彭玉元 高小涵

第一作者簡介：彭玉元（1983-），男，博士，副教授。研究方向為數(shù)字媒體藝術、虛擬現(xiàn)實技術。

*通信作者：高小涵（1998-），女，碩士研究生。研究方向為數(shù)字媒體藝術。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.027

摘? 要：該文從鄉(xiāng)村古建筑史跡數(shù)字化發(fā)展面臨的問題出發(fā)，選取桂林全州縣屏山渡紅軍古街作為研究對象，通過實地考察收集到的圖像和數(shù)據(jù)，構建出三維數(shù)字場景，再現(xiàn)當?shù)亟ㄖh(huán)境，達到對鄉(xiāng)村古建筑史跡數(shù)字化保護的目的。通過數(shù)字化的方式，吸引更多的人關注鄉(xiāng)村保護，實現(xiàn)文化遺產(chǎn)的傳承，同時也對于未來的發(fā)展提出一些想法和期望。

關鍵詞：鄉(xiāng)村；數(shù)字化保護；古建筑史跡；數(shù)字技術；三維

中圖分類號：TU982.29? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）13-0111-06

Abstract： Starting from the problems faced by the digital development of rural ancient buildings and historic sites， this paper selects Pingshandu Red Army Ancient Street in Quanzhou County， Guilin as the research object. Through the images and data collected by field investigation， a three-dimensional digital scene is constructed to reproduce the local architectural environment， so as to achieve the purpose of digital protection of rural ancient buildings and historic sites. Through digital means， we can attract more people to pay attention to rural protection， so as to realize the inheritance of cultural heritage， and we also put forward some ideas and expectations for future development.

Keywords： countryside; digital protection; rural ancient buildings and historic sites; digital technology; three-dimensional

鄉(xiāng)村古建筑史跡是一種文化精神的載體，蘊含了豐富的文化內(nèi)涵，一旦破壞，就再難以恢復和接續(xù)。當前已進入數(shù)字時代，數(shù)字科技的迅猛發(fā)展為保護文化資源、保護文物拓展新空間。習近平總書記指出：“數(shù)字技術正以新理念、新業(yè)態(tài)、新模式全面融入人類經(jīng)濟、政治、文化、社會、生態(tài)文明建設各領域和全過程，給人類生產(chǎn)生活帶來廣泛而深刻的影響?！蓖瑫r，習近平總書記曾在不同場合多次對文物和文化遺產(chǎn)保護工作作出重要指示，要求做好文化遺產(chǎn)的保護、傳承、整理工作，使之發(fā)揚光大。鄉(xiāng)村古建筑史跡數(shù)字化保護與利用大勢所趨，順勢而為。

1? 鄉(xiāng)村古建筑史跡保護現(xiàn)狀及數(shù)字化保護難題

1.1? 鄉(xiāng)村古建筑史跡保護現(xiàn)狀

由于鄉(xiāng)村古建筑自身的復雜性，在其開發(fā)利用過程中不可避免地會受到各種因素影響或遭到破壞。

首先，人為的破壞，即在對鄉(xiāng)村古建筑進行修繕的過程中，盲目拆建，使原來具有的民族特色建筑風格和環(huán)境發(fā)生了變化。張時來等的研究表明，由于人們對傳統(tǒng)文化的錯誤判斷，導致許多古建筑被傾覆拆改，被修繕后破壞嚴重。由于缺乏經(jīng)費和專業(yè)人才有限、技術不達標、維修成本高，且缺乏高精度的復原依據(jù)和嚴格的技術標準，導致修復后的古民居失去原有的本色和文化內(nèi)涵。將古建筑拆解遷移、原封不動地保存、博物館式保存等傳統(tǒng)保護方案都存在一定風險，會出現(xiàn)物件丟失、無法還原、重建修復造成破壞等問題。

其次，自然性的破壞，通常鄉(xiāng)村古建筑的年代久遠，建筑材料大部分為木質(zhì)或石質(zhì)，經(jīng)過時間的洗禮后被腐蝕或磨損。李鴻飛等研究表明，傳統(tǒng)村落不斷遭受“建設性、開發(fā)性、旅游性”破壞，千村一面成為共性問題，偏僻落后地區(qū)中的木結構建筑因各種自然因素造成破壞，例如雷擊導致的火災，且木結構耐火等級低、防火間距小、火災撲救困難。

