文化遺產數(shù)字化展示與互動技術研究與進展

潘志庚，袁慶曙*，陳勝男，張明敏

（1.杭州師范大學VR與智能系統(tǒng)研究院，浙江杭州311121；2.浙江大學計算機科學與技術學院，浙江杭州310027）

0 引 言

0.1 簡 介

人類文明形成了大量珍貴的文化遺產，是先人遺留下來的文化沉淀與結晶。然而,受自然變遷和人類活動的影響，文化遺產不可避免地遭受了侵蝕和破壞。如何更好地保存、繼承和傳播文化遺產，是一項重要的歷史使命。

近年來，如何通過現(xiàn)代科技手段來保存、繼承和傳播人類珍貴的文化遺產已經成為全世界共同面臨的重大課題。而以計算機圖形學、VR、AR[1]、三維造型、數(shù)字制造、計算機動畫等為支撐的“數(shù)字文化遺產”技術異軍突起，為數(shù)字化記錄、保存、展示和利用文化遺產提供了豐富的手段，拓展了傳統(tǒng)文化遺產保護的內涵。

本文從技術視角，就數(shù)字文化遺產的現(xiàn)狀、存在的主要問題、涉及的關鍵技術進行探討，同時，通過京杭大運河虛擬漫游系統(tǒng)[2]和清明上河圖動畫與互動系統(tǒng)[3]這兩個實例，對相關技術進行了討論。需要說明的是，文化遺產可分為物質文化遺產（tangible cultural heritage）與非物質文化遺產（intangible cultural heritage）[4]，本文討論的主要是物質文化遺產，即傳統(tǒng)意義上的文化遺產，根據(jù)《保護世界文化和自然遺產公約》，其包括歷史文物、歷史建筑、人類文化遺址等。

0.2 文化遺產數(shù)字化現(xiàn)狀

0.2.1 國外研究現(xiàn)狀

早在20世紀70年代，國外的文化工作者就開始使用攝影、錄像、臨摹等技術記錄文化遺產相關信息。1992年，聯(lián)合國教科文組織開始實施“世界記憶”項目，其目標是利用現(xiàn)代信息技術和數(shù)字化手段，推動世界范圍的文化遺產資源的保存與傳播。進入20世紀90年代，在3D技術和虛擬現(xiàn)實技術的支撐下，文化遺產的數(shù)字化保護進入三維時代[5]。斯坦福大學和華盛頓大學在1998—1999學年將米開朗基羅的雕塑和建筑數(shù)字化，稱為數(shù)字米開朗基羅項目[6]。該項目前期用三角測量激光掃描儀和飛行時間激光掃描儀采集信息，后期用軟件進行數(shù)據(jù)處理，如大衛(wèi)像大約花了10 a時間得到近10億個多邊形三維模型。其他類似的工程還有大佛工程[7]、密涅瓦工程[8]、皮埃塔工程[9]、博韋大教堂工程[10]等。這類項目采用的主要設備包括用于記錄形狀信息的激光掃描儀和用于記錄紋理甚至文化遺產材質的數(shù)碼相機。

除了通過三維掃描記錄文化遺產外形外，攝影測量技術也被廣泛應用，特別是用于記錄不可移動的文化遺產，如紀念碑和歷史遺跡等。從根本上說，攝影測量來源于遙感領域，適用于大體量的文化遺產保存。近年來，隨著計算機視覺技術的發(fā)展，攝影測量已成為一種產生高密集、高精度三維表面數(shù)據(jù)的強大技術?；跀?shù)碼相機捕獲的圖像，利用圖像匹配與多視圖幾何方法，可以生成文化遺產對象的三維點云模型。漢堡哈芬西大學的攝影測量和激光掃描實驗室花費十多年時間記錄了德國北部的幾座重要建筑[11-13]，用攝影測量技術實現(xiàn)了考古遺址的三維重建；并對越南邁森考古區(qū)的“G1”神廟進行了勘測和重建[14]。特拉格斯-蒙特斯和阿爾托-杜羅大學利用無人機對文化遺產進行攝影測量，利用大疆Phantom 4拍攝埃斯皮里托圣托教堂，將獲得的航拍圖像導入Pix4D制圖軟件和Agisoft Photoscan，生成高分辨率的三維模型[15]。

