■董金慧 潘賀峰 張愛莉 趙 航 Dong Jinhui & Pan Hefeng & Zhang Aili & Zhao Hang

(1.2.3.4.北京工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，北京 1000124）

1 概述

1.1 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境現(xiàn)狀分析

伴隨世界跨入新紀(jì)元,諸多文物建筑遺址已處在瀕危境地，對于一些稀有的建筑遺址實(shí)施科學(xué)的搶救性措施,是非常迫切的。中華圣公會(huì)教堂建于1907年，現(xiàn)屬國家文物保護(hù)單位?，F(xiàn)今教堂現(xiàn)處于“孤芳自賞”狀態(tài)，失去教堂原有功能且因年久失修等原因，已出現(xiàn)墻體開裂、地面下陷、風(fēng)化、堿化等現(xiàn)象。

1.2 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境保護(hù)策略

究其承載的文化價(jià)值和社會(huì)地位，考慮建筑室內(nèi)歷史環(huán)境保護(hù)和修復(fù)的難度與現(xiàn)今社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治等各大因素[1]，對于中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境的保護(hù)與修復(fù)應(yīng)嚴(yán)格按照文物保護(hù)策略和建筑室內(nèi)歷史環(huán)境保護(hù)級別標(biāo)準(zhǔn)，以詳實(shí)的現(xiàn)場信息數(shù)據(jù)和歷史資料為依據(jù)，遵照建筑材料保護(hù)與修復(fù)實(shí)錄手冊規(guī)范，科學(xué)合理的形成中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境的保護(hù)策略。

1.3 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境保護(hù)方式研究

對于中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境的保護(hù)與修復(fù)，應(yīng)結(jié)合歷史建筑價(jià)值評估體系、現(xiàn)場調(diào)研、現(xiàn)今修復(fù)技術(shù)水平等方面的不同因素，并根據(jù)歷史建筑保護(hù)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，確定中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境的保護(hù)級別，因不同的保護(hù)級別應(yīng)采用不同的保護(hù)方式，所以保護(hù)方式的選擇與確立，需綜合社會(huì)各個(gè)因素，從而為選擇合理科學(xué)的保護(hù)方式奠定基礎(chǔ)[2]?，F(xiàn)今對于歷史建筑的保護(hù)方式大致分為兩種：其一：傳統(tǒng)實(shí)體修復(fù)方式；其二：數(shù)字化虛擬修復(fù)方式。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與建筑室內(nèi)歷史環(huán)境之間的關(guān)系

2.1 建筑歷史環(huán)境傳統(tǒng)修復(fù)手法的劣勢

目前大部分的室內(nèi)裝修保護(hù)修復(fù)與實(shí)踐缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，實(shí)施修復(fù)的團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)由具備極高的建筑材料修復(fù)知識與經(jīng)驗(yàn)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕ㄖこ腆w系、扎實(shí)的古建筑保護(hù)造詣、較高的藝術(shù)審美等多學(xué)科人員組成。諸多的保護(hù)理論研究與應(yīng)用實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)，修復(fù)與實(shí)踐缺少技術(shù)策略評估依據(jù)，缺乏技術(shù)性科學(xué)評估。針對建筑室內(nèi)歷史環(huán)境實(shí)施的保護(hù)與修復(fù)方案一旦缺乏科學(xué)的技術(shù)與理論支撐，那么方案落實(shí)結(jié)果往往會(huì)給歷史建筑帶來巨大的損失，且多數(shù)情況下?lián)p失不可逆。

2.2 VR技術(shù)在建筑室內(nèi)歷史環(huán)境保護(hù)中的優(yōu)勢

日前，VR技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，技術(shù)嫻熟，且在建筑室內(nèi)展示、文物保護(hù)等方面均取得較可觀效果，例如，故宮養(yǎng)心殿修復(fù)項(xiàng)目和敦煌石窟壁畫修復(fù)項(xiàng)目等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以計(jì)算機(jī)平臺(tái)為支撐構(gòu)建的一種高仿真系統(tǒng)，進(jìn)入該系統(tǒng)用戶可體驗(yàn)虛擬世界，依載計(jì)算機(jī)輸出可視化虛擬空間，該世界通過多維信息融合技術(shù)為用戶呈現(xiàn)三維交互全互動(dòng)環(huán)境和用戶行為及時(shí)反饋的仿真世界，提供完美的沉浸式體驗(yàn)。虛擬修復(fù)能夠較完整真實(shí)存儲(chǔ)建筑信息數(shù)據(jù)，在建筑空間利用虛擬修復(fù)技術(shù)完全遵循可逆的修復(fù)原則。

