基于虚拟现实技术的南京明城墙数字复原研究

李至惟

（南京艺术学院 设计学院， 江苏 南京，210013）

一、南京明城墙现状

“经营邑都，其取龙盘虎踞之势，长江护卫之雄，群山拱翼之严，化天地之所造社也。”[1]

——（明）《洪武京城图志·序》

明城墙是古都南京的城市名片，对于城市未来的发展以及城市文脉建设具有重要的意义。“人尽其谋，地尽其力”，是后代对南京明城墙设计理念和施工工艺的高度概括。明城墙突出以皇权为设计原则，不惜代价地追求“非古之金陵，亦非六朝之建业”的“一代之制”，因此其形制的文化内涵极为丰富。

南京明城墙始建于朱元璋时期，明代包含宫城、京城、内廓、外廓，现存的城墙指内廓。二战期间南京明城墙受到日军的轰炸，包括中华门的城楼在内的珍贵历史遗存毁于一旦，1955—1962年间又在拆城运动中以“城市建设[2]”为由拆除了约11.5km，通济门这个当时世界最大瓮城也因此完全消失。

1.汉西门遗址

汉西门遗址位于今汉中门广场区域，它的历史最早可以追溯到南唐都城的大西门，明代改建并称作“旱西门”。清末民初的排满兴汉思潮中，改名为“汉西门”。在上世纪的城市建设中，汉西门损毁严重，大量城砖被挪作新房建设。南京市政府于1997年加固了残存部分，并将该区域改造成了汉中门广场。遗址现存主城楼基座、闸楼基座一座、城墙片段若干（图1）。

图1 汉中门广场现状（图片来源：网络）

图2 20世纪30年代国民政府航空测量队拍摄的通济门旧照及仅存遗址位置标示（红色圈内为遗址位置）

图3 “Virtual Egyptian Temple”项目（图片来源于项目官网）

由于道路建设以及汉中门广场的修建占用了遗址地块，实体复原汉西门完整的瓮城结构已不现实。

2.通济门

20世纪30年代朱契的《金陵古迹图考》写道：“十三门中，三山，通济而外，以聚宝最为崇宏。”[3]南京地方志办公室编纂的《南京建置志》则写道：“在现存的清代实测地图上按比例尺计算，通济门内瓮城占地面积为明代南京十三座京城城门中最大的一座。”[4]不仅如此，通济门被秦淮河所环绕，古代取象于意为水流盛大样子的《易经》中的“涣”卦来设计该瓮城的建筑形制，把通济门设计成了船型结构[5]，具有极高的历史价值与文化价值。与汉西门仅为局部损坏的情况不同，通济门在上世纪50年代末兴起的拆城运动中被彻底拆除，所处地块已被龙蟠中路以及居民小区占据，因此无法对通济门进行实地测量。幸运的是，现存一张20世纪30年代国民政府航空测量队拍摄的通济门旧照。通过照片可以发现通济门与保存较为完好的中华门在结构上有颇多相似之处，例如都有双排藏兵洞结构，因此，通过对中华门结构的研究可以探知通济门的构造特征。另外，近年又发现了通济门瓮城一角的地基遗址，由此可以知道通济门的确切位置以及它的地基材料信息（图2）。

二、运用虚拟现实技术复原南京明城墙的意义

虚拟现实（Virtual Reality）就是使用具有交互性的软件和硬件设备，创造真实性和沉浸感的人工模拟的三维环境，并通过用户的肢体对其进行控制， “通过电脑产生沉浸感、交互性的体验[6]”。沉浸式体验是虚拟现实技术的核心要求，要为用户带来沉浸式体验，需要多方面因素的共同作用，包括生成虚拟环境、用户感知、用户动作以及相应传感设备。

