數(shù)字技術(shù)在古建筑遺址復(fù)原中的應(yīng)用研究

李新月　蘇麗萍

摘 要：運(yùn)用數(shù)字技術(shù)對(duì)古建筑文化遺址進(jìn)行數(shù)字化復(fù)原以及文化的加工，為大眾提供一個(gè)真實(shí)體驗(yàn)的平臺(tái)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于避暑山莊多處建筑被損毀的原因，導(dǎo)致很多非常優(yōu)秀的中國(guó)園林建筑被掩蓋。本文通過(guò)分析古建筑數(shù)字復(fù)原的思路，以碧靜堂為例，詳細(xì)研究了數(shù)字化復(fù)原過(guò)程，以此實(shí)現(xiàn)讓游客通過(guò)數(shù)字技術(shù)感受古建筑魅力，達(dá)到傳播古建筑文化的目的。

關(guān)鍵詞：避暑山莊；交互技術(shù)；古建筑復(fù)原

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.06.011

0 引言

古建筑是社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)繁榮、文化昌盛的標(biāo)志，它以獨(dú)特的形式承載了大量的歷史信息，是各地區(qū)獨(dú)特文化的集中體現(xiàn)。避暑山莊作為中國(guó)皇家園林建筑的典型代表具有非常高的歷史文化價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值，但如今園內(nèi)40％的建筑僅剩遺址，有的甚至連地基都消失不見(jiàn)了。在國(guó)家大力支持文化與技術(shù)融合的背景下，運(yùn)用5G、VR/AR、人工智能、多媒體等數(shù)字技術(shù)開(kāi)發(fā)館藏資源，打造博物館、景區(qū)數(shù)字化展示示范項(xiàng)目，開(kāi)展虛擬講解、藝術(shù)普及和交互體驗(yàn)等數(shù)字化服務(wù)逐漸普及，也符合當(dāng)下的發(fā)展形勢(shì)。

1 避暑山莊古建筑遺址現(xiàn)狀

承德避暑山莊作為中國(guó)5A級(jí)景區(qū)，是中國(guó)皇家園林典型代表，亦是學(xué)者們公認(rèn)的中國(guó)最美的皇家御苑之一。然而由于歷史原因，其幸存的建筑可能不到全盛時(shí)期的十分之一，相較于北京圓明園也好不到哪里，劫后余生的建筑也是門(mén)、窗、裝修丟失殆盡，多數(shù)只剩了大木結(jié)構(gòu)，目前在景區(qū)看見(jiàn)的建筑也大多是經(jīng)過(guò)后期保護(hù)和修復(fù)的。2020年，承德文物局與中央美術(shù)學(xué)院建筑學(xué)院簽署策略性合作協(xié)議，在承德避暑山莊和外八廟及周邊廟宇設(shè)立中央美術(shù)學(xué)院教學(xué)實(shí)習(xí)基地，共同進(jìn)行承德避暑山莊和外八廟歷史的修復(fù)和藝術(shù)再現(xiàn)。截至目前，天津工業(yè)大學(xué)、河北民族師范學(xué)院等高校也相繼加入該課題研究。

2 古建筑數(shù)字復(fù)原的價(jià)值和意義

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)三維建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)的結(jié)合，對(duì)古建筑進(jìn)行數(shù)字復(fù)原的設(shè)計(jì)表現(xiàn)已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，它可以對(duì)建筑樣式、歷史街區(qū)進(jìn)行復(fù)原設(shè)計(jì)，并通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)手段對(duì)建筑文物進(jìn)行交互展示，加深人們對(duì)建筑藝術(shù)的認(rèn)識(shí)和理解。另一方面，也可以通過(guò)在線旅游的形式對(duì)景區(qū)進(jìn)行宣傳和展示。較之于文字圖片，這種展示方式更為直觀，能為受時(shí)間和經(jīng)濟(jì)條件限制的人們帶來(lái)更好的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，深化對(duì)建筑藝術(shù)價(jià)值的認(rèn)知，在一定程度上降低了古建筑和歷史街區(qū)的保護(hù)成本，減少對(duì)古建筑的破壞，使得建筑遺產(chǎn)的文化價(jià)值和歷史價(jià)值能得到更好的保護(hù)與傳承。

