文/ 鄧育林 候汝軍 (四川音樂學院 數(shù)字藝術(shù)系；四川大學 藝術(shù)學院）

引言

建筑文化遺產(chǎn)蘊含著一個民族特有的精神價值、思維方式和想象力，也體現(xiàn)了該民族的生命力和創(chuàng)造力，是人類智慧的結(jié)晶，歷來受到世界各國的重視和保護。但建筑又因其不可移動性成為了遺產(chǎn)保護工作的難題。歷史風雨的侵蝕、各種地質(zhì)災害、現(xiàn)代旅游開發(fā)等各種因素都會對其形成致命的破壞。傳統(tǒng)的保護方法主要以實物和工程保護為主，如測繪與數(shù)據(jù)記錄、影像資料收集、結(jié)構(gòu)加固、翻修與重建等手段等。而破壞后的修復、重建僅僅只能依靠最初有限的測繪數(shù)據(jù)和圖片資料，很難恢復建筑原貌。在數(shù)字信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，文化信息的傳播、分享和展示方式都在發(fā)生著改變，傳統(tǒng)方法已經(jīng)出現(xiàn)其局限性，這也對建筑文化遺產(chǎn)的保護和開發(fā)提出了新的時代課題。

現(xiàn)代科技手段，特別是數(shù)字技術(shù)的使用使文化遺產(chǎn)保護進入到新的技術(shù)應(yīng)用層面，逐漸成為文化遺產(chǎn)保護的新策略。

一、國內(nèi)外數(shù)字技術(shù)在文物保護中的應(yīng)用：

敦煌研究院牽頭組織的國家重點科技計劃專題《瀕危珍貴文物信息的計算機存儲與再現(xiàn)》課題，以敦煌石窟文物為研究對象，采用信息技術(shù)手段將有珍貴歷史文物價值的敦煌壁畫經(jīng)數(shù)字攝影和計算機圖像處理，以實現(xiàn)壁畫圖像信息完整存儲和再現(xiàn)的一整套高技術(shù)方法。由于數(shù)字化信息具有無損復制和良好的傳播性，便于保存、管理、使用、檢索和查詢等優(yōu)點，因此，它是對敦煌壁畫這類珍貴文物信息進行保存的最佳手段1劉剛，邰惠莉，沈子君.《敦煌石窟 在數(shù)字化世界與“飛天”共舞》[N]. 中國計算機報，2004-10-18。

圖1 梁思成繪漢代石闕草圖

數(shù)字技術(shù)同樣也應(yīng)用在秦陵、兵馬俑坑遺址文物保護中。研究人員將作為遺址保護的石鎧甲坑、文吏俑坑進行數(shù)字化工程，通過建立考古信息數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合三維全景技術(shù)、動態(tài)影像技術(shù)構(gòu)建秦始皇陵園的出土遺址的考古信息系統(tǒng)，通過三維全景攝影技術(shù)對秦始皇陵園、兵馬俑坑遺址開發(fā)三維全景展示系統(tǒng)，永久保存遺址的三維全景信息。

2003年，由故宮博物院和日本凸版印刷株式會社共同創(chuàng)立的“故宮文化資產(chǎn)數(shù)字研究所”,旨在應(yīng)用最先進的數(shù)字化技術(shù),存留、保護和展示故宮珍貴的人類文化遺產(chǎn)。研究所的第一個作品就是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)完成的“故宮VR《紫禁城·天子的宮殿》”2《像鳥兒那樣看故宮—故宮VR《紫禁城·天子的宮殿》[J].紫禁城,2004-01。2009年，由我國清華建筑與城市遺產(chǎn)研究室推動主持，圓明園管理處支援的“再現(xiàn)圓明園”數(shù)字復原工程啟動3尚晉.《再現(xiàn)建筑遺產(chǎn) 數(shù)字復原圓明園》[J].中國文化遺產(chǎn)2013-03。

