虛擬現(xiàn)實技術(shù)在文物保護中的應用探討

張文

摘 要：文章從現(xiàn)階段我國文物保護中存在的突出問題入手，分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展過程及主要技術(shù)特征，深入研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)在文物保護中的應用及關(guān)鍵技術(shù)，并以莫高窟為例進行分析。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);文物保護;莫高窟

隨著居民生活水平的提高，整個社會對文物保護工作的重視程度逐年提升，由此帶來文物保護和文物修復工作的黃金發(fā)展時期。文物傳承著中華民族的共同記憶，記載著歷史的變遷，是我國傳統(tǒng)文化的重要載體。如何通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)提升文物保護工作的質(zhì)量，更好地發(fā)揮文物展覽、博物館職能，是現(xiàn)階段文物保護與展出工作研究的熱點問題。

1 我國文物保護現(xiàn)狀

1.1 保護策略過時

我國文物數(shù)量眾多，但有超過50%的文物都被損壞了，比如紙質(zhì)類、漆器類、織繡類等文物在傳承過程中都遭到了不同程度的破壞，產(chǎn)生脆化及脫色等問題。在以前的文物保護工作中，只開展修復和臨摹等，不能有效延長文物的壽命，并且還會損耗很多的資金、時間和人力。此外，大量不可移動的文物處于很偏僻的地區(qū)，相關(guān)工作者不能對其開展很好的保護，文物不能有效發(fā)揮其自身的核心價值。

1.2 大量文物無法展出

部分學者的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國現(xiàn)有的文物展出地點多達幾十萬處，各類文物上千萬件，我國擁有大量的文物，但只有少部分文物被展出，供公眾學習和參觀。例如南京博物館館藏文物多達40萬件，其中展出文物只占館藏文物的2%。與此同時，在文物展出的過程中，為保護文物需投入大量的人力、物力和財力，采取專業(yè)化的保護措施。文物展出品難以頻繁更換，長時間展出同一批文物，難以吸引大眾的參觀，因此導致惡性循環(huán)，不利于博物館職能的發(fā)揮和文物保護工作的開展。

1.3 文物保護形勢嚴峻

我國文物保護工作面臨自然因素和人為因素的雙重影響，首先在自然因素方面，全球變暖、惡劣天氣、經(jīng)濟增長等都會對文化遺產(chǎn)產(chǎn)生影響;其次在人為因素方面，火災、戰(zhàn)爭、走私、過度旅游等也增加了文物保護的難度。例如部分文物流失海外，導致無法觀賞或游覽一處完整的文化遺產(chǎn)，如圓明園在多次浩劫中成為一片廢墟。旅游業(yè)的快速發(fā)展給地方帶來經(jīng)濟收入的同時，也給部分文化遺產(chǎn)的保護工作帶來了諸多限制，部分地區(qū)在文物保護工作中投入不足，比如平遙古城在短短兩年時間內(nèi)就曾三次坍塌。①

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)分析

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展

虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡稱VR技術(shù)，是20世紀90年代為工程界和科學界廣為關(guān)注的一項技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)開創(chuàng)了人機交互界面領(lǐng)域新的研究方向，是智能工程的重要應用領(lǐng)域，為大型工程的數(shù)據(jù)可視化提供了新的技術(shù)手段。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可借助于計算機的存儲和計算優(yōu)勢，構(gòu)建虛擬的三維空間，實現(xiàn)逼真的虛擬模擬，使用戶在視覺上產(chǎn)生沉浸式的體驗。

早在1965年就有學者提出了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，隨后美國林肯實驗室開始了頭盔式顯示器的研制工作，并在顯示器系統(tǒng)中融入了觸覺力反饋系統(tǒng)和模擬力量系統(tǒng)模?；谝陨戏N種的理論和技術(shù)突破，20世紀80年代正式提出了VR（Virtual Reality）一詞。虛擬現(xiàn)實技術(shù)最早在美國國防部和宇航局中得到應用，并取得了滿意的效果，后開發(fā)出多個通用傳感虛擬現(xiàn)實技術(shù)和仿真器。20世紀90年代，計算機軟硬件系統(tǒng)飛速發(fā)展，使虛擬現(xiàn)實技術(shù)商業(yè)化應用成為可能，通用型的輸入輸出設(shè)備不斷推出。

