土木工程學系
博士論文
虛擬紅毛城：以保存為導向的數位化與虛擬化流程初探
Virtual Fort San Domingo: A Preliminary Process of Digital and Virtual Preservation
研 究 生 陳 聖 智
指導教授 劉 育 東
虛擬紅毛城：以保存為導向的數位化與虛擬化流程初探
Virtual
Fort
San Domingo: A Preliminary Process of Digital and Virtual Preservation
s
研 究 生： 陳 聖 智
Student
：Sheng-Chih Chen
指導教授： 劉 育 東
Adviso
r：Yu-Tung Liu
國立交通大學
土木工程學系
博 士 論 文
A Dissertation
Submitted to Institute of Civil Engineering
College of Engineering
National Chiao Tung University
in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Doctor of Philosophy
In Architecture
May 2008
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
國
立
交
通
大
學
博碩士論文全文電子檔著作權授權書
(提供授權人裝訂於紙本論文書名頁之次頁用)
本授權書所授權之學位論文，為本人於國立交通大學 土 木 工 程 系所
庚 組， 九十六 學年度第 二 學期取得博士學位之論文。
論文題目：虛擬紅毛城：以保存為導向的數位化與虛擬化流程初探
指導教授：劉 育 東
■ 同意 □不同意
本人茲將本著作，以非專屬、無償授權國立交通大學與台灣聯合大學系統圖
書館：基於推動讀者間「資源共享、互惠合作」之理念，與回饋社會與學術
研究之目的，國立交通大學及台灣聯合大學系統圖書館得不限地域、時間與
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本校及台灣聯合大學系統區域網路 ■ 中華民國 97 年 6 月 10 日公開
校外網際網路
■ 中華民國 97 年 6 月 10 日公開
授 權 人： 陳 聖 智
親筆簽名：______________________
中華民國 97 年 6 月 10 日
國
立
交
通
大
學
博碩士紙本論文著作權授權書
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本授權書所授權之學位論文，為本人於國立交通大學 土 木 工 程 系所
庚 組， 九十六 學年度第 二 學期取得博士學位之論文。
論文題目：虛擬紅毛城：以保存為導向的數位化與虛擬化流程初探
指導教授：劉 育 東
■ 同意
本人茲將本著作，以非專屬、無償授權國立交通大學，基於推動讀者間「資
源共享、互惠合作」之理念，與回饋社會與學術研究之目的，國立交通大學
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行閱覽或列印。
本論文為本人向經濟部智慧局申請專利(未申請者本條款請不予理會)的附
件之一，申請文號為：____________________，請將論文延至____年____
月__
__日再公開。
授 權 人： 陳 聖 智
親筆簽名：______________________
中華民國 97 年 6 月 10 日
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ID:GT009116821
本授權書所授權之論文為授權人在國立交通大學 工 學院 土木工程 系所
庚 組 九十六 學年度第 二 學期取得博士學位之論文。
論文題目：虛擬紅毛城：以保存為導向的數位化與虛擬化流程初探
指導教授：劉 育 東
茲同意將授權人擁有著作權之上列論文全文（含摘要），非專屬、無償授權國
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授權人： 陳 聖 智
親筆簽名：_______________
中華民國 97 年 6 月 10 日
本論文之研究榮獲
行政院文化建設委員會文化資產總管理處籌備處
九十六年度文化資產保存維護學位論文獎助
數位科技與人文領域的結合應用與呈現，不但可將歷史考據、文獻調查整合，並將 推論結果視覺化紀錄外，更可保留當時所可能運用的材料工法、顏色風格等歷史資 訊。本論文以台北縣淡水一級古蹟紅毛城周邊地區等資料做為研究的歷史城市空 間，將其所負載之歷史訊息及意義，透過文字與圖面資料的分析與整理，建立歷史 空間之數位化檔案。紅毛城虛擬實境空間模擬器，基於 1983 年的實體復原測繪報 告；2005、2006 年的歷史建築與城區數位媒材資料調查分析；2005 與 2007 年紅毛 城古蹟研究報告，並輔以紅毛城相關研究與文獻資料佐證，透過實地進行數位攝 影，考證比對相關時空轉換下的空間脈絡與建築結構，將精準量測的平面圖，經由 電腦技術轉換為 3D 立體模型的方式，達到準確度的要求。歷史建築外貌其量體外 觀以材質貼圖呈現，需檢視影像色彩與實景的真實性，經由影像處理與色彩校正機 制的實驗與測試，放置於操作虛擬實境空間模擬器的數位化與虛擬化流程，可做為 保存古蹟與歷史建築的數位化典藏與保存科學保存管理的可行方法。 數位化保存之精義在於永久保存，在古蹟與歷史建築保存與修復的範疇中，真實性 的評估考據是首要的條件。關於真實性複製的議題，色彩校正能呈現數位化原件的 色彩，對色彩的認知，被視為感官表達的範圍，本研究透過數位科技用數值化的分 析，以真實的複製為需求將其定位。在數位化的操作過程中，結合色彩校正的步驟 與影像轉換的基礎概念，確保色彩品質達到一定的準確度，並提出檢測方法不同於 現今色彩導表的操作，主要建立在虛擬歷史空間環境下的保存應用方式。 古蹟與歷史建築數位化與虛擬化的操作流程，將保存的概念加入，模擬出 3D 的立 體展示空間、使用 3D 建模與互動軟體等製作呈現、沉浸式虛擬實境的技術、即時 的視覺呈現效果，提升模擬的精緻度、互動性以達到真實性考證的需求。與過去的 成果相較之下，加入了互動與多媒體等數位科技的要素，可自由瀏覽建築結構、外 觀，更可以利用搖桿拉近視野，仔細觀看各個角落。本論文透過數位化的概念與技 術，將古蹟史料整合科技來達到保存與資訊交流之用途，數位化、資料的視覺化以 及空間虛擬化與互動的技術，使用虛擬實境空間模擬器(Virtual Reality CAVE)為研 究環境，置入文化資產，更真實地保存文化與遺址的原貌技術是本論文的主要貢 獻。以使新的文化遺產成果更能夠產生互動及敘述其歷史變遷外，也能將資料數位 化加以支援虛擬化空間，達到更完整的歷史資料紀錄。
Student
：Sheng-Chih Chen Advisor
：Yu-Tung Liu
Institute of Civil Engineering
College of Engineering
National Chiao Tung University
ABSTRACT
The combined application and presentation of digital technology and cultural field can
not only integrate historical research and literature surveys and visually record the
deduced results, but can also reserve the historical information of the materials, methods,
colors and styles possibly used back then. This paper selects the surrounding area of Fort
San Domingo, a first-grade historical site in Danshui, Taipei County, as the historical city
space under study. The digitalized files of historical space are established for the message
and meaning carried by this studied area, through the analysis and compilation of textual
and graphic data. The Virtual Fort San Domingo: Virtual Reality CAVE, is based on the
1983 entity restoration survey report, the 2005 and 2006 digital media data analyses of
historical buildings and centers, and the 2005 and 2007 Fort San Domingo historical site
research reports, accompanied by Fort San Domingo related research and literature as
supports. Field digital photography verifies and compares spatial context and building
structure under relevant space-time transformation. The accurately measured drawing
plan can meet the precision requirement by transforming it into 3D model with computer
technology. Texture mapping is used to represent the entity appearance of the historical
building exteriority. The experiment and testing of image processing and color calibration
mechanism are necessary to verify the actuality of the image color and scenery. The
digitalized and virtualized processes placed in the operation of virtual reality CAVE can
management of historical building and site conservation.
