传统古建筑保护修复中的交互设计应用研究毕业论文

2020-02-19 10:02

摘要

我国古代的建筑有着悠久的发展历史，而苏派建筑的园林式布局是美术鉴赏和保护的重要对象。随着技术的发展将古建筑实体通过影像数据采集等手段，建立起实物三维或模型数据库，通过手势体感的交互装置，能进行建筑模型的缩放、旋转。让游客以及古建筑爱好者能更加近距离、逼真而全面地了解古建筑的全貌，更能增加观赏的交互性与趣味性，实现古建筑群展示和保护的现代化。

关键字：古建筑保护；苏州园林；手势体感交互装置

Abstract

The ancient architecture in our country has a long history of development, among which the garden-like layout of Su-style architecture is an important object of art appreciation and protection. With the development of technology, the physical 3D or model database is established by using image data to represent ancient architectural entities. The building model can be scaled and rotated by gesture-sensing interactive devices to make the tourists and lovers of ancient buildings get a complete picture of ancient buildings more closely, realistically and comprehensively, thus increasing the interactivity and interest of viewing, and realizing the modernization of display and the protection of ancient buildings.

Key words: protection of ancient buildings; Suzhou gardens; gesture and somatosensory interaction device

第1章绪论..................................................................................................................1

1.1研究背景..............................................................................................................1

1.2作品设计的目的以及意义..................................................................................2

古建筑的保护问题研究..................................................................................3

2.1考察目前的古建筑保护所面临的问题..............................................................3

2.2国内外利用现代技术的保护现状分析..............................................................4

第3章古建筑的交互装置设计..................................................................................5

3.1体感交互装置设计..............................................................................................5

3.1.1手势交互的基本原理...................................................................................5

3.1.2手势交互的设计心得...................................................................................5

3.2苏派建筑的风格结构..........................................................................................6

3.3设计思路与流程..................................................................................................7

3.4作品展示..............................................................................................................9

第4章结语和展望....................................................................................................11

参考文献......................................................................................................................12

致谢..............................................................................................................................13

第1章绪论

1. 研究背景

古建文化历经了数千年的风雨，而苏派建筑，则是这其中最具神韵的点睛一笔，园林式布局是其独特的特色之一。雕刻和彩绘的建筑尤为巧妙，层峦叠嶂，园林式的苏派建筑是东方美学的典范。作为一个古老的文物，古建筑日复一日，年复一年，遭受风雨雷电等自然灾害日积月累的无情侵蚀。同时有一些人为的因素不可避免地会对古建筑造成很多破坏。

关于古建筑的现状问题之4·15巴黎圣母院火灾事故：巴黎圣母院是一座位于法国巴黎市中心西岸的塞纳河畔的哥特式基督教教堂。它具有无可替代的地位和历史价值。而令人痛心的是当地时间2019年4月15日下午6点50分左右，圣母院发生了火灾，整座建筑损毁严重。着火位置位于圣母院顶部塔楼，圣母院塔楼的尖顶被大火迅速地吞噬。法国总统马克龙表示：被火焰吞噬的圣母院，乃是整个国家的情感。

而同样引人深思的古建筑保护问题便是圆明园的毁灭。圆明园，又名圆明三元，是清代的大型皇家园林。清代建立和管理已有150多年的历史，它以其精美的建筑景观，丰富的文化收藏和深厚的民族文化内涵而闻名，其地理规模宏大，施工技术精湛。860年10月6日英法联军洗劫圆明园，抢劫、掠夺并烧毁了大量文物，而在八国联军洗劫之后，圆明园再次遭到盗匪袭击，最终沦为废墟。

无论古建筑经历是天灾人祸，亦或是历经多少年的风吹雨打，它们的保护问题始终迫在眉睫。而目前国内的古建筑保护措施有：①加强对古建筑技术的保护和传承②做好宣传工作，提高人们保护古建筑的意识③加强专业人才的培养④借鉴参照国外等先进的古建筑保护方法。^[1]

