故宮博物院數(shù)字VR劇場(chǎng)的多元化應(yīng)用

張雨辰

關(guān)鍵詞 VR技術(shù)；數(shù)字劇場(chǎng)；文化傳播；新媒體

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-0360（2021）16-0024-04

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（英文名稱：Virtual Reality，縮寫為VR），是20世紀(jì)發(fā)展起來的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)[ 1 ]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)囊括計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)于一體，其基本實(shí)現(xiàn)方式是通過計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有存在性、多感知性、交互性等特征，深受博物館行業(yè)的關(guān)注與青睞。早在2003年，故宮文化資產(chǎn)數(shù)字化應(yīng)用研究所（簡(jiǎn)稱數(shù)研所）就開始進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的探索，建立了一套多通道VR展示系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)渲染技術(shù)將虛擬的紫禁城以不同于平常的視角展示出來。

隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)研所數(shù)字VR劇場(chǎng)先后經(jīng)歷了兩次展示系統(tǒng)的迭代更新。使用清晰度更高的投影設(shè)備，同時(shí)改造渲染系統(tǒng)的架構(gòu)，使渲染性能、穩(wěn)定性以及便捷性都有較大的提升。截至2020年，數(shù)研所在該系統(tǒng)上陸續(xù)開發(fā)了10部《紫禁城·天子的宮殿》虛擬現(xiàn)實(shí)系列節(jié)目，對(duì)于展示傳播故宮文化起到了非常重要的作用。

隨著觀眾對(duì)于文化需求的日益增長(zhǎng)，以故宮博物院為代表的中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化也越來越受到重視，相關(guān)的文化活動(dòng)發(fā)布會(huì)、論壇、學(xué)術(shù)講座以及會(huì)議不斷的增加，數(shù)字VR劇場(chǎng)的使用率也達(dá)到了新的高度。與此同時(shí)，也從以下三方面看到了不足：

1）數(shù)字VR劇場(chǎng)使用場(chǎng)景單一，無法匹配現(xiàn)階段多元化的使用方式。由于系統(tǒng)設(shè)備是根據(jù)VR節(jié)目自身特性所集成，無法將設(shè)備沿用與其他應(yīng)用場(chǎng)景當(dāng)中，團(tuán)隊(duì)調(diào)研國(guó)內(nèi)多家博物館的數(shù)字劇場(chǎng)、VR影院和球幕劇場(chǎng)，都存在只能播放特定影劇內(nèi)容的情況，系統(tǒng)設(shè)備無法針對(duì)不同內(nèi)容轉(zhuǎn)換使用場(chǎng)景。只能使用VR系統(tǒng)外的投影設(shè)備進(jìn)行內(nèi)容的投射放映，又由于數(shù)字VR劇場(chǎng)為弧幕劇場(chǎng)需要對(duì)展示畫面進(jìn)行復(fù)雜的幾何矯正，所以展示效果受到極大的影響。

2）VR節(jié)目全部以介紹故宮古建筑為主題，缺乏對(duì)可移動(dòng)文物的專題VR節(jié)目。由于系統(tǒng)和軟件技術(shù)的限制，主要以故宮古建為視角進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)VR節(jié)目，對(duì)于186萬件故宮所藏珍貴文物的系統(tǒng)介紹相對(duì)較少。

3）數(shù)字VR劇場(chǎng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高，難以支撐博物館數(shù)字化展示業(yè)務(wù)的可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)有投影系統(tǒng)為汞燈光源投影機(jī)，燈泡更換時(shí)長(zhǎng)短成本高且該設(shè)備配件老化，輸出圖像信號(hào)不穩(wěn)定，在使用過程中存在風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)以上三個(gè)方面的問題，進(jìn)行了深入的調(diào)查研究，并著手對(duì)數(shù)字VR劇場(chǎng)多通道展示系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的升級(jí)改造工程，致力于建設(shè)一個(gè)多元化智慧數(shù)字VR劇場(chǎng)。

