虚拟现实技术在古园林复原及数字化工程中的应用——以古莲花池虚拟漫游系统的建设为例

曹迎春 李纪伟

(河北大学建筑工程学，河北 保定071002)

虚拟漫游是虚拟现实(VR)技术的重要分支，基于VR技术独特的沉浸感、交互性和构想性的3I特性，用户可突破传统动画仿真固定漫游路径的技术限制，自由、方便的建构虚拟漫游系统，以实现虚拟现实、仿真、复原和互动娱乐等目标，近年被广泛用于新闻、旅游、游戏、交通和建筑等领域.本技术被誉为继多媒体技术之后21世纪的代表性技术，被列为国家863计划重点支持研究课题，具有广阔的发展前景.

虚拟漫游技术在建筑领域广泛应用于建立数字城市、城市规划评估平台、古建筑复原和保护、虚拟场景漫游以及地产漫游等方面.国外在本领域的研究处于领先地位，成功完成多项国际知名项目，尤其在古建筑复原及场所精神的重塑方面，虚拟漫游技术显示出独特而强大的功能.例如由美国维吉尼亚大学利用虚拟现实技术复原了世界最大古建筑群——意大利古罗马城市，参观者通过3D虚拟再现系统可身临其境观赏古代罗马城;由美国加利福尼亚大学洛杉矶分校实验室完成的虚拟西班牙圣地亚哥大教堂项目，突破性的加入13世纪音乐作为背景音乐，极大提升项目感官体验.国内虚拟现实技术研究相对滞后，近年才逐渐兴起，主要完成项目有北京锐智盛扬文化播有限公司为辅助电影圆明园拍摄和后期处理，制作的数字圆明园;由故宫博物院和IBM联合开发的中国第一个互联网展现重要历史文化景点的3D“虚拟紫禁城”等.

1 源起

目前，我国已完成的虚拟现实项目存在一些问题:1、多关注物质场景的视觉真实性，缺乏对听觉、触觉等其他感官真实性和丰富性的深入研究.2、多关注虚拟场景的实用性，如用于电影拍摄、场景展览及可视化管理，缺乏对建筑场景艺术感和人文气质内涵的充分营造.3、项目主要由公司、企业以商业活动形式完成，多集中在国家重要的大型、高盈利的项目上(例如紫禁城和长城等).而大量一般但又急需虚拟现实相关技术应用的建筑类型(例如古建筑保护、古城再现及旅游景点的互联网在线宣传等)，由于无法支付高昂的费用而望而却步.基于此，本研究以具有的追求感官真实性和丰富性，注重艺术感及人文气质营造之显著特征的中国传统园林建筑为对象，选取国家一级保护文物单位保定市古莲花池为例，运用虚拟现实技术复原其古代真实情景，建立古莲花池虚拟漫游系统.通过研究实现以下目的:1、虚拟场景视觉、听觉、触觉等多方位感官体验真实性和丰富性的深度营造.2、提升虚拟场景艺术感和人文气质的内涵，营造神形兼备的再现场景.3、对大量一般且急需虚拟现实技术应用的项目进行研究，使其得到有效的保护和网络宣传，促进相关产业的发展.

2 古莲花池概况及复原目标

2.1 古莲花池概况

古莲花池位于历史文化名城保定城市中心区，国家一级文物保护单位，与苏州拙政园、北京颐和园等园林齐列中国十大历史名园.古莲花池始建于1227年(元)，称“雪香园”，私家园林.1289年(元)震毁荒废，但园中池水清澈，荷花满园.永乐初年重建为官府附属办事衙门兼私人宅第.明朝后期大规模整修、扩建.清代古莲花池达到鼎盛时期，雍正十一年(1733)开办莲池书院(直隶书院)标领一省学风，名驰中外.乾隆十年(1745)，莲池辟为皇帝行宫.二十五年，置莲池十二景，并绘莲池十二景图，且附图解和图赞(《莲池行宫十二景图咏》).1900年，八国联军毁古莲花池.1948年在莲池成立了“民众教育馆”.2001年7月古莲花池被列为全国重点文物保护单位.至今，文物工作者不断研究古莲花池的文化和园林艺术处理，对其进行了很多修复和复原.

古莲花池总面积2.4万平方米，其中池水面积7900平方米.园景布局严谨，错落有序，环水置景，因荷得名.整座园林以池为主体，池水又以建在北塘中央的湖心亭为中心.池中心岛分园为南北两塘，蜿蜒曲折的东西二渠将两塘沟通为一个整体.南塘呈半月形，外围峭壁环峙，松柏滴翠.北塘呈不规则矩形，四周玉石堆岸，杨柳垂丝.园内莲池十二胜景美不胜收.入夏，荷香满园，绿荫锁日;冬来，银池玉宇，格外妩媚，充分体现了我国古典园林的悠远意境，素有“城市蓬莱”之誉.

