虛擬引擎技術(shù)在建筑文化遺產(chǎn)模型可視化的應(yīng)用

毛振華 牡丹江師范學(xué)院副教授

對建筑文化遺產(chǎn)研究和保護的過程中，為了充分保留建筑原有風貌，使用數(shù)字化的形式不僅可以延續(xù)人類文明，同時更能傳承重要的建筑文化。模型可視化是指通過各種信息設(shè)備，依托大數(shù)據(jù)技術(shù)，對建筑文化的各種數(shù)據(jù)、圖像進行處理，最后用三維形體將建筑遺址表現(xiàn)出來，使用虛擬引擎技術(shù)構(gòu)建建筑文化遺產(chǎn)可視化模型已經(jīng)在全世界得到廣泛應(yīng)用。

1 建筑文化遺產(chǎn)概述

能夠見證某一國家、某一地區(qū)、某一城市或某一社區(qū)發(fā)展歷程的典型建筑被稱為建筑文化遺產(chǎn)。在國家發(fā)展過程中不同歷史時期的代表性建筑、或在科技方面領(lǐng)先世界的建筑以及著名建筑師所設(shè)計的作品、故人舊居等都屬于建筑文化遺產(chǎn)的范疇。中國現(xiàn)階段已經(jīng)進入社會主義復(fù)興期，具有文化底蘊的建筑遺產(chǎn)更能彰顯泱泱中華歷史變遷中的風貌。通過虛擬引擎技術(shù)開展建筑文化遺產(chǎn)保護工作，不僅是一項全新的科學(xué)技術(shù)工程，更是一項具有藝術(shù)性和空間性的工作。

2 虛擬引擎技術(shù)概述

2.1 三維場景編輯器

通過構(gòu)建建筑文化模型的三維場景，結(jié)合地方風貌，周圍環(huán)境，可以有效復(fù)原旅游景點，文物古建等場景。

2.2 二次開發(fā)工具包

二次開發(fā)工具包是指技術(shù)人員會采用軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK）開發(fā)出虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）場景、各類數(shù)據(jù)庫以及各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)等的大型數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

2.3 虛擬社區(qū)系統(tǒng)

虛擬社區(qū)系統(tǒng)會通過三維形式展現(xiàn)，旨在提高參觀者與虛擬建筑之間的互動。例如文字，肢體等的互動，極大地豐富了建筑文化的形式，也是未來建筑文化遺產(chǎn)可視化模型構(gòu)建的趨勢，國內(nèi)一些博物館、美術(shù)館等虛擬場景都在廣泛應(yīng)用。

2.4 粒子特效編輯器

通過粒子特效編輯器可以制造出各種場景如下雨、下雪、煙火和地震等的效果，再加上其他的物理引擎系統(tǒng)，能夠真實還原出各類建筑的真實環(huán)境。例如3Dmax 軟件中就使用該編輯器制作出霧化效果，畫面感惟妙惟肖[1]。

2.5 物理引擎系統(tǒng)

物理引擎是指技術(shù)人員將一些剛性物體賦予各種運動形式，如旋轉(zhuǎn)、碰撞、滾動、彈跳等，再現(xiàn)各類建筑物在重大地質(zhì)變化的動態(tài)情景，如地震、山體滑坡等，這樣可以讓參觀者獲得真實的視覺體驗。

2.6 立體投影軟件融合系統(tǒng)

在建筑文化遺址還原過程中，不同的畫面之間需要銜接流暢，而這一效果依賴技術(shù)人員使用的投影儀立體交互作用，并且動畫角色等各個動態(tài)物體之間也會實現(xiàn)完美穿越。目前國內(nèi)該項技術(shù)的使用已經(jīng)趨于成熟，例如上海規(guī)劃展覽館的大型展會都在使用此項技術(shù)。

總而言之，虛擬引擎技術(shù)是利用各種操作系統(tǒng)層、服務(wù)器以及存儲硬件實現(xiàn)可視化模型構(gòu)建的技術(shù)。最初的技術(shù)采用的是虛擬現(xiàn)實建模語言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）技術(shù)，雖然可以通過互聯(lián)網(wǎng)有效傳播，但是畫面質(zhì)感不強，一般會用在效果傳播中?，F(xiàn)階段隨著技術(shù)的不斷更新，VRML 技術(shù)也實現(xiàn)了優(yōu)化，Wire Fusion 技術(shù)是在此基礎(chǔ)上研發(fā)的新型技術(shù)，該技術(shù)以java為基礎(chǔ)，能夠綜合各類平臺展現(xiàn)效果。當然，該技術(shù)在具體使用過程中仍然有一定的局限性。通常情況下，產(chǎn)品展示會使用該技術(shù)。目前國內(nèi)外使用的先進虛擬引擎技術(shù)有Virtools技術(shù)、EON 技術(shù)和Quest 3D 技術(shù)。

