礦冶遺產(chǎn)保護(hù)中VR技術(shù)的應(yīng)用*
——以黃石華新水泥廠舊址為例

陳 濤 梁燕鶯

(湖北理工學(xué)院 藝術(shù)學(xué)院，湖北 黃石 435003)

資源枯竭型城市的轉(zhuǎn)型是從依靠資源發(fā)展到可持續(xù)發(fā)展，這是擺在所有這類城市面前的難題。促進(jìn)城市轉(zhuǎn)型是走出困境的必經(jīng)之路，而對(duì)于礦冶遺產(chǎn)的重新認(rèn)識(shí)并加以合理保護(hù)利用，則是走出困境的重要措施之一。近年來(lái)，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(簡(jiǎn)稱為VR技術(shù))等數(shù)字方式為國(guó)內(nèi)外文化遺產(chǎn)的保護(hù)提供了新的思路。相對(duì)傳統(tǒng)的圖片、文字、聲音、影視等傳播方式，VR技術(shù)優(yōu)勢(shì)十分明顯，它強(qiáng)調(diào)交互式、沉浸式環(huán)境體驗(yàn)，建立了人和自然資源之間的互動(dòng)?？梢灶A(yù)見，未來(lái)VR技術(shù)在文化遺址保護(hù)與開發(fā)中將占主導(dǎo)地位。

一、資源枯竭型城市的礦冶遺產(chǎn)保護(hù)現(xiàn)狀

資源型城市是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中依靠采掘自然資源發(fā)展起來(lái)的城市，以礦產(chǎn)資源和森林開采與加工為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)[1]。礦產(chǎn)資源累計(jì)采出的儲(chǔ)量達(dá)到可采儲(chǔ)量的70%以上的城市成為資源枯竭型城市。國(guó)務(wù)院于2008、2009、2012年分三批發(fā)布了69個(gè)資源枯竭型城市，要求資源枯竭型城市要抓緊制定和完善轉(zhuǎn)型規(guī)劃，提出轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展工作的具體方案，進(jìn)一步明確轉(zhuǎn)型思路和發(fā)展重點(diǎn)，為全國(guó)資源枯竭型城市的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展尋求新方法。

黃石2008年被列入國(guó)家首批資源枯竭型城市。近些年，黃石在不斷探索轉(zhuǎn)型發(fā)展的新道路，對(duì)礦冶遺產(chǎn)保護(hù)和再利用也越來(lái)越重視，成立了一些研究機(jī)構(gòu)，也開展了兩屆“全國(guó)工業(yè)遺產(chǎn)保護(hù)與利用”高峰論壇，在不斷推進(jìn)黃石工業(yè)遺產(chǎn)申遺工作的同時(shí)，對(duì)一些遺址進(jìn)行保護(hù)和改造。但是，由于礦冶遺產(chǎn)保護(hù)處于初期，礦冶遺產(chǎn)利用的理論和實(shí)踐相對(duì)缺乏，尤其是工業(yè)遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的系統(tǒng)研究還很缺乏。礦冶遺產(chǎn)保護(hù)的重點(diǎn)仍然較多地集中在建筑和設(shè)施的保護(hù)和改造上，而對(duì)工業(yè)的科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)流程、技術(shù)工藝方面的歷史價(jià)值卻沒有得到重視[2]。實(shí)際上，對(duì)于礦冶遺址的保護(hù)與開發(fā)，借助數(shù)字化手段去保護(hù)和傳播工業(yè)遺產(chǎn)也是一種有效手段，故宮和敦煌壁畫就是利用數(shù)字技術(shù)成功進(jìn)行保護(hù)和傳播的典型案例。

二、VR技術(shù)下的礦冶遺產(chǎn)保護(hù)與再利用

(一)VR技術(shù)概念及特征

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)是數(shù)字技術(shù)的一種形式，是指采用計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心手段生成一種真實(shí)感的虛擬環(huán)境，用戶借助特殊的輸入或輸出設(shè)備，與虛擬世界中的物體進(jìn)行交互和體驗(yàn)，通過(guò)視覺、聽覺和觸覺等獲得與真實(shí)世界相同的感受(如圖1所示)。