過度商業(yè)化也是破壞古民居的原因之一，為了推動鄉(xiāng)村的發(fā)展，許多城市對古鄉(xiāng)村進行旅游開發(fā)，投入大量資金對古建筑及周圍環(huán)境進行拆改和建設。然而過度開發(fā)和過度商業(yè)化，不僅影響了當?shù)厝说娜粘Ｉ?，同時也失去了原有的人文特色和民族特征。每個鄉(xiāng)村都有獨特的文化底蘊，商業(yè)化嚴重只會導致其同質(zhì)化和重復建設，加速它的衰落，無法真正地推動古鄉(xiāng)村的發(fā)展。

黃學軍認為現(xiàn)有的文化遺產(chǎn)保護還處于初級階段，許多古建筑修復材料、技術、交通及旅游開發(fā)等方面都未達到預期，通過數(shù)字化技術及互聯(lián)網(wǎng)技術等實現(xiàn)文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護是主要途徑之一。

1.2? 數(shù)字化保護面臨的難題

數(shù)字化保護雖然是鄉(xiāng)村保護的大趨勢，能夠為文化遺產(chǎn)保護帶來新的方向，但在此過程中，仍面臨一些困境。

首先，數(shù)據(jù)采集難度大。建筑信息采集時，采集人員必須對建筑的年代及歷史有一定了解，有些年代久遠的建筑保存不完整，在長時間腐蝕中逐漸損壞，采集到的圖形圖像也只是建筑現(xiàn)存的一部分，不夠完整甚至過于零散，增加了專業(yè)人員信息采集的難度。另外，有些建筑年久失修，結構不穩(wěn)固易坍塌，需要注意人員的人身安全以及防止建筑遭到人為破壞。目前的數(shù)據(jù)采集正在從傳統(tǒng)紙質(zhì)材料向數(shù)字化過渡，吳振東等認為民族建筑文化遺產(chǎn)的保護工作發(fā)展緩慢，難以適應社會的迫切需求，數(shù)字化技術逐漸應用于民族建筑文化遺產(chǎn)保護領域，并成為主導趨勢。但是數(shù)字化保護過程中，由于技術條件有限，使得民族建筑文化遺產(chǎn)的保護不能做到真實全面，影響信息保存和信息開發(fā)利用，區(qū)域規(guī)劃和建設的過程中，民族建筑也在不斷消亡，各種差異和特色導致信息描述方面存在很大的不確定性。

其次，數(shù)字技術應用程度較低及宣傳傳播效率低。鄉(xiāng)村古建筑在數(shù)字化過程中需要應用大量數(shù)字技術，部分農(nóng)村地區(qū)存在著較為嚴重的數(shù)字資源匱乏現(xiàn)狀。目前，我國廣大鄉(xiāng)村仍然存在著大量的“信息貧困者”，他們不僅經(jīng)濟上較困難，而且數(shù)字化水平不高。因此依靠線下及傳統(tǒng)媒介進行傳播的效率相對較低，能覆蓋到的人群范圍小，宣傳力度跟不上，導致鄉(xiāng)村數(shù)字化保護的相關內(nèi)容無法讓更多的人了解學習。因此，需要提升數(shù)字技術應用的普及和擴大傳播，萬飛等通過精細三維建模技術結合VR技術對南粵古驛道上的代表性歷史遺跡進行三維重建，南粵古驛道遺留了眾多文化遺產(chǎn)，具有較高的歷史、藝術和科學價值，為古驛道與古街巷、古村落、紅色革命遺址等文化自然景觀的保護提供新的思路。

2? 屏山渡紅軍古街概況

屏山渡紅軍古街位于廣西壯族自治區(qū)桂林市全州縣金屏村，金屏村中的屏山渡古村位于全州縣城西南10 km處的湘江東岸，是枧塘鎮(zhèn)金屏村委所在地。因村前村后各有一石峰壁立，宛若屏風，故名屏山。湘江自南向北從村前流過，江水碧綠幽深，山清水秀，風光秀麗。村中留有許多古民居等古建筑，見證了許多歷史，非常有研究價值。

屏山渡紅軍古街緊鄰屏山渡口，沿河而立，呈東西走向，街道平整，均為青石板鋪就，現(xiàn)存40多棟古民居，多為前殿后屋的商鋪式徽派建筑，有豐富的自然環(huán)境及人文環(huán)境（表1）。古民居多為抗日戰(zhàn)爭勝利后恢復重建，原來的古街已被敵軍燒光。1934年，紅軍在此暫駐，又稱紅軍古街。2019年對舊址進行了修繕；2021年，屏山渡村被納入泉南高速第一批風貌改造，古街作為文物修繕保護點單獨立項推進。