2.2 复原目标确定

古莲花池复原参考资料包括文献资料和古代图绘，其中四副古代图绘为复原主要依据(表1).由于古莲花池在历史的变迁中多次焚毁，但池水的空间布局始终如一，荷花美景一脉相承;同时，不同时代尤其是近代不同时段的建筑相互叠加在园中.由此确定以古莲花池现状院内空间构成和环境布局实测数据为基本框架，以古莲花池鼎盛时期(乾隆、同治和光绪)的古图绘存本《莲池行宫十二景图咏》、重绘《莲池行宫十二景图咏》(图2)和《古莲花池全景图》所绘建筑形制和布局为主要建筑参考(这期间园区布局稳定、景致疏密得当，且十二景完整.后期叠加较多近代建筑，影响古莲花池经典意境)，同时考察其他资料，以补充和完善复原目标.

表1 古莲花池复原参考古代图绘情况一览表

3 古莲花池虚拟漫游系统建设技术程序和要点

古莲花池虚拟漫游系统建设技术程序大致可分为数据采集、数据录入和漫游系统建设三部分(详细程序见图3).

3.1 数据采集

数据采集包括实地勘察、调研古莲花池附近街区及内部环境、拍摄图像、现存古建和景观测绘、地形起伏变化分析、查阅相关的历史数据及文献资料.以此确定复原目标，对复原时期的古莲花池内部地形、河岸、建筑、景观小品、山石景点做了空间整体分布重建和定位.

3.2 数据录入

数据录入包括:数据输入，平面数据整理和绘制(CAD软件、PHOTOSHOP)，建筑、地形、河岸、池塘等的三维建模(3Ds Max、VRAY).其间深入研究并设计一套模型简化技术，以减少计算机运算量，提高数据处理速度，是画面更加流畅.主要包括以下技术要点:

(1)三维建模逼真度与实时渲染之间矛盾的协调.建模精细，则近观物体细致逼真，但实时渲染大量消耗资源，整体画面观感不流畅;反之，虽整体画面观赏流畅，但近观物体较粗糙.通过研究实现在建模精细度和实时渲染速度两方面取得和谐的折衷值，在保证画面观感流畅的同时，满足场景的逼真感.

(2)园林大量自然植被景观建模技术.园林内大量、多种自然植被的配置是其不同于其它虚拟现实工程的关键.通过研究实现植被景观的最优化建模和模型层次配制，即在建构层次丰富、搭配合理、观感良好园林景观的基础之上，大量减少绘制数据量，保证画面观感流畅.

3.3 漫游系统建设

将建成的三维空间模型导入VRP虚拟漫游处理软件(VR—Platform)，不断进行空间分析和调试，以还原和再现中国古典园林精神意境.古莲花池漫游系统建立所面临技术难点包括如下几点:相关技术要点主要包括:

(1)虚拟漫游技术相关软件(cad，VR—platform，3DS－Max，PHOTOSHOP，VRAY渲染平台)的掌握和各软件间数据良好、完整的转换;

(2)古建筑数字化技术，几何建模及模型导入技术，及三维虚拟漫游系统场景建立技术;

(3)虚拟现实场景中真实感官体验的完善.丰富而愉悦的感官体验是中国园林艺术追求的目标.通过引入多重背景声效、动态贴图、多层次贴图、触发式动画以及骨骼动画等技术，创造感官丰富、身临其境的逼真体验，使虚拟现实技术在园林景观真实感营造方面更加完善.改变现实工程重视觉场景，轻听觉、触觉等其他感官真实性及丰富性的问题.

4 结语

经过近两年的不懈努力，完成了古莲花池虚拟漫游系统(如图4、5、6)的建设.希望通过我们的工作能够再现古莲花池雍容华丽的风采和浓厚的文化气息，从而使她得到更好的宣传，获得更多人的关注、了解和保护.

［1］孟繁峰.古莲花池［M］.石家庄:河北人民出版社，1984

［阮仪三.历史建筑与城市保护的历程［J］.时代建筑，2000，(3):10～13

［3］王景慧.历史地段保护的概念和做法［J］.城市规划，1998，(3):60～61

［4］王桦，王琳.历史街区的持续整治［J］.城市规划会刊，1997(3):88～89

［5］潘古西.中国建筑史［M］.第五版.北京:中国建筑工业出版社，2004

［6］常青.建筑遗产的生存策略保护与利用设计实验［M］.上海:同济大学出版社，2003

［7］居阅时.弦外之音——中国建筑园林文化象征［M］.成都:四川人民出版社，2005

［8］孙待林，苏禄恒.古莲花池图［M］.石家庄:河北美术出版社，2001

［9］洪炳镕.虚拟现实及其应用［M］.北京:国防工业出版社，2005，12～40

［10］彭一刚.中国古典园林分析［M］.北京:中国建筑工业出版社，1986

［11］宗白华.中国园林艺术概观［M］.南京:江苏人民出版社，1987