近年来，虚拟现实技术作为一种新技术手段被广泛运用于遗址展示领域。例如美国匹兹堡的卡内基自然历史博物馆（Carnegie Museum of Natural History）的 虚 拟 现 实 项 目“Virtual Egyptian Temple”（图3）就利用该技术对古埃及的庙宇进行数字复原，通过精细的模型和逼真的贴图还原庙宇的真实环境，并运用虚拟现实放映设备让游客能沉浸式体验漫步埃及庙宇的感受。宽阔的用户视野提供给游客极佳的视觉享受，具有相当高的体验真实性。国内有敦煌研究院主持的“数字敦煌”项目，把若干个经典洞窟数字化，利用虚拟现实技术进行放映，并在同济大学、洛杉矶、俄罗斯等地展出，观众通过虚拟现实眼镜感受藏经洞的魅力[7]。

运用虚拟现实技术复原南京明城墙的现实意义：

1.部分城墙无法实体复原

随着社会经济的发展和思想的进步，人们的文物保护观念逐渐加强，逐渐意识到拆城运动中被损毁严重的城墙巨大的历史价值和文化价值，进而迫切希望被毁城墙中的一部分得到复原，以重建南京城市的历史文脉。但是某些城墙片段由于用地功能变化等原因而无法完全复原。尽管经过政府30多年的修缮，南京明城墙从之前的22km恢复到了25km，但是还有近10km的明城墙以及城门由于城市建设的原因无法实现复原[8]。例如，新建的龙蟠中路占据了通济门大部分遗址区域，几处居民小区覆盖在遗址其他部分，因而无法进行对通济门进行实体复原。

2.体验真实

虚拟现实技术通过可穿戴设备可以把用户视野置入虚拟场景之中，是一种完全沉浸式的体验方式。相比其他数字技术手段，例如电影、装置、全息投影等，虚拟现实能让观众的南京明城墙游览体验更加真实。

3.异地体验

虚拟现实设备可以在世界上任何角落使用，因此与传统“到此一游”的实地旅游方式相比，利用虚拟现实设备游览南京明城墙的数字化体验方式更加便捷，游客甚至可以在其他国家体验漫步南京明城墙。国内的虚拟现实设备暴风魔镜旗下的“VR市场”里极为重要的一个项目就是虚拟化的旅游场景体验，用户佩戴虚拟现实眼镜观看特制的旅游景点全景图片，以此获得足不出户的“实地旅游体验”。同理，游客利用虚拟现实技术异地体验南京明城墙，是传统实地游览的旅游方式向现代数字体验旅游方式的转变[9]，符合当今社会追求快节奏和便捷度的发展要求。

4.展示城墙数字结构信息

目前，前往南京明城墙实地旅游的游客，仅仅能看到城墙外部风貌，无法直接感受城墙内部构造。而利用虚拟现实技术可以通过展示明城墙的数字结构模型，向游客呈现南京明城墙的内部构造信息。

在此方面，国内已经有了其他案例可供参考。清华大学郭黛姮团队于2017年完成的“数字圆明园”[10]采用数字技术建立了虚拟的圆明园，用户使用虚拟现实互动设备体验圆明园中建筑的动态分解过程，了解中国古代建筑的材料、搭建手法、结构等信息，而这是实体复原圆明园所无法直接向观众传递的信息。

三、数字复原南京明城墙

通过对南京明城墙总体调研，选择汉西门和通济门作为研究对象，通过虚拟现实技术对两个瓮城进行数字复原实践。

1.现状模型建立

图4 汉中门广场现状数字复原（图片来源于作者）

汉西门位于南京老城西南角，为双瓮结构，在1958年的拆城运动中被严重损坏，仅有部分城墙片段遗存，该区域现为汉中门广场。利用虚拟现实技术复原汉西门，第一步是建立城墙残存现状的三维数字模型。通过实地测绘可以得到汉西门残余部分的尺寸和方位信息，包括砖块以及各个城墙片段的尺寸和方位信息等。之后，利用Maya软件根据这些尺寸和方位信息建立起汉西门现状数字模型（图4）。

