矿冶遗产保护中VR技术的应用*——以黄石华新水泥厂旧址为例

陈 涛 梁燕莺

(湖北理工学院 艺术学院，湖北 黄石 435003)

资源枯竭型城市的转型是从依靠资源发展到可持续发展，这是摆在所有这类城市面前的难题。促进城市转型是走出困境的必经之路，而对于矿冶遗产的重新认识并加以合理保护利用，则是走出困境的重要措施之一。近年来，VR虚拟现实技术(简称为VR技术)等数字方式为国内外文化遗产的保护提供了新的思路。相对传统的图片、文字、声音、影视等传播方式，VR技术优势十分明显，它强调交互式、沉浸式环境体验，建立了人和自然资源之间的互动。可以预见，未来VR技术在文化遗址保护与开发中将占主导地位。

一、资源枯竭型城市的矿冶遗产保护现状

资源型城市是社会经济发展过程中依靠采掘自然资源发展起来的城市，以矿产资源和森林开采与加工为主导产业[1]。矿产资源累计采出的储量达到可采储量的70%以上的城市成为资源枯竭型城市。国务院于2008、2009、2012年分三批发布了69个资源枯竭型城市，要求资源枯竭型城市要抓紧制定和完善转型规划，提出转型和可持续发展工作的具体方案，进一步明确转型思路和发展重点，为全国资源枯竭型城市的经济转型和可持续发展寻求新方法。

黄石2008年被列入国家首批资源枯竭型城市。近些年，黄石在不断探索转型发展的新道路，对矿冶遗产保护和再利用也越来越重视，成立了一些研究机构，也开展了两届“全国工业遗产保护与利用”高峰论坛，在不断推进黄石工业遗产申遗工作的同时，对一些遗址进行保护和改造。但是，由于矿冶遗产保护处于初期，矿冶遗产利用的理论和实践相对缺乏，尤其是工业遗产保护领域的系统研究还很缺乏。矿冶遗产保护的重点仍然较多地集中在建筑和设施的保护和改造上，而对工业的科学技术、生产流程、技术工艺方面的历史价值却没有得到重视[2]。实际上，对于矿冶遗址的保护与开发，借助数字化手段去保护和传播工业遗产也是一种有效手段，故宫和敦煌壁画就是利用数字技术成功进行保护和传播的典型案例。

二、VR技术下的矿冶遗产保护与再利用

(一)VR技术概念及特征

VR虚拟现实技术(Virtual Reality)是数字技术的一种形式，是指采用计算机技术为核心手段生成一种真实感的虚拟环境，用户借助特殊的输入或输出设备，与虚拟世界中的物体进行交互和体验，通过视觉、听觉和触觉等获得与真实世界相同的感受(如图1所示)。

图1 VR虚拟现实技术

VR技术能够满足矿冶遗产保护的需求，最主要的特征是实时性、交互性、多维感知和艺术性[3]。实时性指展品在进行展示时，不再从单一的角度，不再把对展品的欣赏角度强加给参观者,观众可以自主地从多角度进行体验，从而增强展品的表现力。交互性是指我们在虚拟环境中不只是观看，还可以通过传感器与环境互动，达到更好的体验效果。VR技术制作的体验平台除了具有视觉感知外，还可以获得听觉、触觉、运动感等多种感知。

(二)矿冶遗产保护中VR技术应用策略

数字化文化遗产已经被联合国科教文组织认可为文化遗产的重要保护技术，矿冶遗产的数字化已经成为一种有效的保护方式。如今我们面临的一个主要问题是寻求利用VR技术开展矿冶遗产保护的具体措施。因此，梳理VR技术的实施过程，总结VR技术数字化博物馆建设框架显得尤为重要。

VR技术数字化博物馆建设框架(如图2所示)大体分为四个阶段，分别是数据采集、建模和场景复原、虚拟引擎创建、展示和传播[4]。首先是通过各种测量手段获取全面的场地信息，根据情况选取360°全景技术、VR拍摄技术、人工测量等方式收集遗产的尺寸、声音、图像、材质等信息；同时，查阅相关资料掌握遗产的历史背景等相关信息。然后，应用三维软件进行虚拟环境建模，对场地、建筑、文物和植被等进行三维复原；对采集效果进行评估。再然后，进入虚幻引擎进行相应制作，包括模型导入，材质、灯光处理和蓝图交互设计，打包输出客户端测试完成。最后是展示和传播，方式有博物馆多通道立体展示、穿戴式展示、互联网展示等。不同的展示形式对空间有不同的要求，在项目设计前期就必须先设定好最后的呈现方式。