The essence of digitalized conservation lies in permanent preservation. In the domain of
historical building and site preservation and restoration, the research evidence of
authenticity evaluation is the primary requisite. As to topics related to duplication
authenticity, color calibration can display the color of digitalized originals, in which the
color cognition is regarded as the scope of sense expression. This paper uses quantified
analysis to position the demand of authentic duplication with digital technology. During
the digitalized operational process, combining the fundamental concepts of the steps in
color calibration and image transformation ensures the color quality achieve considerable
degree of accuracy. The testing method proposed which mainly builds upon the
preservation application method in the virtual historical space environment, is different
from the existing operation of a color checker.
The operational processes of historical site and building digitalization and virtualization
take into account the conservation concepts to simulate 3D stereo display space. 3D
modeling and interactive software are used to make the presentation. In order to satisfy
the requirements of authenticity criticism, the degree of refinement and interactiveness of
simulation can be enhanced with immersive virtual reality space technology and real-time
visual presentation effects. Compared with previous research achievements, this paper
incorporates interactive, multi-media and other digital technological elements, which
enables free browsing of building structure and exteriority. Joystick can also be used to
zoom in the views for careful observation of every corner. This paper utilizes
digitalized concepts and techniques to integrate historical site sources with technology for
the purpose of conservation and information exchange. The major contributions of this
paper include linking digitalization, data visualization and space virtualization with
interactive techniques, using Virtual Reality CAVE as the research environment in which
the cultural property is placed, and conserving the original appearance of cultures and
historical remains more authentically. Accordingly, new results of cultural heritages can
better facilitate interactivity production and description of the historical changes. Also,
the data can be digitalized so as to support virtualized space. This greatly increases the
comprehensiveness of the historical data records.
首先感謝的是有著革命情感的劉老師，以及張姐從過去以來一直對我的關心。除了知識的精 進，視野的開拓、處理事情的方法與愛上學術研究，在其他部份，食、衣、住、行、育、樂， 老師幾乎通通包，沒有
Aleppo
就沒有今日的聖智。有太多第一次的感動：第一次出國，第 一次唸建築，第一次喝紅酒、威士忌及清酒(呵呵~也是第一次混酒)，第一次present
，第一 次dry run
，第一次穿黑衣服，許許多多數不完呀… 謝謝畢業口試委員們給我寶貴的建議。感謝玟慧老師給予我的鼓勵，讓我有更多展現的空 間，也有了自信。感謝莊明振老師以前在應藝所的照顧、鼓勵與包容，以及量化研究上的指 導。感謝林盛宏老師也是在應藝所修課時給予我的啟發與指正，是而對質化研究的理論有了 基礎及興趣。感謝基義老師的許多幫助與指導。從碩士班起，我總麻煩老師，因老師幫忙， 我的碩士論文實驗才得以順利進行；念博士班時、找工作時都幫我寫推薦信(超感動~)；博士 班時更常麻煩老師，因而更要在此言謝。也要感謝博士論文計畫書口試委員給我的支持與讚 賞，讓我想法能盡情揮灑，謝謝曾成德老師、李華老師、怡成老師、玟慧老師。 在交大從碩士到博士已將近十年光陰，特別感謝張俊彥校長給予我的人生啟示及未來方向的 指引與鼓勵提攜，還有窩心的真維、維仁、睿婷大力的幫助，在我徬徨時注入一股力量。另 外我的大學導師吳仁芳老師持續不斷地關懷、窩心的台大黃麗玲老師帶領我遨遊在新的領 域、玄奘李健儀主任的提拔與助理琇雅行政上的協助、東吳盧瑞陽老師、文化徐明景老師、 師大王希俊老師、故宮張志光先生的解惑與建議；蘇新田老師、黃孟新老師的加油；淡水古 蹟園區的張寶釧館長的贈書與支持、志工們協助攝影；文資中心李崑榮先生辦理獎助手續； 還有鄭姐的關心與相助、菁芳、書卿在約meeting
