虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在文物遺產(chǎn)保護(hù)和博物館教育中的應(yīng)用研究

摘要：為了更好地保護(hù)、修復(fù)、展示文化遺產(chǎn)，將考古發(fā)現(xiàn)推廣到教育等領(lǐng)域，并且讓人民群眾能夠更加便捷直觀地欣賞文明成果，虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段正在發(fā)揮越來越令人矚目的價(jià)值。本文闡述了還技術(shù)在文博領(lǐng)域的應(yīng)用原理，總結(jié)了國內(nèi)外的應(yīng)用案例，認(rèn)為文博青年學(xué)者需要及時(shí)關(guān)注該領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：VR；博物館教育；文物保護(hù)修復(fù)

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR技術(shù)），又稱虛擬實(shí)境或靈境技術(shù)，它是一門綜合了三維圖形圖像處理、多媒體視音頻處理、人機(jī)交互、人工智能、傳感與測(cè)量、微電子等多種技術(shù)成果的綜合集成技術(shù)。簡(jiǎn)單來說就是將本來沒有的或不可能同時(shí)存在的事物和環(huán)境，通過綜合應(yīng)用各種技術(shù)給模擬出來，用戶通過計(jì)算機(jī)進(jìn)入這個(gè)虛擬的環(huán)境，操縱系統(tǒng)中的對(duì)象并與之進(jìn)行交互，感覺如同置身于真實(shí)世界中一樣。虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目中的環(huán)境由計(jì)算機(jī)生成，并通過各種外接設(shè)備對(duì)人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官產(chǎn)生作用。項(xiàng)目可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的構(gòu)想，讓用戶在這個(gè)虛擬世界中直接觀察周圍世界的變化，參與其中的活動(dòng)，與物體進(jìn)行自然的交互，并得到與真實(shí)世界相同的實(shí)時(shí)反饋，使其沉浸到數(shù)據(jù)空間中，由一個(gè)虛擬世界的觀察者變?yōu)閰⑴c者，在一定的時(shí)間內(nèi)抽離于現(xiàn)實(shí)環(huán)境。

與傳統(tǒng)的單純的三維模擬技術(shù)相比，VR技術(shù)的主要特征是擁有強(qiáng)烈到真假難辨，甚至可以超越真實(shí)的沉浸感以及自然的實(shí)時(shí)反饋的可交互功能。通過參與者與VR 環(huán)境的相互作用，并利用人類本身對(duì)事物的感知能力，讓參與者能夠全方位地獲取事物的各種空間信息和邏輯信息。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在博物館教育和文物保護(hù)中的應(yīng)用原理

我國擁有著燦爛輝煌的五千年文明，如果把歷朝歷代的興衰榮辱比作一部浩瀚無垠的宏偉史書，那么文化遺產(chǎn)就像是記錄跌宕起伏的生花妙筆。因此，文化遺產(chǎn)的保護(hù)不單是考古學(xué)家的課題，也是所有具有歷史責(zé)任感的科學(xué)家和公民應(yīng)盡的義務(wù)。以有形的物質(zhì)文化遺產(chǎn)為例，我國已有31項(xiàng)文化遺產(chǎn)被列入《世界遺產(chǎn)名錄》，如洛陽龍門石窟、敦煌莫高窟、大同云岡石窟等反映了中國古代杰出的石刻、泥塑、繪畫藝術(shù)，明清皇宮、北京天壇、蘇州古典園林反映了中國各具韻味的建筑和園林設(shè)計(jì)風(fēng)格。然而，這些物質(zhì)文化遺產(chǎn)和其他一些非常珍貴的文物由于長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)吹日曬、曾經(jīng)的戰(zhàn)火頻仍、尤其是近代以來屢遭盜竊等原因受損嚴(yán)重。為了更好地保護(hù)、修復(fù)、展示文化遺產(chǎn)，將考古發(fā)現(xiàn)推廣到教育等領(lǐng)域，并且讓人民群眾能夠更加便捷直觀地欣賞文明成果，數(shù)字化存儲(chǔ)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)展示等技術(shù)手段正在發(fā)揮越來越令人矚目的價(jià)值。

在人類感知外部環(huán)境的過程中，約有80%的信息是通過視覺途徑獲取的。因此，各式各樣的視覺藝術(shù)和顯示技術(shù)成為了人們生活中不可或缺的一部分，例如繪畫、雕、建筑、影視等等。特別是上世紀(jì)后期進(jìn)入信息時(shí)代以來，計(jì)算機(jī)科學(xué)和互聯(lián)網(wǎng)技飛速發(fā)展，融入了現(xiàn)代社會(huì)的方方面面，也為顯示技術(shù)的革命提供了契機(jī)。在此次浪潮之中，計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)這兩個(gè)研究方向應(yīng)運(yùn)而生，取得了長(zhǎng)足的科技進(jìn)步，擁有著廣泛的應(yīng)用前景。最近，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）得到了越來越多的關(guān)注，隨著軟件算法和硬件設(shè)備日趨成熟，這種沉浸式交互的多媒體技術(shù)逐漸打開了消費(fèi)者的大門，大大小小的高科技公司紛紛推出自己的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的電子產(chǎn)品和解決方案，如Oculus Rift、Google Cardboard、Microsoft HoloLens、暴風(fēng)魔鏡等頭戴式顯示設(shè)備以及OpenCV、ALPSVR、ARToolKit等開源庫和軟件開發(fā)包。

