虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在敦煌壁畫保護(hù)中的應(yīng)用研究

蔡蔡　宋雙雙

摘 要：以敦煌壁畫保護(hù)為基礎(chǔ)，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物質(zhì)遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用展開了研究，并根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外文物保護(hù)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)有的文物古跡保護(hù)的主客觀問(wèn)題進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；物質(zhì)文化遺產(chǎn)；敦煌壁畫；VR系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.078

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality），簡(jiǎn)稱VR，又稱靈境技術(shù)，是利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和硬件設(shè)備生成的一種可通過(guò)視、聽、觸和嗅等多感通道達(dá)成的高逼真度的模擬環(huán)境，這種模擬可給用戶提供一種身臨其境的感受。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三大特性

VR系統(tǒng)是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，可表現(xiàn)真實(shí)或想象的三維計(jì)算機(jī)生成環(huán)境，能使用戶在虛擬環(huán)境中做到“沉浸其中、超越其上、運(yùn)轉(zhuǎn)自如和交互自由”。其擁有3個(gè)突出的特性：沉浸性、交互性和想象性。

1.1 沉浸性

沉浸性（Immersion）是指用戶在自然狀態(tài)下，借助交互設(shè)備和自身的感知系統(tǒng)對(duì)虛擬環(huán)境的投入程度。用戶置身該環(huán)境之中，從被動(dòng)地觀察角度轉(zhuǎn)化為主動(dòng)參與到虛擬世界中，并產(chǎn)生類似于對(duì)現(xiàn)實(shí)物體的存在意識(shí)或幻覺(jué)。

1.2 交互性

交互性（Interactivity）是指用戶在進(jìn)入虛擬環(huán)境后，在保證實(shí)時(shí)性和有效性的前提下，運(yùn)用一種自然、輕松的方式對(duì)物體進(jìn)行操作的體驗(yàn)。通過(guò)交互形式，用戶的操作和意圖可實(shí)時(shí)地影響和改變虛擬環(huán)境的構(gòu)成。

1.3 想象性

想象性（Imagination）是指用戶在以計(jì)算機(jī)為媒介的虛擬世界中，在對(duì)系統(tǒng)反饋的信息進(jìn)行理解判斷的基礎(chǔ)上，對(duì)其可能的運(yùn)行狀態(tài)和未來(lái)進(jìn)展的想象能力。這種想象力可以幫助人們?cè)谡J(rèn)識(shí)復(fù)雜系統(tǒng)深層規(guī)律的同時(shí)，獲得更多的知識(shí)。

這三種特性都強(qiáng)調(diào)了人與虛擬環(huán)境之間的相互作用，即人在整個(gè)系統(tǒng)中的感受，只有人的存在，才能使這一反饋環(huán)路有效存在。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在壁畫保護(hù)中的運(yùn)用

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，許多國(guó)家已將信息技術(shù)應(yīng)用在文物的收集、保存、虛擬展示、復(fù)原、輔助考古研究和旅游宣傳等方面。采用信息技術(shù)對(duì)文物實(shí)施數(shù)字化保存，能極大限度地彌補(bǔ)文物因不可抗拒衰變或消失所造成的信息消亡，又能很好地處理旅游開發(fā)和文物保護(hù)的關(guān)系，數(shù)字敦煌便是一個(gè)很好的例證。

作為中國(guó)三大石窟之一的敦煌石窟，由莫高窟、榆林窟、西千佛窟和東千佛洞等組成，雖然這些石窟的規(guī)模懸殊，但地域風(fēng)格相近，所以，統(tǒng)稱為敦煌石窟。因巖質(zhì)松散、不適雕刻，所以，造像以泥塑和壁畫為主，現(xiàn)存壁畫、彩塑石窟共492窟，另有禪窟700多窟。由于地跨北溫帶和亞熱帶，受大陸季風(fēng)性氣候的影響，復(fù)雜的自然環(huán)境和地質(zhì)情況使敦煌壁畫常受到雨水、風(fēng)沙等的侵蝕和強(qiáng)光照射等的威脅，加之壁畫經(jīng)歷了成百上千年的時(shí)光，制作材料不斷老化，導(dǎo)致壁畫本身變得十分脆弱。隨著游人數(shù)逐漸增多，保護(hù)與利用間的矛盾不斷加劇。為了滿足更多游客的參觀需要，處理好旅游開發(fā)與文物保護(hù)的關(guān)系，對(duì)壁畫進(jìn)行數(shù)字化處理已迫在眉睫。從20世紀(jì)80年代開始，敦煌壁畫的開發(fā)和保護(hù)已成為政府、機(jī)構(gòu)以及文化保護(hù)者的一個(gè)重要課題。敦煌研究院曾與國(guó)內(nèi)外多家單位合作，試圖利用計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜文物信息進(jìn)行獲取和保存。1996年，敦煌研究院?jiǎn)?dòng)《瀕危珍貴文物的計(jì)算機(jī)存貯與再現(xiàn)系統(tǒng)研究》項(xiàng)目，與浙江大學(xué)合作開發(fā)了“敦煌石窟虛擬漫游與壁畫復(fù)原”系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合采用了數(shù)字?jǐn)z影、圖像處理、三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能技術(shù)。利用該系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)電腦參觀敦煌莫高窟的外景、內(nèi)部壁畫、彩塑等，還能虛擬觀看石窟完工的盛況，感受石窟壁畫千年演變的滄桑。整個(gè)“敦煌莫高窟虛擬參觀旅游系統(tǒng)”運(yùn)用的虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)如下。