時間上及曉薇、雅米行政上的大力支援。 博士班的慶輝、郁歷、佩玲、千惠、怡成、勝誠、政緣、小黃、家合、元榮、文禮、彥良、 楚卿、郁鈞、華綸、淳鈺；碩士班的昭智、致遠、元鈺（似乎我跨的年代太久啦！太多一同 上課、做案子的人，呵~代表我留太久了！），大家一同打拼扶持的日子中，記憶如同按下快 門那一剎那，永恆長存。還有丹紅、筱媛的協助；陳克難中將夫婦的打氣、鼓勵；明芳、晉 杰牧師心靈上的關愛；建智、威光、佳歆、瑞益、志強、阿則的技術支援與討論分享；英文 老師 Stephanie 的指正以及許多日子熬夜的偉貞及十一隻可愛的貓咪，還有我的家人，爸爸、 姊姊與妹妹的背後支持。文字實在無法完全表達我對大家的感激，然而在此聖智仍要再一次 感謝，謝謝您們。最後，感謝神的眷顧以及這本論文獻給我在天上的母親，我完成媽媽的遺 願了。1.
緒論 1
1.1 研究背景 1 1.2 研究問題 4 1.3 研究目的 7 1.4 研究方法與步驟 7 1.5 論文架構 92.
文獻回顧 11
2.1 數位技術運用在虛擬古蹟的運用 11 2.2 虛擬實境中視覺化與互動性的認知觀點 17 2.3 數位化操作流程與保存論述 16 203.
歷史建築數位化與虛擬化操作流程 30
3.1 建構虛擬紅毛城 24 30 3.2 操作流程建立 424.
虛擬歷史空間之色彩校正 61
4.1 實驗敘述 62 4.2 樣本製作 63 4.3 實驗測試 63 4.4 測試結果 74 4.5 分析與討論 775.
結論 82
5.1 結論與建議 82 5.2 研究貢獻 86 5.3 研究限制 88 5.4 後續方向 88 參考文獻 90 附錄一 歷史建築置入的操作過程 107 附錄二 模型減面過程 118 附錄三 影像處理與光源模擬操作流程 133 個人簡歷 143隨著數位時代來臨，資訊科技與網際網路深入我們的生活環境，電腦科技在設 計專業領域的應用，逐漸改變設計的製造、生產效率與多樣的表現方式，同時 讓文化資產及藝術等可藉由科技技術得以保存與傳播。古蹟的維護與保存被視 為可以凸顯地方特色以提升城市競爭力的方法，並可使都市空間的歷史延續性 與文化整體感得以妥善保存。歷史建築物不僅可以回溯過去的生活形態、文化 風俗、工匠技術，還可以呈現時代變遷過程的記錄。古蹟是過去的建築，是歷 史的見證，透過現代的科技與過去歷史內涵相結合，更能反映出不同時代的生 活方式與社會層面。因此古蹟與歷史建築除了提供文化的傳承和紀錄之外，亦 有延續文化的使命。
1.1 研究背景
建築被認為是社會文化在空間經驗形式上的表現(Campbell, 1996)
。過去建築古 蹟修復計畫調查應用研究，多是在於藉由歷史建築與古蹟的調查以建立史學研 究的應用方法(Roddewig, 1983
；閰亞寧，1993
；Suddards, 1998
；漢寶德，1999
； 李乾朗，1990
；關華山等，1994
；王惠君，2001)
，並累積歷史建築與古蹟的修 復技術與知識(
徐明福，1990
；Murtagh, 1997
；Chitty and Baker, 1999
；楊仁江，2002 )
， 或 是 古 蹟 保 存 區 規 畫 及 舊 址 測 繪 與 歷 史 考 證(Phoca and Valavanis,
1992
；Morris, 1992
；蕭百興，1992
；黃俊銘，1994
；黃瑞茂，2005)
，再則是古 蹟遺址保存再利用與文化社會性研究(Fitch, 1990
；劉可強，1991
；薛 琴，1998
； 夏鑄九，1998
；喻肇青，1998
；傅朝卿，2001b
；邱博舜，2001)
與文化遺產的 鑑定、保存與管理(Aplin, 2002
；張寶釧，2005)
及傳統工法的保存形式、建築構 造與構材為基礎的研究(
蔡明哲，2001
；蕭江碧等，2003
；楊仁江，2007)
。 資訊的數位化提供另一種保存可能的選擇，數位保存系統開發藉由數位化的手 段，將文獻史料及藝術文化資料數位化，保存數位技術已然開始改變傳統的保存模式和方法，透過圖片、文字、電腦模型與虛擬實境的呈現，轉化為保存文 化風貌的古蹟維護，數位保存與文化藝術機構運用新興科技吸引觀眾也成為一 種趨勢。
Mitchell (1999)
提出的資訊擷取型式(information fetch form)
，意即， 當傳統空間的實質功能在虛擬環境中被數位化的同時，攜帶該功能及資訊的形 式，必須能呈現代表或暗示其功能的象徵形象。古蹟的虛擬設計從保存原有風 貌，到構件、營造方式與空間的3D
模型建構並融入古蹟空間的全景影像。透 過有系統、有計畫的蒐集、整理重要文化資產，經由實地調查、記錄各古蹟實 際的使用方式以及古蹟實體的現況，並將古蹟、歷史建築與文物的保存及修護 之研究成果整合建構，逐漸成為保存研究的主要範疇。 建築設計發展在虛擬實境（virtual reality, VR
）的應用已成為趨勢，虛擬實境是 讓使用者從任意角度去觀察虛擬出來的世界，而虛擬世界中的任何物體能與使 用者產生互動。這些虛擬重建並不是在喚回過去，反而由於闡釋和呈現過程， 讓新的歷史記憶與思維風貌再現。虛擬實境可以處理三度空間的結構、建築和 資訊，「明日歷史」在影像VR
世界裡，「呈現的視覺性」特別是重點。有些歷 史建築已不存在，或是改建，但為了不失去它們，則將其視覺化，而VR
正是 一種新興應用於文化遺址的媒材。Chang
等人(2007)
指出傳統數位媒材，包括了13
種媒材：文字、地圖、照片、建築圖、實體模型（照片）、影片、數位地圖、 平面繪圖、3D
模型、動畫、虛擬實境與網頁。應用新媒材於建築古蹟上是一種 全新的挑戰，新媒材則意指當代應用於建築設計與研究之最新技術，包括電腦 輔助設計與製造、人機互動與虛擬實境。 虛擬實境可以提高圖像的品質，且可製作不同複雜程度的環境，並能提供互動 導 覽(interactive navigation)
， 它 也 被 應 用 在 其 他 學 科 如 認 知 繪 圖(cognitive
mapping and planning)
上。Nunez and Blake
（2001
）的研究中認為，更多行為思 考的焦點在於使用者在虛擬環境中的態度，不是單純的一種明顯行為。對虛擬 環境的認識，而不是簡單的由虛擬環境產生出的感覺，這種概念稱為「認知的 存在」。翁千惠(2007)
也提出關於網路空間與虛擬空間存在感的觀點。空間的方 向判別與方向感直接影響空間中機能的使用效率與便利性，空間配置與使用者 認知地圖的契合，影響使用者對整體空間的邏輯推理與自我相對的空間關係。 除了使用者對於虛擬環境中的視覺記憶有所不同之外，對於虛擬環境中的空間 認知行為亦有影響。像Asymptote
事務所設計的紐約證券交易所虛擬空間(New
的虛擬股票市場，提供給觀者體驗到虛擬空間有著與物理空間不一樣的差異性
(Andia and Busch, 1999)
。另一個虛擬空間對照實體空間的應用是「虛擬古根漢」 博物館(Guggenheim Virtual Museum) (Rashid and Couture, 2002)
。劉育東(2007)
指出虛擬博物館提供了虛擬創作者參觀及研究電子收藏品與其他收藏品的經 驗。德國ZKM
藝術與媒體中心（Zentrum fur Kunst und Medientechnologie
），原 是一棟歷史建築再更新的博物館，除了在室外與室內的實體空間設計上，達到 了展示藝術與媒體應有的新風貌與新功能外，也同步在虛擬世界中建構像虛擬 古根漢一樣的「虛擬ZKM
」。虛擬實境空間模擬器
(Cave Automatic Visual Environment, CAVE)
的沉浸式空間 經驗則讓原本多是平面的數位媒材轉變為立體的內容呈現。透過CAVE
，使用 者可以獲得接近真實空間的感官經驗(Cruz-Neira et al., 1993)
。在建築設計上， 相較於縮小的實體模型，CAVE
更能快速提供身處其中的認知，對於設計的溝 通與傳達相當具有幫助，例如應用在重現已消失的中國唐代的長安城，在經過 詳細的考證後，利用「多人沉浸式虛擬實境系統」(Immersive Multi-userVirtual
Space, IMVS)
技術讓1 4 0 0
年前盛唐時期的長安和唐人的生活風貌重現眼前， 內容包括外使進長安、飲酒作樂、外使入麟德殿、打馬毬、仕女弈棋及宴會歌 舞等六段；並涵括都市的外觀、規劃以及生活在其間的居民的活動，透過「空 間模擬器」(CAVE)