图2 VR技术数字化博物馆建设框架

三、华新水泥厂旧址的历史演变与保护现状

黄石市是矿冶名城，保留了大量的矿冶文化遗产，最具代表性的遗产包括华新水泥厂旧址、铜绿山古铜矿遗址、汉冶萍煤铁厂矿旧址、大冶铁矿露天采场等。华新水泥厂旧址位于黄石市黄石港区，北依枫叶山，东临长江，面向磁湖。2013年5月，华新水泥厂旧址入选第七批全国重点保护文物单位。

(一)华新水泥厂旧址的历史演变

清光绪三十三年(公元1907年)华新水泥厂经清政府批准而创建，于1908年建成投产。1946年，华新水泥购买了美国先进“湿法”水泥制造工艺的全套设备及技术资料，并聘请了美国专业设计师进行规划设计。华新水泥厂的设备引进和选址建设，代表20世纪中叶“湿法”水泥制造工艺和水泥厂规划建造的世界先进水平，具有典范价值。20世纪50年代，曾被毛泽东主席赞誉为“远东第一”。20世纪五六十年代，华新水泥厂在生产能力和水泥质量方面处于国内领先的地位，其水泥产品不但为新中国建设做出突出贡献,还远销海外，为中国建材生产在国际上赢得声誉。为了贯彻国家节能减排、保护环境的国策，2005年华新水泥厂枫叶山厂区三条水泥湿法生产线陆续关停；2006年7月28日，华新水泥黄石分公司北区生产线整体搬迁；2007年7月19日，华新水泥厂关停了最后一组水泥生产线[5]。2016年，华新水泥厂旧址文物修缮工作启动，重点设计、修缮文物遗存。2019年10月8日，“黄石工业遗址保护中心”和“湖北水泥遗址博物馆”正式挂牌成立。

(二)华新水泥厂旧址的保护现状

华新水泥厂从湖北水泥厂、华记湖北水泥厂、华中水泥厂到如今的华新水泥股份有限公司，历经百年历程，见证了中国的水泥工业发展史，承载着中国水泥工业的精神。如今旧址上还存有较完整的厂房、办公楼、窑、磨房装包机等建筑和设备，包括7.39万平方米设施，83个文物单元。据初步统计，现有遗存设备332台套，非标件535件。通过对华新水泥厂旧址多次实地调研，归纳分析工业遗址中不同时期不同类型的遗产，按照工业生产中的不同使用功能，将主要遗产本体分为以下两种类型：生产设施和非生产设施(如表1所示)。

表1 华新水泥厂旧址文物分类

华新水泥厂停产至今经历了十多年的时间，旧址区内文物基本处于自然搁置状况，由于相当一部分设备和设施是露天堆放，受自然和人为因素影响，导致一些设备损坏或缺失。相关的文字记录、图纸等技术资料也有丢失。数字化技术对损坏和遗失的文物具有较好的复原功能，成为华新水泥厂旧址保护的重要途径。

四、VR技术在华新水泥厂旧址中的应用

(一)华新水泥厂旧址VR技术框架构建

为了更好地保护和展示华新水泥厂遗产，需要通过VR技术构建一个遗产虚拟交互体验系统。在制作前期需要对遗产进行分析和定位，进行参观流线和功能分区设计。整个系统把遗址设计为6个区域进行展示，包括入口展示区、管理服务区、粉碎烤干区、水泥生产区、水泥包装区和运输区。具体的实施过程分为4个板块：信息采集、三维模型建构、虚拟交互设计、展示与传播。首先对华新水泥厂旧址进行数字化采集，同时对破损和遗失的遗产进行数字化复原。然后结合二维CDA和三维MAYA软件进行三维建模、材质、灯光处理等。再然后进入UE4虚幻引擎进行相应制作，重点是蓝图交互设计，最后打包输出客户端测试完成。根据实际情况，本次华新水泥厂旧址的VR设计的呈现形式选择互联网和博物馆两种展示方式(如图3所示)。

图3 华新水泥厂VR虚拟现实技术实施框架

(二)利用数字化技术进行信息采集

数据采集是数字化应用的前提，是在现场调研的基础下运用数字设备对华新水泥厂现状等信息进行全面的采集工作，获得一手资料并将这些资料进行汇集和归纳。具体信息包括场地布局、空间、道路、植被、材质、建筑图纸、文物、文献和图片影像资料等(如图4所示)。主要的策略是采用航拍器对遗址场景进行视频录像；运用照相机、手机等高像素设备对历史资料数据、厂区建筑等进行信息采集；通过Google地图、百度地图等方式获得建筑分布数据[6]。

