祝 筍 袁趙蔓

中華民族文化歷史源遠(yuǎn)流長，是民族的血脈，作為其物質(zhì)實(shí)體而體現(xiàn)的文物建筑更是文化傳承中的“見證者”。近年來，中國經(jīng)濟(jì)快速增長，城市的開發(fā)規(guī)模逐步擴(kuò)大，影響了文物建筑保護(hù)修繕工程，快速的生活節(jié)奏也促使人們對(duì)文化生活追求的提升，這也提高了城市內(nèi)文物建筑保護(hù)的要求，與此同時(shí)，文物建筑保護(hù)與城市開發(fā)之間的矛盾與日俱增，如何尋找其中的平衡點(diǎn)，成為了文物建筑保護(hù)工作者需要共同探討的課題。

在互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，計(jì)算機(jī)技術(shù)已成為當(dāng)今社會(huì)不可或缺的部分，其中虛擬現(xiàn)實(shí)憑借其新穎的數(shù)字化人機(jī)交互技術(shù)，已慢慢融入人們的生活。在文物建筑保護(hù)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也在開疆?dāng)U土。

1 當(dāng)前文物建筑保護(hù)中存在的問題

（1）城市快速發(fā)展帶來的文物建筑環(huán)境破壞

文物建筑的歷史環(huán)境是絕對(duì)的，在歷史更迭中已發(fā)生多次變化，且在相對(duì)的現(xiàn)狀環(huán)境不斷變化過程中，周邊景觀、建筑都在顏色、高度、距離等方面不同程度地影響著文物建筑本體，在涉及文物建筑建設(shè)控制地帶建設(shè)項(xiàng)目文物影響評(píng)估方案得到重視前，城市發(fā)展往往忽略了文物建筑周圍環(huán)境對(duì)本體造成的影響，導(dǎo)致如今出現(xiàn)了許多文物建筑本體與周圍環(huán)境格格不入的反面案例，讓文物建筑完全跳脫于城市環(huán)境，違背了保護(hù)文物環(huán)境的初衷。

（2）不恰當(dāng)?shù)闹亟ㄅc修繕破壞原有建筑風(fēng)貌

“修繕不等于保護(hù)。它可能是一種保護(hù)措施，也可能是一種破壞。”[1]許多建筑師在進(jìn)行文物建筑保護(hù)時(shí)常在“做設(shè)計(jì)”，以當(dāng)代的審美人為改變建筑風(fēng)貌以達(dá)到文物建筑“理想”中的模樣，其結(jié)果有時(shí)會(huì)導(dǎo)致“假古董”的出現(xiàn)。

（3）后期開發(fā)導(dǎo)致的一系列人為破壞

在博物館展覽式文物建筑中，大部分僅開放建筑的部分空間，參觀者只能跟隨導(dǎo)游的講解沿著既定路線觀看，多為走馬觀花式，甚至常常出現(xiàn)文物遭到“到此一游”的破壞。而封閉的保護(hù)建筑中，文物保護(hù)建筑徹底隔絕了與社會(huì)間的聯(lián)系，失去了社會(huì)價(jià)值與歷史價(jià)值。在全面開放的文物保護(hù)建筑中，自由的開發(fā)模式極其考驗(yàn)功能使用者的文物建筑保護(hù)意識(shí)，稍不注意可能會(huì)造成無法逆轉(zhuǎn)的破壞。

可見，除自然因素外，人為的破壞在各方面均可造成文物保護(hù)建筑的損壞，我們必須充分利用科學(xué)技術(shù)對(duì)文物建筑進(jìn)行恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)與利用。而此時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借其卓越的沉浸感與交互能力展露頭面，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在文物建筑保護(hù)中的研究成果也逐步增多，因此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與文物建筑保護(hù)相結(jié)合也是完善文物建筑保護(hù)方法的重要渠道之一。

2 文物建筑保護(hù)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 “V故宮”

“V”故宮是利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)故宮建筑的形式、結(jié)構(gòu)、裝飾等多方面信息進(jìn)行系統(tǒng)、準(zhǔn)確地采集和再現(xiàn)，并以虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）作品的形式公開展示；是集合故宮博物院自2000年以來積累的文化遺產(chǎn)優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)資源，以三維數(shù)據(jù)可視化為主要手段，高擬真度再現(xiàn)的紫禁城。