展示出來(Liu and Tang, 2003)
。除提出一個以虛擬實境作為 城市與建築復原之數位化過程時，同時提供給觀者與研究者更容易理解的呈現 方式，「虛擬長安」也開啟了國內文物典藏的可能性。在探討歷史建築與周圍環境及空間的涵構關係上，
CAVE
是評估古蹟與歷史建 築 一 種 重 要 且 有 效 的 設 計 工 具(Roussou, 2000; Papagiannakis et al., 2003;
Livatino et al., 2006; Di Blas et al., 2007)
。由前述研究分析CAVE
的特點為，讓 使用者有全方位視野，並可由使用者主控視點(viewpoiont)
的系統，它與其他VR
系統的不同處在於其可將真實世界的物件放在虛擬的環境中，完全取代了觀者 所處之境。也由於VR CAVE
可以讓數人同時體驗VR
模擬，共享式或引導式評 估便可以有效執行。數位技術在表現上無限制的運用，使得它們成為一種理想 的 工 具 來 重 新 創 造 和 宣 傳 文 化 遺 產 且 可 以 幫 助 觀 眾 體 驗 空 間(Kalay and
Grabowicz, 2007)
。1.2 研究問題
本研究著重對於古蹟與歷史建築的數位化與虛擬化，透過虛擬實境空間模擬器 所承載的文化訊息，應予保存外，並強調歷史建築保存的方法，可用數位技術 來加以執行。數位保存對於歷史建築的保存效益呈現多元化，數位科技擴張了 主動空間(active space)
，減低了空間與時間的相互依存性。資訊科技融入建築 後，呈現出溝通與互動性的新方式，沉浸式系統獨特的臨場感(presence)
、空間 感知(spatial awareness)
和立體深度(stereoscopic depth)
讓設計者不只在創造空 間，也在設計可以自己回應的空間，並保存一個獨特的空間。VR
正是一種新興 應用於文化遺址的媒材，讓使用者從任意角度去觀察虛擬已不存在或是改建的 歷 史 建 築 文 化 遺 址 ， 而 這 虛 擬 世 界 中 的 任 何 物 體 能 與 使 用 者 產 生 互 動 。Lowenthal(1998)
認為，歷史知識可以從三處獲得：記憶、歷史與古蹟。Grant and
Ennis(1999)
定義虛擬古蹟，首先必須先了解虛擬實境的概念，它是一種資訊技 術，可提供某些環境的令人信服的經驗，而這些環境可能是，現在仍存在，卻 無法前往；尚未存在，但已被規劃出來；或只出於人類想像，永遠不可能存在； 以及存在於過去，現在瀕於危險，即將消失或已經消失。虛擬古蹟就屬最後一 類，因此它涵蓋的範圍很廣，可以是有關過去、現在或未來具文化重要性的環 境的模擬經驗。只要現在或曾經「存在」就可以讓它在電腦上變成「虛擬」的 虛擬環境(Virtual Environment, VE)
。專為建築設計和城市規劃使用的
VR
開發可粗略分成兩類：3D CAD
建築空間； 架構模型之清楚呈現與快速原型系統(rapid prototyping systems)
。前者的挑戰是 要將大型資料組以極度擬真(photorealistic)
的方式視覺化，這種環境大都用在建 築施工前的復習、文化古蹟重建和3D
娛樂設施等，提供建構了複雜的3D
空間 供人漫遊探索(Brooks, 1986; Houston et al., 2004)
。然而，除了使用者可以自由 在環境裡漫遊外，這些案例大部分都缺乏互動性。而相對地，虛擬原型環境由 於在設計早期就使用沉浸式VR
，因此在設計上就擁有較高的互動性與物件操控 性(object manipulability)
。其他案例如ARTHUR (Broll et al., 2004)
和BUILD-IT
(Rautenberg et al., 1998)
則開發了新介面，可支援、增加協同工作空間或提供快 速素描工具，這樣在作都市設計和諮詢時，要了解空間特性就相對地 容 易(Seichter, 2003)
。本研究的核心概念就是要結合上述兩種視覺環境的優點，也就 是要達成大型空間的彷真視覺化/
聽覺化(realistic visualization/auralization)
，它 也要是個在設計早期就可使用的互動工具。Donath and Regenbrecht (1999)
提出與數位建築互動的新方法，數位和實體建築 會因這些新方法的使用而有所改變。並逐步實現虛擬輔助設計（Virtual Reality
Aided Design, VRAD
）的可能。Mosaker(2001)
提出使用VR
科技「視覺化」歷 史知識的概念，此研究主要在討論歷史遺跡的VR
重建。把過去視為文化建構(cultural construction)
的想法讓重建過程成為發現問題的焦點。其中兩個個案研 究說明了視覺環境視覺化過程的情形：電腦重建的原真性(authenticity)
如何被減 至 視 覺 性(visuality)
， 以 及 以 歷 史 為 主 的VE
複 製 品 如 何 對 原 建 築 致 敬 。Papagiannakis
等人(2003)
提出有關即時互動數位敘事和即時視覺化個案研究， 在一個虛擬重建的十六世紀清真寺裡，模擬祈禱的情形。受詮釋學方法的影響， 這項研究顯示了捨棄傳統的靜態文物而選擇互動式歷史角色敘事呈現，讓文化 古蹟的虛擬重建成了新的育樂（edutainment
）媒體。Pujol(2004)
也舉出VR
對考 古歷史以及建築遺址結合的可能性。 先前的研究顯示，CAVE
的環境可以被用來作模擬複雜的分子動力學和原子粒 子之間的互動（Disz et al., 1995
）、新的統計圖表應用（Symanzik et al., 1996
）、 執行裝配規劃（Ye et al. 1999
）、合作式產品設計與開發（Bochenek and Ragusa,
2001
）和考古遺址的虛擬探索與分析（Tang et al., 2002; Vote et al., 2002
）。過去 對於虛擬實境在古蹟與歷史遺址上多是應用於城市的規劃(Liggett and Jepson,
1995
；Day et al., 1996
；Day, 2005
；Chiu and Peng, 2005
；Hudson-Smith et al.,
2005)
，在古蹟或歷史建築的數位呈現研究大多放置於介面的開發(Leftwich,
1993
；Bourdakis and Day, 1997
；Day, 2005
；Hudson-Smith et al., 2005)
，歷史 資料的考證與保存(Chitty and Baker, 1999
；Morris, 2000)
以及製作技術的層面(Leftwich, 1993
；Mehta, 2001
；Unwin and Fisher, 2002
；Roussou and Drettakis,
2003)
，對於以VR CAVE
為保存工具，應用在虛擬古蹟及歷史建築的操作流程 較少提到，在以往傳統的復原工程中，復原的流程乃是在大量蒐集傳統媒材所 呈現的知識後，經由匠師在腦中進行知識的整合後，擬定出復原的方法與流程。 但是時常因為：一、匠師們不容易用傳統媒材來整合與呈現腦中的抽象概念； 二、復原施作過程當中，意外的獲取許多原先傳統媒材所沒有呈現的知識，而 造成施作流程反覆的更動或是歷史建築工法上的錯誤(
劉育東、唐聖凱，2003)
。 因而本研究希望藉由古蹟之歷史與建築調查，透過數位化的虛擬重建保存歷史 建築及文化遺跡，並且進一步透過數位科技的方式，達到保存以及重視古蹟建 築。並藉由虛擬紅毛城的操作過程得到虛擬實境空間模擬器呈現虛擬歷史空間 的操作流程。對於古蹟或是歷史建築以虛擬方式的重建或是呈現（
representation