2.3 VR技術(shù)在建筑室內(nèi)歷史環(huán)境保護(hù)中的意義

當(dāng)前,利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對建筑室內(nèi)歷史環(huán)境構(gòu)建三維虛擬仿真環(huán)境具有劃時(shí)代的意義。因其在保護(hù)與研究、歷史與人文等方面都能起到不可小覷的效用,因此在國際文物保護(hù)界得到普遍認(rèn)可。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維仿真環(huán)境漫游，突破了古建筑文物數(shù)字化、虛擬復(fù)原、場景還原、場景生成、真實(shí)再現(xiàn)等技術(shù)瓶頸，有效提升了遺址遺存的文化價(jià)值，拓寬了傳播途徑。數(shù)字化建筑保護(hù)方式不僅弱化了實(shí)體建筑之間的鴻溝而且還淡化了數(shù)字建筑和實(shí)體建筑之間的界限，力求形成歷史建筑保護(hù)為基點(diǎn)，與時(shí)俱進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段為架構(gòu)，雙管齊下的歷史建筑保護(hù)傳承新模式。

3 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景分析

3.1 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)環(huán)境三維虛擬交互場景可行性分析

在設(shè)計(jì)方案前,對擬方案進(jìn)行了可行性分析。分析的重點(diǎn)是擬方案將要提出的設(shè)計(jì)方案是否具有實(shí)現(xiàn)的科學(xué)性和可能性;如何根據(jù)中華圣公會(huì)教堂現(xiàn)有情況設(shè)計(jì)出更為科學(xué)、合理的交互場景；開發(fā)難度分析;分析并預(yù)測用戶體驗(yàn)該場景中可能會(huì)遇到的情景；交互場景架構(gòu)設(shè)計(jì)與交互方式設(shè)計(jì)是否能夠?yàn)橛脩籼峁┲腥A圣公會(huì)教堂歷史信息和修復(fù)技術(shù)的知識科普以及保證良好的用戶體驗(yàn)。根據(jù)以上可行性分析，得出結(jié)論：筆者需要深度分析用戶體驗(yàn)場景的過程中可能出現(xiàn)的問題并設(shè)計(jì)出相匹配的應(yīng)對方案,力求形成一個(gè)相對完好的交互場景方案。

■圖1 現(xiàn)場照片采集

■圖2 交互界面設(shè)計(jì)

表1 圖像采集規(guī)范樣表

3.2 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景框架分析

通過仔細(xì)探究現(xiàn)場調(diào)研實(shí)錄、詳實(shí)研讀歷史資料并結(jié)合現(xiàn)今社會(huì)發(fā)展水平，定義中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景應(yīng)為用戶與建筑實(shí)體之間提供便捷的鏈接紐帶且為古建筑數(shù)據(jù)留存開拓新的平臺(tái)[3]。中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景框架設(shè)計(jì)以發(fā)掘傳統(tǒng)古建筑保護(hù)和修復(fù)的缺陷為研究痛點(diǎn)。比如，現(xiàn)有保護(hù)修復(fù)的遺址數(shù)量與維護(hù)資金、修復(fù)團(tuán)隊(duì)數(shù)量之間不平衡、傳統(tǒng)修復(fù)手段單一枯燥、歷史資料遺失嚴(yán)重、大多數(shù)古建筑遺址處于封閉狀態(tài)不能較完整傳承文化等等。為改變當(dāng)前狀況，設(shè)計(jì)的中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景滿足古建筑數(shù)字化留存需求又為古建筑走出去提供數(shù)字化平臺(tái)，且該平臺(tái)可根據(jù)時(shí)代需求配置新功能或錄入新的遺跡信息。平臺(tái)可基于一個(gè)或多個(gè)實(shí)體建筑或建筑群，甚至是在建筑尺度、文物尺度、城市尺度、遺址尺度更甚無限尺度等不同尺度范圍內(nèi)，搭建一個(gè)完整地人工智能大數(shù)據(jù)生態(tài)平臺(tái)。