图4 华新水泥厂旧址建筑数据采集现场

(三)三维模型建构

数字建模在矿冶遗产的虚拟复原领域具有非常重要的意义，通过前期调研搜集的相关资料，对华新水泥厂建筑进行模型创建。为了将二维图像转换成逼真的三维立体空间，通过历史资料和相关信息进行模拟还原，本次选择MAYA软件进行模型创建，制作过程包括建模、模型优化、展UV、PS材质绘制、灯光布局、材质的烘焙等。由于华新水泥厂旧址的建筑和设施类型较多且造型复杂，给三维模型复原带来一定工作量，采取分层创建的方式，把地形、水体、建筑、植物、空中廊道分为5个层级(如图5所示)。为了后期更好地实现虚拟现实的展示效果，重点文物三维模型需要还原每一个细节。工业遗产三维模型复原是基于华新水泥厂旧址改造前的场地现状，对一些损坏或遗失的文物进行模型创建，尽量给观众展现一个更为真实的华新水泥厂，达到更好地保护和传播的目的。

图5 华新水泥厂旧址三维模型创建

(四)UE4引擎虚拟交互设计与制作

华新水泥厂虚拟现实展示系统是利用Unreal Engine 4(简称“UE4”)虚幻引擎进行交互设计，最终可以在电脑和穿戴设备上进行展示和交互。通过穿戴和遥感设备，观者进入一个沉浸式的虚拟场景，更加真实地体验华新水泥厂旧址。通过肢体动作进行交互，如前行、下蹲、往左或往右对画面方位进行控制，达到身临其境的体验效果(如图6所示)。UE4是EPIC公司开发的一款引擎，其强大的烘焙和交互功能，成为文化遗产可视化的重要技术手段。虚拟引擎制作环节主要由UI界面设计、人机交互设计、漫游路线设计和发布虚拟系统组成。内容完成后，观者可以根据设计师设计的内容参与虚拟遗址体验。

UE4引擎中首先是模型导入，模型在导入UE4前需要在三维软件中先将模型优化，并且展开UV，以免导入UE4后模型和贴图在场景中不能完整显示。在三维软件MAYA中，把模型按组导出.fbx或.obj格式文件，再导入UE4。由于是分组导入，需要对模型坐标归零处理。在UE4中还需给部分物体添加材质贴图，UE4虽然是实现实时全局光照，但还是需要设置灯光烘焙后才能达到较好的效果。室外设置一个Skylight和Light Source，再配合Lightmass,室内部分在窗户和灯具处布置照明灯和装饰灯，还需要添加环境声音Stacter background cue,然后测试烘焙和预览效果。

图6 华新水泥厂旧址虚拟交互巡游

为了保证漫游体验中不会出现穿墙现象，需要在场景中有物体的位置根据实际大小添加Cube模型，Cube模型的属性是碰撞不穿过，然后把Cube模型设置为隐藏就完成模型碰撞设置。UE4中的蓝图(Blueprint)是一种可视化脚本系统，在蓝图中按照设计好的逻辑把节点、事件、函数及变量连接起来，实现预先想要的功能。先创建蓝图类中的Game mode base(游戏模式)、Player controller(玩家控制器)、Character(来回走动能力)，然后进入Character蓝图类的事件图表创建Move、Get cator rotation、Get forward vcetor、Add mocerment imput四个蓝图，并且用连线连接起来，进行编译预览角色交互漫游的效果(如图7所示)。通过蓝图碰撞触发动画蓝图循环播放按钮的动画资源，同时触发的还有按键材质自发光效果显示。在交互设计方面，触发设备上设计的按钮会显示相关图文和视频信息(如图8所示)。

图7 华新水泥厂旧址蓝图创建

图8 华新水泥厂旧址信息交互

(五)打包发布VR交互程序

最后是文件打包发布。打包输出前，先要对文件进行删减和ICO图标设计。项目打包时可以选择多种执行平台，包括VR头盔、网页和手机等。本项目输出有VR设备端和Windows两种方式。其中VR设备端插件菜单勾选HTC选项，并在蓝图中设置启动时Enable hdmi即可将模型打包输出至VR设备平台。

五、结束语

在当前资源枯竭城市转型的时代背景下，VR技术应用对矿冶遗产保护具有非常重要的意义。首先，VR技术实现的数字化博物馆不再受空间限制，更全面、生动、快速地展示和传播矿冶文化遗产。其次，VR技术可以更好地保护矿冶遗产，在大量人流参观情况下VR技术不会对遗产造成破坏。同时，VR技术开启遗产全新体验模式，将矿冶遗产生成逼真的虚拟环境再现在观众面前，观众可以在千里之外通过设备身临其境地观看遗产，还可以与遗产进行交互，达到多维感知的丰富体验效果。

通过华新水泥厂旧址VR虚拟博物馆的技术实践，探索文化遗产的保护的新途径，为矿冶遗产的管理、保护和传播提供了新的可能，为推动资源枯竭型城市转型发展提供了全新的视角。