），需要考慮 到過去歷史文化與空間經驗的考究。虛擬的環境可說是由實體空間的衍生，除 了對實體空間的認知感受外，視覺與互動式在虛擬空間中重要的元素。隨著電 腦技術被大量使用於都市與環境設計之設計過程中，過去許多研究顯示電腦影 響 都 市 空 間 的 實 質 建 設 與 環 境 規 劃 過 程 ， 甚 而 是 設 計 決 策 的 程 序(Pietsch,
2000
；Neto, 2001
；Grant, 2005
；Chiu and Peng, 2005)
，也因此受到數位的影響 下，虛擬空間中的認知研究也逐漸受到重視。空間是建築的基本元素，空間也 是 我 們 與 自 己 、 環 境 、 及 他 人 溝 通 的 媒 介 ， 空 間 的 知 覺(perception)
與 認 知(cognition)
是最重要的(Anders, 1999)
。Rijken (1999)
也同時以資訊與空間相互影 響以及共存的觀念，論述實體空間與數位資訊之間的關聯性。實體與數位空間 不僅只有相互影響的關係，而且產生了一個共同存在的空間觀念：空間互動(spatial interaction)(
黃慶輝，2005)
。數位資訊與數位技術應用於虛擬的環境， 其技術包含了繪圖、影像、模型、動畫、多媒體整合、網路、自由形體技術與 虛擬實境與虛擬實境空間模擬器等，這些技術將會更快速的發展並更全面的影 響所謂數位空間的建構，並與實體空間的關係緊密的並存。 虛擬實境視覺模擬的技術也可以與傳統虛擬實境的技術結合，加入真實世界的 場景中景物，以增加環境中視覺變因的逼真性，使得虛擬世界更接近真實世界。 在視覺化技術上強調由二維平面影像還原出原始三維物體的外形。立體重構與 重新還原三維景象需參考位置圖、平面圖、基地配置圖、剖面圖、立面圖，以 建構出建築物及地形模型。其中還牽涉到光影重構，也就是在攝影時環境的亮 度、物體表面的反射度、物體表面的方向等，均會影響同一個物體投影在影像 上的顏色與亮度，這樣的物理特性，可以直接利用不同平面對光源的反射與折 射特性，而得到物體的三維模型。在過程中影像處理極為重要，影像處理（Image
Processing
）在科學領域裡為運用運算理論對影像信號作計算與分析的過程，影 像處理的應用範圍可以分為影像數位化、影像擷取、電腦後製處理等步驟，數 位影像之特質在於攝影的紀錄資訊、數位化的儲存與處理與影像色彩科學及數 位影像的作用原理影響電腦視覺。但是，人類無法感知與接收單純的數位信號， 要轉化成類比光的形式，才能被人眼視覺系統所感受。 電腦視覺自然和影像色彩息息相關，色彩科學研究以人類視覺感知空間為主軸 的色彩模式如CIELAB(LAB)
在數位影像處理上日漸普及。CIELAB
等距色彩立 體空間是將視覺上可辨識的色彩以三維立體直角座標作排列，色彩的深度會影響色彩的層次能力以及檔案的大小，而色彩的模式決定影像呈現色彩的形式， 在數位影像的範疇，由於使用狀況的考量，常需要在不同的色彩模式中轉換， 了解色彩模式的差異及色彩深度的意義，加上對影像實體結構的了解，才能正 確的控制數位影像的呈現。數位影像上的資料雖然可以完全的複製，但在影像 的保存上要注意其數位信號所代表的色彩資料是否能正確的被記錄體呈現。過 去以數位科技運用於文化資產作為保存方式尚未有一完整操作流程與色彩品質 校正置入，色彩管理與品質管理應用於平面典藏與器物攝影上已是可行的保存 方式，然而以古蹟與歷史建築的數位化建構，尚未有此結合。 綜上所述，科技所引發的數位化與虛擬化現象正建構人的生活，並重新詮釋過 去所感知的空間。如何運用虛擬實境空間模擬器的虛擬化空間互動特性，涵化 歷史的空間體驗且應用在文化資產保存上，因此本論文的研究問題是，傳統測 繪的測量結果以及過去電腦建模方式，為求精準度有相關 3D 掃瞄器技術測量 所得的資料，然而所擷取的資料量相當龐大，以及後續處理透過網路或相關電 腦平台進行瀏覽，需經過補面及減面等程序才能利於電腦運算，因而精準度會 受影響，在 VR CAVE 的數位化技術與虛擬化特性所呈現的虛擬空間，如何置入 以保存為導向的觀念並涵蓋精準度，其數位化流程的操作為何?以及過去相關 3D 建模程序多未按照歷史學家的標準，因而本研究企圖將歷史建築數位化的過 程基於歷史性研究及標準來處理，並在製作虛擬紅毛城時能釐清建築物保存的 層級與年代以及修復過程中的歷史風貌，因 VR CAVE 本身具有的虛擬性外，視 覺呈現也必然與實體空間有所不同，本論文可達到虛擬重建建築，關於「歷史」 如何重建，建置過程歷史資料的涉入與建置之間的關連性，以及在歷史虛擬空 間的空間環境，做為古蹟與歷史建築保存方式中，關於真實性的解決方式為何? 過去在數位環境的歷史建築中未談及顏色，因而色彩校正模式亦是研究中所欲 探究的問題。
1.3 研究目的
基於上述問題，本論文的主要目的是透過虛擬紅毛城的建置，分析後發展出數 位保存在數位化與虛擬化的操作流程，以 VR CAVE 為研究環境，並提出古蹟及 歷史建築保存數位技術應用之可能性方法與操作流程。以及以實驗與測試虛擬 歷史空間加入色彩校正機制，得出一個符合空間虛擬性與歷史真實性的虛擬歷 史空間操作流程，其色彩一致化與品質管理，可達到數位化保存的目的。除應 用層面的探討外，在理論性的架構上也同時建立。1.4 研究方法與步驟
本研究擬探討的問題與研究目的，研究方法與步驟擬主要分成下列兩個部分： 步驟一、歷史建築的數位化與虛擬化操作流程： • 建構虛擬紅毛城。數位資料整合與虛擬實境空間模擬器呈現。以實體歷史 建築空間紅毛城修復與保存文獻整理與分析，提供具有歷史考證的基礎現 場的調查與拍照作為建構虛擬紅毛城的素材。 • 製作過程分析。建立虛擬紅毛城的數位資整合以置入虛擬實境空間模擬器 建構虛擬紅毛城。 • 操作流程建立。建構虛擬紅毛城的資料過程，提出數位化與虛擬化以虛擬 實境空間模擬器作為數位保存工具的操作流程。 步驟二、虛擬歷史空間之色彩校正： • 實驗敘述。色彩校正實驗與測試。 • 樣本製作。影像處理與光源模擬測試前置作業。 • 實驗測試。不同軟體測試與不同時間光源模擬。 • 測試結果。 • 分析與討論。 上述兩步驟之案例，基於地區必須具備代表性及特色，選擇了台北縣淡水一級 古蹟紅毛城區做為研究的歷史建築，其保存範圍以目前紅毛城四周圍牆作為保 存範圍之邊界，面積約 14,448 平方公尺。本研究對象物的選定在於下列三項因 素： 1. 文建會(2001)選出具有人文遺產潛力的國內十一處，淡水擁有二十一處的古 蹟與歷史建築，主要遺留下來的歷史建物，特別集中於埔頂地區，其中淡水國 家一級古蹟紅毛城即為人文遺產潛力點之一，也是淡水歷史文化的表徵。淡水 紅毛城是台灣建築史上少數可以考證正確年代的最古老的建築物，更可視為見 證台灣四百餘年滄桑的縮影。2. 紅毛城的歷史至為久遠，紅毛城主堡的建築是一座歷經三百五十年左右的建 築，前後經過西班牙、荷蘭、明鄭、清代以及英國等數次不同使用者之整修。 因而它的建築構造與外觀形式也遭到一些改變。李乾朗（1988）指出分析紅毛 城西式城堡，可讓我們瞭解十七世紀時幾個西歐國家在設計建造城堡方面的某 些技術特色，同時也可使我們進一步探知台灣早期的歷史。紅毛城及紅毛城內 英國維多利亞風格的紅磚圓拱廊式洋樓的英國領事館邸，可說是台灣可以考證 的最古老建築之一，它伴隨著整個台灣史的發展，而其間數度易主，見證了十 七世紀西洋強權在台灣的爭奪戰，同時亦承載了很豐富的歷史背景(李乾朗， 2003)。 3. 提出歷史建築(有時是現代建築)對地景或街景而言，常常具有重要的價值， 或是成為重要的地標。建築遺產和遺址能為地方帶來特色，主導地方的氛圍， 因此它本身就可以帶來地域感 (劉藍玉，2004；Aplin, 2002)。淡水紅毛城具有 地景、環境、生態系等主要特色的重要性，這些特色足以作為其重要性證明人 類歷史境內活動的變遷。更能提供證明當時期創造力或技術上的高度成就。且 在人類佔據史演變過程中具有與重大事件、發展或文化階段相關的重要性以及 文化特色罕見的豐饒和多樣化的文化。藉由現址研究、紀錄、教學與測量，可 以提供廣泛的歷史資料。
1.5 論文架構