2.2 虛擬現(xiàn)實主要技術(shù)特征

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要包括虛擬實景技術(shù)和虛擬虛景技術(shù)，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)包括以下4個主要的技術(shù)特征：①強烈的存在感。借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能使用戶在模擬環(huán)境中體驗真實感，現(xiàn)階段的虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)做到真假難辨的程度。②優(yōu)異的交互性能。在模擬環(huán)境下用戶可操作物體的能力以及從虛擬環(huán)境中得到反饋的程度稱之為交互性。借助于力學感應設(shè)備，用戶可在虛擬現(xiàn)實中體驗真實環(huán)境中抓握物體的觸感，物體也可隨著手的移動而移動。③多感知能力。在虛擬現(xiàn)實場景中，用戶除了有視覺感受，還可實現(xiàn)觸覺、力覺、聽覺、味覺等多感知能力。在理想化的虛擬現(xiàn)實場景中，使用者可感受到與現(xiàn)實場景相同的感知功能。④自主性。自主性需構(gòu)建與現(xiàn)實場景中類似的物理運動規(guī)律，使其符合力學定律。在對一個物體施加力的作用時，它會沿力的方向移動或者翻倒，在一個閉環(huán)的虛擬現(xiàn)實場景中，可通過傳感器與虛擬環(huán)境中的用戶實現(xiàn)聯(lián)通。①

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在文物保護中的應用

3.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在文物保護中作用

3.1.1 提升保護效果

借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在文物保護與展出環(huán)節(jié)能夠避免文物氧化、風化、破壞的問題，最大限度地保護文物。借助于影像化的方式和虛擬場景的方式，將修復后的文物以最佳狀態(tài)展示出來，同時選擇最佳的文物遺產(chǎn)保護方式。對于大型文物建筑群，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可構(gòu)筑立體式的虛擬場景，為用戶呈現(xiàn)身臨其境的感覺。

3.1.2 突破時空限制

作為一種數(shù)字化的存儲和信息傳播方式，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠大大突破時間和空間的限制。將遠距離的文物搬到觀察者面前，在此過程中不受環(huán)境和區(qū)域的限制，避免文物在搬移過程中的損壞。更為重要的是，虛擬現(xiàn)實技術(shù)打破了博物館展出的模式，用戶可借助互聯(lián)網(wǎng)在任意地點實現(xiàn)24小時不間斷“參觀”。

3.1.3 豐富展示方式

借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)強大的展示功能，能夠為公眾提供更加多樣的觀察方式和感受方式。首先，對于小件文物可從多個角度立體式地進行展示，將傳統(tǒng)的觀察者移動、文物靜止轉(zhuǎn)變?yōu)槲奈镆苿?、觀察者靜止的方式，提升了觀察體驗。其次，對于大型石雕或者古建筑群，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠構(gòu)建一個虛擬場景，幫助觀察者進入一個相對獨立的歷史空間，豐富了觀察視角和感受體驗。

3.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)保護文物實施過程

3.2.1 獲取數(shù)據(jù)

為了更加真實地還原文化遺產(chǎn)，提供更加逼真的虛擬環(huán)境，需要借助于多項測量手段，獲得高精度的三維數(shù)據(jù)。常用的測量技術(shù)包括儀器測量、激光雷達測量、攝影測量等。對大型場景是文化遺產(chǎn)進行測量，多采用儀器測量技術(shù)，使用全站儀能夠便捷地完成大范圍數(shù)據(jù)的采集。規(guī)則幾何體或者超大型石雕，可采用攝影測量技術(shù)，準確的獲得三維數(shù)據(jù);表面非規(guī)則或者形態(tài)復雜的文物，使用激光掃描技術(shù)最為便捷，采集數(shù)據(jù)的精確度更高。通常情況下可采用一兩種測量技術(shù)搭配完成文化遺產(chǎn)中不同文物的數(shù)據(jù)采集。