3 虛擬引擎技術(shù)在建筑文化遺產(chǎn)模型可視化中的應(yīng)用阻礙

3.1 重技術(shù)、輕審美

現(xiàn)階段虛擬引擎技術(shù)較為超前，在使用VR 系統(tǒng)時，會綜合各類計算機技術(shù)的專家力量，重點開展建筑遺產(chǎn)的模型再現(xiàn)環(huán)節(jié)，更多的是完全保留建筑的原本樣貌，但是設(shè)計人員往往會忽略審美角度，例如圖案、顏色等的使用缺少美觀性。

3.2 難以再現(xiàn)建筑真實樣貌

再先進的虛擬引擎技術(shù)，也很難真實地還原建筑原有的風貌。因為人們對建筑的第一印象幾乎沒有，更多的是依賴科學(xué)技術(shù)人員結(jié)合各類文史資料，再現(xiàn)建筑原貌。光影效果以明暗、虛實為主，參觀者看到的是陰影形式，而該形式中原有的文化遺產(chǎn)空間感是不存在的。

3.3 未能有效結(jié)合周圍環(huán)境

建筑的美一方面來自本身的構(gòu)造，另一方面來自與周圍環(huán)境的和諧。因此，使用引擎技術(shù)還原建筑遺址時，要收集山川、河流、樹木等的信息。但是現(xiàn)階段虛擬引擎技術(shù)的使用過程中，只重視主體建筑的恢復(fù)，周圍環(huán)境只是襯托，這樣會影響整個建筑的外觀布局。

4 虛擬引擎技術(shù)在建筑文化遺產(chǎn)模型可視化中的應(yīng)用措施

4.1 重視詮釋建筑文化遺產(chǎn)的藝術(shù)美

虛擬引擎技術(shù)與智能設(shè)備相互結(jié)合，對建筑文化遺產(chǎn)模型進行可視化構(gòu)建，不僅要重視原建筑本身的復(fù)原工作，同時也要向參觀者展示更多的藝術(shù)美，這樣才能讓建筑更加鮮活。技術(shù)人員應(yīng)當依托先進的信息技術(shù)，分析和整合環(huán)境中的各種因素，處理整個建筑的真實布局，最終以各種圖片、動畫等形式向大眾展現(xiàn)出來，通過環(huán)境的襯托，參觀者才能更好地理解建筑本身的美。技術(shù)人員通過使用虛擬引擎技術(shù)，可以按照一定的比例還原建筑遺址以及周圍的自然環(huán)境。例如，建筑遺址上的整體布局特點、使用的材料特點、材料上的紋理甚至建筑在不同季節(jié)、一天中不同時光的動畫效果都會達到可視化效果，參觀者不僅可以獲得真實的觀賞體驗，還能感受建筑物包含的歷史文化[2]。

4.2 重視參觀者與建筑模型之間的互動體驗

僅僅將建筑模型可視化還無法增強參觀者的視覺感受，若能開發(fā)一些環(huán)節(jié)讓參觀者產(chǎn)生真實的交互感，建筑遺產(chǎn)的文化才能更加凸顯。因此，技術(shù)人員可以借助VR 技術(shù)或增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)，引導(dǎo)參觀者與建筑真實地產(chǎn)生互動，同時采用技術(shù)手段消除展覽空間難度，不斷優(yōu)化建筑文化的各類數(shù)據(jù)，使參觀者在感受建筑文化遺產(chǎn)美的同時，有效提升個人的民族自豪感。參觀者可以戴上專用頭盔、眼鏡等，實現(xiàn)在建筑物中遨游的效果，聽鳥聲、看流水等都會依賴這種技術(shù)而實現(xiàn)。同時，參觀者還可以通過點擊建筑物的不同部位，獲取各類歷史資料，通過旋轉(zhuǎn)建筑物可以從四周觀察建筑物的整體構(gòu)造，從而直觀了解所有建筑的空間尺度。除此之外，技術(shù)人員也應(yīng)當不斷創(chuàng)新，探究保護建筑文化的新形式。