1 提升傳統(tǒng)VR展示效果

數(shù)字VR劇場(chǎng)原有基于三臺(tái)2K級(jí)汞燈光源投影機(jī)組成的前端投影展示系統(tǒng)，通過對(duì)弧幕進(jìn)行融合拼接，形成一個(gè)高4.2米、寬13.5米的投影畫面，拼接后畫面總體分辨率為4 250×1 200像素點(diǎn)。對(duì)于汞燈光源來說其損耗程度與投影的使用時(shí)長(zhǎng)成正比，雖然三臺(tái)投影的畫面一致性保持正常，但是投影光源出現(xiàn)亮度及色彩飽和度下降的問題。目前數(shù)研所制作的虛擬現(xiàn)實(shí)節(jié)目，模型精度按照4K級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采集和加工，現(xiàn)有前端展示系統(tǒng)已不足以匹配高精度、高擬真度三維數(shù)據(jù)的展示需求。

為解決這個(gè)問題，利用現(xiàn)階段主流4K激光投影設(shè)備（Barco UDX-4K22）作為數(shù)字VR劇場(chǎng)前端投影系統(tǒng)部分的投影機(jī)。該投影機(jī)具有4K UHD（3 840×2 400）分辨率和20 000lm光輸出，同時(shí)恒定光輸出（CLO）功能也能始終提供恒定的亮度和顏色，而且采用三片DLP（數(shù)字光處理）芯片使畫面展示色彩空間提升到Rec.709標(biāo)準(zhǔn)以上，確保能夠顯示精準(zhǔn)的色彩。在運(yùn)營(yíng)成本上，由于采用的使激光熒光光源，可以避免燈源成本、維護(hù)成本以及圖像閃爍的問題。

基于傳統(tǒng)VR節(jié)目展示需求來建立逼真的視景仿真環(huán)境，需要對(duì)多通道投影進(jìn)行拼接融合，利用投影機(jī)內(nèi)置的自動(dòng)曲面幾何圖像糾正系統(tǒng)和Blending融合系統(tǒng)，將位于多個(gè)投影機(jī)的投影區(qū)域重合部分的畫面亮度做由明到暗的過渡處理，使得不同投影機(jī)生成的圖像可以平滑過渡[2]。經(jīng)過驗(yàn)證，拼接融合系統(tǒng)處理后的圖像，可以實(shí)現(xiàn)多通道投影在弧幕上的無縫顯示效果，達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)要求。

此次前端投影系統(tǒng)部分升級(jí)改造完全剔除了原系統(tǒng)的缺陷，從色彩的銳利性和穩(wěn)定性、亮度的穩(wěn)定性、畫面的精細(xì)度與一致性等各個(gè)方面都有了非常顯著的提高，運(yùn)營(yíng)成本則顯著降低。拼接畫面物理分辨率達(dá)到8 720×2 400像素，而通過投影4K增強(qiáng)功能可以使分辨率提升到11 626×3 200像素，相比于原來投影設(shè)備拼接而成的畫面精細(xì)度提升了4倍。同時(shí)激發(fā)后臺(tái)渲染圖形工作站的最大性能承載力，在保證程序運(yùn)行流暢的基礎(chǔ)上，對(duì)每塊顯卡實(shí)現(xiàn)4K內(nèi)容的渲染輸出，使得VR節(jié)目的沉浸感和臨場(chǎng)效果都獲得極大提升，為接下來新展示方式和劇場(chǎng)延伸性的探索提供了平臺(tái)和可能性。