4 中華圣公會(huì)教堂三維場景構(gòu)建

4.1 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境信息采集

此次信息采集包括中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)環(huán)境的圖像采集-整體圖像和局部圖像、尺寸測量、破損信息采集等。其中在室內(nèi)局部信息采集板塊有嚴(yán)格的規(guī)范：如拍攝距離限定和圖片像素規(guī)格以及圖片布光規(guī)則等。

4.1.1 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境圖像采集

為創(chuàng)建場景還原類高仿真三維教堂建筑室內(nèi)歷史環(huán)境，需要對教堂建筑室內(nèi)環(huán)境表層信息進(jìn)行詳細(xì)的攝影記錄。紋理圖像采集使用數(shù)碼相機(jī)佳能70D（2020萬數(shù)碼像素），要求現(xiàn)場紋理圖像采集時(shí)在無陽光直射的前提下，破損信息采集時(shí)應(yīng)盡可能周詳、原真。為創(chuàng)建三維彩色仿真模型因此拍攝數(shù)碼影像的數(shù)量與質(zhì)量應(yīng)盡可能與建筑本體信息保持高程度一致性。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，筆者拍攝可用圖片約為3800多張（圖1），其中包含整體圖像400張，局部圖像3400多張。經(jīng)中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)環(huán)境信息采集后筆者設(shè)計(jì)了圖像采集的規(guī)范樣表（表1）。

4.1.2 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境尺寸記錄規(guī)范

中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)環(huán)境尺寸測量原則將歷史資料記載的平面圖、立面圖與現(xiàn)場數(shù)據(jù)做比對，進(jìn)行有效數(shù)據(jù)更新處理。因中華圣公會(huì)教堂自1907年成立以來，使用功能不斷演變，根據(jù)其變遷發(fā)展需要，現(xiàn)階段室內(nèi)構(gòu)造較歷史資料記載對比局部空間已發(fā)生改變，如增設(shè)衛(wèi)生間、設(shè)備間等；外加年久失修，室內(nèi)墻皮大面積脫落、木地板輕微下沉、基柱存在風(fēng)化堿化、破損等現(xiàn)象?，F(xiàn)場尺寸記錄不僅僅包括空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)更新，還包括破損信息錄入，記錄破損位置、破損大小、破損原因、破損圖片等。經(jīng)統(tǒng)計(jì)：墻面裂縫大小一般為50-60公分，木基柱表面裂紋寬度為4-6公分，基柱裂紋長度在30-40公分不等。

4.1.3 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境材質(zhì)制作原理

中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)環(huán)境材質(zhì)制作原理依據(jù)現(xiàn)場局部圖片中相同材質(zhì)之間的重疊區(qū)域做拼合處理，輔以計(jì)算人眼視差測算閾值并進(jìn)行拼圖信息精準(zhǔn)映射，匹配成功后結(jié)合教堂室內(nèi)全景圖匹配該材質(zhì)所在位置。材質(zhì)制作的過程中紋理重建部分要求遵照紋理真實(shí)特征、色彩一致、位置精準(zhǔn)配比等信息合成。因材質(zhì)制作過程中各個(gè)因素變化多樣且制作工程精密復(fù)雜，不免出現(xiàn)輕微的多紋理色差、紋理間幾何錯(cuò)位、紋理間色彩不一致等情況，針對這些情況設(shè)計(jì)的應(yīng)對措施為：顏色差異類-采取局部錯(cuò)位處理方式、紋理間幾何錯(cuò)位類-采取多接縫微調(diào)方式等等，力求高保真還原現(xiàn)場材質(zhì)。

