虚拟引擎技术在建筑文化遗产模型可视化的应用

毛振华 牡丹江师范学院副教授

对建筑文化遗产研究和保护的过程中，为了充分保留建筑原有风貌，使用数字化的形式不仅可以延续人类文明，同时更能传承重要的建筑文化。模型可视化是指通过各种信息设备，依托大数据技术，对建筑文化的各种数据、图像进行处理，最后用三维形体将建筑遗址表现出来，使用虚拟引擎技术构建建筑文化遗产可视化模型已经在全世界得到广泛应用。

1 建筑文化遗产概述

能够见证某一国家、某一地区、某一城市或某一社区发展历程的典型建筑被称为建筑文化遗产。在国家发展过程中不同历史时期的代表性建筑、或在科技方面领先世界的建筑以及著名建筑师所设计的作品、故人旧居等都属于建筑文化遗产的范畴。中国现阶段已经进入社会主义复兴期，具有文化底蕴的建筑遗产更能彰显泱泱中华历史变迁中的风貌。通过虚拟引擎技术开展建筑文化遗产保护工作，不仅是一项全新的科学技术工程，更是一项具有艺术性和空间性的工作。

2 虚拟引擎技术概述

2.1 三维场景编辑器

通过构建建筑文化模型的三维场景，结合地方风貌，周围环境，可以有效复原旅游景点，文物古建等场景。

2.2 二次开发工具包

二次开发工具包是指技术人员会采用软件开发工具包（Software Development Kit，SDK）开发出虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）场景、各类数据库以及各种业务系统等的大型数据系统。

2.3 虚拟社区系统

虚拟社区系统会通过三维形式展现，旨在提高参观者与虚拟建筑之间的互动。例如文字，肢体等的互动，极大地丰富了建筑文化的形式，也是未来建筑文化遗产可视化模型构建的趋势，国内一些博物馆、美术馆等虚拟场景都在广泛应用。

2.4 粒子特效编辑器

通过粒子特效编辑器可以制造出各种场景如下雨、下雪、烟火和地震等的效果，再加上其他的物理引擎系统，能够真实还原出各类建筑的真实环境。例如3Dmax 软件中就使用该编辑器制作出雾化效果，画面感惟妙惟肖[1]。

2.5 物理引擎系统

物理引擎是指技术人员将一些刚性物体赋予各种运动形式，如旋转、碰撞、滚动、弹跳等，再现各类建筑物在重大地质变化的动态情景，如地震、山体滑坡等，这样可以让参观者获得真实的视觉体验。

2.6 立体投影软件融合系统

在建筑文化遗址还原过程中，不同的画面之间需要衔接流畅，而这一效果依赖技术人员使用的投影仪立体交互作用，并且动画角色等各个动态物体之间也会实现完美穿越。目前国内该项技术的使用已经趋于成熟，例如上海规划展览馆的大型展会都在使用此项技术。

总而言之，虚拟引擎技术是利用各种操作系统层、服务器以及存储硬件实现可视化模型构建的技术。最初的技术采用的是虚拟现实建模语言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）技术，虽然可以通过互联网有效传播，但是画面质感不强，一般会用在效果传播中。现阶段随着技术的不断更新，VRML 技术也实现了优化，Wire Fusion 技术是在此基础上研发的新型技术，该技术以java为基础，能够综合各类平台展现效果。当然，该技术在具体使用过程中仍然有一定的局限性。通常情况下，产品展示会使用该技术。目前国内外使用的先进虚拟引擎技术有Virtools技术、EON 技术和Quest 3D 技术。

3 虚拟引擎技术在建筑文化遗产模型可视化中的应用阻碍

3.1 重技术、轻审美

现阶段虚拟引擎技术较为超前，在使用VR 系统时，会综合各类计算机技术的专家力量，重点开展建筑遗产的模型再现环节，更多的是完全保留建筑的原本样貌，但是设计人员往往会忽略审美角度，例如图案、颜色等的使用缺少美观性。

3.2 难以再现建筑真实样貌

再先进的虚拟引擎技术，也很难真实地还原建筑原有的风貌。因为人们对建筑的第一印象几乎没有，更多的是依赖科学技术人员结合各类文史资料，再现建筑原貌。光影效果以明暗、虚实为主，参观者看到的是阴影形式，而该形式中原有的文化遗产空间感是不存在的。

3.3 未能有效结合周围环境

建筑的美一方面来自本身的构造，另一方面来自与周围环境的和谐。因此，使用引擎技术还原建筑遗址时，要收集山川、河流、树木等的信息。但是现阶段虚拟引擎技术的使用过程中，只重视主体建筑的恢复，周围环境只是衬托，这样会影响整个建筑的外观布局。