2 探索新展示方式

傳統(tǒng)VR節(jié)目主要依靠特定的虛擬現(xiàn)實(shí)渲染引擎進(jìn)行開發(fā)，三個(gè)通道的分別獨(dú)立渲染畫面之后進(jìn)行軟件系統(tǒng)的幀同步，同步后達(dá)到畫面的一致性從而實(shí)現(xiàn)120度可觀賞視角虛擬場(chǎng)景的展現(xiàn)，在此過程中利用了投影機(jī)角度視角模式（Angular FOV），但是這種模式本身存在局限性，它無法將有弧度的屏幕在Windows視窗下融合為一個(gè)整體，即使內(nèi)容已經(jīng)相對(duì)完整，但是展示方式卻存在單一的情況，這就產(chǎn)生了數(shù)字化展示過程中的局限性。為此我們嘗試了新的投影方式，前端投影系統(tǒng)加載新的平行視角模式（Collimator FOV）并利用NVIDIA Mosaic多屏顯示技術(shù)，通過矯正幾何畫面能夠?qū)⑷_(tái)投影機(jī)在有弧度的屏幕下形成統(tǒng)一的Windows視窗畫面。

平行視角模式的引入使我們對(duì)于故宮文化遺產(chǎn)的展示方式有了更多的可能性。隨著近幾年商業(yè)游戲引擎的快速發(fā)展，特別是其優(yōu)異的畫面特效、可定制性、多平臺(tái)和組件化開發(fā)，越來越多的文博數(shù)字化展示內(nèi)容也利用游戲引擎進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，更利于大眾化的傳播并取得了不錯(cuò)的效果。對(duì)此，數(shù)研所運(yùn)用新的系統(tǒng)平臺(tái)和游戲化引擎開啟全新類目的故宮文化遺產(chǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)節(jié)目開發(fā)工作。

故宮博物院現(xiàn)有書畫類（繪畫、法書）藏品127 006件/套，目前故宮博物院對(duì)于書畫類藏品的展示方式除了傳統(tǒng)線下展覽以外通過“數(shù)字文物庫(kù)”和“故宮名畫記”兩個(gè)網(wǎng)頁展示欄目進(jìn)行欣賞，盡可能擴(kuò)大資源開放力度來激活數(shù)字文物的價(jià)值。但是故宮書畫類文物的采集精度可以達(dá)到數(shù)十億級(jí)像素級(jí)別，線上展示的方式無法將超高清的書畫資源數(shù)據(jù)進(jìn)行淋漓盡致的展現(xiàn)。中華傳統(tǒng)文化需要根據(jù)文物的不同種類進(jìn)行多元化的展示工作，這就需要結(jié)合新的數(shù)字展示技術(shù)與展示方法，以沉浸式、交互式的方式來欣賞傳統(tǒng)書畫。

《韓熙載夜宴圖》是五代十國(guó)時(shí)期南唐畫家顧閎中的繪畫作品，現(xiàn)存宋摹本，絹本設(shè)色，其風(fēng)格基本反映出原作面貌，且達(dá)到相當(dāng)高水平，堪稱流傳有緒的古代繪畫珍品[3]。與傳統(tǒng)VR節(jié)目不同，書畫藏品的展示以二維影像為主，所以不能用以往透視視角進(jìn)行數(shù)字化展示，需在制作引擎里使用正交視角對(duì)書畫藏品二維影像數(shù)據(jù)加以利用。在實(shí)際制作過程中，由于《韓熙載夜宴圖》數(shù)字影像精度極高（最高達(dá)到600dpi），數(shù)字VR劇場(chǎng)的超高精度屏幕易產(chǎn)生摩爾紋（摩爾效應(yīng)）從而影響觀賞效果。對(duì)此，在開發(fā)過程中利用Mip映射（Mipmapping）技術(shù)，通過制作多個(gè)層級(jí)的影像貼圖在虛擬相機(jī)遠(yuǎn)近不同的情況下，轉(zhuǎn)換適當(dāng)?shù)挠跋窦?jí)別，這樣不僅產(chǎn)生更好的視覺效果，也能將減少實(shí)時(shí)渲染的負(fù)擔(dān)[4]。

