虚拟仿真技术在建筑遗产保护中的研究与实践

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虚拟仿真技术在建筑遗产保护中的研究与实践

姚美康1,2，吴 尧2

（1. 顺德职业技术学院，广东 佛山 528300；2. 澳门城市大学城市管理学院，澳门 999078）

摘 要: 随着人们对建筑遗产保护意识的不断提升，建筑遗产保护问题愈发受到关注。部分建筑遗产由于受自然因素、人为因素的影响，以及保护措施方式不当，已遭到了不同程度的损坏，同时，这也加剧了文化旅游发展与建筑遗产保护之间的矛盾。文章以虚拟仿真技术为桥梁，结合多媒体、计算机图形图像处理、传感等科学技术，试图对建筑遗产展开准确、精密的测量，构筑三维模型，并搭建数据库，为历史建筑文化遗产的研究、保护、修复提供新的思路与技术创新平台，为化解旅游产业发展与建筑文化遗产资源保护利用的矛盾提供一种行之有效的解决方案。

关键词：虚拟仿真技术；建筑遗产保护；应用中图分类号：G225.2；TU198 文献标志码：A

Virtual Simulation in the Protection of Architectural Heritage: Research and Practice

YAO Meikang 1,2, WU Yao 2

（1. Shunde Polytechnic, Fushan Guangdong 528300, China; 2. Faculty of Urban Management and Studies, City University of Macau, Macau 999078, China）

Abstract: With the continuous improvement of people's awareness of the protection of architectural heritage, the issue of architectural heritage protection has received increasing attention. Due to natural factors, human factors, and some improper measures of protection, some architectural heritages have been damaged to varying degrees. At the same time, the contradiction between the development of cultural tourism and the protection of architectural heritage has also been aggravated. This paper uses the technology of virtual simulation as a bridge, combines multimedia, computer image processing, sensing and other scientific technologies to precise measurement of architectural heritage. Then, build a three-dimensional model and create a database to provide new ideas and technological innovation platforms for researches, protection and restoration of cultural heritage of historical buildings, providing an effective solution for resolving the contradiction between the development of tourism industry and the protection and utilization of architectural cultural heritage resources.

Keywords: virtual simulation; protection of architectural heritage; application

作者简介：姚美康（1966-），男，教授，硕士，主要研究方向为建筑设计、城市规划、艺术设计。E- mail:327686665@.1 虚拟仿真技术

虚拟仿真技术，就是利用计算机仿真系统创建一种体验式虚拟世界，实际上也就是生成了一种虚拟化的系统环境，用来模拟现实状况，综合多源信息，形成交互式的三维动态视景与实体行为，让体验用户仿佛置身于真实的情境中[1-4]。

2 虚拟仿真技术的优势特点

(1)多感知性。计算机虚拟现实技术能够让参与者从听觉、触觉、视觉、味觉、嗅觉以及动感等诸方面获得感知，也就是说，几乎人类所有能够感觉到的功能都可以通过VR虚拟仿真技术实现[5-6]。

(2)存在感。也叫临场感，可以理解成为真实

基金项目：澳门基金会资助项目（MF1710）；国家自然基金资助项目（51278228、51408265）

峰顶，是当今世界上最大的露天青铜坐像，大佛由202块青铜焊接而成，重达250 t，佛身高23 m，莲花座与基座高34 m。天坛大佛依照佛经如来三十二相设计，面相是龙门石窟的卢舍那佛，衣纹、头饰是释迦牟尼佛像，所以香港天坛大佛有隋唐佛教时期的艺术造像特色。

香港天坛大佛的设计参照了唐朝建筑群的布局思想和格式，采用了唐朝建筑型制，严格依照三进三出的平面规划布局。在利用虚拟仿真技术及三维信息系统对大佛进行保护时，首先需经过准确精细的实地测量，获得每一个构件的三维模型数据，然后整理形成建筑三维数字化档案库，再加工单一构件，最后对多个构件进行整体组装，整个过程都需要监控和质量把控。