3.2.2 虛擬環(huán)境的三維建模

在獲取精確化的三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，虛擬環(huán)境的三維建模是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵步驟，也是文物保護工作數(shù)字在線的基礎(chǔ)工作?，F(xiàn)階段在三維建模中常使用成熟的建模軟件，完成目標文物的交互式建模過程，建模的精度較高。使用建模軟件能夠避免繁重的手工作業(yè)，建模效率高，自動化程度高，但是也要注意到，模精度與成本呈現(xiàn)正相關(guān)，建模精度每提升一個臺階，都伴隨著資金投入的大量增加。

3.2.3 生成實時三維圖形

將已經(jīng)建好的文物三維場景或者是模型展示在用戶面前，最便捷的方式是使用三維圖形生成技術(shù)。在實時站位圖形的生成過程中，重點是實現(xiàn)三維圖像的實時再現(xiàn)，要求繪制的幀率應高于30幀每秒。該項技術(shù)在使用的過程中最大的技術(shù)難點是在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和圖形復雜程度的基礎(chǔ)上，盡可能提升圖形繪制的幀率。

3.2.4 傳感器與立體顯示技術(shù)

單純的屏幕展示無法發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)在文物保護中的最大價值，現(xiàn)階段不少研究人員提出使用傳感器技術(shù)和立體顯示技術(shù)，在非觸摸的條件下為使用者帶來真實的觸感。利用傳感器技術(shù)開發(fā)出的多種頭盔式顯示器，搭配數(shù)據(jù)手套或者服飾，結(jié)合壓力技術(shù)和力學原理能夠提供更加真實的虛擬場景。與此同時，相比單純的屏幕展示，大型立體顯示設(shè)備在虛擬旅游方面顯示出更加旺盛的生命力和市場需求。②

3.3 應用的關(guān)鍵系統(tǒng)工具

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于文物保護的過程中，應首先分析適用于該文物的最佳技術(shù)搭配，并開發(fā)出相應的系統(tǒng)工具，常用的技術(shù)包括分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)平臺。

實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的核心技術(shù)包括以下幾個：①實時三維計算機圖形技術(shù)，該項技術(shù)能夠生成不同環(huán)境下目標文物的精準圖像，其重點在于實時性和高精度;②寬視野立體顯示技術(shù)，借助于寬視野立體顯示技術(shù)，用戶戴上特制眼鏡后，可在一只眼睛內(nèi)顯示奇數(shù)幀的圖像，另一只眼睛顯示偶數(shù)幀的圖像，即產(chǎn)生了視覺上的立體感;③立體聲播放技術(shù)帶來的聲音大幅提升了虛擬現(xiàn)實的真實感;④觸覺反饋技術(shù)是在特制的手套內(nèi)加裝振動觸點，提供了觸覺及力學感受。

3.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在文物保護中的應用案例

以敦煌莫高窟為例，探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)在文物保護中的具體應用。敦煌莫高窟是大西北區(qū)的一處文化與藝術(shù)寶藏，地處絲綢之路的關(guān)鍵節(jié)點，其中的文物是中西方文明的瑰寶。莫高窟在千余年的歷史中，遭受到地震、風沙侵襲、偷盜、刻畫等破壞，加上近年來過度的旅游開發(fā)，使莫高窟幾乎所有的洞窟都存在不同程度的文物破壞問題。

近年來，敦煌研究院在文物保護方面做了大量的工作，對于現(xiàn)存的壁畫、建筑和彩塑均起到了較好的保護效果。但是也應注意到莫高窟文化遺址年代久遠、規(guī)模宏大，保護工程量巨大，同時壁畫保護的諸多難題尚未完全攻克，給文物保護工作帶來了諸多困難。

