部分得到復原，以重建南京城市的歷史文脈。但是某些城墻片段由于用地功能變化等原因而無法完全復原。盡管經(jīng)過政府30多年的修繕，南京明城墻從之前的22km恢復到了25km，但是還有近10km的明城墻以及城門由于城市建設(shè)的原因無法實現(xiàn)復原[8]。例如，新建的龍蟠中路占據(jù)了通濟門大部分遺址區(qū)域，幾處居民小區(qū)覆蓋在遺址其他部分，因而無法進行對通濟門進行實體復原。

2.體驗真實

虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過可穿戴設(shè)備可以把用戶視野置入虛擬場景之中，是一種完全沉浸式的體驗方式。相比其他數(shù)字技術(shù)手段，例如電影、裝置、全息投影等，虛擬現(xiàn)實能讓觀眾的南京明城墻游覽體驗更加真實。

3.異地體驗

虛擬現(xiàn)實設(shè)備可以在世界上任何角落使用，因此與傳統(tǒng)“到此一游”的實地旅游方式相比，利用虛擬現(xiàn)實設(shè)備游覽南京明城墻的數(shù)字化體驗方式更加便捷，游客甚至可以在其他國家體驗漫步南京明城墻。國內(nèi)的虛擬現(xiàn)實設(shè)備暴風魔鏡旗下的“VR市場”里極為重要的一個項目就是虛擬化的旅游場景體驗，用戶佩戴虛擬現(xiàn)實眼鏡觀看特制的旅游景點全景圖片，以此獲得足不出戶的“實地旅游體驗”。同理，游客利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)異地體驗南京明城墻，是傳統(tǒng)實地游覽的旅游方式向現(xiàn)代數(shù)字體驗旅游方式的轉(zhuǎn)變[9]，符合當今社會追求快節(jié)奏和便捷度的發(fā)展要求。

4.展示城墻數(shù)字結(jié)構(gòu)信息

目前，前往南京明城墻實地旅游的游客，僅僅能看到城墻外部風貌，無法直接感受城墻內(nèi)部構(gòu)造。而利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以通過展示明城墻的數(shù)字結(jié)構(gòu)模型，向游客呈現(xiàn)南京明城墻的內(nèi)部構(gòu)造信息。

在此方面，國內(nèi)已經(jīng)有了其他案例可供參考。清華大學郭黛姮團隊于2017年完成的“數(shù)字圓明園”[10]采用數(shù)字技術(shù)建立了虛擬的圓明園，用戶使用虛擬現(xiàn)實互動設(shè)備體驗圓明園中建筑的動態(tài)分解過程，了解中國古代建筑的材料、搭建手法、結(jié)構(gòu)等信息，而這是實體復原圓明園所無法直接向觀眾傳遞的信息。

三、數(shù)字復原南京明城墻

通過對南京明城墻總體調(diào)研，選擇漢西門和通濟門作為研究對象，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)對兩個甕城進行數(shù)字復原實踐。

1.現(xiàn)狀模型建立

圖4 漢中門廣場現(xiàn)狀數(shù)字復原（圖片來源于作者）

漢西門位于南京老城西南角，為雙甕結(jié)構(gòu)，在1958年的拆城運動中被嚴重損壞，僅有部分城墻片段遺存，該區(qū)域現(xiàn)為漢中門廣場。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)復原漢西門，第一步是建立城墻殘存現(xiàn)狀的三維數(shù)字模型。通過實地測繪可以得到漢西門殘余部分的尺寸和方位信息，包括磚塊以及各個城墻片段的尺寸和方位信息等。之后，利用Maya軟件根據(jù)這些尺寸和方位信息建立起漢西門現(xiàn)狀數(shù)字模型（圖4）。

通濟門甕城在1960年前后被認作封建殘余而遭到徹底拆除，僅存部分地基，因此通濟門地塊不作現(xiàn)狀數(shù)字復原。

2.甕城整體模型生成

（1）漢西門：以已經(jīng)形成的現(xiàn)狀數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過老照片等文獻資料進一步獲取甕城的原貌信息，對漢西門甕城消失部分進行數(shù)字重建。仍然采用三維軟件Maya進行建模操作，首先搭建城墻整體輪廓以確定復原部分的方位和基本尺寸信息，再對包括城樓、坡道和女兒墻在內(nèi)的細節(jié)進行建構(gòu)，最終形成完整的漢西門數(shù)字模型。

圖5 通濟門數(shù)字重建(圖片來源于作者)

圖6 通濟門藏兵洞結(jié)構(gòu)數(shù)字復原(圖片來源于作者)

圖7 藏兵洞數(shù)字探索界面(圖片來源于作者)