以“養(yǎng)心殿”為例，研究所將故宮博物院維修時(shí)所積累的數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)轉(zhuǎn)化為虛擬三維空間，在虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸體驗(yàn)下，近距離欣賞養(yǎng)心殿精妙的設(shè)計(jì)，除正殿的空間外，還可進(jìn)入兩端的東西暖閣及其他配殿，在空間體驗(yàn)上，研究人員能以人本視角進(jìn)行觀察，加深研究者對(duì)其工字型空間的認(rèn)知；其次，對(duì)于養(yǎng)心殿的材質(zhì)、細(xì)節(jié)，在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中有了更清晰的體現(xiàn)，借助大量的真實(shí)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，能夠真實(shí)還原明清時(shí)期殿內(nèi)的景象，從而使原本需封閉保護(hù)或已消逝的物品能夠再次呈現(xiàn)（圖1）。

圖1 養(yǎng)心殿正殿VR內(nèi)景

2.2 巴黎圣母院：時(shí)光倒流

2019年4月15日晚，巴黎圣母院屋頂起火，2/3的屋頂燒毀，對(duì)于法國乃至整個(gè)歐洲的中世紀(jì)文明都是一種前所未有的沖擊，現(xiàn)實(shí)中的巴黎圣母院雖已逝去，但虛擬世界中還剩下一片凈土。該事件過后，由法國游戲公司育碧提供協(xié)助，Ubisoft公司所制作的“巴黎圣母院：時(shí)光倒流”項(xiàng)目，將曾經(jīng)的巴黎圣母院永久保留在了VR虛擬空間中，該空間是經(jīng)過多名歷史學(xué)家的指導(dǎo)，歷經(jīng)5000個(gè)工時(shí)精雕細(xì)琢得到的完全3D重建的巴黎圣母院。根據(jù)這一廣受贊譽(yù)的模型而打造出的虛擬現(xiàn)實(shí)之旅，可讓大家從多個(gè)角度參觀游覽，甚至踏足一些未向公眾開放的區(qū)域（圖2）。最終，觀賞者將乘坐熱氣球飄上大教堂的尖頂，俯瞰腳下栩栩如生、波瀾壯闊的18世紀(jì)巴黎。在4～9m2的區(qū)域內(nèi)，參觀者可以四下觀看、略微移步，從多個(gè)角度欣賞這一建筑奇觀。在參觀的同時(shí)，還能欣賞著名的卡瓦勒-科爾管風(fēng)琴演奏巴赫的名曲。

圖2 虛擬空間中的巴黎圣母院

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，縮寫VR）技術(shù)，又稱虛擬環(huán)境或靈鏡技術(shù)，是一種利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)全新三維虛擬世界的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。通過電腦的復(fù)雜運(yùn)算，能夠提供給用戶三維世界影像傳回的臨場(chǎng)感，即所謂身臨其境的感受，包括視覺、聽覺、觸覺等多種感官，也能讓用戶突破真實(shí)世界的物理定律觀察新三維空間內(nèi)的事物。該技術(shù)集成了電腦圖形、電腦仿真、人工智能、感應(yīng)、顯示及網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，目前已經(jīng)逐漸應(yīng)用于影視娛樂、教育、設(shè)計(jì)、醫(yī)療、軍事等方面。

3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特征

1993 年，美國科學(xué)家Burdea G.和Philippe Coiffet在“Virtual Reality systems and Application”文中，首次提出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的“3I”特征，即“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三角形”，分別是沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）（表1），這三大特征的概述沿用至今。

表1 VR特征

（1）沉浸性

沉浸性為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最主要的特征，借助可穿戴的虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示設(shè)備（簡(jiǎn)稱“VR頭顯”），對(duì)外界的視覺、聽覺產(chǎn)生封閉，通過各項(xiàng)傳感設(shè)備與電腦間的運(yùn)算，引導(dǎo)用戶產(chǎn)生新的感知系統(tǒng)，使用戶感覺如同進(jìn)入另一個(gè)“真實(shí)”的世界。

（2）交互性

與傳統(tǒng)的通過鼠標(biāo)、鍵盤與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生交互作用不同，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互是基于各項(xiàng)傳感設(shè)備的協(xié)同作用產(chǎn)生的，用戶借助穿戴式傳感設(shè)備，模擬現(xiàn)實(shí)世界中的種種動(dòng)作與行為使虛擬世界的環(huán)境做出相應(yīng)反饋，如撿起掉落的物品或攀爬等動(dòng)作。該特性本質(zhì)上進(jìn)一步加強(qiáng)了虛擬現(xiàn)實(shí)中的臨場(chǎng)感，強(qiáng)調(diào)其沉浸性。

（3）想象性

想象性則是充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)創(chuàng)造虛擬世界的優(yōu)勢(shì)，既可創(chuàng)建與現(xiàn)實(shí)世界相似的虛擬環(huán)境，也可利用想象性創(chuàng)造新的三維空間環(huán)境，充分體現(xiàn)“虛擬”的特點(diǎn)，從而啟發(fā)用戶的創(chuàng)造性思維。