在敦煌莫高窟的文物保護中，主要包括三個目標任務(wù)。首先，需完成482個洞窟和莫高窟周圍230余平方千米的地區(qū)的全三維建模，建模的范圍包括室內(nèi)的文物和室外環(huán)境，構(gòu)建高精度的復制檔案，搭建虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用的平臺。該項基礎(chǔ)工作不僅可供游人參觀使用，也可為文物保護和重建研究提供便捷的工具。其次，對現(xiàn)存的壁畫進行重建和色彩學修復。最后，基于上述兩項成果，復原敦煌壁畫的歷史故事，進行虛擬現(xiàn)實技術(shù)上的三維演繹。①

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在莫高窟文物保護中的應用主要體現(xiàn)在數(shù)字敦煌工程中。將新一代數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)引入敦煌遺產(chǎn)保護中，現(xiàn)存與敦煌相關(guān)的文物包括洞窟、彩塑、壁畫、建筑群等，生成高精度的圖像，結(jié)合數(shù)字技術(shù)，將敦煌文物相關(guān)的文獻資料和研究成果匯編成電子檔案館，借助于激光掃描攝影、航空拍照等手段，獲取敦煌莫高窟內(nèi)外的全三維數(shù)據(jù)及影像資料，建立三維可視的數(shù)字化環(huán)境模型。通過以上三方面的工作，不僅可以保護珍貴的雕塑和壁畫，同時可借由虛擬現(xiàn)實技術(shù)再現(xiàn)莫高窟的模型，用于瀏覽、參觀和研究。

具體工作流程分析如下：①借助于高精度的攝影和激光掃描技術(shù)，獲取室內(nèi)外的環(huán)境數(shù)據(jù);②制作等值線圖和正射影像圖，建立三維數(shù)據(jù)庫;③基于上述的數(shù)據(jù)進行三維數(shù)據(jù)建模，主要包括數(shù)據(jù)采集、不規(guī)則三角網(wǎng)的構(gòu)建、三維恢復模型的構(gòu)建;④在上述模型中完成紋理拼接和細節(jié)刻畫。

4 應用展望

應該注意到我國的虛擬現(xiàn)實技術(shù)還處于發(fā)展的初級階段，在商業(yè)模式和應用解決方案上還不足夠成熟。在文物保護中應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)還存在許多技術(shù)問題，需要相關(guān)工作人員繼續(xù)研究。針對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在文物保護中應用的限制，應大力推廣數(shù)字化保護工作，應用現(xiàn)代信息技術(shù)實現(xiàn)文物保護的目標，快速提升我國文物保護能力建設(shè)。②另一方面，深入探討三維地理信息系統(tǒng)，通過虛擬現(xiàn)實、激光掃描等相應技術(shù)的融合發(fā)展，探索出符合我國文化遺產(chǎn)保護需求的軟硬件技術(shù)方案，構(gòu)建文化傳播與文物保護相結(jié)合的有效途徑。最后，國家有關(guān)部門應會同科研院所設(shè)立重大專項，聚焦科研與資金力量，在重大文物遺產(chǎn)保護項目中探索和應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)文化旅游事業(yè)發(fā)展、廣大人民素質(zhì)提升、優(yōu)秀文化傳承和文物保護的有機統(tǒng)一。

5 結(jié)語

我國擁有悠久燦爛的歷史文明，其中重要的文物和遺跡是屬于全人類的重要文化遺產(chǎn)。隨著信息時代的到來，在文物保護過程中應引入現(xiàn)代化的科學技術(shù)，提升文物保護工作的效率，更好地進行文物修復和還原工作，是現(xiàn)階段文物保護領(lǐng)域工作人員的重要研究課題。借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可更加高效地實現(xiàn)文物的展示與保護，提供了一種基于信息技術(shù)框架下的文物保護工作理論及方法。