數(shù)字信息技術(shù)應(yīng)用于文博工作中能利用其成熟的技術(shù)，用科學的方法與手段解決實際工作中存在的問題?，F(xiàn)代圖形圖像技術(shù)是計算機信息技術(shù)的分支學科，它與其它技術(shù)密切相關(guān)、有機結(jié)合，在文物遺址的數(shù)字化保護、考古信息的科學管理與應(yīng)用、博物館文物藏品陳列展示與信息挖掘與研究等各個方面有著廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)掘潛力。主要具有材料使用的環(huán)保性、流通途徑的廣泛性、文化傳播的即時性、旅游消費的大眾性、科學技術(shù)的當代性的優(yōu)勢。將最前沿的數(shù)字科學技術(shù)應(yīng)用到對文化遺產(chǎn)的保護與開發(fā)中來，一方面為文化保護提供更加深層的高科技技術(shù)支持，使傳統(tǒng)文化遺產(chǎn)注入新的文化基因，豐富文化的價值與內(nèi)涵；另一方面為文化遺產(chǎn)的保護與開發(fā)提供新的策略與方法，使文化遺產(chǎn)的保護與開發(fā)的途徑得到拓展與衍生4石慶秘.《武陵地區(qū)文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護的方法探析》[J].前沿2010-18。如今，建筑文化遺產(chǎn)的保護已經(jīng)從工程保護時代進入數(shù)字信息保護時代。

二、高頤闕建筑文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護實踐

建筑文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護是一個廣闊的領(lǐng)域。經(jīng)過不斷地發(fā)展，已不再局限于某種單一技術(shù)的應(yīng)用，而是多種技術(shù)交叉融合的廣闊空間，如數(shù)字測繪技術(shù)、數(shù)字模擬再現(xiàn)、建筑漫游動畫、虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）、數(shù)字傳播與推廣和更加前沿的3D掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)等等。

中國是多民族國家，很多民族在長久的休養(yǎng)生息中都形成了本民族特有的建筑風格，這些建筑順天時，應(yīng)地理，帶有強烈的宗教色彩和文化特色。

漢闕是漢代的一種紀念性建筑，有石質(zhì)“漢書”之稱，是我國古代建筑的“活化石”。

高頤墓闕及石刻位于四川省雅安市城東7公里的姚橋，是1961年中華人民共和國國務(wù)院公布的第一批全國重點文物保護單位，也是中國現(xiàn)存的石闕中保存最為完整、最精美的一處，著名建筑學家梁思成、歷史學家范文瀾、美學家王朝聞等，都從自己學術(shù)研究的角度在著述中對高頤闕有過高度的評價和肯定。

高頤墓闕及石刻是我國現(xiàn)存的時代最早、保存最完整的古代地表建筑之一，距今已有近2000年的歷史，堪稱國寶級文物。

但是在2013年雅安“4.20”地震中，高頤闕闕體震裂，附屬結(jié)構(gòu)嚴重損毀。人們意識到對高頤闕建筑文化的研究和保護的緊迫性和重要性。本課題組通過大量的田野調(diào)查、數(shù)據(jù)測繪、三維技術(shù)模擬、建筑動畫和虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代技術(shù)手段，力求還原和展示高頤闕建筑文化中的形制，探索數(shù)字技術(shù)在建筑文化遺產(chǎn)保護中的應(yīng)用策略和實施方法，完成項目設(shè)定的實踐目標。

同時，四川雅安由于相對地勢偏遠，旅游業(yè)已然成為當?shù)亟?jīng)濟建設(shè)的重要部分，在2013年8月出臺的《蘆山地震災后恢復重建文化旅游專項規(guī)劃》中，明確了雅安市文化旅游的發(fā)展目標和發(fā)展方向，并特別指出，要加強文化和旅游等的融合發(fā)展，建設(shè)國家級生態(tài)文化旅游融合發(fā)展試驗區(qū)?！兑?guī)劃》明確指出，要完成不可移動文物的搶救保護和可移動文物的修復保護，實施非遺項目實物修復和資料搶救征集工程，資助國家級、省級非遺代表性傳承人恢復開展傳習活動。加固維修非遺博物館、國家級、省級非遺生產(chǎn)性保護示范基地和非遺傳習所。在這個過程中，利用數(shù)字技術(shù)開發(fā)虛擬漫游，進行網(wǎng)絡(luò)推廣是當今信息社會的重要手段。

因此，對高頤墓闕及石刻文化遺產(chǎn)進行數(shù)字化保護會在建筑保護、科學研究、旅游推廣等多領(lǐng)域產(chǎn)生積極作用，具有重要意義。

課題組在實地測繪后通過三維數(shù)字方式對損壞部分進行了還原，使其更為完整，實施的主要數(shù)字化實踐為高頤闕數(shù)據(jù)和資料采集、建筑制圖、建筑的數(shù)字模擬、建筑漫游動畫、虛擬現(xiàn)實制作5個階段。