而探寻古建筑保护的方法与理念，用最前沿的手段和最有效的方法来保护古建筑，并坚持古建筑保护的基本原则，传播和普及古建筑保护的知识是我们最应该做的事情。

图1.1 巴黎圣母院大火和圆明园废墟

1.2 作品设计的目的以及意义

保护古建筑同样也是为了保护中国的传统文化。而所有的古建筑都是在当时的历史背景和条件下建造的。从古建筑的宫、殿、门、阁，体量、色彩中我们可以判断从底层人民的居所到帝王的宫殿的等级区分，它反映了当时的社会生产，生活方式和科技技术，工艺技术，艺术风格，文化习俗，道德价值观与伦理观念等。^[2]而这些建筑都有严格的布局和秩序，直观的反映着人们的关系和地位之间的差异；中国古代建筑擅长整理和结合功能多样，风格各异的建筑元素，实现和谐统一的艺术效果反映了传统文化对多样性和统一性的追求。

保护古建筑的意义也具体包括：1、古建筑是历史文化的载体；2、古建筑能激发爱情怀情和民族自信；3、古建筑是发展旅游业的基础4、古建筑是研究历史上最有价值的物理实例5、古建筑给未来的新型建筑设计和艺术创作提供重要参考作用。

我们可以利用现有技术将古建筑的展示和保护提升到一个新的阶段。将文物实体通过三维数字建模与渲染，结合leapmotion手势体感技术，让游客以及古建筑爱好者能更加全面、生动、逼真地了解古建筑的全貌，进行建筑模型的缩放、旋转甚至拆解，更能增加观赏的交互性与趣味性，实现古建筑群展示和保护的现代化。同时，从古建筑中收集的物理模型数据也可以更有效地帮助修复古建筑。

同时，该设计拥有广泛的应用市场，在旅游业、虚拟旅游业、古建筑保护修缮工程甚至游戏等方面，都具有广大的用户群体和新时代的现代化价值。

图1.2 苏州园林建筑

第2章古建筑的保护问题研究

2.1 考察目前的古建筑保护所面临的问题

1.商业化问题日益严重

一些旅游部门和企业看到古代建筑可以为旅游业带来尤为可观的效益，对古建筑旅游资源进行过度开发，一心追求个人利益。在古建筑周围建造了新的供餐饮饭店，住宿酒店，购物商店等商业设施。这些设施与古建筑在一起失去了原有风格的协调性，同时也让古建筑周围的环境愈加恶化。这种只为商业价值的旅游开发抹杀了古建筑的原始历史价值。

2.相关法律监管体系相对落后不够完善

中国旅游业的快速发展，使许多相关的法律制度的制定速度跟不上，导致法律监管体系不够完善。这导致一些地方政府和利益集团不合理地发展古建筑旅游资源。而缺乏相关法律导致了古建筑保护管理方面的职责分工十分模糊，一些管理部门利用这些漏洞滥用职权，严重阻碍了古建筑保护工作的发展。

没有加强古建筑保护宣传，游客素质较低

古建筑保护管理部门疏忽了古建筑保护方面的宣传教育工作。一方面为了促进城市建设，而拆除许多拥有悠久历史和价值的古建筑，这导致古建筑群数量不断减少。另一方面，部分游客素质普遍较低，低素质的旅游现象时常发生，会对古建筑和周围景点环境造成一定程度上的破坏。

4.古建筑保护与旅游开发的不协调

不同节假日的游客越来越多，而古代建筑旅游资源承载能力十分有限，大大增加了古建筑的压力。景区内部的一些基础设施不足，游客数量的增加加剧了古建筑的破坏。然而事实上一些景区只是盲目开发古建筑的旅游资源从而获得利益，忽略了定期修复和维护古建筑。

5.缺乏专业人才和资金投入以及现代保护技术的应用

保护古建筑的资金来源主要由国家资金，景区收入和地方补贴组成，而中国的古建筑数量数不胜数。^[3]此外，国家分配资金的能力有限，而古建筑保护的成本大多是景区的收入。中国的一些景点因其体积小而不受重视，迫使无保护的古建筑只能被摧毁。此外，研究古建筑保护专业的人才十分稀缺，古建筑保护的技术水平也相对较低。古建筑保护是一门涉及考古，地理，建筑，旅游等的跨学科课程。在中国，很少有高校开设古建筑保护这一门课程，因此这方面的研究还不成熟。而当今世界的科技技术发展很快，许多国家都会采用先进的技术和不同手段来保护和修缮古建筑，应当多借鉴优秀高效的古建筑保护方式技术。