4.2 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維模型創(chuàng)建方法

中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)模型創(chuàng)建依托工具：Autodesk3D Max，Autodesk3D Max是一款基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫制作渲染軟件[4]，運(yùn)用該軟件能夠較真實(shí)呈現(xiàn)中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境。模型創(chuàng)建的數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場空間數(shù)據(jù)與歷史資料的科學(xué)結(jié)合，詳實(shí)的歷史資料和精準(zhǔn)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)為中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維模型創(chuàng)建提供了必要條件；三維模型創(chuàng)建成功后即為模型附材質(zhì)，材質(zhì)來源如上文所述的材質(zhì)制作方法，材質(zhì)附加時(shí)應(yīng)遵守相應(yīng)材質(zhì)附給對應(yīng)模型，此時(shí)在附材質(zhì)時(shí)應(yīng)控制好單個(gè)模型的UV參數(shù)，UV參數(shù)尺度是根據(jù)材質(zhì)的尺寸與模型特征并結(jié)合現(xiàn)實(shí)材質(zhì)紋理大小進(jìn)行精準(zhǔn)UV閾值調(diào)整，科學(xué)的UV參數(shù)能夠真實(shí)的呈現(xiàn)空間信息，營造出高仿真空間氛圍，UV參數(shù)設(shè)置成功后，進(jìn)行模型數(shù)據(jù)核對和現(xiàn)場信息比對，刪除無用模型，控制模型內(nèi)存大小，完成后導(dǎo)出模型，為了后續(xù)依托Unity3D程序構(gòu)建三維虛擬互動(dòng)環(huán)境，要求此時(shí)，模型導(dǎo)出的格式應(yīng)為FBX格式。

5 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景設(shè)計(jì)

5.1 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)環(huán)境三維虛擬交互場景架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)前期對中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景框架分析可知，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為古建筑數(shù)據(jù)留存提供了更為便捷、科學(xué)的新平臺(tái)[5]。鑒于此為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與中華圣公會(huì)教堂首次結(jié)合試驗(yàn)，考慮到虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的特性，因此中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景的交互流程應(yīng)相對簡單且易于操作。這就要求中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景應(yīng)按照用戶需求設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)和布局板塊，交互方式應(yīng)符合用戶的行為習(xí)慣，盡可能降低用戶的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。因此，交互場景架構(gòu)設(shè)計(jì)為信息查詢、環(huán)境瀏覽、破損信息三個(gè)板塊。此版塊布局可為用戶呈現(xiàn)中華圣公會(huì)教堂歷史信息和現(xiàn)存狀態(tài)以及沉浸式的互動(dòng)場景漫游體驗(yàn)的效果。

5.2 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景的視覺設(shè)計(jì)

中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)環(huán)境三維虛擬交互場景視覺設(shè)計(jì)的色調(diào)與風(fēng)格應(yīng)與中華圣公會(huì)教堂的色調(diào)與風(fēng)格保持一定程度上的統(tǒng)一，以黃、棕配色為主，輔以白色。整體視覺設(shè)計(jì)風(fēng)格屬簡潔、大氣的扁平風(fēng)。不同板塊之間的既統(tǒng)一又富有變化。用戶佩戴頭顯后進(jìn)入場景，協(xié)調(diào)的視覺設(shè)計(jì)提升了用戶的互動(dòng)體驗(yàn)。

5.3 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景的界面設(shè)計(jì)

中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景界面的設(shè)計(jì)原則要求在遵循層次性原則的同時(shí)滿足統(tǒng)一性原則。層次性原則即在界面設(shè)計(jì)時(shí)需恰到好處的布局元件位置與內(nèi)容，布局的排布富有節(jié)奏與層次關(guān)系；統(tǒng)一性原則是界面設(shè)計(jì)時(shí)采用的與場景空間一致的配色、風(fēng)格、元素等，這里應(yīng)注意的是，所有界面的設(shè)計(jì)語言應(yīng)不僅僅局限于這些規(guī)范，還應(yīng)為其設(shè)計(jì)相匹配的交互方式和反饋機(jī)制。這樣的設(shè)計(jì)方式不僅能夠降低用戶的學(xué)習(xí)成本而且能夠使用戶快速熟練交互場景的架構(gòu)和邏輯，同時(shí)統(tǒng)一鮮明的設(shè)計(jì)風(fēng)格也能給用戶留下美好的印象（圖2）[6]。

5.4 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景的交互設(shè)計(jì)