本項(xiàng)目制作的交互系統(tǒng)，可以讓觀者身臨其境地感受避暑山莊已經(jīng)消失的建筑，感受古建筑的風(fēng)采，深入了解該建筑群的文化內(nèi)涵。與傳統(tǒng)古建筑復(fù)原相比，使用漫游交互技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化科普資源的開(kāi)發(fā)制作成本低，創(chuàng)意性強(qiáng)，保存時(shí)間長(zhǎng)。另外還可以通過(guò)數(shù)字化建模的方式進(jìn)行實(shí)際復(fù)原模擬，將施工與結(jié)構(gòu)1∶1復(fù)刻出來(lái)，提前預(yù)估復(fù)原的精確度，提前判斷，在保護(hù)遺址上較傳統(tǒng)的遺址保護(hù)方法成本上可以達(dá)到最低，最終視覺(jué)效果也依然可以得到呈現(xiàn)。

3 古建筑數(shù)字化復(fù)原思路

古建筑數(shù)字復(fù)原思路如圖1所示：①本項(xiàng)目依據(jù)大量的史料記載，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪數(shù)據(jù)，分析對(duì)比得到精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)資源，運(yùn)用數(shù)字化手段進(jìn)行建模，還原清代乾隆盛期避暑山莊“消失”的建筑原貌，完成科普微視頻的制作；②利用VR、AR、MR、Unity等交互和虛擬技術(shù)，結(jié)合山莊內(nèi)具體項(xiàng)目遺址文化內(nèi)涵進(jìn)行趣味性的互動(dòng)設(shè)計(jì)，對(duì)避暑山莊項(xiàng)目遺址進(jìn)行沉浸式展示；③將科普微視頻資源借助避暑山莊5A景區(qū)和互聯(lián)網(wǎng)線上平臺(tái)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行傳播，科普避暑山莊內(nèi)的文化內(nèi)涵和藝術(shù)成就；④將避暑山莊部分遺址作為范例，以點(diǎn)帶面，逐步豐富避暑山莊乃至河北省古建筑遺址的數(shù)字化科普資源，構(gòu)建古建筑遺址數(shù)字化科普資源庫(kù)。

4 避暑山莊碧靜堂數(shù)字化復(fù)原過(guò)程

4.1 實(shí)地測(cè)量Auto CAD繪圖

由于本項(xiàng)目遺址損壞嚴(yán)重，除現(xiàn)場(chǎng)獲得的信息外，還參考了文物局陳東老師提供的資料，本次復(fù)原度極高，通過(guò)閱讀學(xué)習(xí)《中國(guó)古典園林》《清代營(yíng)造法式》《清宮熱河檔案》《陳設(shè)檔》等書(shū)籍，積累大量理論知識(shí)，再結(jié)合清代繪畫(huà)、老照片、現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行合理推斷。結(jié)合建筑位置、結(jié)構(gòu)尺寸等用Auto CAD軟件繪制園林布局平面圖（圖2）、各建筑立面圖（圖3）以及室內(nèi)裝修圖，其中具體包括檻墻厚度、臺(tái)基尺寸、金柱徑、檐柱徑、門(mén)窗樣式以及大木結(jié)構(gòu)，尺寸精確到毫米，復(fù)原度、準(zhǔn)確度極高。