通济门瓮城在1960年前后被认作封建残余而遭到彻底拆除，仅存部分地基，因此通济门地块不作现状数字复原。

2.瓮城整体模型生成

（1）汉西门：以已经形成的现状数字模型为基础，通过老照片等文献资料进一步获取瓮城的原貌信息，对汉西门瓮城消失部分进行数字重建。仍然采用三维软件Maya进行建模操作，首先搭建城墙整体轮廓以确定复原部分的方位和基本尺寸信息，再对包括城楼、坡道和女儿墙在内的细节进行建构，最终形成完整的汉西门数字模型。

图5 通济门数字重建(图片来源于作者)

图6 通济门藏兵洞结构数字复原(图片来源于作者)

图7 藏兵洞数字探索界面(图片来源于作者)

（2）通济门：由于通济门已完全毁坏，对它进行数字复原的数据来源为相关文献、老照片、其他瓮城、通济门遗址。与汉西门相比，独特的藏兵洞结构是通济门的数字构建重点。由于缺少通济门的藏兵洞资料，对该结构的复原参考了保留完整的南京明城墙中华门瓮城的藏兵洞结构。通过对中华门藏兵洞的研究，了解该结构的主要特点，再根据通济门外部尺寸以及旧照来推导它的藏兵洞尺寸，最后生成了完整的数字复原的通济门模型（图5）。

3.数字化城墙构造展示

与传统的实地游览相比，虚拟现实技术让城墙内部构造的数字展示成为可能。

南京明城墙瓮城独特的“藏兵洞”在战争期间用来驻军，和平时代可以用来储存武器和粮食。通济门作为曾经世界最大的瓮城，具有双层藏兵洞的独特结构，在全中国的城墙瓮城中极具代表性。因此，在通济门的数字复原研究中，选择藏兵洞这一独特结构作为虚拟现实展示的关键（图6）。

为了向游客展示藏兵洞结构，通过虚拟现实建模与控制软件Unity3D的按键切换程序作为藏兵洞结构展示界面的启动程序[11]。在实际展示中，用户可以通过设备的手柄按钮来开启藏兵洞结构信息界面（图7）。当游客靠近藏兵洞区域，会有信息提示用户对藏兵洞结构进行探索。游客通过手柄按钮来进入藏兵洞结构展示的虚拟现实界面，该界面会展示包括藏兵洞的整体结构、藏兵洞结构分解和藏兵洞用途介绍等信息，让游客能够深入和全面地了解藏兵洞这一独特构造。

4.导入虚拟现实设备与结果测试

虚拟现实技术的核心是带给用户具有沉浸感的体验，为了达到沉浸式游览明城墙的设计目标，需要利用相应技术连接已经做好的数字模型与虚拟现实放映设备。项目利用Unity3D软件的虚拟现实生成功能，把Maya模型转换成可以被虚拟现实头盔识别的文件类型，并设置虚拟现实场景中游客行走的程序，让游客可以通过手柄操控自己的行走路径。最后把相关程序导入HTC VIVE虚拟现实头盔主机。

为了检测项目效果，还需要在设备上进行结果测试。该项目最终在南京艺术学院美术馆进行了展映，游客通过佩戴虚拟现实头盔和操控手柄来游览数字复原后的汉西门和通济门（图8），利用手柄按键进入藏兵洞展示界面，观看通济门独特的藏兵洞结构分解演示。

四、总结

图8 用户体验虚拟现实汉西门(图片来源于作者)

虚拟现实技术的不断成熟，为全球各地的遗址保护、复原和展示提供了新的思路和方法。利用虚拟现实技术进行遗址数字复原展示，让用户不用亲临遗址现场就能沉浸式游览数字遗址的新型旅游体验方式，大大拓展了遗址开发的边界。利用虚拟现实技术对南京明城墙瓮城中无法实体复原的汉西门和通济门进行数字复原的实践案例，提供了一种新的南京明城墙保护、开发与体验的方式。与实体复原城墙的传统做法相比，虚拟现实不仅让用户不用亲临现场就能沉浸式游览南京明城墙，而且它对城墙内部结构的数字化呈现手段能让参观者更直观地了解城墙内部构造。因此，利用虚拟现实技术的数字复原方式对南京明城墙的文化展示与旅游开发具有一定的价值。