基于三維全景交互系統(tǒng)的文化遺產(chǎn)傳播研究

摘要：文化遺產(chǎn)作為民族文化的瑰寶，需要被傳承、被認(rèn)知、被理解。這就需要文化遺產(chǎn)被廣泛而有效地傳播。在此，我們提出了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的傳播方式，這種方式運用了人機交互、三維全景、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，讓文化遺產(chǎn)的傳播擺脫時空的束縛，以可視化的方式呈現(xiàn)在用戶面前。

關(guān)鍵詞：三維全景交互系統(tǒng)；文化遺產(chǎn)；數(shù)字化傳播

中圖分類號：K854.3文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.3963/j.issn.16716477.2014.02.012

文化遺產(chǎn)，包括物質(zhì)和非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護已經(jīng)越來越受到重視。我們已經(jīng)開始運用先進的二維三維掃描、數(shù)字?jǐn)z影、圖像處理等技術(shù)，實現(xiàn)文物圖形、結(jié)構(gòu)與紋理等信息的高精度獲取與保存。特別是在對文物信息的數(shù)字化獲取的研究方面，取得了許多成果。但是，如何在保護的同時向全世界展現(xiàn)這些文化瑰寶？更有效地傳播其內(nèi)在的文化價值？如何突破二維圖片的局限與不足？如何應(yīng)用計算機技術(shù)輔助復(fù)建、再現(xiàn)文化遺產(chǎn)？在此，筆者提出了一種三維全景交互的再現(xiàn)系統(tǒng)，并提出前期設(shè)計的方案，希望這種方式能夠成為擴大文化遺產(chǎn)影響的新方式。

一、文化遺產(chǎn)的傳播與保護

時代越發(fā)展，社會越進步，對本民族的自我認(rèn)知的渴望就越強烈。文化遺產(chǎn)是先人智慧和創(chuàng)造的結(jié)晶，沉淀了民族特有的精神思想、思維方式、和文化意識，是維護文化身份和文化主權(quán)的基本依據(jù)。文化遺產(chǎn)不僅具有歷史價值，而且包含未來發(fā)展趨勢的某種啟示。保護文化遺產(chǎn)，在文化意義上體現(xiàn)著人類對主體性、主體間性與歷史性的自覺。隨著經(jīng)濟全球化趨勢和現(xiàn)代化進程的加快，我國的文化生態(tài)正在發(fā)生巨大變化，文化遺產(chǎn)及其生存環(huán)境受到嚴(yán)重威脅。不少歷史文化名城（街區(qū)、村鎮(zhèn)）、古建筑、古遺址及風(fēng)景名勝區(qū)整體風(fēng)貌遭到破壞。文物非法交易、盜竊和盜掘古遺址古墓葬以及走私文物的違法犯罪活動在一些地區(qū)還沒有得到有效遏制，大量珍貴文物流失境外。由于過度開發(fā)和不合理利用，許多重要文化遺產(chǎn)消亡或失傳。在文化遺存相對豐富的少數(shù)民族聚居地區(qū)，由于人們生活環(huán)境和條件的變遷，民族或區(qū)域文化特色消失加快。因此，加強文化遺產(chǎn)保護刻不容緩。[1]

視覺語言是一種結(jié)構(gòu)性傳播符號的建構(gòu)，是人們認(rèn)識世界、了解世界、詮釋世界的一種視覺化方式。人體接受的外部信息大約70%來自眼睛，聽覺、嗅覺、觸覺等其它感知方式加起來只占到30%?？梢哉f視覺形式的信息接受是人類最主要的信息來源。因此就單一形式的傳播途徑來看，視覺信息傳播的形式可以達(dá)到最大的傳播效果。

目前來看，文化遺產(chǎn)的傳播方式主要有下面幾種：一是文化遺產(chǎn)的本地傳播。主要通過博物館、旅游景區(qū)等方式向游客傳播。這種方式給游客的印象深刻，但是影響范圍不夠廣泛。二是通過電視、廣播、報刊等傳統(tǒng)媒體的傳播。例如通過制作精良的或者是有影響力的報刊雜志，這種方式影響深遠(yuǎn)，但廣泛程度還是有限。三是通過互聯(lián)網(wǎng)和自媒體的數(shù)字化傳播。這種基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化傳播方式，如果結(jié)合視覺傳播，從理論上說能夠做到無國界、無語言限制。

