虚拟现实技术在古建筑复原中的应用研究——以渤海国上京龙泉府遗址复原为例.pdf

55总第236期/2023/3/文创设计虚拟现实技术在古建筑复原中的应用研究以渤海国上京龙泉府遗址复原为例姚 帅 宋孝彬（牡丹江师范学院，黑龙江 牡丹江 157011）摘要：近年来虚拟现实技术高速发展，逐渐被应用于建筑设计、遗迹复原等领域。在实际应用中，虚拟现实技术显现出了成本低、还原度高、应用灵活等优势。作为数字和艺术结合的综合技术，虚拟现实技术对设计师提出了多方位的能力要求。该文以渤海国上京龙泉府遗址复原为例，从应用价值和技术实现等方面对虚拟现实技术在古建筑复原中的应用展开探讨。关键词：虚拟现实；渤海国；建筑；数字复原；文化遗产保护一、虚拟现实的概念和特点（一）虚拟现实的概念虚拟现实技术（VirtualReality，VR），是计算机技术与各种视知觉媒介融合而成的一种先进的科学技术，通过虚拟现实技术可以实现虚拟化的感官体验，在实际体验中能够将计算机生成的虚拟事物通过不同的感官通道呈现出来。20 世纪后，随着计算机技术的高速发展，虚拟现实技术越来越多地出现在大众视野，并被广泛地应用于各个领域。在建筑复原中，主要依靠三维建模将古建筑的外貌、内饰和细节等元素置入 VR 媒介中，使场景复原具有视觉冲击力和交互性。应用中主要通过专业设备调动观众的视知觉，能够使观众沉浸在动态和声像功能的虚拟三维场景中，给观众带来身临其境的体验。（二）虚拟现实的特点美国科学家布尔代亚（Burdea）在 1993 年首次提出虚拟现实技术的三大特点，即沉浸性、交互性和想象性。这三大特点相互促进又相互制约，被称为虚拟现实的三角形。沉浸性作为虚拟现实技术应用于建筑复原中最大的特点之一，承担着调动观众感官体验的任务。虚拟现实设备通过数字模拟，对观众的视觉、听觉、触觉等感官产生特有的刺激，使观众沉浸在设定好的虚拟环境中。古建筑复原，对技术人员提出了更高的要求，即模型还原度和精细度更高，配合高水平的移动互联网实现“低延迟”和“随地”的要求，让观众在“以假乱真”的虚拟空间中随时随地产生沉浸感，使观众从旁观者的身份转换为参与者的身份，切身感受建筑原貌的恢宏。交互性主要指观众通过虚拟设备与场景环境之间产生的施力与反馈程度，是衡量虚拟现实技术性能的重要指标。在虚拟现实技术复原的场景中，观众不但可以直接观察建筑，而且能通过传感设备在虚拟环境中进行交互，比如随着身体的转动变换视角，或在某些建筑前以推门而入等操作来感受场景的丰富。想象性体现在观众在虚拟场景中的主观能动意识，通过视觉、触觉、力觉等全方位的感官刺激，可以对所处的环境有不同的认知、构想和收获，它是辅助人们进行创造性思维的基础。虚拟现实不仅可以作为用户体验终端的接口，还能使用户在全新的环境里展开联想，再通过行为将信息反馈给系统，如此反复，不断激发用户的想象力。二、虚拟现实技术在古建筑复原中的应用价值（一）历史研究价值我国现存的许多历史悠久的古建筑遗址，其历史价值、人文价值不可估量，但是许多古建筑受到年代久远、考察受限等因素影响，并不能实现实地复原，所以，通过三维建模等技术手段还原古迹为历史研究中较为常见的方法之一。使用虚拟现实技术还原的古建筑，交互程度高，观察便利，工程文件具有便携、可拷贝等特点，考察过程不受人员和场地的限制，研究人员可以随时随地进入虚拟的“历史遗迹”中进行考察，为历史研究提供了很大的便利，同时拓宽了考古研究的视野。（二）文化传承价值古建筑作为展示历史、研究文化的重要载体，具有十分重要的文化传承价值。