之后利用局域網(wǎng)搭建可交互式的展示平臺(tái)，平板設(shè)備作為客戶端控制數(shù)字VR劇場(chǎng)大屏幕進(jìn)行可視化交互，開發(fā)三種互動(dòng)模式：故事模式、分鏡模式和熱點(diǎn)模式。故事模式以自動(dòng)化講解的方式將《韓熙載夜宴圖》學(xué)術(shù)研究成果以及所蘊(yùn)含的知識(shí)點(diǎn)，通過簡(jiǎn)單易懂的可視化語言表達(dá)出來，形成10分鐘的VR節(jié)目；分鏡模式和熱點(diǎn)模式主要面向基于數(shù)字VR劇場(chǎng)的學(xué)術(shù)交流，學(xué)者可以自主選擇交互熱點(diǎn)進(jìn)行可定制化的講解和展示。

將VR劇場(chǎng)與二維書畫影像結(jié)合，并通過合適的技術(shù)手段和巧妙的闡釋設(shè)計(jì)，從而形成新的數(shù)字VR劇場(chǎng)展示方式。突破以往VR技術(shù)用于三維內(nèi)容的展示界限，將中華傳統(tǒng)書畫以另一種形態(tài)展現(xiàn)給大眾。

3 數(shù)字VR劇場(chǎng)的延伸性

上一代數(shù)字VR劇場(chǎng)受硬件系統(tǒng)和軟件平臺(tái)的限制，僅限播放虛擬現(xiàn)實(shí)節(jié)目，無法實(shí)現(xiàn)其多功能性。通常數(shù)字劇場(chǎng)需要承接更多的線下文化傳播活動(dòng)，觀影周、學(xué)術(shù)論壇、文化講座以及發(fā)布會(huì)都是提升博物館自身影響力的主要方式。文化的數(shù)字化工作，需要切實(shí)的場(chǎng)地進(jìn)行“孵化”與“傳播”。基于數(shù)字劇場(chǎng)、數(shù)字影院來舉辦更多、更豐富的文化活動(dòng)，這就需要數(shù)字化展示場(chǎng)所有更為多樣的使用功能，以此來滿足不同使用場(chǎng)景。所以說延伸性是判定博物館數(shù)字VR劇場(chǎng)是否具有可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)。

一般來說，傳統(tǒng)的巨幕數(shù)字演播廳容易實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于不同的使用場(chǎng)景，而對(duì)于球幕以及弧幕等演播廳設(shè)備，由于受異形屏幕的限制，不易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的多功能復(fù)用。例如，球幕數(shù)字劇場(chǎng)多數(shù)情況下只能播放特定技術(shù)和制式的2D或3D數(shù)字影片，在播放其他數(shù)字內(nèi)容時(shí)受屏幕畸變影響大，而且需要更加復(fù)雜的投影系統(tǒng)來滿足使用需求。特別是在當(dāng)今世界新冠肺炎疫情肆虐的大背景下，越來越多的機(jī)構(gòu)選擇視頻電話會(huì)議的形式開展工作，所以畫中畫、多窗口等會(huì)議功能需求凸顯，弧幕在這一方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

此外，提升數(shù)字VR劇場(chǎng)的復(fù)用性能夠有效降低博物館的運(yùn)營(yíng)成本。如今越來越多的博物館為了提升自身品牌效應(yīng)，會(huì)定期舉辦學(xué)術(shù)會(huì)議及產(chǎn)品的發(fā)布會(huì)，公道甚至出彩的發(fā)布會(huì)給新產(chǎn)品的推出形成正面的影響。所以，通常情況下博物館行業(yè)會(huì)尋求公關(guān)公司的幫助利用更好的展示系統(tǒng)平臺(tái)搭建發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，一般情況下硬件設(shè)備的租賃占活動(dòng)總經(jīng)費(fèi)的20%以上[5]。博物館行業(yè)的品牌傳播，要把重點(diǎn)放在品牌內(nèi)容的打造，通過數(shù)字VR劇場(chǎng)的硬件系統(tǒng)復(fù)用性降低活動(dòng)成本，將更好的內(nèi)容呈現(xiàn)給公眾，從而提升博物館公共文化服務(wù)效率。