在文化遺產的展示方面，虛擬或在線博物館、VR、AR、計算機動畫與游戲等也有所應用。SILBERG[16]將文化遺產旅游定義為“來自主辦方以外的人出于對某個社區(qū)、地區(qū)、團體或機構提供的歷史、藝術、科學或生活方式/遺產的興趣而開展的訪問”。由IBM公司開發(fā)的，“永遠的埃及”項目，旨在創(chuàng)建一個虛擬的古埃及博物館。該項目進行了文化遺產的數(shù)字化采集，形式包括二維圖像、三維模型、三維場景等，由飛行時間三維掃描儀、數(shù)碼相機和成像系統(tǒng)等進行記錄，最終以在線博物館的方式在互聯(lián)網(wǎng)上進行展示[17]。

由于VR可以以用戶為中心獲得沉浸式體驗，非常適合文化遺產的展示。VR中的大多數(shù)傳統(tǒng)技術，如建模、跟蹤、交互等仍然是系統(tǒng)部署的主要問題。此外，系統(tǒng)開發(fā)人員還應考慮應用目的問題，例如教育目的。1998年，希臘文化遺產機構“希臘世界基金會”成立了VR部，在其文化中心提供各種教育VR展品，這些展品被證明是該中心最受歡迎的。在VR展覽中，用戶可以“穿行”在米利圖斯古城，互動地從虛擬陶瓷碎片中重新組裝古代花瓶，或者協(xié)助古代雕塑家創(chuàng)作雕像[18-19]。美國匹茲堡大學和加拿大FiatLUX工作室合作完成的“虛擬埃及神殿”（The Virtual Egyptian Temple）項目[20]，通過構建三維模型和虛擬環(huán)境展示了埃及神殿豐富的功能、造型、特征信息及其宗教象征等多重屬性，如圖1所示。用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)在個人電腦上訪問虛擬埃及神殿，或者可以走入博物館的沉浸式CaveUT[21]在按照實際尺寸重建的虛擬漫游場景中游覽神殿。

圖1 “虛擬埃及神殿”項目中的虛擬漫游場景Fig.1 Virtual navigating scenes for the virtual Egyptian Temple

與VR類似，AR也可以讓用戶沉浸其中，而且可以增強其對真實世界的感知。2002年，Tim Gleue和 Patrick D?hne在 Archeoguide項目中，設計了一套AR設備，該設備由頭戴式顯示器、筆記本電腦、無線路由器、GPS模塊等組成，最終實現(xiàn)了一個用于文化遺產地戶外AR旅游的移動單元，并將其應用于古希臘奧林匹亞遺址[22]。手持設備的文化遺產AR導覽也得到了大眾的青睞，CHANG等[23]開發(fā)AR系統(tǒng)旨在將藝術欣賞與AR深度結合，手持式的AR系統(tǒng)不僅可以幫助用戶識別藝術品，有助于游客集中注意力觀察展品，同時在同一視野內提供詳細的導覽信息和圖像增強。研究表明，AR導引模式有助于提高用戶對繪畫的鑒賞能力。瑞士日內瓦大學的MIRALAB實驗室在古遺址以及古代人物情景的數(shù)字化增強再現(xiàn)方面取得了突出的研究成果，通過“復活”古代壁畫中的動植物群，提出了一種新穎的三維重建方法，在AR環(huán)境中，展示虛擬動畫與人物行為。該方法突破了虛擬故事講述技術的局限，探索虛擬空間（如壁畫）的混合敘事設計過程，使游客體驗到高度的真實感，基于視頻透視式AR頭盔顯示器對虛擬動植物進行實時注冊和三維渲染，該項目在龐貝古城項目中有很好的應用[24]。近年來，數(shù)字文化遺產在深度和廣度上也有長足的發(fā)展，出現(xiàn)了更多的應用系統(tǒng)[25]。