随着科学技术的高速发展，人们在不同历史时期学习历史文化的途径也是不同的。根据调查统计，观众对历史遗址的期待主要体现在对文物历史信息的获取上，其次是与文物的互动交流。在互动交流中，观众更加倾向于多样化的表现形式，尤其是倾向于文物的全息表现以及利用科技手段加强对文物历史内容的展现。在虚拟现实环境下，观众可以置身于千年以前的古建筑群中，切实感受身边的一草一木，将科技与历史完美结合，传承历史，再现民族文化的瑰宝。（三）寓教于乐价值现今的课程考察对学生的综合能力提出了更高的要求，但是多数学校的教学条件满足不了学生实地考察的需求，许多高校教学面临条件受限、书本内容枯燥、学生积极性较低等问题。虚拟现实设备可以使教学不受场地限制，为全国各地的学校及教育机构提供科研和学习的媒介。结合上文谈到的虚拟现实的特点来看，沉浸性可以弥补传统教学中缺乏情景化的问题，让学生通过虚拟设备与场景展开交互，在这种教学模式下，授课56/总第236期/2023/3文创设计方式将从“以教师为主体”向“以学生为主体”转变，使学生在兴趣中参与教学，有利于提高教学效率和学生的积极性。三、利用虚拟现实技术复原古建筑的过程途径虚拟现实是通过计算机建立数字模型和仿真交互的通道，应用效果受到计算机性能的限制，就目前的计算机图形技术而言，数字还原古建筑项目过程中通常难以兼顾真实性与实时性，从而造成建筑还原度较低或交互体验不佳等问题，因此，古建筑的复原模型与普通动画模型相比，对前者的面数要求更加严苛，要在保证建筑还原真实性的前提下，使其满足市面上常见的虚拟现实设备的基础性能需求。该文从实地考察、历史文化研究和虚拟现实技术复原等方面阐述渤海国上京龙泉府遗址数字复原的过程。（一）实地考察渤海国上京龙泉府建于唐开元元年（713 年），史称“忽汗城”，现遗址位于黑龙江省牡丹江市宁安市渤海镇，是唐代渤海国的都城。渤海国宫殿遗址总面积 16.4 平方千米，是黑龙江地区目前已发现的不可多得的大型古建筑遗址。遗址在面积规模、主结构的完整性、古代建筑的艺术形式等方面，尤其是对唐代建筑结构的体现上可谓是世界上独一无二的，但是由于年代久远，许多建筑受到自然因素和人为因素的双重影响，外观和结构损毁严重，原貌无法辨清，为后续还原带来了较大的难度。在实地考察中，首先对渤海国宫殿遗址的地貌和结构形式进行丈量，总览遗址全局可以看到，渤海国宫殿布局设计合理，整体可分为外城、内城、宫城；其中又可划分出五重宫殿，分别为 1、2、3、4、5 号殿，呈一条中轴线排布。前期考察中团队针对宫殿遗址的平面布局，结合鸟瞰图进行初步绘制，主要获取主殿和次殿的位置，以方便后期制作时对各个宫殿进行准确定位；而后对建筑特点进行探究，利用手绘、现场拍摄等方式，记录宫殿中的细节，为后期模型的材质选择和贴图提供依据和参考；除了遗址内现存的物质参考外，考察团队还通过走访调查、周边勘探等方式填补了建筑损毁以外的信息空白，通过了解其历史传承，更好地还原渤海国宫殿，通过整个实地考察工作确保后续的模型制作达到“内在精准”“外在有样”。（二）历史文化研究渤海国的国土面积比肩现今我国整个东北地区的面积，历史上的渤海国坐拥五京、十五府和六十二州，五京包含上京龙泉府、中京显德府、西京鸭渌府、东京龙原府以及南京南海府。作为渤海国的政治、经济、文化中心，五京是向东北亚传播高度发达的唐代文化的重要枢纽。在五京之中又以上京龙泉府的王都历史最为长久，历史记载先后经历了 12 代国王，掌权长达160 余年。