基于VR技术的古建筑数字化保护及传承研究——以鲁土司衙门旧址为例

文｜巴钧才 许朝森

古建筑作为历史变迁和人民生产生活发展的见证者，被誉为“凝固的历史”。鲁土司衙门旧址处于中土与西域的交汇处，是汉文化和藏文化交融的完美结合，承载着特殊的历史文化内涵，有着“小故宫”的美誉。用现代信息技术对古建筑群进行数字化保护和展现是目前较为流行的一种手段，在本项目实施过程中，采用了360度全景拍摄方式对鲁土司衙门旧址古建筑群进行信息采集与保存，继而将采集的图像信息经过拼接处理后发布到全景视频平台，让用户足不出户就可以穿梭在鲁土司衙门旧址古建筑场景当中，助力鲁土司衙门旧址古建筑群的旅游推介与保护传承。

一、引言

我国作为四大文明古国之一，有着五千年的文明历史，蕴藏着丰富的文化元素，古建筑作为人民生产生活发展和历史变迁的见证者，被誉为“凝固的历史”。鲁土司衙门古建筑群是全国保存最大最完整、西北地区唯一的一座宫廷式建筑，是国务院公布的第四批全国重点文物保护单位,鲁土司衙门旧址地处古代中原通往西域的咽喉之地，处于中土与西域交汇处，其古建筑风格以汉族风格为主，而其附属建筑妙音寺内长廊上遍布的转经筒等都是藏文化的代表元素，鲁土司衙门古建筑群作为汉文化和藏文化交融的完美融合，是甘肃、青海地区众多土司建筑中保存最为完整的一座宫殿式古建筑群，有着“中国西部小故宫”的美誉，承载着特殊的历史文化内涵。

鲁土司古建筑群位于甘肃省兰州市永登县连城镇，地理位置相对偏僻，而正是由于这个原因，这座始于明代的古建筑群得以完整地保存。在信息技术蓬勃发展的今天，我们有必要用现代信息技术对鲁土司古建筑群进行数字化保护和展现，这样不仅有助于鲁土司衙门古建筑群的旅游推介，更有助于古建筑群的保护与传承。相对于3D建模存在不同程度失真和平面图形难以表现空间感的缺陷，作为计算机技术和信息技术等现代新技术集大成者的VR技术，可以将鲁土司古建筑群原貌用立体化方式完美地呈现出来，是我们保存历史资料和推介旅游资源的不二选择。

二、鲁土司的历史渊源

土司是古代朝廷授予少数民族首领的一个世袭官职，连城地区土司起始于元世祖忽必烈的侄重孙脱欢，自明代起，连城就成为了鲁土司的政权中心，鲁土司是西北地区权势较大的一个集军事、司法、宗教于一体的地方特殊政权，管辖范围覆盖甘肃、青海两省多个县区，面积达9000平方公里。公元1368年，在元朝即将覆灭之际，脱欢带部流落至今甘肃河西一带，公元1370年，脱欢在明朝成立一年多以后投降明军，被明太祖安置在连城，成为连城地区第一世土司。1423年，因三世土司失伽屡建战功，永乐帝朱棣给失伽赐名鲁贤，连城地区土司始姓鲁。鲁土司自1370年一世土司至明朝、清朝，到1931年，由于中华民国政府推行的改土归流政策，世袭官职终止。期间共世袭十九世，产生了二十一位土司，历代土司地位显赫，多为土司因战功卓著升任驻守西北的重要将领，官至一品，清嘉庆帝御笔亲赐“世笃忠诚”牌匾现在还悬挂于牌坊正中。鲁土司先后统治连城周边地区长达561年，经过历代土司的苦心经营，为西北边陲的繁荣安定和民族团结做出了贡献，对当地的政治、文化、宗教产生了深远的影响。

三、鲁土司衙门建筑风格

鲁土司衙门始建于1378年，整个建筑群坐北朝南，依山傍水。现存建筑是1818年第十五世土司鲁纪勋朝贡回来仿王公府第建造的，原面积约15万平方米，今存3.3万平方米，其中明代建筑面积2877平方米，整个建筑分衙门、官园、妙因寺三部分，有三十六园七十二门。所有建筑均采用砖木结构，建筑布局以衙门中轴线为主，中轴线上一进数院，东西各个院落依次相连，院落与院落之间有门相连，利用地理地基建筑依次升高，烘托出衙门的高大雄伟和威严，整体布局规整严谨。衙门东北角为官园，西侧为妙因寺，从衙门门口开始自东向西依次探寻，可以看见照壁（在牌坊对面）、牌坊、仪门、提督军门、大堂、如意门、燕喜堂、祖先堂，附属建筑全部建在衙门东侧，有寝园、粮仓、马号、花园、书院等；西侧的妙音寺包括鹰王殿、科拉殿、万岁殿、古隆宫殿、塔尔殿、多吉羌殿、禅僧殿、大经堂等建筑。

除恢宏的明清建筑外，鲁土司衙门及妙音寺古建筑外表面附属的砖雕、壁画也独具风格，在藏传佛教文化、美术史、建筑史中都有较高的研究价值，被首都师范大学和故宫博物院的专家称为“珍贵的藏传佛教博物馆”。

四、前期学习与方案选择

为了对鲁土司衙门古建筑群进行数字化信息采集，项目团队采用了通过网络查找资料、实地考察、与专家座谈等多种形式了解鲁土司衙门古建筑群的建设过程、历史变迁以及蕴含的建筑风格、文化特点。通过理论学习试图更具体地了解其特色，给古建筑赋予历史文化内涵；感受鲁土司衙门旧址的温度，更好地激发团队成员做好本项目的积极性、责任感和使命感。