2.2 国内外景区应用虚拟交互技术的现状分析

在中国，虚拟现实技术已被引入景区保护领域。敦煌研究院利用虚拟现实系统介绍莫高窟的历史和现状以及莫高窟的虚拟漫游方法，这项技术可以有效的缓解这些景区的经济效益与遗迹保护之间的矛盾，向游客展示“虚拟敦煌”。巧妙地解决了游客长时间呆在洞穴里的问题，让游客在进入洞穴之前充分了解莫高窟的风格与魅力。而无论是虚拟现实技术还是体感交互等技术，这些先进而高效的古建筑保护技术都被越来越多的应用于我国目前的古建筑保护工作中来。

国外对于虚拟现实技术的研究已由来已久。1995年，Hobson教授和 Williams教授首先出了虚拟旅游的概念^[4]，未来的虚拟现实技术可以在不离开家的情况下实现完整的旅游体验。而随着时代发展，许多用户可以在具有虚拟技术的互联网站上进行观赏不同景点。现在的许多游客逐渐失去了追求真实旅行体验的兴趣，而是在不离开家的情况下更青睐虚拟旅行体验。2003年美国旧金山林登实验室开发的“第二生命”桌面式虚拟世界（www. secondlife.com）。玩家可以在游戏中扮演虚拟角色，体验真实生活，并提供了众多景点的虚拟场景，方便游客在全世界各地的名胜景点旅游。人们足不出户的旅行体验也是从侧面降低了景点的破坏。

图2.21 虚拟敦煌

图2.22 第二生命

第3章古建筑的体感交互设计

3.1 体感交互装置设计

3.1.1 手势交互的基本原理

体感互动是通过硬件互动设备、体感互动系统软件以及三维数字内容，来感应站在窗口前的使用者，当观看者的动作发生变化时，屏幕上显示的画面同一时间发生变化。^[5]

手势识别是指通过3D相机设备检测和识别人类手势来与计算机交互的功能。随着科技的发展，手势识别交互技术和3D传感器都有了广泛的采用。在较为先进的设备里，我们看到了许多以手势为主导的界面，它充满了新意和趣味，改变了我们与计算机交互的习惯，使计算机变得更加智能，更容易地理解并完成人类的操作，不能不说是交互技术的一大进步。

而新的输入模式需要用于运动跟踪手势识别的新设计规则，这巧妙地构成了新的交互模式。如果手势的输入与界面反馈不匹配，那么这会导致用户的体验变差，用起来非常不顺手。

3.1.2手势交互的注意事项

1.用户当前位置如何表示

我们通过手势控制屏幕上的物体来形成手势体感交互界面。但为了更加明确和精准地控制，我们需要用某种方式提示目前手所处位置。一般情况下可以使用光标，或者屏幕上直接出现我们双手的半透明形象，屏幕上的手会跟我们做出的手势保持一致和同步，这样以来用户就能清楚的知道自己的手对应于界面中的位置和具体所做的手势了。

2.手势的运动不能超出3D摄像头可以捕捉到的范围。

有效交互区域是指传感器可以清楚地捕获用户手势的交互的区域，我们在进行手势互动时要知道摄像头的捕捉范围并且不能超出。否则，用户需要反反复复抬起和移动手臂进行无效的操作。

图3.1.21 手势交互示意图

3.三维感

触摸屏和鼠标交互的交互是二维的，然而体感类的3D摄像机可以提供X-Y-Z三轴。同时我们也需要添加与此对应的反馈在界面的设计上。比如使用者想要近距离参观狮子林的全貌，他可以通过双手抓住屏幕上想要放大的部分，通过交互手势来实现缩放和旋转，这样能清晰地观赏到园林景观。

图3.1.22 3D摄像机

3.2苏派建筑的风格结构

苏派建筑是指江浙一带建筑风格，最深入人心的特点之一就是园林式布局。苏派建筑主要朝南，冬暖夏凉，充满江南水乡文化的魅力。苏派建筑粉墙黛瓦，十分简约雅致，远远看着苏派建筑高高低低，错落有致。且园林里有许多花、池、小桥和假山来点缀。中国传统园林布局追求曲折之致的理论：布局注重结构，曲折而深沉，中国传统园林布局讲求一个“藏”字。