表1? 屏山渡紅軍古街環(huán)境

同時屏山渡口是湘江戰(zhàn)役四大渡口之一，2006年被列為全國重點文物保護單位。2019年，全州縣政府統(tǒng)一部署，對屏山渡口進行了統(tǒng)一規(guī)劃。2021年，對相關配套設施進行了進一步完善，對屏山渡老街進行了立面改造和“三清三拆”。作為擁有戰(zhàn)役遺址的金屏村，古建筑史跡的保護更為重要，這里是弘揚愛國主義精神、引領廣大黨員和群眾不忘初心、牢記歷史，傳承和發(fā)揚偉大紅軍長征精神的重要愛國主義教育基地。

根據(jù)整體環(huán)境的分析，以及由此而產(chǎn)生的針對屏山渡紅軍古街數(shù)字化保護的想法，這里現(xiàn)存的歷史遺跡有必要加以更好地保護與利用。

3? 屏山渡紅軍古街的數(shù)字化保護應用實踐

數(shù)字化技術為鄉(xiāng)村建筑文化遺產(chǎn)保護提供了極大的便利，有效推進鄉(xiāng)村古建筑的研究、保護、修復及鑒別等工作，數(shù)字化技術的應用可以有效減少鄉(xiāng)村古建文遺維護過程中可能產(chǎn)生的人力、物力等浪費問題。習近平總書記于2017年10月18日在黨的十九大報告中提出實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略。2019年中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)《數(shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，為鄉(xiāng)村的數(shù)字化保護提供了發(fā)展方向。

本研究將使用無人機傾斜攝影測量技術獲取屏山渡紅軍古街歷史遺跡的影像數(shù)據(jù)，并使用三維建模軟件構建立體模型，根據(jù)數(shù)據(jù)生成的模型能夠有效還原古建筑及周邊場景的環(huán)境和結構，得到完整且真實的實景模型，鄉(xiāng)村古建筑史跡中的木結構、文字、雕花等元素，都作為要素添加入模型，發(fā)掘鄉(xiāng)村的文化價值，來實現(xiàn)鄉(xiāng)村長久傳承與發(fā)展。

通過UE虛擬引擎編輯交互內(nèi)容，使用VR虛擬現(xiàn)實功能實現(xiàn)場景漫游，滿足用戶沉浸式體驗，實現(xiàn)虛實結合的互動過程，為鄉(xiāng)村古建筑史跡的展示傳播奠定基礎。在宣傳及傳播方面，通過網(wǎng)絡空間提升鄉(xiāng)村古建筑史跡的影響力，用戶可以隨時在線了解鄉(xiāng)村古建筑的形態(tài)，例如數(shù)字博物館。具體數(shù)字化流程如圖1所示。

圖1? 數(shù)字化流程圖

3.1? 數(shù)據(jù)采集

3.3.1? 傾斜攝影技術

數(shù)據(jù)信息采集是數(shù)字化的基礎，也是實現(xiàn)古建筑史跡保護的第一步。為了快速高效地獲取數(shù)據(jù)，決定使用無人機傾斜攝影技術進行數(shù)據(jù)采集，該技術能夠?qū)崿F(xiàn)全方位建模，獲取真實、完整、高精度的三維模型。建筑局部及環(huán)境細節(jié)進行平面拍攝，形成高清照片，必要時，尋找當?shù)卮迕窕蚬芾碚攉@取資料，作為數(shù)據(jù)補充。

3.3.2? 數(shù)據(jù)采集注意事項

利用無人機傾斜攝影技術來獲取屏山渡紅軍古街的垂直與傾斜角度的高分辨率照片和全景視頻，無人機拍攝速度快、效率高，但后續(xù)建模結果會有模糊不清的可能性，這就要求無人機拍攝時要根據(jù)現(xiàn)場的情況設置高度、時間及路線，采用不同的角度及方式進行拍攝。航拍前需要了解拍攝地點的基礎信息及無人機的使用，做好前期準備，包括地區(qū)范圍、天氣、地形情況、無人機拍攝模式和分辨率等。

屏山渡紅軍古街中的總體環(huán)境以木制和磚砌建筑物為主，航拍范圍如圖2所示，整體地形較為平坦，古民居建筑較矮，中間穿插著石板路，周圍有樹木和其他建筑物。根據(jù)地形及周邊環(huán)境條件，制訂合適的航行路線。由于天氣變化，拍攝效果會受到影響，所以盡量選擇晴天拍攝，但要避開日照較強的時段，太陽的陰影會對影像的拍攝精度產(chǎn)生影響。由于考慮到各種不確定因素，無法保證拍攝效果，所以可以先進行飛行試驗逐步調(diào)整，在航拍時分批進行多次測量，確保能夠得到質(zhì)量最好的影像，后續(xù)再生成清晰的立體模型。