0.2.2 國內研究現(xiàn)狀

在國內，敦煌研究院在20世紀末期就開始著手“數(shù)字敦煌”項目。敦煌研究院與浙江大學自1998年起合作開展國家自然科學基金“敦煌壁畫多媒體復原”項目，共同致力于敦煌莫高窟壁畫、彩塑、石窟外景及建筑結構的高精度采集及高逼真數(shù)字化展示。通過計算機輔助完成了對壁畫的虛擬復原，并利用計算機模擬技術對各種破損的發(fā)生和演變過程進行模擬，根據(jù)該過程預測未來可能的變化趨勢，為敦煌壁畫的下一步保護工作提供科學參考；通過數(shù)字攝影測量技術，分析文物的紋理圖像并獲取其幾何空間關系，結合結構光與三維激光掃描技術對石窟進行了三維數(shù)字化和信息獲取，最后通過數(shù)據(jù)處理對壁畫圖像進行色彩矯正、幾何矯正與拼接，實現(xiàn)環(huán)境和各類物體的三維重建和整體校準[27-29]。此外，敦煌研究院又在1998年年底與美國梅隆基金會、美國西北大學合作開展“數(shù)字化敦煌壁畫合作研究”項目，實現(xiàn)莫高窟典型洞窟的數(shù)字化和虛擬漫游制作。

浙江大學CAD&CG國家重點實驗室自2002年起，開展了靜態(tài)場景的動態(tài)化處理研究，并率先利用VR技術實現(xiàn)了多個數(shù)字文化遺產系統(tǒng)的演示，比如基于圖像的胡慶余堂漫游系統(tǒng)、河坊街數(shù)字化重建、大昌古鎮(zhèn)數(shù)字化、皮影戲數(shù)字化及互動[30-31]等，特別典型的有清明上河圖的動態(tài)化展示[3-4,32-33]；2005年又牽頭承擔了數(shù)字奧運博物館項目，實現(xiàn)了網(wǎng)上奧運博物館漫游系統(tǒng)[34]（見圖2）。

圖2 虛擬奧運博物館系統(tǒng)Fig.2 Virtual Olympic Museum

北京理工大學21世紀初就開始開發(fā)數(shù)字圓明園項目[35]，實現(xiàn)了3種不同的用于數(shù)字重建展示的戶外AR方案，包括定點式觀察AR系統(tǒng)、手持式便攜AR系統(tǒng)以及頭戴式漫游AR系統(tǒng)，這些方案與設備能使游客感受圓明園的滄桑變幻，再現(xiàn)圓明園的“昔日輝煌”。后續(xù)還有一些非物質文化遺產數(shù)字化以及基于AR的文物系統(tǒng)漫游等方面的成果[36]。

西北大學和北京師范大學也是國內較早從事文化遺產數(shù)字化及保護的單位，通過三維掃描獲取、特征計算、碎片匹配拼接，最終實現(xiàn)文物對象的虛擬復原展示，并在兵馬俑一號坑第3次發(fā)掘中做了很好的示范。他們還利用大場景激光掃描儀對陜西省西安市小雁塔文物群進行了三維激光掃描測量，通過數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預處理、深度圖像配準、數(shù)據(jù)融合、點云的網(wǎng)格化建模和紋理映射6個步驟，實現(xiàn)了小雁塔場景的建模與展示[37-40]。

微軟亞洲研究院和清華大學從事文化遺產數(shù)字化基礎理論、壁畫色彩恢復、古畫的標注與漫游、古建筑交互展示系統(tǒng)等工作也已有多年[41-44]。一項典型成果是在973項目課題支持下，開展敦煌壁畫的數(shù)字化修復與保護，利用先進的科學技術手段對以敦煌雕塑和壁畫為典型代表的文化遺產進行數(shù)字化的虛擬復原。另外，還以法海寺壁畫色彩為研究對象,通過美學、美術學、信息設計、色彩學等多學科的交叉研究,構建文化遺產色彩數(shù)字化的理論模型與實踐基礎。

故宮博物院的數(shù)字化過程從以照片為載體的文物影像管理系統(tǒng)的改造開始，通過故宮博物院網(wǎng)站，實現(xiàn)了博物館資源信息的采集、加工和展示等工作[45]；故宮博物院與日本凸版印刷株式會社合作，共同打造了“紫禁城·天子的宮殿”VR作品[46]（如圖3所示）。該項目借助一個大型曲面屏幕，配合解說詞，帶領觀眾游歷故宮三大殿，觀眾可以在虛擬三維空間中任意“游走”，還可以將視點設置在半空，俯瞰故宮全景，獲得現(xiàn)實中無法得到的體驗感受；其后，又與IBM公司合作，開展了“超越時空的紫禁城”文化遺產項目，旨在通過交互式體驗系統(tǒng)構建一座虛擬的紫禁城，并將其發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上，為用戶提供更加便捷的訪問途徑。

