张家口堡玉皇阁数字化虚拟复原研究

阎 阳 郭晓君 梁海娟 李 涛

（河北建筑工程学院建筑与艺术学院，河北 张家口075000）

0 引 言

建筑遗产是人类物质文化遗产的重要构成部分，是人类文化的重要载体、民族历史的缩影.我国历史悠久，特色建筑遗产也很丰富，由于漫长的岁月洗礼，加上各种复杂的人为因素，大部分的建筑遗产都受到过不同程度的损毁.建筑遗产是我们祖先留给我们的宝贵财富，妥善保护它们并恢复其原貌是我们不可推卸的责任.随着数字化技术的发展，近年来国内一些世界遗产地和重要国保单位对建筑遗产的测绘、科学记录文物信息处理等问题越来越重视，相继投资巨资建成高性能计算机系统，进行数字化研究，并开发出若干虚拟实景漫游模型.将数字化虚拟现实技术应用到历史文化遗产保护领域，实现多学科、多领域的交叉融合，具有十分广阔的前景和重要的意义.

张家口堡（俗称堡子里）是张家口市区的发祥地，也是目前全国大中城市中保存最为完整的明清建筑城堡之一，被称为"明清建筑博物馆"，2013年5月，被列为“全国重点文物保护单位”之一.本文介绍了张家口堡及其主要建筑玉皇阁的历史和保存现状，并以玉皇阁为研究对象，分析和探讨了如何利用数字化技术对历史建筑进行虚拟复原的研究.

1 张家口堡及玉皇阁的历史和保存现状

张家口堡位于张家口市桥西区中部，始建于明代宣德四年（1429年），至今已有近600年的历史，是长城防线上的重要军事驻军城堡.张家口堡内至今保存着478个明清时期修建的院落，现存文物古迹达700余处，其中极具历史价值的重点院落有93处.堡内的玉皇阁、文昌阁、抡才书院、财神庙、康熙茶楼、定将军府等重点景观院落为现存古建筑的珍品.

玉皇阁坐落于张家口堡的北城墙上，始建于明万历九年（1581年），已有四百三十多年的历史.坐北朝南属墩台式单体建筑，院内现有正殿，东西配殿、左右厢房.玉皇阁正殿坐北朝南，面阔三间.大殿主体殿宇气度宏伟，四周有一尺半粗的明柱，屋顶为歇山式，正脊两面有长五尺高三尺的兽吻.飞檐角上有二尺多长的风铃，清风一吹，叮当作响，为玉皇阁增添了神秘气氛.玉皇阁历史上从地面到山门共有五十四阶台阶，现存五十二阶，另外两阶已被埋入地下.玉皇阁有山门两道，山门内两侧左为钟楼，右为鼓楼，是张家口堡最高的建筑，登上玉皇阁可以看到张家口堡全貌.

张家口堡的建筑多以土木结构为主，年代久远，加之建筑物本身构造及自然环境变化等原因，出现了不同程度的破损现象.张家口堡内现有常住居民1.2万人，多年来部分古建筑未被重视保护，不堪岁月的风吹雨打，渐次坍塌荒弃，万字会、千佛寺等古建筑遭受毁坏，老城墙所剩无几，部分民居古建长年失修，保护现状堪忧.如图1所示.

图1 修缮前的玉皇阁

2 玉皇阁数字化虚拟复原探索与实践

下面以张家口堡玉皇阁为研究对象，综合利用最新的数字化技术，对虚拟化复原古建筑的方法做一些探索和实践.我们本着尊重和还原历史文化的谨慎态度，在整理现有史料和精确测量的基础上，利用多种计算机软件技术，虚拟化地建模和渲染，从而动态地还原玉皇阁的本来面貌.同时，通过对历史资料的分析和同类相近建筑物的横向对比研究，可以把局部毁坏的古建筑遗产通过虚拟化手段谨慎复原，为文物建筑的保护、修缮、监控、开发利用等方案提供参考.

2.1 信息采集与数字化处理

首要工作是收集建筑遗产的历史资料，以及近年来相关研究的客观数据等资料，继承历史资料和前人研究成果是深入研究和再创新的基础.通过查询当地图书馆、相关文献研究室，以及检索国内在线论文库等手段，我们尽可能收集齐了有关玉皇阁的历史资料.同时，我们还专门安排了一个小组对玉皇阁进行了为期一周的测绘工作，拿到了第一手的测绘数据.

接下来，要对这些直接和间接获得的资料、数据进行分类整理，这些资料有大量纸质的，也有部分电子的，有照片也有数据表.把这些资料都分门别类存入电脑，即电子化录入，是建筑虚拟复原研究的基本前提，事实上，对于任何文化遗产的保护工作，相关资料数字化都是极为重要的.资料的数字化处理有如下好处：第一，资料数字化处理，使得存贮和检索极为便利；第二，电子文档集约化保存，节约了物理空间；第三，可以低成本无差错拷贝，永久保存，便于共享和传播.