本研究的概念架構以古蹟保存為出發，透過數位科技的結合以及新媒材虛擬空 間模擬器的應用，建立數位化的操作流程，並加入色彩品質管理的檢驗以達到 歷史的真實性因而建立虛擬歷史空間的數位化與虛擬化操作流程(圖 1-1)。 本論文的寫作架構分為五章，第一章緒論：說明研究背景、研究問題與目的、 研究方法與步驟等；第二章文獻回顧：分為三大主題，分別為數位技術運用在 虛擬古蹟的運用、虛擬實境中視覺化、互動性的認知觀點以及數位化操作流程 與保存論述。以闡述從電腦繪圖、動畫模擬到虛擬實境相關研究與歷史建築、 文化遺址與科技的結合；分析空間認知、視覺性與互動性應用於虛擬實境的理 論基礎，以探討數位化操作流程與保存論述之間的關連性，且闡述在不同領域 運用影像品質與色彩管理架構的背景知識，而回歸到歷史真實性與數位保存； 第三章歷史建築數位化與虛擬化操作流程：透過建構虛擬紅毛城及操作流程的 建立，到虛擬空間模擬器的相關製作與問題做一整合性的分析；第四章虛擬歷史空間之色彩校正：主要經由實驗測試在虛擬歷史空間所建立的檢驗方式，以 數值化的驗證可替代色彩導表的描述語言；最後，第五章結論：包括本論文之 結論與建議、研究貢獻、研究限制以及後續研究。 圖 1-1：研究的概念架構 古蹟保存 數位科技的結合 VR Cave 的應用 數位化的操作流程 品質色彩管理 虛擬歷史空間保存的 數位化操作流程 數位化 2D、3D 圖面影像 虛擬化 空間互動
「虛擬考古」（Virtual Archaeology）的概念最早是由 Reilly（1990）提出，當時 是指對古建築與古物的 3D 電腦模型之使用。關鍵在於「虛擬」的概念，是指 模型、複製品，可以作代替真品的替代物(Barcelo, 2002)。本研究首先回顧過去 的相關研究成果，並分別從建築相關「史實」的呈現（representation）、資料建 構及搜尋（data storage and retrieval）、分析（analysis）與評估（evaluation）等 方向，探討電腦在輔助歷史建築研究與保存、復原運用上的可能性（possibilities） 與潛力（potentials）。並強調以電腦技術進一步來發展目前文化資產保存的工 作，達到所謂的「虛擬保存」（virtual preservation）不但可以落實，更能發展一 門新的保存技術操作流程及方法。
2.1 數位技術運用在虛擬古蹟的應用
數位科技已成了對古蹟及歷史建築保存的策略之一，不但可縮短人與古蹟及歷 史建築的距離，也提供了古蹟與歷史建築維護方法的新契機。Burry(2007)指出 數位科技強化了各種媒材的運用，而成為宣傳古蹟的歷史價值給廣大民眾的工 具。本研究著重的是，新媒體科技不只將我們的設計思考投射到 3D 模型的創 作上，也透過了參觀者的經驗參與(experiential participation)傳達到了虛擬空間 裡，來尋求藝術創作與古蹟、歷史建築保存進一步結合應用的機會。因而以下 便從電腦技術發展的演進來看對建築上，甚而進一步運用在文化遺址、歷史建 築與古蹟上的發展。 2.1.1 從電腦繪圖、動畫模擬到虛擬實境 Moltenbrey (2001)指出最近十年來，3D 電腦圖像扮演保存歷史古蹟的角色越來 越重要。原因是因為計算能力、3D 建模工具、呈現裝置、掃瞄科技、虛擬實境 和其他科技技術各方面的進步，才能精準重現建築物、古物，甚至生態系統。運用電腦技術中的影像處理（
image processing
）、電腦繪圖（computer graphics
）、 電腦立體模型（solid modeling
）、電腦彩繪（rendering
）、動畫（animation
）等， 將可以提供歷史建築更多不同的視覺經驗，甚至輔助歷史建築物的復原模擬。 且利用影像處理中的拼貼（collage
）功能來替換成「復原」建築物（Mitchell,
1992
）。 另一個運用電腦繪圖於歷史建築復原研究的例子，是有關希臘巴特農神殿（The
Parthenon
）的復原模擬。透過電腦3D
電腦模型的建構（其平面是利用AutoCAD
建構，至於立體模型部分則是由3D Studio
所完成），同時配合在十九世紀對巴 特農神殿的研究成果，重現了巴特農神殿（Mahoney, 1994
）。持續運用這些科 技的保存工作，意即虛擬文化遺址讓某些區域、建築或物件得以得到保存與闡 釋，這是以前靠照片或其他技術無法完成的。邱上嘉(1999)
說明研究者可使用一 棟建築物的虛擬複製品來顯現某段期間內污染所造成的傷害，或可以將一棟遭 到 損 害 的 建 築 數 位 修 補 回 原 樣 。 更 重 要 的 是 ， 可 以 不 用 動 到 原 物 。MacDonald(2006)
以專案研究的實例，應用數位成像技巧去達到使用者需求，且 在文化遺產的記錄與保存領域裡，常需要高品質的記錄與更精良的分析工具來 擷取有關文物狀況的資訊，而數位攝影和數位圖像處理可以做得到這些部分。Debevec(2005)
在Making "The Parthenon"
「帕特農神殿」動畫製作過程中所使用 的科技和製程，探討了將分開的神殿和其雕塑作了視覺重組。影片中二十多個 景是結合了飛行時間量測雷射掃瞄（time-of-flight laser scanning
）、結構光掃描 （structured-light scanning
）、光度立體視覺(photometric stereo)
、反全域照明 （inverse global illumination
）、攝影測量模型建置（photogrammetric modeling
）、 影像式繪圖(image-based rendering)
、雙向反射特性測量（BRDF measurement
） 蒙地卡羅法（Monte-Carlo global illumination
）等技術(Debevec et al., 1996; Tchou,
2002)
。 在畫面空間感的營造方面，3D
電腦動畫突破傳統平面動畫（2D Animation
）以 分層（layer
）及色彩明暗深淺來模仿真實立體空間的方式，利用電腦場景中物 件排列的前後關係，藉由場景中虛擬攝影機的拍攝過程，實際經過電腦運算而 將眼睛所認知的透視空間表現無遺。利用電腦硬體與軟體的運作，產生三維空 間虛擬環境，電腦中3D
軟體定義物體的材質結構，運算出可模擬真實的運動 屬性，成為一種虛擬的真實境界，且可以讓物件具有重力場的引力，也可以計 算物件之間的碰撞，還可以呈現有關物體質感的特性，讓使用者感覺置身在電腦模擬實際環境的空間中。也因著此特性，視覺模擬
(visual simulation)
以及虛擬 實境(virtual reality
，VR)
提供了規劃及民眾參與的潛在應用(
邱茂林、藍儒鴻，1997)
。伊芸(2003)
指出新竹古蹟東門城「新竹之心」，就曾利用3D
電腦動畫模 擬復建後的空間，以及未來市民與空間的種種互動，讓人看了之後可以想像未 來的生活，無形中也減少了改建中可能遇到的阻力。因此不論是古蹟重建或是 利用網路博物館保存，也能利用數位科技重現。林珮淳、陳啟耀(2004)
說明，3D
電腦動畫除了一般純粹以平面動態的影像播放之外，其具有立體空間的特質， 以現今應用的虛擬實境以及立體電影而言，將具有立體空間的3D
電腦動畫數 位影像經由中介設備如立體眼鏡，透過虛擬實境科技引領觀賞者來去「清明上 河圖」畫境之中，感受宋代民間的生活和風貌，以觸發視覺感知的設備來使觀 者或使用者得到彷彿悠遊於實體空間的體認。 虛擬實境主要是利用電腦來模擬現實的環境或虛擬的情境，透過虛擬實境，使 用者可以對三度空間有更「真實」的臨場感，與動畫最大的差異在於其互動性 （interactive
）、融入性（immersive
）與即時性（real-time
）。Sutherland(1965)
介 紹了在虛擬世界中身歷其境的基本觀念，沉浸式體驗的概念也因而被提出(Dave,
2001)
。Gobbetti and Scateni (1998)