(1)数据获取。香港天坛大佛建筑结构复杂，建造要求高，需通过人工测量、仪器测量以及摄影测量、激光扫描的方式，获得建筑遗产保护的整体规划方向和航拍影像。

(2)三维建模。通过前文所提及的各种数据采集的手段，就建筑物的某个特定部位构建模型，并对单位部件进行组合。通常，一个整体的建筑构件会由复杂的多个小的构件组成，需要对每一个构件完成三维立体建模。

(3)建造工艺的数字化转化。关于建造工艺的数字化的传承，大致表现在整体构件组装和部分构件组装两部分。比如对斗拱部分的组装，是在实际模型的观测和数据库研究的基础上，开展对虚拟组装的研究，这样在建筑文化遗产保护施工过程中，工艺规划管理与质量监督就更科学、便捷、高效。

(4)工程监理。工程监理指依据建筑数据库资源和建筑遗产保护专业知识，通过三维建模，对历史建筑文化遗产的建筑风格、构造作法，展开全面的监督管理。在管理的过程中，采用现代遥感、高精度的测量技术，构建传统历史文化建筑构件的三维立体模型，集成数据库以及三维数字档案，为今后的维修保护提供参考依据。

(5)虚拟漫游。虚拟漫游是虚拟仿真系统技术的一部分，对于建筑遗产而言，是通过三维数据库资料，建立一种浸入式的浏览体验方式。打破时间空间的限制和束缚，更全面、更系统地展示中国古代传统文化以及优秀建筑文化的工艺特点。通过提供API接口的方式来实现空间限制上的突破，同时漫游系统还可以很好地满足游客的各种需求，完成对建筑物历史信息的完整存储与数字档案管理，从而更好地促进地方旅游业的快速发展。

6.2 数字敦煌——莫高窟

敦煌莫高窟位于甘肃省敦煌市境内，有着西千佛洞的美称，居我国四大石窟之首，同时也是世界上现存规模最大，保存最完好的佛教艺术圣地。1987年12月，敦煌莫高窟被联合国教科文组织评为世界文化遗产。莫高窟开凿在鸣沙山东麓的断崖上，南北长度为1 600多m，上下5层,高低错落、鳞次栉比。不过，由于年代久远，风沙、崖体坍塌及地震等自然原因导致莫高窟受损。另外，人为刻画、偷盗以及旅游项目的过度开发，也造成了严重的破损和病害，彩塑损坏和壁画退化速度十分迅速。

随着信息时代的来临，数字化信息革命的浪潮正在波及各个领域，城市及建筑管理也逐步进入数字化管理时代，敦煌作为我国著名的历史文化名城，率先实施了数字化管理，特别是在敦煌建筑文化遗产保护中，植入了数字化管理技术，将壁画、洞窟、彩塑等敦煌各类建筑文化遗产及文物加工制作，收集整理成高品质、智能化的数字图像，充分收集分散在全球各地的敦煌文献材料，再对各类素材进行数字化处理，建立系统的电子档案，通过近景摄影、航空拍摄、激光扫描的技术手段，收集莫高窟外部和内部的雕塑、壁画、地貌环境、地形，多角度、全方位地展开影像数据和三维数据的处理，构建敦煌莫高窟的正射影像模型、数字地面模型和三维可视模型，以便更好地凸现莫高窟内的三维场景，保护现存的雕塑、壁画等具有珍贵历史文化价值的人类遗产，同时也能够满足游客通过虚拟仿真的技术手段全面欣赏莫高窟。

对于莫高窟某个点模型最终成果，先进行高精度的数据获取，包括室内扫描、室外获取，然后制作正射影像与等值线图，一同集成到三维数据库中，利用测量手段获取的三维信息模型，完成多点云数据采集，构建不规则三角网络，建立三维灰度模型，并在纹理拼接和映射后形成完整的三维模型。

6.3 建筑遗产复原

6.3.1 数字化复原方案设计

为确保复原工程的顺利开展，做到可靠性与科学性统一，首先要完成复原方案设计，即对需要复原的建筑文化遗产项目进行整体策划设计。具体做法可分为4个步骤：首先利用虚拟仿真技术的表达方法，将复原所需要的三维体验模式及图片模式进行整合；其次，确定复原系统的形式，是采用数字博物馆还是虚拟实验室，不同形式对应不同的设计

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