除了理论学习之外，团队成员对目前常见的数字化信息采集方案进行了认真的比较分析，认为使用平面类型的数字采集方案不足以表现古建筑的空间结构关系，应该采用立体化的三维图像构建方法，才能将古建筑的结构和空间关系表现得更为准确和真实。在三维图像信息采集方案或模型构建方案中，3D建模技术耗时长，对技术的要求比较高，且生成的模型较为生硬，会存在不同程度的失真；三维激光扫描技术可以高精度采集到图案的颜色、坐标、反射率等详细数据，适用于采集物体表面的三维坐标数据，相关资料显示，三维激光扫描技术在临夏砖雕的数字化保护方面已经有成熟应用案例可供借鉴；360度全景摄像技术可以对建筑物原貌进行完美呈现，且成像速度快，技术难度较低，适合大规模信息的采集。经过团队成员的分析比较，最终确定采用360度全景摄像技术对鲁土司衙门旧址全景进行信息采集，在项目的后期补充完善过程中可以采用三维激光扫描技术对建筑物外表面砖雕和壁画图案进行详细数字化信息采集。

五、鲁土司衙门旧址信息采集

确定好信息采集技术方案后，团队成员开始准备360度全景图像拍摄工具，在本项目实施过程中，为了提高图像的清晰度，我们采用在云台加普通单反相机、鱼眼镜头模式进行信息采集。由于后期用户看到的VR全景视频是移动的，而用户体验时自身的身体处于静止状态，在这种情况下，用户会产生一定的眩晕感，如果在运动状态下进行拍摄，会不同程度出现相机旋转和抖动现象，这样在后期体验时，会加重用户的眩晕感，影响到整个的体验效果。为了尽可能地降低眩晕感，确保后期的体验效果，我们采用了固定点位拍摄方式。根据鲁土司衙门旧址院落的分布情况，选定了牌坊、提督军门、大堂内外景、燕喜堂、效忠楼、万岁殿等十个固定拍摄点位。在每一个固定点位进行拍摄时，先在相对开阔的平坦地带选择云台架设位置，云台架设的位置要尽量与拍摄对象间留出一定的距离，给后期体验者预留出一定的个人空间，离得太近的话，在后期体验时会产生压迫感；除了距离选择外，相机高度的选择也有讲究，我们将云台高度调整到160cm，加上相机高度10cm，将拍摄高度确定为170cm，与正常人视觉水平线的位置基本保持在同一高度上，避免因为机位过高或过低导致体验时产生俯视或仰视，这样将会更好地保证后期的体验效果。确定好拍摄位置及相机的高度后，就可以对建筑物进行拍摄了，拍摄时选择建筑物的正前方进行拍摄，同一建筑物尽量用一张图像，避免因建筑物切分而产生缝合线。水平方向上360拍摄完成后，就要进行天空和地面360度方向上拍摄，在对地面进行拍摄时，要避开拍摄者的人影，对天空进行拍摄时要避免逆光，水平方向360度加上天空地面垂直方向360度就完成了一个点位720度全景图像信息的采集工作。为了后期拼接图片方便，信息采集时，每张图像应预留30%左右的重叠部分，还要对不同角度之间光线明暗变化等都要随时进行相应调整。

六、后期剪辑合成与输出

信息采集工作完成以后就可以开始图像的拼接，在此次项目完成过程中，我们选用了PTGUI软件，该软件操作相对简单，在拼接过程中的重点问题是图像节点的调整，避免出现拼接的痕迹，此时，信息采集时图像的30%冗余就起到了关键作用，在PTGUI中可以利用图像的冗余最大程度地避免拼接痕迹的出现，但这还是不能够完全避免，我们可以利用PHOTOSHOP软件对拼接痕迹进行处理，同时，也可以根据需要进行光线明暗程度的调整。

经过图像的拼接、美化处理，整个图像数据建设就完成了。接下来，我们将拼接好的图像数据导入到720云平台，添加文字介绍、背景音乐后就完成了全景视频制作的全部过程。此时，我们可以在全景图像播放器中用小行星视角、平铺视角、鱼眼视角和VR模式等四种模式逐一对全景视频进行调试，如果调试没有问题，整个全景视频制作过程就可以告一段落。

七、后记

古建筑是文明传承的瑰宝，不仅仅是建筑文化的遗存，更是当时社会、人文、经济、政治、宗教等元素的综合映射，有人将古建筑誉为民族之根，民族之魂，是值得我们每个人去保护和守候的“传家之宝”。我们不仅要把古建筑文化这棵老树传承好、保护好，更应该在这棵老树上嫁接现代文明的新枝，让传统文化开出现代文明之花。

该项目利用VR技术对鲁土司衙门旧址进行了数字化的存储与展现，达到了对古建筑的数字化保护和传承的作用，在此基础上，上传到720云平台上的全景图像可以跨越时间和地域的限制，让人足不出户穿梭在鲁土司衙门旧址当中，感受古建筑的魅力，较传统的文字、图片、视频信息而言，VR全景图像在旅游资源推介方面的效果更全面、更直观、更真实，具有很强的临场感，用户可以在全景视频当中自主选择探寻路径和场所，完全模拟了到现场旅游的体验，真正达到了身临其境的感觉。

本文只对鲁土司衙门旧址建筑部分进行了数字化存储和展现，还有两个重要方面还未来得及制作，其一是妙音寺建筑的数字化，其二是鲁土司衙门旧址及妙音寺古建筑表面砖雕和壁画等详细信息还未进行有效采集，这些将在团队成员后继的研究中逐一完成，最终对鲁土司衙门旧址相关的所有建筑物及附属在建筑物上精美的砖雕和壁画都一一进行进行数字化信息采集和完美呈现。