從進化的角度來看，虛擬實境被視為是克服 標準人機介面限制的一種方法。從革命的角度看，虛擬實境科技讓各式新類型 的應用程式可以去探測「臨場模擬」（presence simulation
）的可能性。幾個關鍵 性 的 沉 浸 式 環 境 研 究 計 畫 如VIDEOPLACE
（Krueger, 1985
）、Walkthrough
（Brooks, 1986
），之後芝加哥伊利諾州立大學的「電子視化實驗所」（Electronic
Visualization Laboratory
）成立了第一個「環場視效空間」（CAVE Automatic
Virtual Environment
），於1992
年所設計開發的投影系統，利用三面牆及地板作 為投影螢幕所圍繞的立體方盒，使用者站在方盒中，透過所配戴的立體眼鏡及 追蹤器，便可與虛擬場景做互動。在這樣的模擬互動環境中，使用者可以完全 的融入虛擬場景中，並與場景中的物件做最好的互動。第一個CAVE
作品於1997
年問世。SIGGRAPH(2002)
首次發表了CAVE
的PC
版：ARSBOX
。其運用整合 多功能的軟體與硬體，執行、呈現廣大互動的3D
世界（電腦輔助工程、飛行 設計、虛擬原型），與多媒體組合（結合錄影、現場錄影、PowerPoint
、3D
世界 等）。之後如CAVE
（Cruz-Neira et al. 1993
）、ImmersaDesk
（Czernuszenko et al.,
1997
），還有大格式顯示器（IEEE, 1999
）沉浸式環境研究計畫相繼而出。以及 包括沉浸式環境跟建築結合的計畫(Liggett and Jepson, 1995
；Schmitt et al.,
另外應用在藝術領域如
Schkolne(2002)
的Surface Drawing
系統藉由桌上型顯示 螢幕所構成的半沉浸式（semi-immersive
）與虛擬實境特性，戴上主動式液晶立 體眼鏡（LC Shutter Glasses
），進行創作虛擬的有機體造型。藝術家在創作時即 能使呈現在桌面上的影像呈現立體狀態。Keefe
等人(2001) VR CAVE
的作品Cave Painting
，結合新媒材，提供新的創作型態。吳彥良(2003)
提出在VR CAVE
中，以Director
做為開發工具，解決及時3D
立體視覺顯示與畫面同步，並利用 空間定位器做為主要的互動裝置。其突破以往使用鍵盤與滑鼠的互動方式，依 人的認知模型以較自然的方式與數位模型互動，開發出一個如實體模型有視覺 特質的數位模型環境。Lang(2004)
指出虛擬實境的發展，著重在空間視覺模擬 與人機介面技術的研究議題上。Chan and Lau(2004)
說明CAVE
環境可以為3D
視覺複雜觀念及系統提供一個多功能平台。施文禮(2005)
進一步將SDG
與CAVE
結合，提出一套虛擬發表空間，能讓多個使用者同時在CAVE
裡與數位 媒材進行互動的系統。CAVE
也因而可發展成為設計溝通的平台，其研究的成 果成功地在CAVE
建置了一個多人能夠同時進行互動的環境。 虛擬實境的應用、數位影像和3D
模型建構、網際網路流通平台等，對過去的 保存觀念注入新的做法。善加利用科技所帶來的影響可以突破很多過去傳統保 存上的不足，僅對建築物的外觀整修，內部空間無法彈性使用，會造成參觀者 的不便。新科技與建築古蹟結合，如應用三維雷射掃瞄儀於古蹟建築數位化， 施乃中(2003)
即是以保安宮正殿為對象，以屋脊、大木構、蟠龍柱、吊筒為子項 各取一件掃描，將大型歷史建築文物數位化以利保存。其使用3D
長距離雷射 掃描器紀錄歷史建築文物外觀及量體，將資料轉換成3D
電腦模型、剖面圖， 以數位模型記錄提供史料長期記錄、長時間比對之依據。科技技術完整保存古 蹟準確的幾何外觀及各式相關的歷史及文物資料，以備於未來修復重建之依 據；同時能提供古蹟資料庫系統，以便於大眾透過電腦網路參觀古蹟的建築及 文物的瀏覽(Mitchell et al., 2007; Chang et al., 2007)
。Schoch (2007)
以四度空間 的最新數位媒介來傳遞文化知識的觀點，提出創新的計畫和提高品質的傳統設 備，使得文化遺產的知識可以運用混合式媒介（hybrid media
）來傳遞與交流。 數位保存的概念逐漸成形，這種利用電腦的科技技術引進的保存方式，提供了 和過去傳統保存方式截然不同的資料型態，也增加了許多資料分析的便利性， 結果呈現也更加多元化，對於歷史建築的保存效益勢必產生重大的改變。現在 保存問題已融入再使用概念，讓古蹟保存及修復工作有新的契機，替歷史建築 的保存工作效益和品質大幅度提升。2.1.2 歷史建築、文化遺址與科技的結合
本研究著重對於古蹟與歷史建築的數位化，透過虛擬實境空間模擬器所承載的 文化訊息，應予保存外，並強調歷史建築保存的方法，可用數位技術來加以保 存。因而歷史建物、文化遺址與科技的結合應用研究是數位時代相當重要的課 題。
1982
年，美國喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology, GIT
）在建 築學院下設立「建築維護研究中心」（The Center for Architectural Conservation,
CAC
），在九十年代初期試圖利用電腦來輔助美國歷史建築的資料庫管理及研究 （Gilleard et al., 1990
）。並結合多媒體（multimedia
）的概念，提供不同的視覺 經驗，將電腦影像或電腦模型做更生動的呈現，使使用者能夠對歷史建築或其 構件有更多元的體驗。另一類是建立照片數位化資料庫，方便電腦檢索利用(Millet et al., 1991)
，此類的研究著重在提供建築史料的呈現，尤其是圖片影像 部分的資料庫及搜尋(
邱上嘉，1999)
。以及提供檢索外的視覺體驗，透過虛擬實 境系統的使用者介面設計研究模擬建築工程(
邱茂林，2000)
。 回溯過去幾年相關研究的案例，Roussou(2000)
指出博物館和文化古蹟中心更適 合去利用先進的VR
科技，讓大眾可以比較接受科技作為歷史研究與歷史重現 的工具，研究中透過幾個沉浸式虛擬古蹟的應用例子來探討問題。Shih
等人(2000)
提出虛擬實境在建築相關領域運用的實例，如都市環境模擬：以實際存在 的都市與建築為對象之實體數位化，甚至改變環境條件。在歷史建築：例如建 築裝飾構件（如石獅子）之數位呈現或傳統建築模擬。在展覽博物館：透過互 動式虛擬博物館檢視傳統博物館的展現方式與體驗，以提供更多元化的展覽空 間。在傳統文化保存：傳統建築空間的模擬、呈現或紀錄。轉化與呈現後之數 位空間認知：設計者與觀看者僅能透過電腦螢幕與數位空間產生互動，空間尺 度、比例關係不容易掌握，容易迷失在數位空間裡(
施乃中，2002)
。再則Pape et
al. (2001)
研 究 中 製 作 了 兩 個 虛 擬 文 化 古 蹟 環 境 ：Virtual Harlem
和Shared
Miletus
，目的要探討結合高速網路和VR
顯示在文化古蹟教育的可能性並建立 遠端沉浸博物館和教室。Snyder and Paley (2001)
說明電腦輔助設計（CAD
）的二度、三度應用的各式形 體可以提供新設計作品的分析、觀看及呈現。可以用它來製作幾世紀前就崩塌 損毀的建築物。且模糊了新建築空間設計和古老空間的再構思兩者間的界線， 因此使用數位科技融合了建築界與考古界。考古學家和建築學家都有同樣的目 的，就是對空間和形體的描述，只是考古學家還必須從歷史、社會和文化比較中及實際的遺跡挖掘中做推論。關於數位技術及虛擬實境化遺址上的相關研究 有
Palang and Fry (2003)
藉探索地景介面，比較不同文化如何闡釋地景、文化價 值如何被評估、研究新估算工具、討論地景真實性、時間和空間、保存和使用 以及生態學和記號現象。Grieken and Janssens (2004)