圖3 漫游故宮的例子Fig.3 Navigating in Forbidden City

另外，在非物質文化遺產的數(shù)字化保護與傳承方面，國內多家單位(如清華大學、天津大學、廈門大學、武漢大學、北京理工大學、北京郵電大學和杭州師范大學等)也開展了卓有成效的工作，并在多個項目或博物館中得到示范[47]。具體涉及詩詞[48]、對聯(lián)[49]、書法[50-51]、古琴[52]、年 畫[53]、新疆 維 吾爾圖案與木卡姆音樂[54]（如圖4所示）等。

圖4 新疆木卡姆音樂與畫面虛擬展示Fig.4 Animating Mukamu music and picture of Xinjiang

在該研究領域，在國家多個部門的科技計劃支持下，多家單位開展了文化遺產數(shù)字化保護與傳承工作。在學術交流方面，由浙江大學創(chuàng)辦的“全國數(shù)字博物館與文化自然遺產數(shù)字化及保護”研討會已成功舉辦了12屆，第12屆于2019年12月在安慶舉行。該系列會議為領域專家提供了交流文化遺產數(shù)字化及保護的研究成果和經驗、探討該領域所面臨的關鍵性挑戰(zhàn)問題和研究方向的平臺。另外，由北京郵電大學創(chuàng)辦的“中國文化計算大會”也已成功舉辦了2屆。

1 文化遺產數(shù)字化關鍵技術

文化遺產數(shù)字化展示和互動的技術框圖如圖5所示[4,54]。

圖5 文化遺產數(shù)字化展示和互動技術框圖Fig.5 Technique diagram for virtual presentation and interaction of culture heritage

1.1 數(shù)字化建模

1.1.1 三維掃描

三維掃描旨在獲取物體的空間外形結構和色彩信息。其重要意義在于能夠將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數(shù)字信號，為實物數(shù)字化提供方便快捷的手段。早期的三維掃描技術是接觸式的，如通過探針對硬質物體表面進行三維探測的三坐標儀，接觸式掃描易造成文化遺產破壞，顯然不可用于文化遺產的三維獲取。三維掃描通常得到的是一組或幾組點云模型，后期需要經過去噪聲、拼接、精簡、網(wǎng)格化等操作。適用于文化遺產三維獲取的技術主要有激光三維掃描和結構光三維掃描。

激光三維掃描儀的基本結構包括激光光源、受光元件(檢測器)、控制單元及計算單元等，具體方法主要有飛行時間法和三角測量法；結構光三維掃描儀的基本結構包括結構光發(fā)射器（如投影機）、相機、控制單元及計算單元等。結構光發(fā)射器可投射具有結構編碼的圖案，相機可同步拍攝，后期通過圖像分析重建點云數(shù)據(jù)，通常一次可以獲取幾百萬個點，效率較高。

無論是激光三維掃描還是結構光三維掃描，對于透明物體、深色物體、高光反射物體的獲取，都有一定的局限性。

1.1.2 攝影測量

攝影測量是一種通過相機攝影來測量目標物的形狀、大小和空間位置的技術，其基本原理是利用光學攝影機、針孔理想模型及畸變計算來獲取被攝物體的形狀、大小、位置、特性及其相互關系。攝影測量學通過獲取被攝物體的影像，利用單張或多張影像進行處理，研究內容涉及相關理論、設備和技術，以及將所測得的結果以圖解或數(shù)字形式輸出的方法和設備。與三維掃描法不同的是，攝影測量法不需要人為制造激光或結構光特征。

數(shù)字攝影測量指的是從攝影測量和遙感所獲取的數(shù)據(jù)中采集數(shù)字圖像，在計算機中進行各種分析處理，并得到其幾何及其他信息的技術。近年來，由于計算機技術特別是計算機視覺技術的快速發(fā)展，數(shù)字攝影測量技術得以廣泛應用。SLAM技術源于機器人領域，其經典功能是“即時定位與地圖構建”，即將一個機器人放入未知環(huán)境中的未知位置，讓其一邊移動一邊逐步描繪此環(huán)境的地圖。近年來，基于攝像機的視覺SLAM技術，也被應用于文化遺產領域的三維重建，特別是基于AR的數(shù)字文化遺產展示應用[55]。