从文化思想来看，渤海国的统治者将儒家思想作为国学教育理念，这一点可以从渤海国出土的文献资料中得到考证，如在渤海国公主的墓志中，曾出现“配重华而旁夏禹，陶殷汤而韬周文”“对越三五，囊扩成康”等文字来称颂国王和先父，这些发现充分体现出渤海国在文化上对儒家思想的推崇和钦仰。从建筑思想来看，上京龙泉府沿袭了渤海国初期的都城风格，并带有中原民族建筑的特点，最为典型的就是“城中城”的建筑设计，这种设计不但在建筑规划上具有较强的实用性，而且带有一定的军事防御功能。除了建筑布局，纹样装饰也是体现其文化传承的一部分，从上京龙泉府遗址出土的建筑残骸以瓦当为主，根据文献记载主要出现在屋顶的装饰中，起到装饰屋檐和保护房屋的作用，使建筑既有精致的外观，又不乏深厚的文化渊源与历史积淀。在上京龙泉府遗址出土的各种陶瓦、釉陶等残骸，无不体现了当时精湛的建筑工艺。通过上述研究可以看出，渤海国在与外界进行文化交流的过程中，吸收了盛唐时期的中原文化，对于周边民族，如日本、新罗、百济等文化进行了不同程度的借鉴与交流，从而形成了其多元的建筑特征。（三）虚拟现实技术复原对渤海国宫殿遗址的复原工作主要分为建模和交互两部分。建模工作主要参照前期实地考察中拍摄、调研、测绘得到的资料，用 AutodeskMaya 和 3dMax 等软件对宫殿进行建模还原。设计团队使用无人机航拍、实地手工测绘和雷达扫描等技术对宫殿遗址进行了全面测绘，以确保模型整体的精确度，使还原的数字遗址不仅具有观赏价值，还可以为日后的遗址修复工作提供参考。除了对宫殿外观的还原，设计团队还对宫殿内部的文物，如龙头、佛像、泥罐等进行了数字复原（图 1），使参观者不但能在建筑外部感受到渤海国宫殿的磅礴气势，而且能进入建筑内部，细致观赏历史流传下来的艺术珍品。图 1 渤海国文物数字复原图交互部分的制作主要通过虚拟现实技术实现，将前期拍摄的全景照片及建模通过 UE4 引擎制作可交互的虚拟现实场景，将预设好的场景和模型导入 UE4 引擎中，依靠 UE4 高精度的动态渲染通道最大程度地还原地图中的光影、纹理等效果。在AutodeskMaya 软件中场景是由单一的模型构成的，导入虚拟引擎以后能够深度加工这些模型数据，使其具有实时可视化交互的功能，极大程度地提高了用户的参观体验感，并且能够实现光线追踪、动态纹理贴图等效果。UE4 引擎提供的第一视角移动和交互等功能可以将用户从旁观者的身份转为参与者，通过 VR 设备置身于虚拟现实还原的渤海国宫殿（图 2），实时地欣赏虚拟世界中的一草一木。从操作方面来看，传统的动画交互是通过鼠标的点击或移动来实现的，在 VR 设备中则更加深入地放大了用户的交互体验感，VR 手柄等设备带来的体感交互更加自然、生动，用户可以在某个建筑门口推门而入，视角即刻从宏伟的建筑转向室内的古董文物，并且虚拟场景中还实现了功能分区和历史知识分区，使得观众在欣赏文物的同时，可以伸手“触摸”并随时唤出该物品的资料信息，深入了解文物所蕴含的历史文化，这是传统数字还原中所不具备的交互体验。虚拟复原的沉浸性和想象性建立在良好的交互前提下，对57总第236期/2023/3/文创设计建筑的复原也不能简单地停留在技术层面，而是要结合历史背景、建筑原貌和场景设计等因素，大到古建筑周围环境的地理、地貌，宫殿的总体规划布局，小到建筑的一砖一瓦或者室内的文物都要做到尽量还原。这种专业度可以让不同的用户在体验过程中得到可信、准确的信息。在整个渤海国宫殿遗址数字复原项目中，团队人员用计算机技术还原了真实的历史场景，为历史研究、建筑设计及当地人文研究提供了参考，有利于传播地域文化，促进地域经济发展。