图2 玉皇阁大殿CAD图档

分类整理和电子化录入完毕之后，我们将对于玉皇阁的测绘资料进行计算机处理，最主要的一步就是绘制CAD图档（如图2所示），这对于建筑学出身的研究者来说并非难事.然而关键就在于校正、补充及推断尚不完整的信息，甚至部分工作需要利用三维建模的方法来处理.这时，我们前期收集到相关的文物建筑历史资料起到重要的参考作用.传统的建筑测绘成果一般就是平、立、剖面图及部分大样图.其实，对于一座中国文物建筑所携带的信息来说，二维的平面化的图纸是很难全面表达的.这只要通过按这些图纸以一定规则进行三维建模就十分清晰暴露出来.如果平面、立面、剖面图有错误，互相对不上，建模则可能无法进行.退一步，即便模型被搭建起来，也能非常直观地发现其中存在的谬误.因此，基本的三维建模可以成为检验已有图纸正误的有效办法.依靠这种办法，并参照已有的图文资料和建筑历史文献，我们对测绘图纸进行了校正，必要时还需要再去现场做一些测量.同时通过图片对照、模型生成等方式补充和丰富了整个资料库，从而使得玉皇阁大殿的数据信息更趋于完整、准确.

2.2 虚拟模型的建构

虚拟模型的构建就是应用计算机数字测图技术、多媒体信息技术、虚拟现实技术等，根据3.1信息采集和数字化处理得到的原始数据和信息，对研究对象的进行深入系统地建立三维数字模型，以便于在计算机上进行全方位、多层面的真实形象地展现.

根据研究对象建筑的特点，可以针对性地对其分类建模.例如，可以输出各层面的正投影图，各个方位的立体轴测图（或透视图）及局部详图，甚至可以与实物模型融合等.这种方法小到建筑中每一个细部纹样，大到整个建筑群及其环境的再现均可运用.它除具有实物模型的特性外，还能方便地表现建造过程及各个时期维修层面特征，是目前保存文物建筑信息资料的一种很好的形式.

在我们的工作中，模型建构前期起到了基本资料的补充和校正的作用，而此时它对于玉皇阁大殿虚拟复原，既是主要技术手段又是重要的可视化输出成果.作为复原技术手段，必须能表达历史真实性；而作为可展示的成果，还应具备视觉上的冲击力.最终虚拟模型的构建可以在各个层面分件模型基础上，通过适当的“装配”来完成，因此精确地完成每一构件的模型都非常重要.这部分建模成果具有很好的可展示性，所以此阶段建模工作可以适当地将艺术处理考虑进来，包括光影效果、材质运用、艺术处理等.为了达到研究和展示双重目标，建筑模型必须动态分层，既可组合搭建，又可分步拆解，搭建和拆解是一个可逆过程.后面可以把这个过程可以集成到相应的软件平台上，供使用者自由操作观看.

针对玉皇阁的虚拟模型构建，主要成果包括以下两部分：

1.玉皇阁大殿大木构架的搭建和拆解（如图3所示）.

分层次的模型构建，比如：三间五架抬梁式排山的搭建，歇山两山构架的搭建，以及“装配”成完整的屋身大木构架系统等，同时还有反过程的拆解等.这部分是虚拟复原研究的重点之一.

图3 玉皇阁大殿大木构架拆解

2.外观再现及周边建筑环境模拟.在模型搭建和完整装配的基础上，可以获得不同角度的视图，为了达到更好视觉效果，在输出前可对其进行光影质感等调整.根据玉皇阁大殿周边环境的现状，依照测绘图和现场图像记录，对周边建筑和场地原貌进行建模，使之与复原后的大殿相匹配.

3.制作相关的演示动画及视频等.

2.3 信息集成与成果展示

信息集成主要是通过计算机软件和互联网技术，把电子化后的资料、各种构建好的三维虚拟模型，以及图像、声音、动画、视频等各种数字媒体集成到一起，变成一个有机的相互关联的整体.本研究的基本目标是建构以三维虚拟模型为核心、形成的玉皇阁大殿完整的信息系统.通过这种形式，可以最大限度地再现玉皇阁的本来面貌，是虚拟复原研究中的一项重要内容（如图4、5所示）.为后续玉皇阁的修缮、保护等提供参考依据.

集成后的这些成果能被更多的人分享才能实现更大的价值，而互联网特别是移动互联网技术的发展使得人们分享信息变得更加容易.通过互联网，这些集成起来的成果最终会为不同需求的用户服务，他们既可以是不同领域的专家、管理者，也可以是一般社会公众.通过信息共享使更多的人可以了解并加入到世界文化遗产保护的行动中来，同时也对于相关建筑文物的修缮、研究、可持续化保护和开发利用方面提供第一手真实全面的材料.

图4 玉皇阁总平面和立面图

图5 室内结构架模型

3 总 结

针对张家口堡玉皇阁的数字化虚拟复原研究，生动再现了玉皇阁的原貌，可以让更多的人来了解张家口堡以及明清时期北方的建筑与文化.结合建筑文化遗产本身的特色，开发新形态的旅游文化资源，将彻底改变旅游服务的模式，提高文化遗产景点的吸引力，促进张家口区域经济的发展.更加重要的是，通过这项研究的探索与实践，总结了建筑遗产数字化虚拟复原的基本思路和方法.随着数字化技术的发展，更多专门人才人参与到该领域，必然会使得数字化技术在建筑遗产保护和复原研究中发挥更大的作用.

［1］杜嵘.虚拟遗产研究初探.新建筑［J］.2001.06

［2］李新建，朱光亚.中国建筑遗产保护对策.新建筑［J］.2003.4.

［3］刘祥.虚拟现实技术辅助建筑设计［M］.北京：机械工业出版社，2004

［4］候幼彬，李婉贞.中国古代建筑历史图说［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002