1.1.3 其他技術

除三維掃描和攝影測量技術外，眾多數(shù)字化建模方法也被用于文化遺產的數(shù)字化記錄與測量，如傳統(tǒng)的幾何建模、數(shù)據(jù)驅動的建模[56]、基于圖像的建模、全景技術[57]、無人機航拍、LiDAR（激光雷達）等。同時，為了適應文化遺產的形狀多樣性，多種技術往往會合并使用，如德國斯圖加特大學將激光三維掃描技術與攝影測量技術相結合，得到了更高質量的模型，并將該法用于生成Al-Khasneh（約旦佩特拉的一個著名紀念碑）的三維虛擬模型[58]。

1.2 數(shù)字化呈現(xiàn)

數(shù)字化呈現(xiàn)是數(shù)字文化遺產展示與互動系統(tǒng)的關鍵部分，其中最核心的是實時繪制。

1.2.1 實時繪制

虛擬場景的快速繪制技術是VR中的關鍵技術。為了真實地表達虛擬場景，通常采用多邊形網(wǎng)格來建模。隨著3D建模技術的不斷發(fā)展，三維模型的精度不斷提高，多邊形數(shù)量也隨之飛速增長，給計算機實時繪制帶來了巨大的挑戰(zhàn)。特別是在20世紀90年代，計算機的運算能力和圖形處理能力比較弱，為了獲得理想的視覺效果和計算機處理速度,可以使用一定的技術對場景中的模型進行管理。細節(jié)層次(LOD)技術是最常用的技術之一,即將三維物體用多種不同的精度表示,并根據(jù)觀察點位置的變化選擇不同精度的模型予以成像。1992年，浙江大學在國內率先開展了幾何模型簡化和多細節(jié)層次模型生成研究，提出了一系列算法[59]，并將其應用于實際系統(tǒng)。

隨著科技的發(fā)展，在VR、三維游戲等領域，實時繪制技術應用越來越廣，其本質就是實時計算和輸出圖像數(shù)據(jù)，在短時間內繪制和顯示圖片。這種技術僅靠CPU是沒辦法完成的，還需要依靠顯卡。另外，由于單渲染系統(tǒng)難以實時繪制巨量數(shù)據(jù)，可采用分布式渲染系統(tǒng)[60]實現(xiàn)3D場景的實時并行繪制[61]。

1.2.2 VR/AR

VR技術常被用于文化遺產的數(shù)字化呈現(xiàn)，特別是對遺失或殘缺的文化遺產的重現(xiàn)具有天然優(yōu)勢。目前，VR系統(tǒng)主要有桌面式VR、頭盔式VR、投影式VR等。桌面式VR，依托桌面計算環(huán)境，用戶以桌面方式與虛擬系統(tǒng)進行交互，顯示器視野比較窄，是一種沉浸感相對較低的VR模式，適用于單件文物或小型文物的展示，典型產品有zSpace。頭盔式VR，借助于VR頭盔顯示器呈現(xiàn)虛擬場景，由于用戶的視覺完全被頭顯內容替代，因此沉浸感較強，但因阻斷了用戶與現(xiàn)實世界的信息交流，人與人交流相對困難，典型產品有Htc Vive，F(xiàn)acebook Oculus等。投影式VR，借助投影系統(tǒng)實現(xiàn)虛擬顯示，視野可以很廣，被廣泛應用于大型遺址的虛擬展示，且可以實現(xiàn)人與人的交流互動，其缺點是容易被現(xiàn)實世界干擾，典型產品有CAVE[62]、VR Workbench等。

AR技術[63-64]常被用于文化遺產的數(shù)字化呈現(xiàn)，特別適用于虛實融合的實地展示與體驗。AR系統(tǒng)主要有三種形式，即手持設備式、頭盔式、空間式。手持設備式AR，主要是基于手持式的PDA或手機，在現(xiàn)場增強呈現(xiàn)虛擬信息，其優(yōu)勢在于便攜、設備普及，易被大眾所接受，缺點是視野比較窄、顯示效果差。頭盔式AR，是一種借助于AR頭盔顯示器的AR呈現(xiàn)方式，需要頭部佩戴設備，有一定的交互負載，典型產品有Hololens、Magic Leap等。空間式AR，是一種借助于投影儀實現(xiàn)空間實景的AR形式，適用于大型遺址的增強呈現(xiàn)，優(yōu)點是顯示效果好，缺點是設備成本高、不可移動。