在擬定交互設(shè)計(jì)方案之前，首先對目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可應(yīng)用交互方式進(jìn)行了調(diào)研與研究，總結(jié)出四種交互方式：①基于對人體動(dòng)作判斷的交互方式；②基于VR手柄觸覺反饋的交互方式；③基于VR頭顯的眼球追蹤交互方式；④基于捕捉用戶手勢的交互方式。每種交互方式各有利弊、各配場景。中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景中的交互設(shè)計(jì)以場景特性和用戶研究為依據(jù)，為用戶營造科學(xué)有效的體驗(yàn)環(huán)境，因此，所采用的交互方式是基于VR手柄觸覺反饋的交互方式與基于VR頭顯的眼球追蹤交互方式相結(jié)合的設(shè)計(jì)手法，企望為用戶呈現(xiàn)多感官、多通道、智能化交互場景（表2）。

6 中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景構(gòu)建

中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景構(gòu)建應(yīng)用程序是Unity3D，Unity3D是一款能夠構(gòu)建實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫、三維游戲等多互動(dòng)多終端的附加型游戲開發(fā)工具。中華圣公會(huì)教堂室內(nèi)歷史環(huán)境三維虛擬交互場景構(gòu)建步驟為首先導(dǎo)入優(yōu)化后的FBX格式三維模型，倒入模型后檢查導(dǎo)入的模型是否在Unity里適配烘焙到紋理，查驗(yàn)?zāi)Ｐ筒馁|(zhì)是否丟失，如若丟失需要重新附材質(zhì)到模型，隨后導(dǎo)入與之相匹配的UI界面和Steam VR，設(shè)置攝像機(jī)參數(shù)，調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)相機(jī)位置與焦距，攝像機(jī)設(shè)置成功后，繪制游覽路徑，此時(shí)應(yīng)合理控制路徑上的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量和關(guān)鍵點(diǎn)之間的距離長短，同等距離關(guān)鍵點(diǎn)之間的距離越短用戶體驗(yàn)式游覽速度越慢，反之亦然，究中華圣公會(huì)室內(nèi)歷史環(huán)境規(guī)格與特點(diǎn)，繪制關(guān)鍵點(diǎn)需滿足以下要求：①關(guān)鍵點(diǎn)個(gè)數(shù)在30-40個(gè)之間為最佳，②路徑形成的路線為用戶游覽教堂室內(nèi)環(huán)境真實(shí)情況下的參觀路線，③所有相鄰關(guān)鍵點(diǎn)之間的距離應(yīng)相等，保證游覽速度均衡，為用戶提供良好體驗(yàn)，路徑繪制完成后進(jìn)行模型渲染烘焙，在烘焙實(shí)施前應(yīng)建立在場景中真實(shí)布光、材質(zhì)清晰、模型無誤的基礎(chǔ)上，烘焙完成后，依照交互流程編寫交互方式，交互方式編寫時(shí)應(yīng)充分考慮用戶習(xí)慣、現(xiàn)實(shí)環(huán)境、VR特點(diǎn)等因素，合理控制交互方式和整體和單一交互時(shí)長，科學(xué)配置反饋機(jī)制，此時(shí)可考慮讓小部分用戶體驗(yàn)試測，收集整理用戶反饋，優(yōu)化升級方案，最后，導(dǎo)出程序發(fā)布exe文件。

■表2 交互流程

7 結(jié)語

本文的立足點(diǎn)以建筑室內(nèi)歷史環(huán)境保護(hù)為核心，依托與時(shí)俱進(jìn)的技術(shù)手段，力求形成數(shù)字化的建筑室內(nèi)歷史環(huán)境保護(hù)發(fā)展新模式。為建筑室內(nèi)歷史環(huán)境保護(hù)和修復(fù)做好科學(xué)記錄，多種形式并舉使建筑室內(nèi)歷史環(huán)境活起來，走出去。彰顯出歷史建筑數(shù)字化與智慧化、信息化與智能化，為未來歷史建筑的保護(hù)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐和更便捷的保護(hù)方式。

現(xiàn)階段如何科學(xué)有效的實(shí)現(xiàn)對歷史建筑的保護(hù)與利用，形成歷史建筑數(shù)字化模型管理方法和虛擬展示系統(tǒng)解決方案為建筑遺產(chǎn)數(shù)字化廣泛傳播提供平臺(tái)支撐等是歷史建筑保護(hù)面臨的主要困境。此次研究的目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)歷史建筑 “永久保存、永續(xù)利用”，為未來歷史建筑實(shí)現(xiàn)高保真、科學(xué)修復(fù)做鋪墊。

（責(zé)任編輯：張 楊）

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