基于虛擬現實VR技術河西走廊古民居歷史再現.doc
馮星宇
摘 要：河西走廊古民居歷史文化的傳承，除了史料資料記載，現存古民居建筑本身的結構，花紋圖案裝飾，以及建筑構件都可以經過許多方式再現展示，如三維數據模型的重現是民居歷史再現的重要手段。
關鍵詞：河西走廊 古民居 模擬數據模型 歷史再現
河西走廊古民居尤其是張掖古民居的歷史再現是對古建筑歷史文化再現的一種延續性保存手段，通過古民居實物再現可以真實的反映出不同時期古民居歷史變遷，其中古民居再現包括很多方面，例如對建筑的內部窗戶樣式，窗戶的雕刻裝飾，窗戶門頭色彩裝飾，門頭結構，屋檐的造型，屋檐的雕刻裝飾，梁的形式，梁的構造，柱的構造樣式、色彩的分析以及柱的高矮等都是古民居歷史再現的重要內容。
由于氣候原因，整個河西走廊古民居建筑呈現出屋頂為平面四邊形居多，甘肅河東地區民居在外觀印象當中為平屋頂的形式，呈人字形屋頂，河東雨水較為充足，人字形屋頂便于雨水流走。河西走廊張掖古民居除傳統四合院民居外，還有諸如裕固族、蒙古族等少數民族民居也是不容忽視的，它在張掖民居中占有一定的比重，就其民居建筑形式也較為獨特。
《甘肅省實施文化遺產“歷史再現”工程的意見》指出，加強文物本體搶救保護，運用原狀展示、陳列展示、模擬展示、揭露展示和復原展示等多種手段，全面深入地揭示其歷史文化價值，讓文化遺產從歷史記憶中走出來、“活起來”。河西走廊自古以來就是民族交融之地。歷史上曾經是游牧民族生活的地方，就其古民居來說，除了四合院式土木結構的房子以外，帳篷這種民居樣式也較為普遍。就其帳篷來說，河西走廊應用這種居住空間的當屬張掖的裕固族，裕固族是全國唯一的在河西走廊的少數民族，其分布在大河、皇城、康樂、明花、區及馬蹄區的友愛鄉，其余居住在酒泉市肅州區的黃泥堡裕固族鄉，是回紇后裔之一。就其帳篷的形式而言，也和其他少數民族居所有很大的差別，隨歷史的變遷也豐富多彩，其建筑形式獨特少見， 這一帳篷經常用耗牛的毛編織而成，一般長5米、寬3米、高2米左右，帳篷的四周用棕色或黑色牛毛搓繩拉緊固定，再用四根木柱和一根頂梁組合在一起，分別固定在周圍的木橛子上，把帳篷拉成八角圓形或是方形，屋頂開一個天窗，天氣晴朗的時候打開，下雨或是陰天時用一塊能夠活動的牦牛氈蓋住。裕固族人講究風水。牧民在搭建帳時，按照向陽避風，山形，河流來確定房子的坐向，一般大多數坐北向南，也有坐東向西或坐西向東的，帳篷門一般不朝北開，可對著山、河溝開。其屋頂采用裕固族帽子的樣式，裝飾圖案除了屋頂四周外，圍繞帳篷的一圈，八個方向也繪制了八寶吉祥圖案。這一民居的再現隨著歷史的變遷帳篷的形質也發生了改變，當地政府對其采取保護，有它的自身歷史價值、歷史地位。
現在張掖的古民居保存下來的僅僅29處，其分布在張掖市的西大街的法院南側、張掖市青年東街上的文廟巷內，還有勞動街的南面、北面、東面、稅亭街街巷都有零散的分布。雖然進行掛牌保護，修繕以及復原等工作，但是，張掖古民居的形制結構大都以土木結構為主，其建筑的原材料采用當地的黃土和木材，由于材料的限制，黃土和木材的不論其耐久性方面或堅固性都不及水泥鋼筋混凝土，要因此需要定期的修繕和維護。