4 虚拟引擎技术在建筑文化遗产模型可视化中的应用措施

4.1 重视诠释建筑文化遗产的艺术美

虚拟引擎技术与智能设备相互结合，对建筑文化遗产模型进行可视化构建，不仅要重视原建筑本身的复原工作，同时也要向参观者展示更多的艺术美，这样才能让建筑更加鲜活。技术人员应当依托先进的信息技术，分析和整合环境中的各种因素，处理整个建筑的真实布局，最终以各种图片、动画等形式向大众展现出来，通过环境的衬托，参观者才能更好地理解建筑本身的美。技术人员通过使用虚拟引擎技术，可以按照一定的比例还原建筑遗址以及周围的自然环境。例如，建筑遗址上的整体布局特点、使用的材料特点、材料上的纹理甚至建筑在不同季节、一天中不同时光的动画效果都会达到可视化效果，参观者不仅可以获得真实的观赏体验，还能感受建筑物包含的历史文化[2]。

4.2 重视参观者与建筑模型之间的互动体验

仅仅将建筑模型可视化还无法增强参观者的视觉感受，若能开发一些环节让参观者产生真实的交互感，建筑遗产的文化才能更加凸显。因此，技术人员可以借助VR 技术或增强现实（Augmented Reality，AR）技术，引导参观者与建筑真实地产生互动，同时采用技术手段消除展览空间难度，不断优化建筑文化的各类数据，使参观者在感受建筑文化遗产美的同时，有效提升个人的民族自豪感。参观者可以戴上专用头盔、眼镜等，实现在建筑物中遨游的效果，听鸟声、看流水等都会依赖这种技术而实现。同时，参观者还可以通过点击建筑物的不同部位，获取各类历史资料，通过旋转建筑物可以从四周观察建筑物的整体构造，从而直观了解所有建筑的空间尺度。除此之外，技术人员也应当不断创新，探究保护建筑文化的新形式。

4.3 丰富建筑文化的各类资料

建筑文化遗址在模型构建过程中还会建立与之对应的各类数据库，数据库中包含各种文字资料、数据资料、影像资料和空间资料等，真实地记载了建筑原有的风貌形态、地质特点等，更加丰富了建筑遗址的文化内容。观察者在体验建筑遗址数字化模型中可以在线获取关于整个建筑物的所有信息，大到整体布局、朝代特点，小到某一个柱子等，都可以通过点击鼠标获取准确的资料。同时由于数据库的建立采用的是数字化形式，因此技术人员在修改和完善数据过程中也更能快速准确地进行，实现数据整理的高效性和共享性[3]。

5 虚拟引擎技术在建筑文化遗产模型可视化应用的具体案例

5.1 哈尔滨文庙模型可视化建设

第一步，技术人员查阅哈尔滨文庙相关的各类历史资料，收集地质信息、建筑特点、环境特点等，再通过虚拟引擎技术构建初步模型。需要注意的是，设计人员应当准确测量所有建筑的数据，这样才能再现文庙的真实场景。第二步，技术人员通过各类软件对所有数据图像进行处理，获取最初的三维模型[4]。第三步，技术人员通过3Dmax 软件及其他方法对文庙中各类建筑进行建模。第四步，技术人员综合整个哈尔滨文庙的所有信息，优化场景数据信息。第五步，导出最终模型图。部分设计流程如图1、图2 所示。

图1 哈尔滨文庙数据采集图

图2 哈尔滨文庙建模图

5.2 哈尔滨圣索菲亚大教堂模型可视化建设

圣索菲亚大教堂是哈尔滨的地标性建筑之一，始建于1907 年。远远望去，绿色的洋葱头式大穹顶十分引人注目，是中国保存最完整的拜占庭式建筑。随着历史的变迁，这座宏伟的拜占庭式建筑已不再具有教堂的功能，被后人改建成了艺术馆。内部展示着近千幅图片和城市规划沙盘，向来来往往的人述说着哈尔滨的历史和人文。设计师在设计圆形穹顶时，利用虚拟引擎技术模拟出电子图片，然后经过严密的对比和计算，用四个三角凹形砖石做支撑，将穹顶架立在砖石之上，从而成功地将侧推力一阶一阶的向下传递。中央穹顶的南北方向则以四周墙壁穿到侧推力上，结构复杂，但效果显著。

穹顶中心区域的长度为68.6 m，宽度为32.6 m，中心高度为55 m，相对于罗马的万神庙更加开阔，因此设计师要充分借助虚拟引擎技术做好设计图形，调整光照角度，使内部空间更加明亮，通过设计，穹隆底部密排一圈40 个窗洞，光照射入之后形成的各种幻影让教堂显得更加深邃动人。

6 结语

对于建筑文化遗产进行模型可视化操作，不仅能够依托现代科学技术保存建筑文化，同时也能为子孙后代留下宝贵的财富。因此，技术人员应当本着科学、真实、严谨的设计态度，依托各种建模手段，充分发挥虚拟引擎技术的优势，最终将整个建筑的结构美、艺术美、文化美表现得淋漓尽致，真正促进中国文化多样性的发展。