圖1 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

VR技術(shù)能夠滿足礦冶遺產(chǎn)保護(hù)的需求，最主要的特征是實(shí)時(shí)性、交互性、多維感知和藝術(shù)性[3]。實(shí)時(shí)性指展品在進(jìn)行展示時(shí)，不再?gòu)膯我坏慕嵌?，不再把?duì)展品的欣賞角度強(qiáng)加給參觀者,觀眾可以自主地從多角度進(jìn)行體驗(yàn)，從而增強(qiáng)展品的表現(xiàn)力。交互性是指我們?cè)谔摂M環(huán)境中不只是觀看，還可以通過(guò)傳感器與環(huán)境互動(dòng)，達(dá)到更好的體驗(yàn)效果。VR技術(shù)制作的體驗(yàn)平臺(tái)除了具有視覺感知外，還可以獲得聽覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)感等多種感知。

(二)礦冶遺產(chǎn)保護(hù)中VR技術(shù)應(yīng)用策略

數(shù)字化文化遺產(chǎn)已經(jīng)被聯(lián)合國(guó)科教文組織認(rèn)可為文化遺產(chǎn)的重要保護(hù)技術(shù)，礦冶遺產(chǎn)的數(shù)字化已經(jīng)成為一種有效的保護(hù)方式。如今我們面臨的一個(gè)主要問題是尋求利用VR技術(shù)開展礦冶遺產(chǎn)保護(hù)的具體措施。因此，梳理VR技術(shù)的實(shí)施過(guò)程，總結(jié)VR技術(shù)數(shù)字化博物館建設(shè)框架顯得尤為重要。

VR技術(shù)數(shù)字化博物館建設(shè)框架(如圖2所示)大體分為四個(gè)階段，分別是數(shù)據(jù)采集、建模和場(chǎng)景復(fù)原、虛擬引擎創(chuàng)建、展示和傳播[4]。首先是通過(guò)各種測(cè)量手段獲取全面的場(chǎng)地信息，根據(jù)情況選取360°全景技術(shù)、VR拍攝技術(shù)、人工測(cè)量等方式收集遺產(chǎn)的尺寸、聲音、圖像、材質(zhì)等信息；同時(shí)，查閱相關(guān)資料掌握遺產(chǎn)的歷史背景等相關(guān)信息。然后，應(yīng)用三維軟件進(jìn)行虛擬環(huán)境建模，對(duì)場(chǎng)地、建筑、文物和植被等進(jìn)行三維復(fù)原；對(duì)采集效果進(jìn)行評(píng)估。再然后，進(jìn)入虛幻引擎進(jìn)行相應(yīng)制作，包括模型導(dǎo)入，材質(zhì)、燈光處理和藍(lán)圖交互設(shè)計(jì)，打包輸出客戶端測(cè)試完成。最后是展示和傳播，方式有博物館多通道立體展示、穿戴式展示、互聯(lián)網(wǎng)展示等。不同的展示形式對(duì)空間有不同的要求，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期就必須先設(shè)定好最后的呈現(xiàn)方式。

圖2 VR技術(shù)數(shù)字化博物館建設(shè)框架

三、華新水泥廠舊址的歷史演變與保護(hù)現(xiàn)狀

黃石市是礦冶名城，保留了大量的礦冶文化遺產(chǎn)，最具代表性的遺產(chǎn)包括華新水泥廠舊址、銅綠山古銅礦遺址、漢冶萍煤鐵廠礦舊址、大冶鐵礦露天采場(chǎng)等。華新水泥廠舊址位于黃石市黃石港區(qū)，北依楓葉山，東臨長(zhǎng)江，面向磁湖。2013年5月，華新水泥廠舊址入選第七批全國(guó)重點(diǎn)保護(hù)文物單位。