（一）高頤闕數(shù)據(jù)和資料采集

1、建筑數(shù)據(jù)實地測繪：

高頤闕數(shù)據(jù)測繪是高頤闕數(shù)字化的第一個環(huán)節(jié)，也是極為重要的基礎(chǔ)。但是有近2000年歷史的高頤闕是不可能留下當初施工建造時使用的圖紙和現(xiàn)成數(shù)據(jù)。在建筑遺產(chǎn)的數(shù)字化保護項目中，完成的虛擬建筑等項目成果擔負著資料留存和科學研究的重要功能，承擔著為以后的建筑修復或重建提供直觀準確的數(shù)字化資料的功能。要達這個目的就必須做到對原建筑的準確還原，因此，全面細致和準確的數(shù)據(jù)測繪工作就是必不可少的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

測繪工作是一個專門的知識領(lǐng)域，盡可能讓專業(yè)的測繪人員進行測繪才能保障數(shù)據(jù)準確。對屬于單體建筑的高頤闕，測繪相對容易。主要依靠皮卷尺、卡尺或軟尺等簡單工具就可以測出所有高頤闕的平面圖。測繪平面時最重要的是先確定軸線尺寸，之后高頤闕的一切控制尺寸都應(yīng)以此為根據(jù)。確定軸線尺寸后，再依次確定高頤闕主闕，闕頂及闕頂?shù)慕侵?、枋斗等部分的位置，平面圖就確定了。此外，項目組在測繪時還使用了激光測距儀，激光測距儀的優(yōu)點是數(shù)據(jù)準確，使用方便，并且能測到一些因條件限制而人無法站立和上去的點的距離。它的這一大優(yōu)勢能在我們測繪立面和剖面圖時發(fā)揮很大的作用。

因為高頤墓闕國寶級文物的屬性，項目組不能爬到建筑物上用皮卷尺測量高度，所以對高頤墓闕的正立面、側(cè)立面、背立面等立面圖類都必須借助輔助工具進行測量。粗略測量時，項目組僅借助竹竿和皮卷尺測出高度。但是要用做規(guī)范、精確的檔案記錄時，必須利用反射點通過激光測距儀測出高度，測出各點高度后，各個立面圖就可以確定了。

高頤墓闕的縱剖面、橫剖面。測量方法與測繪立面圖的原理一樣。不同的是剖面圖要更清晰地表達出各層之間的構(gòu)造關(guān)系。

在實地測繪時需要注意以下幾點：

（1）測繪數(shù)據(jù)盡量全面。歷經(jīng)2000年歷史風雨侵蝕的高頤闕的很多部位構(gòu)件都有很多殘缺，并不規(guī)整，地面也不完全水平。因此，對高頤闕的測繪工作量會比現(xiàn)代單體建筑的測繪工作量大得多。如果測繪數(shù)據(jù)不全面，既不能準確反應(yīng)對象的原貌，在數(shù)字建模的時候也會出現(xiàn)接不上、對不準等各種技術(shù)問題。

（2）測繪數(shù)據(jù)的規(guī)范存檔使用。因為海量的測繪數(shù)據(jù)需要準確、規(guī)范的標注命名才能防止混亂，對無法準確標注的測繪局部（高頤闕特有的細節(jié)）要拍攝相應(yīng)圖片并標注圖片編號。由于經(jīng)驗的缺乏，項目組就因此多次重返現(xiàn)場進行重復測繪和進行數(shù)據(jù)比對工作。

行業(yè)中也有通過建筑實物照片推導、計算的方式獲得數(shù)據(jù)的快捷辦法，但照片拍攝時所產(chǎn)生的透視變形會造成數(shù)據(jù)不準確，一般不建議采用。但在測繪工程中，拍一套完整的、與測繪數(shù)據(jù)采用同樣方式標注命名的圖像資料也卻非常必要，它可以配合測繪數(shù)據(jù)來完成后期的制圖、建模等工作。

2、圖像資料收集-貼圖拍攝

貼圖是計算機建模時需要的模型外在圖像，主要依靠對建筑的各個表面進行拍攝來獲取。這是一個極為巨大的拍攝任務(wù)，因為要對高頤闕及其附屬石刻的所有能看見的表面都進行拍攝。