本文就是研究在互聯(lián)網(wǎng)平臺下，如何運用三維全景技術(shù)對文化遺產(chǎn)進行視覺傳播，并達(dá)到最優(yōu)化的效果。

二、文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護在國內(nèi)外的進展

在保護領(lǐng)域引入數(shù)字化保護手段，在國外發(fā)達(dá)國家早已開始。1992年，為了便于永久性地保存和最大限度地為公眾公平地享有文化遺產(chǎn)，聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）開始推動“世界的記憶”（“Memoryof the World”）項目，在世界范圍內(nèi)推動文化遺產(chǎn)數(shù)字化。1999年，在芬蘭倡議下，歐盟國家開始啟動一項多國框架性合作項目“內(nèi)容創(chuàng)作啟動計劃”，在該計劃中文化遺產(chǎn)數(shù)字化被確定為基礎(chǔ)性內(nèi)容。我國1996年啟動的國家數(shù)字圖書館工程，開始了文化資源的數(shù)字化進程。[2]但是這期間的數(shù)字文化遺產(chǎn)保護的內(nèi)容主要集中在對大量資料的數(shù)字化保存上。由于技術(shù)的進步和前期工作的經(jīng)驗積累，文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護從單純的資料保存轉(zhuǎn)變到視覺化的進程。特別是三維掃描成像技術(shù)的發(fā)展成為了數(shù)字文化遺產(chǎn)保護的新契機。如美國的斯坦福大學(xué)利用激光測距儀對米開朗基羅的10件雕塑（包括著名的大衛(wèi)像）進行了數(shù)字化處理[3]，其掃描精度達(dá)到了0. 25 mm。這給文化遺產(chǎn)保護的可視化提供了技術(shù)條件。目前基于可視化的虛擬博物館、數(shù)字博物館在西方有數(shù)百萬之多，它們給文物保護、文化傳播提供了新的途徑和方式。

近年來在我國，基于三維圖形圖像技術(shù)的考古、文化遺產(chǎn)保護等項目也有很好的發(fā)展。從2003年5月起，湖北省文物考古研究所與和武漢大學(xué)中南醫(yī)院合作，使用CT掃描儀器對1990年出土于湖北鄖縣曲遠(yuǎn)河口的“鄖縣人”2號頭骨化石進行了掃描。在此基礎(chǔ)上，中法雙方的研究人員運用計算機技術(shù)對頭骨進行三維復(fù)原研究，對頭骨缺失損壞部分進行了修復(fù)。[4]敦煌石窟是我國最著名的應(yīng)用三維技術(shù)進行數(shù)字化與虛擬化的文物保護工程。2004年開始，敦煌研究院與中科院計算所開展技術(shù)合作，先后選擇莫高窟第45窟和第196窟進行敦煌石窟洞窟三維數(shù)字化工作。至今，敦煌研究院已經(jīng)完成了40個洞窟的三維動畫實景漫游。[5]這些成果向我們證明，數(shù)字化在文物保護、展示、修復(fù)等一系列領(lǐng)域中已經(jīng)取得了實踐性的成果，也起到了很好的效果。

三、三維全景交互系統(tǒng)的構(gòu)建

從國內(nèi)外前期研究成果可以看出，文化遺產(chǎn)的數(shù)字化經(jīng)歷了從單純的數(shù)字化資料收集到靜態(tài)的展品展示，從二維平面的圖像展示到三維虛擬空間的立體實景展示的過程。數(shù)字化多媒體技術(shù)讓博物館中人類的文明和歷史真實地呈現(xiàn)在人們眼前。這種文物信息的橫向、縱向多維連接以及從靜態(tài)到動態(tài)的變化，使得文物和歷史不再只是沉悶的靜態(tài)陳設(shè)，而成為一個能夠在人們面前“說話”的動態(tài)博物館，能滿足不同用戶的不同觀賞模式、不同觀賞層次、不同觀賞目的的多維需求?；谶@種變化，筆者提出一種三維交互虛擬文物再現(xiàn)系統(tǒng)，在數(shù)字化、三維化的基礎(chǔ)上，將人機交互的概念應(yīng)用到這個系統(tǒng)中，讓系統(tǒng)更符合用戶的使用需求和情感需求。

（一）人機交互的概念

人機交互（HumanComputer Interaction，HCI）在美國通常稱為機人交互CHI（ComputerHuman Interaction）、MMS（ManMachine Studies）是研究人、計算機以及它們間相互影響的技術(shù)。在計算機中我們將“交互”理解為：參與活動的對象可以相互交流，雙方互動。用戶發(fā)出指令，計算機做出反饋的過程我們稱為“交互”。