隨著城市的發展，夯筑打墻的技術和用土坯去砌墻的方法已經不常用了，但是若要沒有了土墻這一結構樣式，其實也失去了古民居的精髓所在；更有一些如用青磚去勒腳、青磚做成山尖的形狀，以及勾頭、屋脊、筒瓦、等不同尺寸的幾何建筑構件的燒制方法以及工藝，也很少有人去掌握和運用，所以那些精美的磚雕，木雕，木刻等形象很難恢復到原來的樣子和水平，都有不同程度的偏差。因此，張掖古民居的歷史再現，就是要根據原有建筑的建筑質量、損壞程度和歷史原因環境等因素，應采用不同形式的修復方式。主要分為三類：一是以舊為舊，盡可能地恢復在現有古民居建筑的基礎上還原以往的風格，即修舊如舊；二是新舊對比建筑的內部與外部，根據不同時期的歷史文化取得一手資料，進行修復，在這一過程中我們強調歲月留下的痕跡，使得建筑修復部位能夠明顯區別于古老的建筑部分，從而產生出建筑的新舊對比，更好的分析原有古民居的形態特征及其意義。三是運用現代電子技術去模擬古建筑曾今的模樣和當時發生的事情，去模擬場景再現，用藝術的空間形式對已存在的古建筑進行再現。古民居古建筑的修復技術同樣可以運用到古民居的歷史再現。
三維模型是對三維形體的空間描述。利用三維模型對古民居進行歷史再現是一種較為可行的方法，而且有成功的先例。據新聞報道，揚州大學建筑學院古建測繪隊受揚州市文物局委托，對該市清代廖可亭鹽商住宅進行進行測繪復原。廖可亭鹽商住宅位于揚州市南河下歷史街區118號，建于光緒31年（1905年），為省級文物保護單位?，F古宅內有住戶幾十家，因文革時期受損嚴重，亟待保護。其間，測繪隊員們將根據獲得的數據，運用計算機繪圖原理將標有數據的草圖整理成計算機二維投影圖，最后建立數字三維模型。此次古建筑測繪主要是為古城歷史文物的保護、維修等提供最基本的地理信息數據，進而推動揚州古城保護的數字化建設進程，使得文物保護工作更加科學高效。
對于古建筑內部大木結構的記錄有兩種方法，一種是拍照、另一種是通過拉皮尺對建筑進行測量和記錄。由于古建筑的結構復雜多變，用傳統的方法對大木結構的實體曲面模型的數據整理是耗時和費工的一項任務。但是當我們通過采用三維激光雷達掃描技術，就可以很快的突破這一技術難點。激光掃描儀可以獲得物體反射激光束，然后這一光束再到達被測物體，從而獲得反射回掃描儀的時間差，就可以計算出掃描儀到被測物體之間的距離，并且連續采用反射脈沖激光的鏡子的角度值去獲得被測物體的一個精準的三維坐標。通過三維點云數據和相關的建模軟件制作出三角網模型和Nurbs模型，通過這兩種模型去得到古建筑的線性數據和特征面貌。通過三角網模型去制作建筑的立面圖；用三角網模型和Nurbs模型來去制作古建筑的剖面圖和平面圖。
河西走廊古民居尤其是張掖古民居的歷史再現，也可采用現代科技信息技術，收取整理民居的相關分析數據，例如民居的大小，尺寸，顏色，結構，形質等，統一整理收集，運用三維數據，進行三維建模，從而做出實物的三維模型，達到再現民居實物再現的目的。同時在三維建模過程中又為古民居的修繕和復原工作提供精準的、細致的、工程化的數據分析基礎資料。在民居數據的取證過程中我們還將要預計出古民居將來所遇到的自認災害和認為因素，例如風化，損毀，受潮變形給古民居帶來的危險，一些稀少珍貴的民居，例如張掖現存清代高總兵府，是張掖民居中規模最大保存最完整，文化價值最高的民居，相當于北京的恭王府，只不過規模形制嫌小，像這一類民居留存久遠的歷史烙印，反映著當時達官貴人的生活面貌，其房屋的結構樣式形質和色彩圖案裝飾都區分于普通百姓民居。對于研究當時社會的歷史文化都有重要的價值。