2.1 動(dòng)態(tài)建模技術(shù)

動(dòng)態(tài)建模技術(shù)是整個(gè)VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通常建模技術(shù)可分為幾何建模和行為建模。幾何建?；谖矬w的形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行立體繪制和顯示；行為建?？蓪?duì)物體的運(yùn)動(dòng)和行為進(jìn)行逼真模擬，也稱為動(dòng)畫。

2.2 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)繪制技術(shù)

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)繪制技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)，靈活地對(duì)用戶隨意的操作作出準(zhǔn)確的反映，提供真實(shí)、準(zhǔn)確的應(yīng)對(duì)方案。為了達(dá)到這種實(shí)效性，圖形顯示速度必須跟上視點(diǎn)的轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)刷新頻率應(yīng)不低于20～30幀/s。

2.3 人機(jī)自然交互技術(shù)

人機(jī)自然交互技術(shù)可提供一種人與計(jì)算機(jī)交流的橋梁，使用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀、靈活的操作。但目前這種自然交互技術(shù)不太成熟，手勢(shì)識(shí)別、眼動(dòng)跟蹤和面部識(shí)別等自然交互技術(shù)還在不斷完善。

2.4 立體顯示和傳感技術(shù)

立體顯示和傳感技術(shù)都是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)交互能力的重要途徑，它能最大限度地利用人的心理和生理特點(diǎn)，通過(guò)眼鏡和手部的感知，在大腦中產(chǎn)生對(duì)虛擬對(duì)象、景物的深度知覺(jué)。

2.5 三維虛擬聲音技術(shù)

三維虛擬聲音與立體聲音有很大的不同，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的聲音是圍繞人的兩只耳朵進(jìn)行播放的，聲音可能出現(xiàn)在頭部前、后、左、右等不同方向。當(dāng)視覺(jué)空間超出了范圍，三維虛擬聲音技術(shù)能夠彌補(bǔ)空間信息的不足。

3 虛擬敦煌壁畫的不足之處

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多種三維交互式館藏信息的展示，其數(shù)據(jù)管理技術(shù)也為虛擬敦煌的數(shù)據(jù)發(fā)布和資源管理搭建了堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)。虛擬漫游系統(tǒng)使游客不必親臨敦煌，就能欣賞敦煌的盛況，減少了人為破壞。但這種虛擬展示仍與親臨敦煌壁畫所感受到的震撼有極大的差距。從技術(shù)層面上看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一門年輕的科學(xué)技術(shù)，仍存在許多尚未解決的理論問(wèn)題和技術(shù)障礙。比如，這種數(shù)字化過(guò)分依賴計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這兩者在給人們帶來(lái)便捷的同時(shí)，也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)據(jù)庫(kù)在依賴網(wǎng)絡(luò)滿足不同用戶需求的同時(shí)，也為惡意入侵者盜取文物信息提供了一定的可乘之機(jī)。數(shù)字化技術(shù)僅是保護(hù)的途徑和輔助手段，因此，對(duì)于類似敦煌壁畫這種珍貴的文物古跡，應(yīng)堅(jiān)持“保護(hù)為主、搶救第一、合理利用、加強(qiáng)管理”。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于VR構(gòu)建的虛擬世界，仍存在很多心理、生理和社會(huì)問(wèn)題，關(guān)于它的爭(zhēng)論也將不可避免地繼續(xù)下去。但VR的巨大作用是不可否認(rèn)的，它在軍事、醫(yī)學(xué)、培訓(xùn)、藝術(shù)、設(shè)計(jì)和商業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用恰恰是最好的證明。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)和人工智能技術(shù)等多個(gè)交叉學(xué)科的發(fā)展，VR媒介的應(yīng)用將會(huì)有更加廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)

[1]胡小強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

〔編輯：張思楠〕