(一)華新水泥廠舊址的歷史演變

清光緒三十三年(公元1907年)華新水泥廠經(jīng)清政府批準(zhǔn)而創(chuàng)建，于1908年建成投產(chǎn)。1946年，華新水泥購(gòu)買了美國(guó)先進(jìn)“濕法”水泥制造工藝的全套設(shè)備及技術(shù)資料，并聘請(qǐng)了美國(guó)專業(yè)設(shè)計(jì)師進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。華新水泥廠的設(shè)備引進(jìn)和選址建設(shè)，代表20世紀(jì)中葉“濕法”水泥制造工藝和水泥廠規(guī)劃建造的世界先進(jìn)水平，具有典范價(jià)值。20世紀(jì)50年代，曾被毛澤東主席贊譽(yù)為“遠(yuǎn)東第一”。20世紀(jì)五六十年代，華新水泥廠在生產(chǎn)能力和水泥質(zhì)量方面處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的地位，其水泥產(chǎn)品不但為新中國(guó)建設(shè)做出突出貢獻(xiàn),還遠(yuǎn)銷海外，為中國(guó)建材生產(chǎn)在國(guó)際上贏得聲譽(yù)。為了貫徹國(guó)家節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的國(guó)策，2005年華新水泥廠楓葉山廠區(qū)三條水泥濕法生產(chǎn)線陸續(xù)關(guān)停；2006年7月28日，華新水泥黃石分公司北區(qū)生產(chǎn)線整體搬遷；2007年7月19日，華新水泥廠關(guān)停了最后一組水泥生產(chǎn)線[5]。2016年，華新水泥廠舊址文物修繕工作啟動(dòng)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)、修繕文物遺存。2019年10月8日，“黃石工業(yè)遺址保護(hù)中心”和“湖北水泥遺址博物館”正式掛牌成立。

(二)華新水泥廠舊址的保護(hù)現(xiàn)狀

華新水泥廠從湖北水泥廠、華記湖北水泥廠、華中水泥廠到如今的華新水泥股份有限公司，歷經(jīng)百年歷程，見證了中國(guó)的水泥工業(yè)發(fā)展史，承載著中國(guó)水泥工業(yè)的精神。如今舊址上還存有較完整的廠房、辦公樓、窯、磨房裝包機(jī)等建筑和設(shè)備，包括7.39萬(wàn)平方米設(shè)施，83個(gè)文物單元。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有遺存設(shè)備332臺(tái)套，非標(biāo)件535件。通過(guò)對(duì)華新水泥廠舊址多次實(shí)地調(diào)研，歸納分析工業(yè)遺址中不同時(shí)期不同類型的遺產(chǎn)，按照工業(yè)生產(chǎn)中的不同使用功能，將主要遺產(chǎn)本體分為以下兩種類型：生產(chǎn)設(shè)施和非生產(chǎn)設(shè)施(如表1所示)。

表1 華新水泥廠舊址文物分類

華新水泥廠停產(chǎn)至今經(jīng)歷了十多年的時(shí)間，舊址區(qū)內(nèi)文物基本處于自然擱置狀況，由于相當(dāng)一部分設(shè)備和設(shè)施是露天堆放，受自然和人為因素影響，導(dǎo)致一些設(shè)備損壞或缺失。相關(guān)的文字記錄、圖紙等技術(shù)資料也有丟失。數(shù)字化技術(shù)對(duì)損壞和遺失的文物具有較好的復(fù)原功能，成為華新水泥廠舊址保護(hù)的重要途徑。

四、VR技術(shù)在華新水泥廠舊址中的應(yīng)用

(一)華新水泥廠舊址VR技術(shù)框架構(gòu)建

為了更好地保護(hù)和展示華新水泥廠遺產(chǎn)，需要通過(guò)VR技術(shù)構(gòu)建一個(gè)遺產(chǎn)虛擬交互體驗(yàn)系統(tǒng)。在制作前期需要對(duì)遺產(chǎn)進(jìn)行分析和定位，進(jìn)行參觀流線和功能分區(qū)設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)把遺址設(shè)計(jì)為6個(gè)區(qū)域進(jìn)行展示，包括入口展示區(qū)、管理服務(wù)區(qū)、粉碎烤干區(qū)、水泥生產(chǎn)區(qū)、水泥包裝區(qū)和運(yùn)輸區(qū)。具體的實(shí)施過(guò)程分為4個(gè)板塊：信息采集、三維模型建構(gòu)、虛擬交互設(shè)計(jì)、展示與傳播。首先對(duì)華新水泥廠舊址進(jìn)行數(shù)字化采集，同時(shí)對(duì)破損和遺失的遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化復(fù)原。然后結(jié)合二維CDA和三維MAYA軟件進(jìn)行三維建模、材質(zhì)、燈光處理等。再然后進(jìn)入U(xiǎn)E4虛幻引擎進(jìn)行相應(yīng)制作，重點(diǎn)是藍(lán)圖交互設(shè)計(jì)，最后打包輸出客戶端測(cè)試完成。根據(jù)實(shí)際情況，本次華新水泥廠舊址的VR設(shè)計(jì)的呈現(xiàn)形式選擇互聯(lián)網(wǎng)和博物館兩種展示方式(如圖3所示)。