4 圣心堂文物建筑保護(hù)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的具體應(yīng)用

4.1 西大街耶穌圣心堂現(xiàn)狀分析

武漢市西大街耶穌圣心堂（簡(jiǎn)稱“圣心堂”）位于漢陽區(qū)歸元寺片區(qū)的西大街182號(hào)（圖3），該教堂于1940年—1941年建成于西大街上，分管了漢陽近郊各處的教務(wù)，最終于1958年停止宗教活動(dòng)。全國第三次文物普查時(shí)將西大街耶穌圣心堂列入不可移動(dòng)文物，2018年該建筑被武漢市人民政府評(píng)為優(yōu)秀歷史建筑。

圖3 西大街耶穌圣心堂區(qū)位示意圖

圣心堂為一棟兩層樓的西式建筑，四坡頂（圖4），建筑通面闊14.58m，通進(jìn)深8.76m，占地面積128.61m2，建筑面積為257.22m2。由于年代久遠(yuǎn)、欠缺保護(hù)，整體保存質(zhì)量一般，目前建筑室內(nèi)無人居住，處于廢棄狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，圣心堂殘損部位基本歸為臺(tái)基、地面、墻體、屋面、裝飾五部分，均存在不同程度風(fēng)化與破損（表2），根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)可見該建筑后期人為改造痕跡明顯，建筑原有平面布局及立面風(fēng)貌損壞嚴(yán)重。

圖4 西大街耶穌圣心堂鳥瞰圖

表2 圣心堂殘損現(xiàn)狀

4.2 文物建筑保護(hù)方案與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合框架

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行的文物建筑保護(hù)以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)前期現(xiàn)狀勘察與數(shù)據(jù)的測(cè)量，在此基礎(chǔ)上采用SketchUp等軟件進(jìn)行基礎(chǔ)建模，同時(shí)根據(jù)制定的保護(hù)修繕策略對(duì)建筑風(fēng)貌進(jìn)行還原，并將現(xiàn)狀照片與對(duì)應(yīng)部位的修繕策略制作為實(shí)體模型與貼圖的形式進(jìn)行單獨(dú)保存。完成建模后，按照不同修繕節(jié)點(diǎn)對(duì)模型導(dǎo)入M ARS系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)庫內(nèi)每個(gè)單元的制作，其中也包括虛擬場(chǎng)景中場(chǎng)景、光影、材質(zhì)等效果的調(diào)節(jié)，最后在VENUS系統(tǒng)內(nèi)完成數(shù)據(jù)庫的組裝，并加入交互節(jié)點(diǎn)，完成對(duì)整個(gè)圣心堂保護(hù)方案與修繕效果的可視化呈現(xiàn)（圖5）。

圖5 圣心堂文物建筑保護(hù)虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合框架圖

4.3 圣心堂虛擬場(chǎng)景與可視化數(shù)據(jù)庫組建

在圣心堂虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建中，根據(jù)對(duì)建筑本體現(xiàn)狀的殘損評(píng)估與結(jié)構(gòu)檢查，在場(chǎng)景中拆除了建筑的附加部分，并恢復(fù)了建筑立面的門窗形制，全面翻新了原本酥堿、殘破的瓦面構(gòu)件，賦予了新的排水系統(tǒng)。因史料文獻(xiàn)的缺失，對(duì)于文物保護(hù)建筑所在的西大街原始風(fēng)貌已無從考證，又考慮到圣心堂現(xiàn)規(guī)劃于遠(yuǎn)洋歸元寺商業(yè)片區(qū)內(nèi)，后期新建的商業(yè)建筑可能對(duì)其建筑立面風(fēng)貌產(chǎn)生不利影響，故虛擬場(chǎng)景中的建筑環(huán)境回歸于原始的自然環(huán)境，僅突顯圣心堂文物建筑本體，用自然植物進(jìn)行襯托與點(diǎn)綴（圖6）。

圖6 圣心堂修繕效果

圣心堂修繕策略的可視化數(shù)據(jù)庫單元制作需將建筑現(xiàn)狀殘損評(píng)估與相應(yīng)的修繕部位進(jìn)行匹配，利用建模與Mars系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換為可視化單元，將其與圣心堂修繕效果放置于同一虛擬場(chǎng)景中，從而達(dá)到了在觀察建筑相應(yīng)部位修繕效果的同時(shí)可以直接閱覽該部位的建筑原狀與修繕策略（表3）。在完成數(shù)據(jù)單元后，需借助Venus系統(tǒng)將單元組合為數(shù)據(jù)庫（圖7），將單元分別導(dǎo)入預(yù)覽界面中，使用其熱點(diǎn)功能完成各單元的切換，從而使其集中于整體修繕效果場(chǎng)景內(nèi)，形成可視化庫。