在新形勢(shì)下，文化強(qiáng)國、精神文明建設(shè)、提升文化軟實(shí)力成為了重要的國家戰(zhàn)略。不可忽視的是，計(jì)算機(jī)科學(xué)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展為廣大的文化產(chǎn)業(yè)注入了新的活力，旅游服務(wù)、國產(chǎn)動(dòng)漫、人文藝術(shù)等行業(yè)全都展現(xiàn)著蓬勃的生機(jī)。在文化遺產(chǎn)方面，數(shù)字化技術(shù)使得各類文物得到了持久的保護(hù)，也為新型的文物修復(fù)和展示途徑帶來了便利。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在博物館教育和文物保護(hù)中的應(yīng)用舉例

在過去的十幾年中，信息技術(shù)被越來越多地應(yīng)用到了數(shù)字文化遺產(chǎn)領(lǐng)域，包括文物數(shù)字化、計(jì)算機(jī)輔助考古、傳播與展示等，不單單是歷史、文化和考古學(xué)界，普通群眾也能通過數(shù)字博物館展示等途徑享受到技術(shù)進(jìn)步帶來的便捷與震撼。國內(nèi)數(shù)字文化遺產(chǎn)較為突出的工作有敦煌莫高窟數(shù)字展示中心的建成，以及龍門石窟佛像的三維數(shù)字化掃描等，近期北京故宮博物院、陜西歷史博物館等機(jī)構(gòu)也逐漸引入了數(shù)字化展示技術(shù)，國外的相關(guān)研究工作利用的技術(shù)手段基本相似。

日本九州裝飾古墳群，包括王冢古墳、櫻京古墳、乘場(chǎng)古墳、石人山古墳等地，通過顏色建模、圖像處理等手段可以增強(qiáng)墓內(nèi)壁畫的紋理并提取模式，并能夠利用圖形學(xué)算法模擬驗(yàn)證考古學(xué)家的猜想。引入藝術(shù)舞蹈界的拉班舞譜（labano-tation），還可以通過讓機(jī)器人學(xué)習(xí)人類舞者的動(dòng)作，編碼關(guān)鍵幀并進(jìn)行插值來記錄和重現(xiàn)傳統(tǒng)舞蹈。在東南亞，吳哥窟與巴戎寺等著名的文化遺產(chǎn)由于正在受到自然的侵蝕，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化建模就顯得尤為重要，為了克服建筑過高、不便進(jìn)行三維掃描的問題，研究者提出了氣球掃描儀這種新的方法，并通過變形數(shù)據(jù)、圖像運(yùn)動(dòng)和氣球運(yùn)動(dòng)這三個(gè)約束融合出高質(zhì)量的三維模型。在針對(duì)西方文物的數(shù)字文化遺產(chǎn)研究中，有專門研究如何從教堂的花窗玻璃中提取出高質(zhì)量的圖像進(jìn)行分割，以及通過互聯(lián)網(wǎng)上的海量圖像進(jìn)行全景拼接以供展示等。其他的方面包括在保存下來的中世紀(jì)手稿自動(dòng)識(shí)別文字并進(jìn)行風(fēng)格分析，開發(fā)面向雕塑三維分析和檢測(cè)文物形狀的圖形學(xué)軟件，對(duì)文物不斷老化的材料的物理特性進(jìn)行圖形學(xué)建模等。還有奈良大佛和鐮倉大佛的三維掃描數(shù)字化，在采集到佛像三維模型數(shù)據(jù)之后，通過手工或自動(dòng)的方式進(jìn)行高效的修復(fù)，并通過幾何一致性和色彩一致性的建模搭建了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)展示系統(tǒng)；以及在建筑方面，通過利用已有的維圖片或三維模型等信息，在飛鳥京遺跡上搭建類似的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境，并通過景區(qū)游客導(dǎo)纜車進(jìn)行視點(diǎn)的粗略定位。

敦煌莫高窟數(shù)字展示中心于2014年8月1日正式對(duì)外開放，總投資3億多元，主要為來自各地的游客放映主題電影《千年莫高》和球幕電影《夢(mèng)幻佛宮》，后者是全球首部超高清8K實(shí)景數(shù)字球幕電影，影片對(duì)莫高窟最具藝術(shù)價(jià)值的7個(gè)代表洞窟進(jìn)行了全方位展示。這種數(shù)字化展示方式不但減輕了客流量巨大對(duì)洞窟不可逆轉(zhuǎn)的傷害，而且也讓眾多游客欣賞到了平常難得一見的“特窟”。龍門石窟景區(qū)在應(yīng)用高新技術(shù)的進(jìn)程中也走在了行業(yè)前列，2015年7月15日，“互聯(lián)網(wǎng)+龍門”智慧景區(qū)正式上線運(yùn)營，購票、游園、管理、宣傳等功能模塊極大地方便了各路游客。由于VR等技術(shù)進(jìn)步，游客無需進(jìn)洞即可漫游欣賞洞窟藝術(shù)，甚至還能觀看流失海外的文物補(bǔ)全之后的效果。從景區(qū)的角度看，減少了對(duì)文物的損壞，為科學(xué)考古提供了便捷，也很有可能提高景區(qū)的綜合收益；從游客的角度看，體驗(yàn)了新型的多媒體交互方式，接受了難得的藝術(shù)熏陶和文化教育，也可以在社交平臺(tái)上營造交流的氛圍，這種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示技術(shù)能夠推廣到更多的文化遺產(chǎn)景點(diǎn)和其他文化產(chǎn)業(yè)。

結(jié)論

VR等新技術(shù)在文物保護(hù)修復(fù)方面運(yùn)用前景廣闊，在博物館教育功能的作用發(fā)揮上，也有非常突出的成績(jī)。國內(nèi)外正在興起研究VR在文博領(lǐng)域應(yīng)用的熱潮，作為文博領(lǐng)域的青年學(xué)者，需要及時(shí)關(guān)注該領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

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作者簡(jiǎn)介：

秦一（1987.11- ），河南鄭州人，河南博物院助理館員，研究方向：博物館學(xué)與影像。