4.2 SketchUp數(shù)字化建模

本次項(xiàng)目模型使用SketchUp軟件進(jìn)行建模，建模過(guò)程中嚴(yán)格使用前期計(jì)算測(cè)量好的CAD尺寸進(jìn)行建模。將模型進(jìn)行全材質(zhì)實(shí)景貼圖，貼圖清晰、準(zhǔn)確、逼真，以達(dá)到豐富真實(shí)的模型效果，材質(zhì)貼圖非常影響后期渲染的細(xì)節(jié)及精細(xì)程度；另外，在建的過(guò)程中會(huì)使用pizitools、Fredo、tt-truebenf系列工具插件更加方便快捷。當(dāng)然，相較于一般建筑來(lái)說(shuō)，古建筑的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，面、線較多，在制作過(guò)程中非必要部分會(huì)使用面片結(jié)構(gòu)，外觀上與實(shí)體結(jié)構(gòu)并無(wú)差別（建筑模型要注意面的正反，若片面為反的在后期貼圖和交互時(shí)會(huì)出現(xiàn)貼圖重復(fù)或者片面缺失等問(wèn)題）。

另外，由于該建筑遺址位于山區(qū)部分，周?chē)匦苇h(huán)境復(fù)雜，運(yùn)用無(wú)人機(jī)掃描技術(shù)將建筑遺址周?chē)牡雀呔€圖制作出來(lái)，再使用SketchUp軟件的實(shí)體沙盒工具進(jìn)行建模，最后用頂點(diǎn)編輯器再進(jìn)行微調(diào)，將實(shí)際地形進(jìn)行還原，更加真實(shí)準(zhǔn)確。

4.3 數(shù)字化渲染

效果圖渲染部分便是前期工作的表現(xiàn)，本項(xiàng)目將真實(shí)還原效果與用戶(hù)更易接受的效果結(jié)合，最后采用了較為真實(shí)、光影感較強(qiáng)的效果圖表現(xiàn)。在渲染時(shí)使用的植物模型也是通過(guò)考察避暑山莊山區(qū)內(nèi)的植物以及現(xiàn)場(chǎng)觀察的植被確定，碧靜堂園中的植物確定為古松、五角楓與地面草皮，地面少許野花點(diǎn)綴。這也是避暑山莊植物的一大特點(diǎn)。

前期我們測(cè)試了市面上使用的主流渲染器Enscape、Lumion，由于Lumion較為穩(wěn)定，效果更加逼真，可操作性更強(qiáng)，最后使用該軟件進(jìn)行渲染。在創(chuàng)建的新ln格式文件里模擬天空、環(huán)境光、風(fēng)的強(qiáng)度、云的密度等。再將建好的模型導(dǎo)入，調(diào)整材質(zhì)，最后渲染出圖，其中包括節(jié)點(diǎn)圖、細(xì)節(jié)圖、鳥(niǎo)瞰圖、全景圖以及部分視頻片段。當(dāng)然這些圖片資源和視頻資源還要經(jīng)過(guò)后期處理將顏色、質(zhì)感表現(xiàn)出來(lái)（圖4、圖5）。

4.4 視頻制作

為了提高觀者的沉浸感，也讓游客重新感受建筑文物的魅力，我們完成數(shù)字建模后，并對(duì)建筑模型進(jìn)行視頻制作。通過(guò)視頻我們也可以在線上、線下多個(gè)平臺(tái)上展示宣傳避暑山莊，同時(shí)，也以避暑山莊碧靜堂為載體宣傳我國(guó)傳統(tǒng)文化，讓更多的人知道并了解避暑山莊文化。較之于文字圖片，這種展示方式更為直觀，能為受時(shí)間和經(jīng)濟(jì)條件限制的人們帶來(lái)更好的體驗(yàn)，深化他們對(duì)建筑藝術(shù)價(jià)值的認(rèn)知，使得建筑遺產(chǎn)的文化價(jià)值和歷史價(jià)值能得到更好的保護(hù)與傳承。而且視頻剪輯包含了我們從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量到最后成果的輸出，也起到了很好的記錄作用。

4.5 漫游交互設(shè)計(jì)

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)移動(dòng)展示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面，使用Unity2022版本，可以直接通過(guò)選擇組件環(huán)節(jié)選擇需要的平臺(tái)支持組件（i0S、Android、UWP）以及主角（Xdreamer），然后安裝。安裝完成后我們創(chuàng)建新的3D項(xiàng)目。步驟如下：