圖2? 航拍范圍示意圖

3.2? 三維數(shù)字模型創(chuàng)建

本次研究通過Context Capture軟件對無人機拍攝獲取的影像數(shù)據(jù)進行調(diào)整和數(shù)據(jù)處理，得到屏山渡紅軍古街的三維數(shù)字模型。在生成模型之前，可以使用圖像編輯軟件對存在不清晰、顏色偏差、亮度不夠等問題的圖像進行編輯，消除誤差，得到清晰度高且真實的影像。在此基礎上，將處理好的影像數(shù)據(jù)導入Context Capture中，進行空間三角測量運算，精度達到要求后，生成高精度的三維模型，整體模型能夠清晰地展示出屏山渡紅軍古街的建筑布局和周邊地環(huán)境狀況。但是無人機傾斜攝影技術無法拍攝到建筑密集區(qū)域和房檐下方的細節(jié)，容易出現(xiàn)變形的情況，有些細節(jié)無法完全呈現(xiàn)出來，就需要影像數(shù)據(jù)或使用三維建模軟件建模來進行補充。三維模型創(chuàng)建流程如圖3所示。

圖3? 三維模型創(chuàng)建加工流程圖

為了讓建筑看起來更加精細真實，利用Maya、3DS Max等建模軟件，在原有基礎上對模型局部細節(jié)進行建模，添加建筑的內(nèi)部構造、石板路面、草等要素，將這些局部細節(jié)與前期生成的三維全景模型相融合，形成屏山渡紅軍古街完整的三維虛擬模型。然后利用Photoshop等制圖軟件為其添加細節(jié)紋理貼圖，修補各種缺陷及模型，三維模型效果如圖4所示。在三維場景模型構建的基礎上，將村落環(huán)境通過多角度呈現(xiàn)，便于用戶能夠通過此數(shù)字模型了解屏山渡紅軍古街的真正風貌和當?shù)匚幕屓藗兘嚯x感受紅軍古街的歷史與環(huán)境，有更深入的認識。

圖4? 三維模型全景效果圖

3.3? 虛擬及交互體驗制作

在建立了數(shù)字模型之后，接下來需要建立一個虛擬的、可交互的系統(tǒng)，為用戶帶來更深層次的交互體驗。利用UE引擎和虛擬現(xiàn)實技術，建立虛擬交互系統(tǒng)，可以在線觀看真實場景和建筑細節(jié)，既能滿足用戶的觀賞需求，也能幫助鄉(xiāng)村古建筑史跡的修繕保護。

3.3.1? 構建完整虛擬場景

利用UE虛擬引擎，為三維虛擬場景添加天空大氣、云及太陽光等自然要素，天空大氣系統(tǒng)用于創(chuàng)建基于物理的天空和大氣渲染，可以創(chuàng)造出與地球相似的大氣環(huán)境，使戶外場景呈現(xiàn)出更逼真、更獨特的視覺效果，從地面到天空的自然過渡，使得屏山渡紅軍古街三維虛擬場景更加真實，增強沉浸感。

3.3.2? 添加虛擬交互模塊

這一步是在虛擬引擎VR模式下完成的，穿戴虛擬頭戴設備，開啟VR編輯模式，設置多種控制模式用于場景導航、操縱等。在虛擬制作的過程中，注重交互體驗，讓用戶能夠多角度、全方位地觀看，而在交互體驗設計上，采用第一人稱和第三人稱的視角，盡可能貼近用戶的實際觀看方式和習慣，帶給用戶沉浸感，仿佛真的存在于屏山渡紅軍古街中，可以親身感受紅軍古街的歷史故事及魅力，觀看古街中的建筑史跡。

整體三維虛擬場景的效果如圖5所示，可以全面地展現(xiàn)屏山渡紅軍古街的整體風貌和細節(jié)紋理特征，達到對鄉(xiāng)村古建筑史跡真實呈現(xiàn)的目的。

圖5? 三維虛擬效果圖

3.4? 數(shù)字傳播

鄉(xiāng)村古建筑史跡的保護需要新的思路，借助網(wǎng)絡媒體來加大宣傳力度，讓更多的人對鄉(xiāng)村古建筑史跡的保護產(chǎn)生更多的興趣。將虛擬現(xiàn)實技術和三維數(shù)字模型結合，能夠?qū)⑧l(xiāng)村古建筑史跡的三維全景直觀地展現(xiàn)出來，并實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實場景漫游，為鄉(xiāng)村數(shù)字化建設奠定基礎，提供了一條有效的發(fā)展路徑，同時還能將鄉(xiāng)村古建筑史跡的相關數(shù)據(jù)進行永久保存，便于專業(yè)研究人員和感興趣的人進行檢索和瀏覽。