美國21世紀(jì)信息技術(shù)計劃中的基礎(chǔ)研究內(nèi)容為四項：軟件、人機交互、網(wǎng)絡(luò)、高性能計算。我國973計劃、S-863計劃、十五計劃均將人機交互列入為主要內(nèi)容。如果我們看計算機的發(fā)展歷史，其不僅是處理器速度、存儲器容量飛速提高的歷史，也是不斷改善的人機交互技術(shù)的歷史。從早期只有經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練才能使用的DOS操作系統(tǒng)，到現(xiàn)在連孩子都愛不釋手的Ipad，Iphone，交互性成為決定數(shù)字產(chǎn)品成功與否的重要因素。

所以我們期望的，不僅僅是傳統(tǒng)的三維靜態(tài)、動態(tài)效果，而是能真正與用戶交互且有良好用戶體驗的展示系統(tǒng)。

（二）三維全景交互系統(tǒng)的構(gòu)成要素

本文中的三維全景交互系統(tǒng)，是一種基于計算機與互聯(lián)網(wǎng)的虛擬展示系統(tǒng)。和其他數(shù)字展示方式不同，它包含以下三個不可缺少的要素：

一是全角度交互體驗。這是本系統(tǒng)最重要的特點。與二維的平面照片或者360°全景式照片展示不同，該展示可以在用戶的控制下隨著鼠標(biāo)的移動展示文物任意角度的情況。用戶可以根據(jù)自己的需要放大、縮小、任意變換角度，沒有任何限制。三維交互文物再現(xiàn)系統(tǒng)的互動性表現(xiàn)在通過人機對話，參觀者的主體地位得到最大程度的顯現(xiàn)。

二是基于互聯(lián)網(wǎng)的傳播方式?？稍谌澜缛我庖慌_聯(lián)網(wǎng)的計算機上運行，不需要安裝復(fù)雜的軟件，不需要用戶學(xué)習(xí)任何復(fù)雜的知識，可以說是能夠跨越語言、文化、地域障礙的傳播方式。

三是多種信息交互方式的融合。除了視覺信息的傳播，本系統(tǒng)還應(yīng)該融合豐富的文物知識講述、背景故事介紹、音樂效果等內(nèi)容。讓人們能夠身臨其境地體會文物所在歷史環(huán)境和背景。

（三）三維全景交互系統(tǒng)的實現(xiàn)

1. 實現(xiàn)流程。該系統(tǒng)可以分為兩個部分，一是網(wǎng)頁部分，一是Unity3D展示部分。其中，網(wǎng)頁系統(tǒng)負(fù)責(zé)用戶在網(wǎng)頁上瀏覽、操作和管理；而Unity3D展示部分負(fù)責(zé)實現(xiàn)三維交互操作。本系統(tǒng)的實現(xiàn)流程見圖1。

2. 原始數(shù)據(jù)采集。原始數(shù)據(jù)采集是三維數(shù)字化及展示的基礎(chǔ)，如果想得到最大程度接近實物的三維模型，那么就必須得到詳盡、確實的文物原始數(shù)據(jù)。它包含三個更細(xì)的環(huán)節(jié)：對象的數(shù)字化分析→采集方案制定→現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。采集方式主要有以下幾種：

一是數(shù)字?jǐn)z影測量。數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)是通過獲取一系列物體對象的數(shù)字照片， 解析演算出物體空間外形的技術(shù)方法。近年來， 隨著計算機技術(shù)的快速進步，數(shù)字?jǐn)z影數(shù)字空間解析的全數(shù)字化成熟技術(shù)。目前這種方式在文物保護領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，特別是在莫高窟壁畫保護研究中，對該方式的研究已經(jīng)非常透徹。

二是三維激光掃描。三維激光掃描（ 3D laser scanner） 技術(shù)是上世紀(jì)90年代蓬勃發(fā)展起來的高精度、快速獲取物體三維幾何數(shù)據(jù)的新型技術(shù)。對于體量適合的文物進行三維激光掃描可以得到比較完整的數(shù)字信息。使用三維激光掃描技術(shù)完成的文物項目最有影響的要算是斯坦福大學(xué)的米開朗琪羅數(shù)字化項目，總計獲取的數(shù)據(jù)達(dá)到250GB，單大衛(wèi)雕像即達(dá)到32GB，由20億多面體、7000幅圖像組成。[6]