①開(kāi)發(fā)人員需要在官網(wǎng)下載Xdreamer組件。②下載之后打開(kāi)unity建立一個(gè)3D工程文件。③打開(kāi)之后直接雙擊或者拖動(dòng)提前下好的xdreamer組件，之后會(huì)在頂端菜單欄會(huì)出現(xiàn)xdreamer下拉找到工具庫(kù)、狀態(tài)庫(kù)、狀態(tài)機(jī)。然后就可以把漫游的場(chǎng)景模型導(dǎo)入（注意最好是sdk格式的模型，其他格式可能會(huì)出現(xiàn)模型異常，材質(zhì)丟失等問(wèn)題），這樣前期準(zhǔn)備工作就做好了。④導(dǎo)入模型會(huì)有部分貼圖丟失，可以在模型窗口底部的素材圖片文件夾中選取素材圖片，然后通過(guò)鼠標(biāo)左鍵將圖片拖到模型上，這樣就添加好材質(zhì)了。當(dāng)然這些材質(zhì)也可以進(jìn)行軟件內(nèi)調(diào)整，如有需要也可通過(guò)Photoshop制作貼圖然后進(jìn)行導(dǎo)入。⑤漫游交互有三種：第一種是動(dòng)畫(huà)漫游，提前在庫(kù)中找到渲染器box，利用box設(shè)置動(dòng)畫(huà)的路線，然后使用狀態(tài)庫(kù)中的路徑動(dòng)畫(huà)，將每一個(gè)box按順序?qū)?，形成一個(gè)流暢的路線，然后添加3個(gè)UI按鈕，點(diǎn)擊狀態(tài)機(jī)建立新的交互邏輯，在狀態(tài)庫(kù)中找到按鈕點(diǎn)擊添加狀態(tài)，找到狀態(tài)激活導(dǎo)入狀態(tài)庫(kù)中的時(shí)間軸，在工具庫(kù)中找到定點(diǎn)相機(jī)，與最開(kāi)始的box放在一起，然后拖入路徑動(dòng)畫(huà)的游戲?qū)ο笾校@樣第一種動(dòng)畫(huà)漫游就可以通過(guò)之前的UI按鈕點(diǎn)擊進(jìn)行路徑游覽；第二種和第三種比較相似，都是直接通過(guò)xdreamer的工具庫(kù)中的行走相機(jī)和飛行相機(jī)直接進(jìn)行交互，不同點(diǎn)在于行走漫游需要在模型中設(shè)置碰撞體，否則運(yùn)行時(shí)相機(jī)會(huì)墜落，飛行相機(jī)也可以通過(guò)d、w、a、s四個(gè)鍵進(jìn)行前后左右的移動(dòng)通過(guò)qe來(lái)飛行和降低，且可以直接穿過(guò)模型，交互也是首先建立按鈕點(diǎn)擊，然后建立狀態(tài)激活和相機(jī)切換器，通過(guò)狀態(tài)激活切換相機(jī)開(kāi)關(guān)，把之前做的另外兩個(gè)UI按鈕導(dǎo)入按鈕點(diǎn)擊，這樣場(chǎng)景的漫游就做好了（圖6）。⑥文件打包運(yùn)行，在左上角的文件中找到建立與運(yùn)行選擇平臺(tái)（平臺(tái)需要預(yù)先下載，如果沒(méi)有想要發(fā)布的平臺(tái)可以在Unity hub安裝中進(jìn)行模塊下載），用戶(hù)可以通過(guò)相關(guān)渠道下載apk、exe、pxl等格式安裝文件，再?gòu)南鄳?yīng)客戶(hù)端進(jìn)行安裝，便能正常使用我們的軟件，其不僅可以線上使用，還可放在景區(qū)或博物館方便游客線下體驗(yàn)，雖然一些建筑都已“消失”不見(jiàn)，但通過(guò)我們的技術(shù)還是可以讓這些文化瑰寶重新出現(xiàn)在大眾面前（圖7）。