圖3 華新水泥廠VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)施框架

(二)利用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行信息采集

數(shù)據(jù)采集是數(shù)字化應(yīng)用的前提，是在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)下運(yùn)用數(shù)字設(shè)備對(duì)華新水泥廠現(xiàn)狀等信息進(jìn)行全面的采集工作，獲得一手資料并將這些資料進(jìn)行匯集和歸納。具體信息包括場(chǎng)地布局、空間、道路、植被、材質(zhì)、建筑圖紙、文物、文獻(xiàn)和圖片影像資料等(如圖4所示)。主要的策略是采用航拍器對(duì)遺址場(chǎng)景進(jìn)行視頻錄像；運(yùn)用照相機(jī)、手機(jī)等高像素設(shè)備對(duì)歷史資料數(shù)據(jù)、廠區(qū)建筑等進(jìn)行信息采集；通過(guò)Google地圖、百度地圖等方式獲得建筑分布數(shù)據(jù)[6]。

圖4 華新水泥廠舊址建筑數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)

(三)三維模型建構(gòu)

數(shù)字建模在礦冶遺產(chǎn)的虛擬復(fù)原領(lǐng)域具有非常重要的意義，通過(guò)前期調(diào)研搜集的相關(guān)資料，對(duì)華新水泥廠建筑進(jìn)行模型創(chuàng)建。為了將二維圖像轉(zhuǎn)換成逼真的三維立體空間，通過(guò)歷史資料和相關(guān)信息進(jìn)行模擬還原，本次選擇MAYA軟件進(jìn)行模型創(chuàng)建，制作過(guò)程包括建模、模型優(yōu)化、展UV、PS材質(zhì)繪制、燈光布局、材質(zhì)的烘焙等。由于華新水泥廠舊址的建筑和設(shè)施類型較多且造型復(fù)雜，給三維模型復(fù)原帶來(lái)一定工作量，采取分層創(chuàng)建的方式，把地形、水體、建筑、植物、空中廊道分為5個(gè)層級(jí)(如圖5所示)。為了后期更好地實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的展示效果，重點(diǎn)文物三維模型需要還原每一個(gè)細(xì)節(jié)。工業(yè)遺產(chǎn)三維模型復(fù)原是基于華新水泥廠舊址改造前的場(chǎng)地現(xiàn)狀，對(duì)一些損壞或遺失的文物進(jìn)行模型創(chuàng)建，盡量給觀眾展現(xiàn)一個(gè)更為真實(shí)的華新水泥廠，達(dá)到更好地保護(hù)和傳播的目的。

圖5 華新水泥廠舊址三維模型創(chuàng)建

(四)UE4引擎虛擬交互設(shè)計(jì)與制作

華新水泥廠虛擬現(xiàn)實(shí)展示系統(tǒng)是利用Unreal Engine 4(簡(jiǎn)稱“UE4”)虛幻引擎進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，最終可以在電腦和穿戴設(shè)備上進(jìn)行展示和交互。通過(guò)穿戴和遙感設(shè)備，觀者進(jìn)入一個(gè)沉浸式的虛擬場(chǎng)景，更加真實(shí)地體驗(yàn)華新水泥廠舊址。通過(guò)肢體動(dòng)作進(jìn)行交互，如前行、下蹲、往左或往右對(duì)畫面方位進(jìn)行控制，達(dá)到身臨其境的體驗(yàn)效果(如圖6所示)。UE4是EPIC公司開發(fā)的一款引擎，其強(qiáng)大的烘焙和交互功能，成為文化遺產(chǎn)可視化的重要技術(shù)手段。虛擬引擎制作環(huán)節(jié)主要由UI界面設(shè)計(jì)、人機(jī)交互設(shè)計(jì)、漫游路線設(shè)計(jì)和發(fā)布虛擬系統(tǒng)組成。內(nèi)容完成后，觀者可以根據(jù)設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的內(nèi)容參與虛擬遺址體驗(yàn)。