對民居這類文化遺產的保護，要考慮到未來所面臨不可知的因素，如燒毀或是全部倒塌，所以古民居的保護除了還原維修，還必須考慮根據較為完整的基礎資料和數據信息，真實的圖像資料進行歷史再現。首先是數據的整理，平時的模擬實物再現這項工作就必不可少，甚至是其中非常重要的環節，其中對于于圖紙繪制的準確性，數據收集的全面性要求就很高，通過實地去測量建筑物與周邊建筑物后取得正確的數據，把文物建筑的測繪制檔保存作為紀錄文物建筑現態的最重要的手段，并且將其充分利用。其次，以往對建筑物資料的收集大多采用簡單的，拍照，攝影錄像，傳統習俗繪畫、等傳統綜合性手段，這些往往需要較多的人力物力的投入，例如圖像在拍攝過程中受到光線，角度等多方面的因素，缺乏數據的精準度，整體性、準確性，經常只是一個外觀的模擬，數據的取證因受多種因素的影響，存在一定的局限性和不完整性，對民居的修復及完全恢復原貌是非常困難的。因而，通過建立古民居的三維模型，不僅可真實的實現古民居原貌，還可以清楚的讓人們看到和了解當時的歷史文化，具有直觀性和情境性。
隨著計算機技術的日益進步，計算機三維可視化技術在古民居保護和研究中的應用正日益顯示其優勢。運用三維模型進行古民居歷史再現，通過高精度的數字化計算將有關民居數據信息進行保存，隨時可以運用三維空間計算與測量技術，為珍貴的古民居修繕和復原工作提供準確無誤的工程計算數據，同時也可以運用三維模型再現古民居。研究這些建筑，就需要用模型建筑的信息技術，對與古民居的建模處理，使其恢復古民居的原來面貌，再用參數化的方法對建筑幾何模型進行分析論證，就其民居每一個部位都進行參數設置。應用信息模型技術，對古民居先進行參數化建模，然后通過技術的處理形成古民居三維信息從而進行三維模型的制作。民居通過三維信息的模型就可將虛擬的建筑做到恢復原貌，民居的內部結構樣式都可以直觀而形象的立體呈現給觀眾。在民居修繕和復原的過程中信息模型的設計主要是通過收集整理明清時期的古民居構件信息資料 ，如民居構造的樣式、建筑材質，幾何和物理信息、古民居所用油漆彩繪、裝飾形式等建筑信息去生成古民居的建筑信息模式，從而進行模型信息設計。這些數據的整理不但擴展民居的相關信息，而且也完善和存儲了古民居信息系統，這樣使其信息的擴展性、延展性、儲備性得以保存和實現，并且可以使信息的存儲和相關部門隨時查閱資料提供了方便和保障。在用戶使用數據信息的同時，也可以將一些相關的數據補充和添加進去。當在對已納人的古民居三維數據分析時，又可概括歸納出一些規律，從而為古民居提出保護和修繕的措施。對于古民居三維模式的建立，一般有兩種模式：一是古民居建筑構件的相關數據信息通過軟件本身所提供的參數建模；二是將dwg或者dxf兩種格式的模型直接導入參數，這種參數通常用手工輸入的方式或者用直接導入測繪數據完成。
總之，河西走廊古民居歷史再現，可以運用多種手段，隨著VR技術的普及，人工智能技術運用都為古民居歷史再現提供可以選擇的各種路徑和手段。
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作者單位：河西學院土木工程學院