4.6 古建筑沉浸式漫游交互技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用

在漫游交互系統(tǒng)在制作時(shí)便要考慮用戶(hù)體驗(yàn)感和趣味性，為了確保還原的真實(shí)性，應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，運(yùn)用真實(shí)的材質(zhì)、紋樣貼圖。我們制作了兩種游覽形式：一種是我們?cè)诃h(huán)境內(nèi)設(shè)置好的最佳游覽路線；另一種便是可以在系統(tǒng)內(nèi)通過(guò)使用兩邊的滑輪或w、a、s、d鍵來(lái)隨意操控方向和進(jìn)退，在游覽時(shí)可以任意點(diǎn)擊建筑周?chē)臉?biāo)記，便會(huì)出現(xiàn)關(guān)于此建筑的介紹和相關(guān)詩(shī)文的解釋。這樣一來(lái)可以讓使用者在我們的建筑中去到任意想要去的地方，更加細(xì)致地了解我國(guó)的建筑文化。

5 避暑山莊碧靜堂其他數(shù)字化復(fù)原成果

對(duì)避暑山莊內(nèi)遺址項(xiàng)目進(jìn)行精準(zhǔn)建模，運(yùn)用數(shù)字化手段將其轉(zhuǎn)變成具有科普價(jià)值的旅游產(chǎn)品，既有能進(jìn)行人機(jī)交互的視頻資源，也有結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓游客沉浸式感受“消失”的古建筑風(fēng)采的現(xiàn)場(chǎng)資源，通過(guò)線上線下兩個(gè)平臺(tái)科普項(xiàng)目展示其獨(dú)特的歷史地位、造園藝術(shù)以及文化內(nèi)涵等，以求為古建筑遺址數(shù)字化科普資源開(kāi)發(fā)探明道路，讓更多的人在旅游的同時(shí)了解古建筑遺址的歷史文化內(nèi)涵和藝術(shù)成就。

數(shù)字技術(shù)使文物保護(hù)從過(guò)去的實(shí)物保護(hù)與復(fù)原轉(zhuǎn)變?yōu)榻裉斓臄?shù)字化復(fù)原，為文物遺址保護(hù)增添科技的魅力。除此之外，還可以運(yùn)用Bim進(jìn)行工程預(yù)演和工程預(yù)算的模擬。當(dāng)然文物保護(hù)不僅僅是以上數(shù)字技術(shù)的運(yùn)用，還有許許多多數(shù)字化保護(hù)手段，主要包括數(shù)字影視、數(shù)字動(dòng)畫(huà)、數(shù)字交互產(chǎn)品、VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、全息影像技術(shù)、數(shù)字藏品、數(shù)字博物館等。

這些技術(shù)的使用可謂是大勢(shì)所趨，隨著科技時(shí)代的進(jìn)步與時(shí)代的發(fā)展，在展示展覽方面也必須有更進(jìn)一步的迭代和創(chuàng)造。我們也將追尋科技的腳步，一步步地完善和改進(jìn)本項(xiàng)目成果。

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目的研究課題是數(shù)字技術(shù)在古建筑遺址復(fù)原中的應(yīng)用研究，在了解數(shù)字技術(shù)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀后，對(duì)避暑山莊現(xiàn)存遺址進(jìn)行分析與測(cè)量。這也是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這一技術(shù)研究方向的一大趨勢(shì)，國(guó)家和政策也都大力支持，國(guó)內(nèi)也有很多學(xué)者、機(jī)構(gòu)及高校對(duì)避暑山莊的文化與建筑進(jìn)行了深入研究。本次研究注重與建筑結(jié)構(gòu)、藝術(shù)、文化以及技術(shù)的高層次結(jié)合，豐富了科普資源的數(shù)量和種類(lèi)，拓寬了古建筑遺址的傳播技術(shù)手段，促進(jìn)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化傳承與創(chuàng)新，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、文化價(jià)值和科普價(jià)值。

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