四、针对虚拟现实中的古建筑复原发展策略（一）政府加大扶持力度古建筑是一个地域的文化名片，若发展正确，对当地的文化、旅游等产业都能起到促进作用。但部分古建筑遗址现今正面临修复困难、管理困难等问题，不但无法带动地方经济发展，而且在日常维护方面要承担很大支出。利用虚拟现实技术复原古建筑遗址，不但可以变“废墟”为“宝藏”，重现历史中建筑的辉煌，而且能够吸引游客前往参观，从而增加地方收入。在扶持古建筑复原方面，政府可以提供如下支持。一是提供资金扶持，将古建筑维护的费用适当转向虚拟现实技术复原的项目投入，再将虚拟现实技术复原带来的收益用于古建筑的维修与重建，实现双赢。二是政府联手企业创建虚拟现实数字展厅，以真实历史为原貌，打造参观、交互、周边等一站式数字体验馆，使观众真正置身其中感受历史的恢宏磅礴。三是构建信息数据库。现代信息技术高度发达，可以利用调查统计的资料构建信息数据库，并在观众游览参观的过程中搜集信息，找准观众的兴趣点，重点建设适合新时代社会主义人文精神的优质古建筑，实现物质和精神的双重发展。（二）加强技术人才培养虚拟现实中的古建筑复原不但对考古研究者提出了新要求，而且是对专业技术人员的考验，利用虚拟现实技术还原古建筑，不仅要有专业的历史、建筑等方面的知识，还需要考虑如何将数字技术与专业知识相结合。因此，为确保最终还原效果的合理性、准确度，符合数字化技术的应用标准，需要对技术人员进行多方面的专业培养。具体如下。一是联手专家进行专业培训。聘请领域内的专家从计算机软件技术、建筑知识、考古研究等领域传授经验，确保参与建筑复原的技术人员具有良好的专业素质，提升数字化还原的科学性和专业化水平。二是完善人才培养方案。作为一门交叉学科，现代的古建筑还原需要多角度、全方位的知识储备，在高校中制订专门的学科培养方案，培养掌握数字化技术运用的历史研究人才，真正实现理论指导实际的数字化考古建设。三是制定从业人员标准，实行阶段性考核。按从业人员的不同专业进行领域划分，并对相关技术人员进行职级评定，在复原工作中按不同等级进行责任分配。定期进行考核，根据考核结果制订合理的培训方案，形成科学系统的行业体系。五、结语虚拟现实是计算机发展下多种科学技术融合的技术形式，近些年被逐渐应用在建筑复原等领域。古建筑的复原工作不仅需要具备专业的计算机软件知识，还需具备历史研究、实地考察、精确测量等能力。目前已有的应用案例证明了虚拟现实技术在复原建筑中的潜在巨大价值，在未来的研究和实践中，古建筑虚拟现实复原将向着人机交互发展，力求实现功能更多、沉浸感更强的参观体验。参考文献：1 刘延斌，苏明哲.古建筑遗址数字化艺术复原对文物保护的作用 J.建筑经济，2022，43（8）：115-116.2 刘延斌.虚拟现实技术对古建筑遗址复原的数字化保护 J.建筑结构，2022，52（12）：160-161.3 高华，黄剑锋.基于虚拟现实技术的“文化古建”数字化保护和研究 J.城市住宅，2020，27（6）：55-56.4 郭云仲.交互式虚拟古建筑设计研究 J.工业设计，2012（3）：133-134.基金项目：黑龙江省经济社会发展重点研究课题（基地专项）“渤海国宫殿遗址数字复原研究”（21543）；国家社会科学基金“高句丽、渤海问题”研究专项“渤海国上京城及周边地区物质文化遗产数字化保护与利用”（19VGH005）。作者简介：1.姚帅，男，黑龙江牡丹江人，硕士研究生，助教，研究方向：动画；2.宋孝彬，男，黑龙江牡丹江人，本科，副教授，研究方向：动画。图 2 上京龙泉府 3 号殿效果图