以數(shù)字博物館的形式展示和傳播鄉(xiāng)村古建筑史跡，推動鄉(xiāng)村古建筑史跡的保護，數(shù)字博物館將多種信息技術集合在一起，利用互聯(lián)網(wǎng)將鄉(xiāng)村古建筑史跡的信息真實地展現(xiàn)在線上虛擬傳播平臺，使用戶可以多角度觀看到遺跡的地貌、結構及特征，并能夠隨時進行互動，減少時間和其他成本，打破空間限制，融合了更多的傳播渠道，擴大用戶交流空間，達到信息的快速傳播。數(shù)字博物館既是鄉(xiāng)村古建筑史跡的數(shù)字化展示平臺，也是一個數(shù)據(jù)庫，可以在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、三維建模的同時，將保護工作中的信息高效地提取出來，并在此基礎上建立鄉(xiāng)村古建筑史跡的三維數(shù)字模型，通過多種數(shù)字化表現(xiàn)形式，讓歷史遺跡和故事可以永久地流傳下去。

采用數(shù)字化展示技術對屏山渡紅軍古街的珍貴遺跡以及古建筑環(huán)境進行全景展示，用多種方式展現(xiàn)屏山渡紅軍古街的文化和歷史，包含資料檔案、全景展示、三維數(shù)字模型展示、紀錄片和場景漫游等，將真實的屏山渡紅軍古街置于網(wǎng)絡平臺上，不會受到環(huán)境、地理位置等條件制約，滿足用戶的多樣化信息需求和虛擬旅游體驗，拉近用戶與屏山渡紅軍古街之間的距離。以金屏村屏山渡紅軍古街為核心，采用線上發(fā)言、分享等互動形式，豐富用戶瀏覽信息的體驗感，文字、圖片的解說讓用戶有便捷、舒適的交互體驗，激發(fā)用戶積極性，場景漫游則增強了虛擬場景體驗的真實感。還可以進一步開發(fā)數(shù)字博物館的網(wǎng)頁端和移動端，使其覆蓋更多用戶群體，在任何時間、任何地點都能查看相關信息，從而更好地宣傳屏山渡紅軍古街。

利用虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和交互現(xiàn)實等手段，滿足用戶游覽、研究等需要，屏山渡紅軍古街的應用效果如圖6所示。用戶可以沿著導向箭頭前進，可以更好地被引導，將一些容易忽視的內(nèi)容和細節(jié)發(fā)掘出來；畫面中識別到標記點彈出介紹卡片，介紹此處的故事和歷史，擁有更沉浸的講解體驗；畫面右下角的地圖提供用戶路徑指引，單擊即可瀏覽全景圖，也可以幫助用戶更便捷地了解身處的環(huán)境；建筑細節(jié)的圖片展示通過左右滑動及點擊放大的交互動作進行觀看，增加互動體驗感；還有一些其他交互按鈕，滿足用戶多方面需求。

圖6? 應用效果展示

4? 結束語

鄉(xiāng)村古建筑史跡數(shù)字化保護是一種技術變革，人們通過數(shù)字化方式獲取更多的信息，將現(xiàn)實環(huán)境和數(shù)字古建筑相結合，走新的發(fā)展路線。數(shù)字技術通過無人機采集高清數(shù)據(jù)，利用軟件進行建模，省時省力，且效果好，證明數(shù)字化保護可在鄉(xiāng)村古建筑史跡的保護中進一步推動。

通過本次的設計應用實踐發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化技術的呈現(xiàn)效果既新穎又能夠為用戶提供豐富的體驗感，為鄉(xiāng)村古建筑史跡的保護和發(fā)展提供新的平臺，但還不足的是對于多學科融合與技術集成有一定困難，技術方法并不是全部適用，數(shù)字化的不標準、不規(guī)范以及不同領域在各方面的差異都會影響數(shù)字化的效果。但未來鄉(xiāng)村古建筑史跡數(shù)字化保護要朝著更多樣、更整體的方向發(fā)展，推動鄉(xiāng)村、古建筑等文化遺產(chǎn)的傳承與發(fā)展，為傳統(tǒng)和現(xiàn)代建立起一座新的橋梁，不斷出現(xiàn)更多豐富的理論和研究方法。屏山渡紅軍古街的數(shù)字化工作的開展，將為全國其他地區(qū)的鄉(xiāng)村古建筑史跡數(shù)字化工作提供有益的參考，也會為加快構建數(shù)字鄉(xiāng)村提供技術支持。

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