1.3 人機互動與體驗

人機互動是虛擬體驗中的關鍵問題，由于文化遺產信息特有的屬性，人機互動在文化遺產的虛擬體驗中顯得尤為重要。如何在古老的、甚至已不復存在的文化遺產和人們現(xiàn)實生活之間構建一座信息溝通的橋梁，使文化遺產信息得到更好的展示、傳承和發(fā)揚，其中非常重要的一個環(huán)節(jié)就是友好的用戶界面和自然的人機互動方式[4]。所以，人機互動技術是實現(xiàn)和優(yōu)化文化遺產虛擬體驗系統(tǒng)的不可或缺的因素。

因受計算與存儲能力等因素制約,基于VR的數(shù)字化遺產系統(tǒng)在實時交互等方面面臨不少挑戰(zhàn)。首先,VR系統(tǒng)更強調交互的自然性。顯然,傳統(tǒng)的基于鼠標和鍵盤的交互方式不能適應這種需求。一種自然的實時交互方式是用戶通過在物理空間的自身運動驅動虛擬場景的相應變化[65]。因此,對用戶的位置進行跟蹤是此類VR系統(tǒng)的一個重要組成部分。位置跟蹤的精度會影響用戶的真實感體驗。在數(shù)字化遺產的實際應用中,考慮便攜性、成本、易于實現(xiàn)等因素,常用單個RGB-D相機(如Kinect)進行用戶跟蹤,而有的文化遺產VR系統(tǒng)則使用數(shù)據(jù)手套來跟蹤手勢[66]。但在支持多人協(xié)同交互的VR系統(tǒng)中,對于多人跟蹤,采用單個相機必然存在遮擋問題，特別是對于長時間、完全遮擋問題,需要研究更可靠、精度更高的方法[67]。圖6是基于踏步機的互動控制虛擬場景漫游速度的演示；圖7是基于手勢的互動演奏虛擬樂器。

圖6 基于踏步機的互動Fig.6 Interaction based on treadmill

圖7 基于手勢的互動Fig.7 Interaction based on gesture

2 典型系統(tǒng)

從引言的介紹中可知，文化遺產數(shù)字化應用系統(tǒng)有很多，本節(jié)結合筆者實現(xiàn)的京杭大運河虛擬漫游系統(tǒng)和清明上河圖動畫與互動系統(tǒng)2個典型系統(tǒng)進行介紹。

2.1 京杭大運河虛擬漫游系統(tǒng)

在國家科技支撐計劃項目“中國數(shù)字科技館”的子課題“漫游運河”（2006—2007）支持下，浙江大學牽頭完成了京杭大運河虛擬漫游系統(tǒng)[68-69]（http://b2museum.cdstm.cn/canal/）。該系統(tǒng)以大運河為中心，以情節(jié)為主線，向人們生動地了展示了京杭大運河的歷史，并介紹了一系列人文、科技、歷史、地理知識和相關的科普知識。虛擬漫游系統(tǒng)是一種綜合多學科的系統(tǒng)設計，為用戶提供具有豐富科學內涵的體驗形式和數(shù)字化的虛擬科學樂園。該虛擬漫游和體驗系統(tǒng)引入了“體驗式學習”的教學理念，使用戶在模擬的網(wǎng)絡環(huán)境中，通過“寓教于樂”的實踐體驗獲取知識，檢測自己對該科學知識和方法的掌握程度和運用能力，在進行學習和娛樂體驗的同時，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維，形成良好的科學思考習慣。該系統(tǒng)于2006年上線免費運行，得到了社會的一致好評，為推廣大運河文化、傳承大運河文化遺產起到了積極作用。漫游系統(tǒng)的界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)訪問界面Fig.8 User interface of the system

京杭大運河虛擬漫游系統(tǒng)力求做到操作簡單，同時保證具有豐富的知識量，使用戶在操作過程中，通過“寓教于樂”的體驗獲得知識。因此，系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)需要考慮以下問題：

知識組織與表示的有效性：在具有優(yōu)美的知識傳遞表現(xiàn)的同時，還能高效組織知識，并有效地向用戶展示。具體方法為：通過XML組織元數(shù)據(jù)；利用Flash表現(xiàn)二維場景；利用全景圖表現(xiàn)三維場景；借助視頻和動畫表現(xiàn)運動場景。