UE4引擎中首先是模型導(dǎo)入，模型在導(dǎo)入U(xiǎn)E4前需要在三維軟件中先將模型優(yōu)化，并且展開UV，以免導(dǎo)入U(xiǎn)E4后模型和貼圖在場(chǎng)景中不能完整顯示。在三維軟件MAYA中，把模型按組導(dǎo)出.fbx或.obj格式文件，再導(dǎo)入U(xiǎn)E4。由于是分組導(dǎo)入，需要對(duì)模型坐標(biāo)歸零處理。在UE4中還需給部分物體添加材質(zhì)貼圖，UE4雖然是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全局光照，但還是需要設(shè)置燈光烘焙后才能達(dá)到較好的效果。室外設(shè)置一個(gè)Skylight和Light Source，再配合Lightmass,室內(nèi)部分在窗戶和燈具處布置照明燈和裝飾燈，還需要添加環(huán)境聲音Stacter background cue,然后測(cè)試烘焙和預(yù)覽效果。

圖6 華新水泥廠舊址虛擬交互巡游

為了保證漫游體驗(yàn)中不會(huì)出現(xiàn)穿墻現(xiàn)象，需要在場(chǎng)景中有物體的位置根據(jù)實(shí)際大小添加Cube模型，Cube模型的屬性是碰撞不穿過(guò)，然后把Cube模型設(shè)置為隱藏就完成模型碰撞設(shè)置。UE4中的藍(lán)圖(Blueprint)是一種可視化腳本系統(tǒng)，在藍(lán)圖中按照設(shè)計(jì)好的邏輯把節(jié)點(diǎn)、事件、函數(shù)及變量連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)預(yù)先想要的功能。先創(chuàng)建藍(lán)圖類中的Game mode base(游戲模式)、Player controller(玩家控制器)、Character(來(lái)回走動(dòng)能力)，然后進(jìn)入Character藍(lán)圖類的事件圖表創(chuàng)建Move、Get cator rotation、Get forward vcetor、Add mocerment imput四個(gè)藍(lán)圖，并且用連線連接起來(lái)，進(jìn)行編譯預(yù)覽角色交互漫游的效果(如圖7所示)。通過(guò)藍(lán)圖碰撞觸發(fā)動(dòng)畫藍(lán)圖循環(huán)播放按鈕的動(dòng)畫資源，同時(shí)觸發(fā)的還有按鍵材質(zhì)自發(fā)光效果顯示。在交互設(shè)計(jì)方面，觸發(fā)設(shè)備上設(shè)計(jì)的按鈕會(huì)顯示相關(guān)圖文和視頻信息(如圖8所示)。

圖7 華新水泥廠舊址藍(lán)圖創(chuàng)建

圖8 華新水泥廠舊址信息交互

(五)打包發(fā)布VR交互程序

最后是文件打包發(fā)布。打包輸出前，先要對(duì)文件進(jìn)行刪減和ICO圖標(biāo)設(shè)計(jì)。項(xiàng)目打包時(shí)可以選擇多種執(zhí)行平臺(tái)，包括VR頭盔、網(wǎng)頁(yè)和手機(jī)等。本項(xiàng)目輸出有VR設(shè)備端和Windows兩種方式。其中VR設(shè)備端插件菜單勾選HTC選項(xiàng)，并在藍(lán)圖中設(shè)置啟動(dòng)時(shí)Enable hdmi即可將模型打包輸出至VR設(shè)備平臺(tái)。

五、結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前資源枯竭城市轉(zhuǎn)型的時(shí)代背景下，VR技術(shù)應(yīng)用對(duì)礦冶遺產(chǎn)保護(hù)具有非常重要的意義。首先，VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化博物館不再受空間限制，更全面、生動(dòng)、快速地展示和傳播礦冶文化遺產(chǎn)。其次，VR技術(shù)可以更好地保護(hù)礦冶遺產(chǎn)，在大量人流參觀情況下VR技術(shù)不會(huì)對(duì)遺產(chǎn)造成破壞。同時(shí)，VR技術(shù)開啟遺產(chǎn)全新體驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢⒌V冶遺產(chǎn)生成逼真的虛擬環(huán)境再現(xiàn)在觀眾面前，觀眾可以在千里之外通過(guò)設(shè)備身臨其境地觀看遺產(chǎn)，還可以與遺產(chǎn)進(jìn)行交互，達(dá)到多維感知的豐富體驗(yàn)效果。

通過(guò)華新水泥廠舊址VR虛擬博物館的技術(shù)實(shí)踐，探索文化遺產(chǎn)的保護(hù)的新途徑，為礦冶遺產(chǎn)的管理、保護(hù)和傳播提供了新的可能，為推動(dòng)資源枯竭型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了全新的視角。