三是文獻資料數(shù)據(jù)采集。在數(shù)字化手段愈來愈先進的今天，傳統(tǒng)的文獻資料數(shù)據(jù)采集也是必不可少。特別是對于已經(jīng)消失或者尚未發(fā)掘的文物就不能夠采用前面的兩種方式，而只能采取文獻資料研究的方法來獲得文物的各種數(shù)據(jù)。

3. Unity3D在3D表現(xiàn)上的優(yōu)勢。該系統(tǒng)的核心在于讓用戶能夠在自己的計算機上自由觀賞文物，并與之交互。其中最主要的技術(shù)就在于3D引擎的應(yīng)用。Unity3D是一款由Unity Technologies開發(fā)的一款3D引擎，是一種便捷易用的交互式圖形化的綜合型游戲開發(fā)工具。它可以很方便地讓非計算機專業(yè)的開發(fā)人員創(chuàng)建自己的三維電腦游戲、建筑的可視化游歷以及實時交互的三維動畫作品。目前，三維虛擬展示技術(shù)應(yīng)用比較廣泛的有VRML、Flash3D、Unity 3D及Cult 3D等。選擇Unity3d作為3D引擎主要有下面三點原因：

其一，豐富的3D性能支持。支持包括漫反射、凹凸、法線、高度等3D貼圖模式及100種以上光照材質(zhì)shader，20種以上后期效果，高質(zhì)量的粒子系統(tǒng)。對3ds、fbx等多種3D模型支持直接導(dǎo)入和自動轉(zhuǎn)換。豐富的3D特性，可以對各種文物古跡的還原復(fù)建、3D全向展示、數(shù)字保護、虛擬旅游提供無所不能的強大支持。

其二，強大的腳本支持。內(nèi)置支持3種核心腳本語言，javascript、C#、Python?？梢蕴峁┧璧奶摂M文物及文化遺產(chǎn)保護所需的各種邏輯功能支持，從而實現(xiàn)氣象切換控制、環(huán)境切換控制、多人交互、人景交互、飛行巡游等等各種復(fù)雜的邏輯功能。

其三，全平臺發(fā)布。通過Unity3D一個引擎可以直接實現(xiàn)PC端、Android、IOS、MacOS等各種平臺端的發(fā)布，通過統(tǒng)一的后臺程序，直接實現(xiàn)多平臺的聯(lián)通。針對可能的項目，可以實現(xiàn)通過web瀏覽器、手機、pad等各種性質(zhì)的全平臺覆蓋并同時交互，為虛擬文物及文化遺產(chǎn)保護提供了極其先進便捷的用戶體驗和廣闊的應(yīng)用前景。

四、實現(xiàn)三維全景交互系統(tǒng)對我國文化遺產(chǎn)傳播的意義

首先，筆者認(rèn)為本系統(tǒng)最重要的意義在于文化的傳播。文化的傳承與活力是與其傳播的廣泛程度成正比的。承載大量文化信息的文物和各種文化遺產(chǎn)如果不能在現(xiàn)代社會準(zhǔn)確、有效、廣泛地傳達(dá)其自身的文化信息，就會失去活力而難以延續(xù)。目前，這樣的傳播還僅僅局限在小規(guī)模的專業(yè)人群中，這樣的傳播無疑是很有限的。

信息科學(xué)已經(jīng)進行了半個多世紀(jì)的發(fā)展，并且出現(xiàn)了大量的研究與應(yīng)用成果。這些成果解決了許多工程領(lǐng)域和計算機科學(xué)領(lǐng)域的問題，但是在物質(zhì)和非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護方面的系統(tǒng)化應(yīng)用尚未找到一個有效的切入點。

該系統(tǒng)借助互聯(lián)網(wǎng)的傳播手段，打破了地域和時空的限制。另外，基于圖形圖像與全交互的這樣的用戶體驗?zāi)Ｊ椒洗蠖鄶?shù)互聯(lián)網(wǎng)使用人士的習(xí)慣，能夠達(dá)到更好的傳播效果，這樣的傳播才是廣泛而有效的。

其次，該系統(tǒng)對損壞的文化遺產(chǎn)能進行很好的保護和視覺修復(fù)。筆者認(rèn)為虛擬重現(xiàn)雖然不可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工修復(fù)，但肯定是對其有效的補充。