提出分析方法提供文化遺產 文物的化學成份以顯示其來處、曝露於環境後改變的狀態以及保存復原策略的 有效程度。Janssens and Grieken (2005)
提供適於分析藝術品、博物館展品和考古 文物的非破壞微觀分析法的科學與技術背景材料。黃瑞茂(2006)
在淡水古蹟博物 館數位典藏計畫中，以電腦3D
繪圖，詳實紀錄其構造方式與建築形式，以動 畫呈現營造的過程與歷史空間脈絡的關係。所取得的資料，採用3D
模型、相 片、聲音、動畫、文字等各種不同的數位媒介來呈現成果。Baltsavias
等人(2006)
提出幾個跨領域的研究計畫，檢視文化遺產中人造物和相關自然景觀的不同過 程。包括使用不同感測器和平台、資料管理及太空資訊系統，以及立體建模與 重建、視覺化與動畫模擬和虛擬與擴增實境等所獲得的資訊。Bergamasco
等人(2007)
運用數位科技保存古蹟文物的最新成果發展出抽象博 物館，以闡釋文化遺產虛擬環境中的互動，所研發出的虛擬眼鏡和力學手套， 不僅讓觀者在地球的另一端看到古物義大利比薩大教堂裡的聖母雕像的立體虛 擬影像，還能製造觸摸古物的觸感。另外的例子是，Muylle and Poppe (2007)
使 用數位科技證明十七世紀荷蘭南部巴洛克風教堂的照明設計理論。透過遺留下 的設計圖，並根據教堂實體的測量數據作修正，使用數位重建來解決空間實體 模型和日光分析（Ecotect
），模擬在任何日期時間、教堂裡任何位置、直射光的 效果，並測量擴散光的強度。然後用最新發展的軟體技術，來評估直射及擴散 光在模型中及實際建築可能會展現的特性。Mitchell
等人(2007)
指出歷史建築的 測繪和量測圖也逐漸以數位形式取代，這些數位檔案在當代對於建築古蹟保存 工作上有十分重要的地位。數位科技解決了多樣化的呈現，以獲得歷史建築樣 貌的全觀。線上數位檔案庫在建築遺產保存上所扮演的角色將愈來愈重要，三 維數位模型、電腦模擬圖與動畫，為了保障足夠的研究價值，這些檔案也和文 件一起保存下來，以對未來重建時提供參考資料。視覺資料的典藏作為一個有 效的保存建築古蹟工具，除了分類與學術需求外，還要滿足易於使用的原則。 各種形式的呈現現在都可以被數位化，還可以在電腦裡虛擬操作建築物，在網 路上我們可以擁有最龐大的館藏，可以說是「無邊界的博物館」，創造出跨越時 空經驗的知識獲得與視覺想像。2.2 虛擬實境中視覺化與互動性的認知觀點
資訊時代提供一個全新的創作題材、方式與思維，使設計者能快速達成對空間 的需求或使空間概念更容易被呈現，空間之認知也隨著擬像之真實化而逐漸模 糊了。然而影像與互動關係可說是依附在虛擬空間與人最密切的關係。因而本 節以視覺化與互動性作為研究因子回顧先前研究作為基礎。 2.2.1 虛擬實境的空間認知 劉育東(2007)
指出，人類的建築歷史，也可以看為一個「線條」的思想史，從直 線（straight lines
）、折線（folding lines
）、到曲線（curving lines
），三種不同的 「線」，各自構成不同的「面」，再各自構成不同的「體」。空間的向度性不斷改 變影響我們對空間的體驗，而媒材正是回應對空間媒材想像的媒介體。回溯過 去相關研究，Mitchell and McCullough (1995
）將數位媒體區分為：一向度的媒 體、二向度的媒體、三向度的媒體與多向度的媒體，且詳細的闡述數位設計媒 體的概念。其中文字處理與聲音控制屬於一向度的媒體。二向度的媒體包括影 像處理、平面幾何繪圖系統。三向度的媒體則有透視模擬、電腦模型、算圖 （rendering
）系統與3D
實體模型（solid modeling
）的操作，而多向度的媒體則 包括動畫系統、複合媒體（hypermedia
），藉由軟體之間的資料轉換及處理，設 計工作便可以完全整合在數位設計媒體環境之下。建築設計的發展從過去2D
平面至3D
模型，甚至於虛擬實境建構，在設計發展的過程中，除了操作方式 轉變外，設計思考因設計媒材不同所產生的設計問題也相互有差異，面對建築 設計在虛擬實境這一方面探討，如何透過其設計媒材的不同，使人與人、人與 物、物與物之間互動結合更為契合。CAVE
是一個沉浸式和互動式的虛擬環境， 本研究將從運用CAVE
設備空間虛擬化的特性與視覺化領域來探討虛擬歷史空 間保存在虛擬實境模擬器的應用。CAVE
是使用立體圖像、3D
電腦圖像工作平 台、環場多重螢幕顯示器和投射牆、立體視覺與互動裝置的新媒體科技。配合 互動的虛擬空間，可以讓使用者用他們自己的身體即時在一個3D
虛擬世界裡 遨遊，具有立體(stereoscopic display)
顯示能力的即時電腦繪圖環境，觀賞者在 此環境中可以行走、觀看，並會有重力及碰撞等作用。Nunez and Blake
（2001
）以觀察的方式透過已知的行為空間配置系統，探討虛 擬實境的認知行為。空間的方向判別與方向感直接影響空間中機能的使用效率 與便利性，空間配置與使用者認知地圖的契合，影響使用者對整體空間的邏輯推理與自我相對的空間關係。
Gaggioli and Breining(2001)
提出沉浸式虛擬實境 裡的感知(perception)
與認知觀點，認為可藉著VR
「沉浸」改善使用者的表現， 給人強烈的「身在某地感」。於是比較使用者在加了很多偽裝場景中尋找物體的 表現：一半的實驗對象是用VR
，另一半實驗對象是用手動輸入裝置控制景象的 靜態顯示；並在場景中隨意置放一個目標物，然後要求使用者找出目標物。其 研究實驗證明VR
比傳統介面更有助於提高表現。更重要的是，這個結果讓我 們了解到VR
在此處的角色效用。Chen(2002)
也提出電腦媒材中的數位特性引發 認知思考的差異。張郁靂(2005)
的研究指出網際環境中的數位城市，透過城市 的隱喻，整合了都市生活的資訊，並創造虛擬空間，提供人們在其中生活。透 過空間學習、認知圖繪與瀏覽探路的行為理論，來理解人類在網際與實體環境 中的認知經驗關係；以及在空間中瀏覽時，空間知識之心理呈現的空間性資訊。Papagiannakis and Magnenat-Thalmann(2007)
便 針 對 即 時 動 態 混 合 實 境 系 統(real-time mobile mixed reality systems)
提議一種新方法，其特色為現實模擬的動 畫虛擬人物演員，為真實環境之增強與劇情重現。 虛擬經驗的構成來自於對真實世界的認知與提升至抽象概念，來表達一種精神 層面向度的溝通方式。然而實質的經驗依靠著視覺的呈現，起先為了實踐感知 上的探索而將實質內容置入展示虛擬環境中。實體意像的介面、光源、3D
中的 立體物像、文字元素、隱藏的環境內涵等，這些因子卻共同組成了這個主題的 本身，是動態的、三度空間呈現與隱喻式的氛圍結構，透過移動的符號指示、 互動式的機制引導、景深的變動與視角的改變，遂逐漸導引使用者積極的探索 與跟隨。設計者與觀看者僅能透過電腦螢幕與轉化與呈現後之數位空間產生互 動，空間尺度、比例關係不容易掌握，容易迷失在數位空間裡。因而探究認知 性的觀點將有助於進一步改善虛擬實境環境下的空間設計。 2.2.2 虛擬實境中的視覺性與互動性 將數位工具應用在保存文化遺產方面，著重在「忠實地」呈現，以及對藝術品 與古物提供非破壞性的接近機會。以歷史建築的研究而言，無論是進行現況的 模擬或是建築遺址的復原（包含當時環境），在文化遺址使用的方法，再創造(re-creation)
，聲稱能夠重新發現歷史，使我們能「經歷」過往。在有形遺址主 要實行再創造的方式，類似於以數位再重建文化遺產的資訊詮釋模式。大多數 已發表過代表數位化文化遺產的計畫，都循著一種描述式的方法來詮釋資料， 並以創造文化遺址的真實呈現為目的(Kvan and Affleck , 2007)
。虛擬環境，逐漸變成人們工作和休閒的核心。相較於過去任何一個時期，現在的人類經驗已經 變得和視覺更密不可分，也更視覺化了。這些「視覺化」的形式也正受到諸如 網際網路和虛擬世界等互動性視覺媒介的挑戰。在這些意象（