新一代數(shù)字VR劇場(chǎng)采用模塊化的系統(tǒng)定制，每種系統(tǒng)模塊盡可能的實(shí)現(xiàn)功能分離，每個(gè)系統(tǒng)模塊盡可能的實(shí)現(xiàn)多方位接口。根據(jù)預(yù)設(shè)使用場(chǎng)景，構(gòu)架數(shù)字VR劇場(chǎng)的可交叉式系統(tǒng)布局，多種模式相互組合實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用場(chǎng)景。作為顯示系統(tǒng)構(gòu)建的核心設(shè)備——多通道演示融合處理器（畫中畫處理器），一方面負(fù)責(zé)鏈路三臺(tái)投影機(jī)與多臺(tái)高性能工作站的信號(hào)輸入與輸出交換，另一方面負(fù)責(zé)多路超高清信號(hào)通過畫中畫功能同時(shí)在弧幕上呈現(xiàn)。以往數(shù)字VR劇場(chǎng)中間鏈路由信號(hào)顯示矩陣和融合設(shè)備共同組成，升級(jí)后無需分步控制，減少中間環(huán)節(jié)從而降低信號(hào)延時(shí)，提升信號(hào)穩(wěn)定性。對(duì)于面向公眾的數(shù)字VR劇場(chǎng)來說，系統(tǒng)穩(wěn)定性是運(yùn)營(yíng)過程中非常關(guān)鍵的指標(biāo)，其良好的穩(wěn)定性能夠降低運(yùn)營(yíng)成本，提升放映產(chǎn)能[6]。

除顯示系統(tǒng)升級(jí)以外，對(duì)聲音系統(tǒng)也進(jìn)行了杜比全景聲（Dolby Atmos）的升級(jí)，其突破了傳統(tǒng)意義上5.1、7.1聲道的概念，能夠結(jié)合影片內(nèi)容，呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的聲音效果，更真實(shí)的營(yíng)造出由遠(yuǎn)及近的音效。

博物館領(lǐng)域經(jīng)常會(huì)舉辦國(guó)際間的交流活動(dòng)和會(huì)議，通過同聲傳譯設(shè)備可以保證演講者在演講的同時(shí)，內(nèi)容被同聲翻譯成指定的目標(biāo)語言，通過另外的聲道傳送給與會(huì)代表。

對(duì)于數(shù)字VR劇場(chǎng)來說，除了能夠播放傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)影片以外，還需要擴(kuò)大系統(tǒng)軟件技術(shù)路線，運(yùn)用諸如人工智能、AR、感官體驗(yàn)、主動(dòng)立體等先進(jìn)技術(shù)來打造更為豐富的博物館領(lǐng)域播放內(nèi)容，這是現(xiàn)階段博物館數(shù)字劇場(chǎng)應(yīng)當(dāng)具有的技術(shù)延伸性。同時(shí)，通過不同功能模塊的組合疊加，可以變化不同的使用場(chǎng)景，以此來應(yīng)對(duì)各類應(yīng)用需求，這是現(xiàn)階段博物館數(shù)字劇場(chǎng)應(yīng)當(dāng)具有的場(chǎng)景延伸性。只有兩者相互結(jié)合、相互作用，才能夠使博物館數(shù)字劇場(chǎng)保持相對(duì)長(zhǎng)久的先進(jìn)性和易用性，提升數(shù)字劇場(chǎng)在博物館整體建設(shè)中的影響力，提高數(shù)字劇場(chǎng)利用效率。

4 總結(jié)

通過此次系統(tǒng)性的數(shù)字VR劇場(chǎng)升級(jí)改造，在現(xiàn)有的多通道VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，搭建了一個(gè)更為穩(wěn)定、更加先進(jìn)，同時(shí)具有一定功能拓展性和延伸性的博物館展示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字VR劇場(chǎng)的可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)；同時(shí)，從系統(tǒng)角度出發(fā)，提供了一個(gè)與時(shí)俱進(jìn)的、可供文化服務(wù)、傳播與研究的綜合平臺(tái)；從文化創(chuàng)造的角度出發(fā)，新的數(shù)字VR劇場(chǎng)為故宮數(shù)字化的傳播與展示提供了更為強(qiáng)大的支撐和平臺(tái)。

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