對于已經(jīng)損毀的文物，傳統(tǒng)的方式主要是依靠考古工作者對殘缺文物的判斷和手工拼合來完成。修復(fù)人員需要有大量的人文、歷史、美術(shù)、考古知識基礎(chǔ)，同時還需要有很高的手工藝技巧。巨大手工勞動量和技術(shù)難度制約了修復(fù)的速度， 使得我國許多珍貴文物難以呈現(xiàn)其應(yīng)有的歷史文化價值。[7]所以，采用新技術(shù)、新方法來對文物進行復(fù)建或者重現(xiàn)是我國目前文物事業(yè)面對的最亟待解決的問題之一。將三維虛擬展示技術(shù)應(yīng)用到文物復(fù)建領(lǐng)域，大大提高了效率，降低了成本，是修復(fù)損毀文物的有效補充。上文中提到的鄖縣人頭骨化石三維復(fù)原研究就是三維修復(fù)技術(shù)的一次成功嘗試。

再次，該系統(tǒng)可以對消失的文化遺產(chǎn)進行復(fù)建與重建。文物和歷史遺跡的復(fù)建從來都是引起爭議的工程。開封市在2012年8月宣布斥資千億重現(xiàn)北宋汴京的計劃就引起了多方關(guān)注和爭議。另外，多位文物界專家都表示，如果不能在原址復(fù)建遺跡和文物只會為申遺減分。并且在文物保護法中也有規(guī)定：已經(jīng)損毀的文物原則上不再復(fù)建。但是讓這些曾經(jīng)輝煌的城市和文物完全消失也讓人覺得遺憾。“永恒的埃及”[8]是埃及政府用最新的網(wǎng)頁瀏覽和手持設(shè)備計算技術(shù)配合10種不同語言版本，將埃及具有五千年悠久歷史的文化藝術(shù)遺產(chǎn)展現(xiàn)給全球觀眾的數(shù)字系統(tǒng)。這給我們提供了一個良好的案例，那就是在數(shù)字空間里重現(xiàn)文物和遺跡是完全可行的。

如果說對于損壞的文化遺產(chǎn)本系統(tǒng)還只是有效補充的話，那么對于已經(jīng)完全消失或者即將消失的文物、古建筑等文化遺產(chǎn)，本系統(tǒng)就是最可行也是最節(jié)省成本的重現(xiàn)方式。傳統(tǒng)的文物修復(fù)大多是針對損壞的文物或者殘片來進行，而對于尚未發(fā)掘或者已經(jīng)消失的文物經(jīng)常就要通過手工繪制、文字描述等方式來呈現(xiàn)。而虛擬復(fù)建可以不受現(xiàn)實條件的限制，根據(jù)前期研究成果即可在計算機上展現(xiàn)這些文物的風(fēng)貌。其成本低，對現(xiàn)實文化遺產(chǎn)不產(chǎn)生任何影響，這些都是傳統(tǒng)方法所不能比擬的。

五、結(jié)語

三維全景交互系統(tǒng)是以現(xiàn)代交互設(shè)計和虛擬三維漫游技術(shù)為支撐，結(jié)合考古研究、歷史研究、美學(xué)研究等眾學(xué)科綜合而成的立體科研項目。利用Unity 3D技術(shù)，能夠建立跨平臺、真實3D交互、完整呈現(xiàn)文物外觀，并可以整合文字、聲音等其他傳播方式的虛擬再現(xiàn)效果。該系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)代社會對文物和文化遺產(chǎn)保護和傳播的迫切需求。隨著數(shù)字博物館、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展以及用戶信息獲取需求的不斷增長，該系統(tǒng)將能夠運用到博物館、地方文化遺產(chǎn)保護、文物保護等領(lǐng)域，成為數(shù)字文化遺產(chǎn)保護的重要手段之一。

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[8]永恒的埃及[EB/OL].[20130210].http：∥www.eternalegypt.org.

（責(zé)任編輯文格）

Abstract：As a national cultural treasure，cultural heritage needs to be passed， perceived and understood.This requires that cultural heritage be widely and effectively disseminated.In this paper，a method based on the use of Internet is presented.By using humancomputer interaction，three dimensional panorama，virtual reality and other technologies，the propagation of cultural heritage can get rid of the shackles of time and space，and be presented to the user visually.We hope that this new approach will become the new media to widely spread the cultural heritage.

Key words：3D panorama interactive system；cultural heritage；digital communication