4.3 豐富建筑文化的各類資料

建筑文化遺址在模型構(gòu)建過程中還會建立與之對應(yīng)的各類數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中包含各種文字資料、數(shù)據(jù)資料、影像資料和空間資料等，真實地記載了建筑原有的風貌形態(tài)、地質(zhì)特點等，更加豐富了建筑遺址的文化內(nèi)容。觀察者在體驗建筑遺址數(shù)字化模型中可以在線獲取關(guān)于整個建筑物的所有信息，大到整體布局、朝代特點，小到某一個柱子等，都可以通過點擊鼠標獲取準確的資料。同時由于數(shù)據(jù)庫的建立采用的是數(shù)字化形式，因此技術(shù)人員在修改和完善數(shù)據(jù)過程中也更能快速準確地進行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)整理的高效性和共享性[3]。

5 虛擬引擎技術(shù)在建筑文化遺產(chǎn)模型可視化應(yīng)用的具體案例

5.1 哈爾濱文廟模型可視化建設(shè)

第一步，技術(shù)人員查閱哈爾濱文廟相關(guān)的各類歷史資料，收集地質(zhì)信息、建筑特點、環(huán)境特點等，再通過虛擬引擎技術(shù)構(gòu)建初步模型。需要注意的是，設(shè)計人員應(yīng)當準確測量所有建筑的數(shù)據(jù)，這樣才能再現(xiàn)文廟的真實場景。第二步，技術(shù)人員通過各類軟件對所有數(shù)據(jù)圖像進行處理，獲取最初的三維模型[4]。第三步，技術(shù)人員通過3Dmax 軟件及其他方法對文廟中各類建筑進行建模。第四步，技術(shù)人員綜合整個哈爾濱文廟的所有信息，優(yōu)化場景數(shù)據(jù)信息。第五步，導(dǎo)出最終模型圖。部分設(shè)計流程如圖1、圖2 所示。

圖1 哈爾濱文廟數(shù)據(jù)采集圖

圖2 哈爾濱文廟建模圖

5.2 哈爾濱圣索菲亞大教堂模型可視化建設(shè)

圣索菲亞大教堂是哈爾濱的地標性建筑之一，始建于1907 年。遠遠望去，綠色的洋蔥頭式大穹頂十分引人注目，是中國保存最完整的拜占庭式建筑。隨著歷史的變遷，這座宏偉的拜占庭式建筑已不再具有教堂的功能，被后人改建成了藝術(shù)館。內(nèi)部展示著近千幅圖片和城市規(guī)劃沙盤，向來來往往的人述說著哈爾濱的歷史和人文。設(shè)計師在設(shè)計圓形穹頂時，利用虛擬引擎技術(shù)模擬出電子圖片，然后經(jīng)過嚴密的對比和計算，用四個三角凹形磚石做支撐，將穹頂架立在磚石之上，從而成功地將側(cè)推力一階一階的向下傳遞。中央穹頂?shù)哪媳狈较騽t以四周墻壁穿到側(cè)推力上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但效果顯著。

穹頂中心區(qū)域的長度為68.6 m，寬度為32.6 m，中心高度為55 m，相對于羅馬的萬神廟更加開闊，因此設(shè)計師要充分借助虛擬引擎技術(shù)做好設(shè)計圖形，調(diào)整光照角度，使內(nèi)部空間更加明亮，通過設(shè)計，穹隆底部密排一圈40 個窗洞，光照射入之后形成的各種幻影讓教堂顯得更加深邃動人。

6 結(jié)語

對于建筑文化遺產(chǎn)進行模型可視化操作，不僅能夠依托現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)保存建筑文化，同時也能為子孫后代留下寶貴的財富。因此，技術(shù)人員應(yīng)當本著科學(xué)、真實、嚴謹?shù)脑O(shè)計態(tài)度，依托各種建模手段，充分發(fā)揮虛擬引擎技術(shù)的優(yōu)勢，最終將整個建筑的結(jié)構(gòu)美、藝術(shù)美、文化美表現(xiàn)得淋漓盡致，真正促進中國文化多樣性的發(fā)展。