交互界面的友好性：一個好的體驗系統(tǒng)，不只是單純地向用戶展示知識，而應有與用戶互動的過程，激發(fā)用戶主動探索。系統(tǒng)采用Java 3D技術，讓用戶進行航行體驗。

服務端性能優(yōu)化：由于系統(tǒng)采用B/S結構模型，服務端的穩(wěn)定性以及對用戶的響應速度等非常重要。本系統(tǒng)采用多線程、數(shù)據(jù)庫連接池等技術提高并行響應能力。

數(shù)據(jù)量有效控制：由于通過Internet傳輸數(shù)據(jù)，因此傳輸?shù)难訒r和低效將影響系統(tǒng)的運行和用戶的使用。本系統(tǒng)中不但有圖片，而且有三維模型，數(shù)據(jù)量非常大。對三維模型數(shù)據(jù)，盡量減少面片數(shù)；此外，采用動態(tài)下載技術提升系統(tǒng)性能。

系統(tǒng)分為3個主要模塊[69-70]：運河概況、沿線風景、漫游體驗。其中前2個模塊以知識介紹為主，結合交互式的動態(tài)展示，在情節(jié)開展之前介紹了運河的形成和開鑿歷史，運河沿線的風土人情、歷史典故和名勝古跡等；第3個模塊以體驗為主，用多媒體的手段展示運河厚重的文化積淀，以情節(jié)為線索，展示當時開鑿運河的主要目的——漕運，即體驗漕運的過程。該線索以知識交互的形式推進，設置一些問答題和關卡，用戶可以通過這些關卡了解與京杭大運河相關的知識。其中，體驗內容主要有：漕運模擬和體驗，通過動畫演示和裝貨模擬，讓目標用戶了解浮力的基本知識和漕運的過程；船閘系統(tǒng)模擬和體驗，告訴用戶船是如何過閘的；運河上的虛擬駕駛，讓用戶了解當時運河沿岸的風土人情，體驗運河上的駕駛；全景圖漫游體驗，讓用戶通過鼠標操作實現(xiàn)身臨其境的場景漫游。

2.2 清明上河圖動畫與互動系統(tǒng)

2002年，杭州市啟動中國京杭大運河博物館的實體建設，2004年，筆者所在的課題組應邀參與館內多媒體展成系統(tǒng)的初期設計，并根據(jù)館方要求制作了清明上河圖畫卷片段的動畫。事實上，最初使用的是由中國美院畫家根據(jù)《清明上河圖》所繪制的一幅畫。后來該項技術被應用到上海世博會的《清明上河圖》長卷動畫中，在全球產生了巨大影響。

為了展示畫卷中豐富的內容，包括人物、建筑、船只、貨物以及生動形象的背景，系統(tǒng)設計包含以下過程[32-33]：（1）通過結合自然的人機交互手段，豐富了系統(tǒng)展示的交互性和用戶體驗，基于網(wǎng)絡攝像頭實現(xiàn)了基于手勢的交互。（2）通過對畫卷進行專業(yè)臨摹與數(shù)字化重現(xiàn)，既保證了數(shù)字化展示的科學性，又增加了信息展示的趣味性。（3)通過將背景的二維數(shù)字化展示與對物體的三維重建相結合，充分考慮整體場景的宏觀與細節(jié)信息的具體展示，并對于畫卷內展示的建筑進行了空間上的聯(lián)想和數(shù)字化重建，進一步增加了該數(shù)字化展示系統(tǒng)所包含的信息量和知識點。（4)采用二維展示與三維虛擬體驗相結合的手段搭建了一個集成的數(shù)字化展示和虛擬體驗環(huán)境，用戶可以觀看二維動畫展示，也可以進入其中具有代表性的建筑物中進行三維漫游，在增加趣味性體驗的同時，通過實際操作加深用戶對場景內物體的認識。本系統(tǒng)的設計包括畫卷背景的二維重建、圖中物體的三維建模、前景背景的合成等數(shù)字化展示。另外，在虛擬體驗設計方面，包括對畫卷內三維建筑的虛擬重建、由二維場景到三維場景的切換和基于手勢識別的交互等(如圖9所示)。

掃二維碼觀看漕運故事半景廳展示系統(tǒng)

圖9 系統(tǒng)設計流程圖和畫面例子Fig.9 T he flow diagram of system design and the animated clip