此外，與測繪時所拍攝的輔助用照片不同，貼圖用照片必須盡可能從垂直方向拍攝才能在后期貼圖時使用。例如一個簡單的立方體的貼圖就必須從垂直方向拍攝6張照片，且拍攝時盡量不要受到光線、環(huán)境的影響以保證建筑色彩的還原度。

圖2 高頤闕數(shù)字復原模型高模圖

圖3 高頤闕數(shù)字復原模型線框圖

在項目實地工作時，貼圖拍攝所遇到的問題也是最多的。

首先是光線的困擾，必須在大致相似的光源條件下進行貼圖拍攝，在雅安多雨的氣候條件下，每天可進行貼圖拍攝的工作時間相當有限。

其次是因為高頤墓闕國寶級文物的屬性，不能爬到建筑物上，也不好搭腳手架，對于高頤墓闕的上部、頂部等部位的拍攝都必須借助安全的輔助工具進行。

最后是項目進展初期沒有標準的標注規(guī)范，大量的照片很容易混淆。

3、文字資料采集

建筑文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護不僅僅限于建筑本身，也包括建筑修建中的形制規(guī)范、修筑工藝、材料種類、民俗民風等，才能形成完整系統(tǒng)的資料體系。這些資料都需要在當?shù)刈鰪V泛的收集調(diào)查。

（二）建筑制圖

建筑測繪完成后應(yīng)盡快開始平立面圖的繪制工作。如果條件允許，制圖盡量在測繪地完成以提供反復測繪和比對的條件。其原因為古建筑在漫長的時間中會產(chǎn)生老化扭曲變形，甚至脫落斷裂等現(xiàn)象。在雅安“4.20”地震中，高頤闕闕體震裂，附屬結(jié)構(gòu)嚴重損毀。制圖可以選擇手繪制圖，也可以在計算機中用工程制圖軟件AUTOCAD完成。使用專業(yè)軟件完成制圖，一方面是更加規(guī)范，另一方面是可以直接使用電腦繪制的平面圖生成立體三維效果。一套完整準確的建筑圖紙是項目的第一個成果，具有留存研究的價值。

（三）建筑的數(shù)字模擬

建筑的數(shù)字模擬是在實地測繪和建筑制圖的基礎(chǔ)上，利用計算機和三維軟件模擬目標建筑。在條件許可的情況下，建議該環(huán)節(jié)工作仍然在測繪地完成，便于對數(shù)據(jù)不準確，貼圖混淆、圖片質(zhì)量不高等問題進行彌補。計算機經(jīng)過建模、材質(zhì)、貼圖等制作環(huán)節(jié)，高頤闕的虛擬三維模型就誕生了。如果需要，還可以通過燈光、渲染和后期調(diào)整等環(huán)節(jié)，打印出建筑各個角度的整體或局部圖片。數(shù)字模擬是數(shù)字化過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所產(chǎn)生的電子數(shù)據(jù)和打印文稿將作為目標建筑的數(shù)字化資料進行留存，在未來的保護修繕、重建、科學研究、傳播推廣等領(lǐng)域使用。因此，最大程度的客觀準確地還原對象是數(shù)字模擬的最高目標和判斷標準。

（四）建筑漫游動畫

前面多次提到建筑文化遺產(chǎn)是一個綜合的文化體系，而傳統(tǒng)上對這個體系地介紹和展示往往采用文字和圖片這些比較單一的手段。建筑漫游動畫是興起于20世紀80年代的一種音視頻結(jié)合的展示和傳播手段，具有介紹全面、通俗易懂、可視直觀和傳播性強的優(yōu)點，涉及劇本寫作、實拍、動畫模擬、音樂等多個專業(yè)領(lǐng)域。項目組通過資料整理、劇本編撰、分鏡、中期制作、后期剪輯合成、配音等環(huán)節(jié)，全面地介紹展示了高頤闕。

（五）虛擬現(xiàn)實制作

虛擬現(xiàn)實是利用三維技術(shù)和引擎技術(shù)綜合開發(fā)的一套程序。通過這個程序，參觀者可以進行遠程的虛擬游覽參觀。盧浮宮在2004年把3.5萬件館內(nèi)藏品及13萬件庫藏繪畫放上網(wǎng)站,并提供3D的“虛擬參觀”，虛擬展廳可以隨觀者的鼠標放大縮小,左右移動。這一舉措吸引了大量文物和藝術(shù)品愛好者,據(jù)統(tǒng)計,盧浮宮博物館網(wǎng)站自2005年起年均吸引1000萬訪問人次。又如中國的上海世博會也應(yīng)用到了虛擬現(xiàn)實技術(shù)。與建筑漫游動畫不同的是，虛擬現(xiàn)實的參與度和互動性更強，具有很強的應(yīng)用價值。