圖7 VENUS中可視化數(shù)據(jù)庫形成

表3 圣心堂各部位修繕方法與可視化數(shù)據(jù)庫呈現(xiàn)

4.4 圣心堂文物建筑保護(hù)虛擬現(xiàn)實(shí)方案發(fā)布

獨(dú)立的圣心堂文物建筑保護(hù)策略數(shù)據(jù)庫僅能呈現(xiàn)修繕措施與效果部分，可借助Venus系統(tǒng)的熱點(diǎn)功能將圣心堂的建筑背景、保護(hù)價(jià)值等文化信息以類似的方式組織一體（圖8），并增設(shè)自由的觀察角度與語音解說背景，形成一套不同于紙質(zhì)圖文的可視化文物建筑保護(hù)方案。最后通過Venus系統(tǒng)的發(fā)布功能，可將整套可視化方案移植至移動(dòng)端與PC端，在移動(dòng)端通過VR眼鏡盒子與手機(jī)的組合，便可達(dá)到沉浸式的觀察效果（圖9）。至此，圣心堂文物建筑的保護(hù)修繕方案即濃縮為一套可視化程序文件，隨時(shí)在手機(jī)或電腦端查看。

圖8 圣心堂背景介紹（圖為手機(jī)端VR左右眼展示效果）

圖9 移動(dòng)端觀察圣心堂修繕效果

5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值辨析

5.1 可視化數(shù)據(jù)的保存

針對(duì)城市快速發(fā)展帶來的文物建筑環(huán)境破壞與不恰當(dāng)?shù)闹亟ㄅc修繕破壞原有建筑風(fēng)貌的問題，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)形成的可視化數(shù)據(jù)庫即可較好地應(yīng)對(duì)該問題。虛擬場(chǎng)景中的建筑環(huán)境將不受現(xiàn)實(shí)環(huán)境的限制，可選擇根據(jù)歷史風(fēng)貌還原或新建有利于文物保護(hù)建筑的環(huán)境，充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的想象性。針對(duì)建筑本身的破壞性修繕，也可在計(jì)算機(jī)圖形中反復(fù)修改確認(rèn)，“所見即所得”的可視化數(shù)據(jù)庫觀察方式也能直觀地體現(xiàn)修繕細(xì)節(jié)，反映問題，方便保存的同時(shí)也能使保護(hù)單位之間的交流更加直觀、快捷，有效避免溝通中容易出現(xiàn)的理解性誤差。

5.2 提升公眾文物建筑保護(hù)參與度

借助虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性，可使文物建筑保護(hù)工作者或群眾跨越時(shí)間與地域的限制以人本視角體會(huì)真實(shí)的建筑空間，且文物保護(hù)建筑的空間可達(dá)性極高，能產(chǎn)生與實(shí)物截然不同的觀察體驗(yàn)，這是旅游實(shí)地景點(diǎn)無法比擬的，同時(shí)也解決了建筑在后期利用時(shí)產(chǎn)生的人為破壞問題；虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性則使文物保護(hù)建筑有了多樣化的呈現(xiàn)方式，將文物建筑保護(hù)方案以可視化的方式呈現(xiàn)使原本充滿專業(yè)技術(shù)性的修繕內(nèi)容通俗易懂，在沉浸體驗(yàn)的過程中以故事敘述的方式漸進(jìn)了解文物保護(hù)建筑的背景、修繕前狀態(tài)、修繕方法與修繕效果，降低了了解文物建筑保護(hù)知識(shí)的門檻，從而提升公眾文物建筑保護(hù)參與度。

結(jié)語

通過對(duì)西大街耶穌圣心堂文物建筑保護(hù)的應(yīng)用，可見虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)文物建筑進(jìn)行保護(hù)具有重大的使用價(jià)值和歷史意義。然而，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛應(yīng)用于文物建筑保護(hù)仍面臨多方面挑戰(zhàn)，如建立文物建筑相關(guān)數(shù)據(jù)庫需要集合各方向科研力量，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)多專業(yè)的高技術(shù)人才的要求稀缺，軟件與硬件方面發(fā)展帶來性能體驗(yàn)上的限制，且虛擬現(xiàn)實(shí)文物保護(hù)在我國尚沒有形成一套完整的理論體系等。但隨著科技和產(chǎn)業(yè)業(yè)態(tài)的持續(xù)發(fā)展對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)概念的不斷演進(jìn)，以及國家對(duì)文物建筑保護(hù)規(guī)范的不斷完善，VR技術(shù)在文物建筑保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也將從專業(yè)實(shí)驗(yàn)室走入尋常建筑保護(hù)體系中，利用VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)文物建筑最大化的保護(hù)、利用、傳承與發(fā)展。

資料來源：

表1，圖2：圖片來自網(wǎng)絡(luò)；

文中其余圖片均為作者自攝、自繪。