（2）通濟門：由于通濟門已完全毀壞，對它進行數(shù)字復原的數(shù)據(jù)來源為相關(guān)文獻、老照片、其他甕城、通濟門遺址。與漢西門相比，獨特的藏兵洞結(jié)構(gòu)是通濟門的數(shù)字構(gòu)建重點。由于缺少通濟門的藏兵洞資料，對該結(jié)構(gòu)的復原參考了保留完整的南京明城墻中華門甕城的藏兵洞結(jié)構(gòu)。通過對中華門藏兵洞的研究，了解該結(jié)構(gòu)的主要特點，再根據(jù)通濟門外部尺寸以及舊照來推導它的藏兵洞尺寸，最后生成了完整的數(shù)字復原的通濟門模型（圖5）。

3.數(shù)字化城墻構(gòu)造展示

與傳統(tǒng)的實地游覽相比，虛擬現(xiàn)實技術(shù)讓城墻內(nèi)部構(gòu)造的數(shù)字展示成為可能。

南京明城墻甕城獨特的“藏兵洞”在戰(zhàn)爭期間用來駐軍，和平時代可以用來儲存武器和糧食。通濟門作為曾經(jīng)世界最大的甕城，具有雙層藏兵洞的獨特結(jié)構(gòu)，在全中國的城墻甕城中極具代表性。因此，在通濟門的數(shù)字復原研究中，選擇藏兵洞這一獨特結(jié)構(gòu)作為虛擬現(xiàn)實展示的關(guān)鍵（圖6）。

為了向游客展示藏兵洞結(jié)構(gòu)，通過虛擬現(xiàn)實建模與控制軟件Unity3D的按鍵切換程序作為藏兵洞結(jié)構(gòu)展示界面的啟動程序[11]。在實際展示中，用戶可以通過設(shè)備的手柄按鈕來開啟藏兵洞結(jié)構(gòu)信息界面（圖7）。當游客靠近藏兵洞區(qū)域，會有信息提示用戶對藏兵洞結(jié)構(gòu)進行探索。游客通過手柄按鈕來進入藏兵洞結(jié)構(gòu)展示的虛擬現(xiàn)實界面，該界面會展示包括藏兵洞的整體結(jié)構(gòu)、藏兵洞結(jié)構(gòu)分解和藏兵洞用途介紹等信息，讓游客能夠深入和全面地了解藏兵洞這一獨特構(gòu)造。

4.導入虛擬現(xiàn)實設(shè)備與結(jié)果測試

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心是帶給用戶具有沉浸感的體驗，為了達到沉浸式游覽明城墻的設(shè)計目標，需要利用相應技術(shù)連接已經(jīng)做好的數(shù)字模型與虛擬現(xiàn)實放映設(shè)備。項目利用Unity3D軟件的虛擬現(xiàn)實生成功能，把Maya模型轉(zhuǎn)換成可以被虛擬現(xiàn)實頭盔識別的文件類型，并設(shè)置虛擬現(xiàn)實場景中游客行走的程序，讓游客可以通過手柄操控自己的行走路徑。最后把相關(guān)程序?qū)際TC VIVE虛擬現(xiàn)實頭盔主機。

為了檢測項目效果，還需要在設(shè)備上進行結(jié)果測試。該項目最終在南京藝術(shù)學院美術(shù)館進行了展映，游客通過佩戴虛擬現(xiàn)實頭盔和操控手柄來游覽數(shù)字復原后的漢西門和通濟門（圖8），利用手柄按鍵進入藏兵洞展示界面，觀看通濟門獨特的藏兵洞結(jié)構(gòu)分解演示。

四、總結(jié)

圖8 用戶體驗虛擬現(xiàn)實漢西門(圖片來源于作者)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷成熟，為全球各地的遺址保護、復原和展示提供了新的思路和方法。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行遺址數(shù)字復原展示，讓用戶不用親臨遺址現(xiàn)場就能沉浸式游覽數(shù)字遺址的新型旅游體驗方式，大大拓展了遺址開發(fā)的邊界。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對南京明城墻甕城中無法實體復原的漢西門和通濟門進行數(shù)字復原的實踐案例，提供了一種新的南京明城墻保護、開發(fā)與體驗的方式。與實體復原城墻的傳統(tǒng)做法相比，虛擬現(xiàn)實不僅讓用戶不用親臨現(xiàn)場就能沉浸式游覽南京明城墻，而且它對城墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)字化呈現(xiàn)手段能讓參觀者更直觀地了解城墻內(nèi)部構(gòu)造。因此，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)字復原方式對南京明城墻的文化展示與旅游開發(fā)具有一定的價值。