三、項目實踐中的技術(shù)問題

在建筑文化遺產(chǎn)進行數(shù)字化保護的實踐中，比較突出的技術(shù)問題集中在對象的準確還原上，這也是從數(shù)據(jù)采集到建筑模擬都會出現(xiàn)也是重點關(guān)注的難點，如測繪數(shù)據(jù)準確、建筑色彩還原、圖片變形調(diào)整、圖片的拼接等。

圖4 高頤闕數(shù)字復原模型圖一

圖5 高頤闕數(shù)字復原模型圖二

（一）數(shù)據(jù)采集中的價值判斷和準確性

1、高頤闕建筑細節(jié)的價值判斷和取舍

隨著年齡的增加，歲月的侵蝕，高頤闕出現(xiàn)了大量的變形，存積大量的細節(jié)。這也是測繪工作中必須面臨的挑戰(zhàn)。保留這些細節(jié)，就會陷入大量的成幾何倍數(shù)增加的測繪工作中。去掉它，又不能做到完整記錄、客觀反應(yīng)的初衷。高頤闕歷經(jīng)2000年歷史風雨侵蝕，中間又有地震等自然災害的破壞，要對所有的數(shù)據(jù)和細節(jié)都進行測繪、采集和模擬基本是不可能的，也是無意義的。這就需要在項目需求和專業(yè)知識地幫助下，對細節(jié)的價值進行分析判斷。

2、不規(guī)則物體的貼圖準確度不高

貼圖是給數(shù)字模型附上表面使用的，需要準確的對位才能完成。這種技術(shù)對于比較規(guī)則的物體能達到較高的仿真度，比如方正的高頤闕闕體。因為在給他們攝像獲取貼圖的時候，受到透視的影響相對較小，也不需要后期的圖片拼接。而對于如石獅等不規(guī)則球面形體時則會受到透視變形、不規(guī)則陰影、拼接不準等因素的干擾而出現(xiàn)較大的偏差。

圖6 1939年，梁思成和劉敦楨在測繪四川雅安高頤闕

（二）建筑上的色彩還原

1、環(huán)境光源變化和人工補光后的色彩失真問題

貼圖采集中的難點集中在如何準確還原建筑的色彩，這在古建保護工作中是一個普遍性的問題。高頤闕地處室外，除因雅安多雨的氣候條件下，每天可進行貼圖拍攝的工作時間相當有限外，輔以自帶電源和專業(yè)攝像燈補光，色彩還原度問題基本能夠解決，但會消耗大量的時間。同時建議采用在測繪地進行手動調(diào)圖并反復比對來部分解決偏差太大的問題。

2、圖片拼接中的二度調(diào)整問題

在拍攝采集高頤闕貼圖時鏡頭會產(chǎn)生圖像的細微變形。另外，為保證照片精度和細節(jié)豐富，每張照片拍攝的有效面積都比較小。因此高頤闕的每一面都分成很多小塊來分別拍攝并通過計算機后期拼接合成。每張照片都會因為各種原因在顏色上出現(xiàn)偏差，在通過Photoshop這類圖形編輯軟件進行顏色調(diào)整后也會損耗部分色彩的還原度。

結(jié)語

隨著數(shù)字信息技術(shù)地發(fā)展，建筑文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護手段也將更加先進、直觀和高效。三維掃描儀不僅可以更加準確地得到測繪數(shù)據(jù)，還能在計算機中直接生成模型，大大提高三維模型的準確性和工作效率。三維全息技術(shù)更改了虛擬建筑的屏幕式二維展示方式，而通過投影儀直接在虛擬空間中立體成像。如果說三維數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)了從現(xiàn)實到虛擬的一次跨越，那么3D打印技術(shù)則完成了從虛擬到現(xiàn)實的另一次跨越，也許未來的研究者或者愛好者們都可以從網(wǎng)絡(luò)上下載到模擬建筑數(shù)據(jù)，用3D打印機得到一個微縮的建筑仿真模型。我們可以展望，未來的建筑文化遺產(chǎn)的數(shù)字化領(lǐng)域會更加廣闊！