系統(tǒng)實現(xiàn)步驟：

· 在原畫面的基礎上，對該節(jié)選畫面中的場景進行故事編排，即情景和故事情節(jié)的延伸，從而勾勒出一幅接近于現(xiàn)實的、動態(tài)的場景。

· 對節(jié)選段的背景畫面進行高精度繪制，并從中提取動態(tài)的二維物體，創(chuàng)建二維動畫。此背景分割和單獨繪制的方法，一方面確保了豐富的畫面內容，另一方面有效降低了繪制的數(shù)據(jù)量。

· 從節(jié)選段的前景中選取一些物體進行三維建模。只對背景畫面的繪制還不足以展示繁中見細的特點，因此對前景中一些物體進行三維繪制，而后再結合解說和背景音樂進行合成，盡量向用戶展示內容豐富又形象生動的古代汴河沿岸的繁榮景象。

· 選擇畫面中具有代表性的建筑進行三維場景建模和交互體驗。對建筑內部進行一定程度的聯(lián)想和重建，該步驟主要是為用戶通過二維畫卷點擊進入三維場景進行虛擬漫游而制作，并以手勢交互的方式實現(xiàn)系統(tǒng)操作。

以上步驟中的前三項，主要是實現(xiàn)《清明上河圖》的虛擬展示，最后一項，通過引入自然的人機交互方式，豐富該系統(tǒng)的體驗。

圖10 不同時期文化遺產傳承模式Fig.10 Impart and inherit mode of culture heritage in different stages

3 總結和展望

文化遺產保護的首要目標是要保護其原真性和完整性。原真性和完整性是《保護世界文化和自然遺產公約》中兩個非常重要的概念，也是文化遺產保護的基本目標。文化遺產保護的深層次目標是文化遺產在歷史存留基礎上的價值重現(xiàn)，因此，必須充分挖掘，并在可讀性上下功夫，從中閱讀歷史、了解其文脈，發(fā)掘并再現(xiàn)隱藏在內部的豐富內涵，更好地傳承和傳播傳統(tǒng)文化，使文化遺產得以長存，最終促進文化的協(xié)調和可持續(xù)發(fā)展。圖10示例了不同時期文化遺產的傳承模式，可以預計，借助最新的AI技術，文化遺產數(shù)字化保護和傳承將上一個新的臺階。

在數(shù)字文化遺產方面，當前工作尚面臨巨大挑戰(zhàn)[71-72]，主要體現(xiàn)在：

首先，在獲取文化遺產信息方面，三維掃描、攝影測量、全景、無人機UAV 、3S（GISGPSRS）、激光雷達（LIDAR)等均有應用，如何高保真、高精度地獲取文化遺產，如幾何結構和數(shù)據(jù)處理的高精度、色彩的高度一致等仍是重點任務。此外，由于文化遺產形式各異、分布廣泛，如何將多源的文化遺產數(shù)字化信息進行完整、無縫地融合集成以便統(tǒng)一利用，也是目前面臨的重大挑戰(zhàn)。

其次，在數(shù)字化展示方面，如何將最新的科學技術與文化遺產的內涵結合起來，更好地講述文化遺產故事、傳承文明，并針對不同受眾進行個性化展示，是目前工作面臨的又一巨大挑戰(zhàn)。在保證專業(yè)性的同時，做到寓教于樂，使參與者能夠通過與虛擬環(huán)境的交互或其他操作，得到身臨其境的體驗和沉浸感，從而達到學習、體驗和娛樂的目的。

此外，對文化遺產進行保護、保存、展示與傳播是一項龐大的系統(tǒng)工程，不僅涉及考古學、博物館學、地質學、信息學、材料學、傳播學等多學科的知識，而且需要將各學科知識進行有機融合與交叉。對文化遺產進行全方位、多角度的數(shù)字化保護，是數(shù)字文化遺產未來發(fā)展的重要方向。

可見，我們不僅要在文化遺產保存上做工作，而且還要通過新穎的方法和手段對其進行數(shù)字化展示與虛擬體驗，重新構建其特有的科學和人文內涵，為廣大群眾了解傳統(tǒng)文化和文化遺產提供一種更加簡單、便捷的渠道，使我國珍貴的歷史遺存和智慧結晶更加貼近我們的日常生活，并為我們提供源源不斷的知識養(yǎng)分。