遼代文物古跡的數(shù)字化展示技術(shù)研究

趙晶晶

（遼寧傳媒學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

文物古跡具有歷史價(jià)值、科學(xué)價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值，是遺存在社會(huì)上或埋藏在地下的歷史文化遺物和遺跡。我國(guó)歷史悠久，中華文明綿延至今未曾中斷，擁有著豐富的歷史文化遺產(chǎn)。一直以來(lái)，習(xí)近平總書(shū)記高度重視我國(guó)文化遺產(chǎn)的保護(hù)和傳承工作，他強(qiáng)調(diào)要“讓收藏在博物館里的文物、陳列在廣闊大地上的遺產(chǎn)、書(shū)寫(xiě)在古籍里的文字都活起來(lái)。”隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，文物的數(shù)字化得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。近年來(lái)，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、教育、游戲等領(lǐng)域，其不僅可以對(duì)損壞的文物古跡進(jìn)行虛擬化的修復(fù)和復(fù)原，還可以對(duì)一些已經(jīng)消失的文物進(jìn)行虛擬化展示。

博物館是展示歷史文化的重要窗口，也是保護(hù)和發(fā)揚(yáng)我國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的重要途徑。利用人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、3D全息展示、云上展覽、虛擬觸摸、沉浸式體驗(yàn)等新技術(shù)、新手段、新方法，可以實(shí)現(xiàn)文物的數(shù)字化展示，讓文物古跡“活”起來(lái)，讓人們能夠隨時(shí)隨地、多角度、沉浸式地欣賞文物。

一、遼代文物古跡的重要地位和文物古跡數(shù)字化展示的意義

遼王朝時(shí)期是中國(guó)歷史發(fā)展的一個(gè)重要時(shí)期，遼代文化吸收了渤海國(guó)、五代、北宋、西夏以及西域各國(guó)的文化，主要由契丹文化、漢族、其他民族文化共同融合而成，是草原文化的重要組成部分，獨(dú)具特色的多元文化形態(tài)決定了其在歷史發(fā)展進(jìn)程中具有不可替代的地位。現(xiàn)存大量的遼代文物古跡為我們研究遼代歷史提供了重要依據(jù)。

2020年初，受新冠肺炎疫情影響，各地博物館陸續(xù)暫停對(duì)外開(kāi)放，多項(xiàng)原定于春節(jié)期間的文物展覽被取消，文化事業(yè)的發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。但與此同時(shí)，文物數(shù)字化得到了快速發(fā)展，呈現(xiàn)出勃勃生機(jī)。受自然災(zāi)害、環(huán)境惡化、政治經(jīng)濟(jì)等因素影響，一些不可移動(dòng)的建筑文物歷經(jīng)歲月的洗禮而倒塌、甚至被人為毀壞，這時(shí)文物保護(hù)部門(mén)要對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，就必須基于文物本身的特殊性，人工搜集數(shù)據(jù)資料、繪制圖紙并研究傳統(tǒng)工藝進(jìn)行施工，難度可想而知。而文物數(shù)字化不僅可以存儲(chǔ)大量的文字、圖形、圖像數(shù)據(jù)，便于調(diào)用和比對(duì)，為文物的展示、保護(hù)、研究、修復(fù)提供了一個(gè)新的方法和平臺(tái)，在某種程度上減輕了文物修復(fù)工作中數(shù)據(jù)采集的資源消耗，緩解了文物資源保護(hù)和利用的矛盾，還能讓人們足不出戶(hù)就享受海量文博資源。通過(guò)數(shù)字展廳、虛擬看展、VR看展，以全新的視角和互動(dòng)體驗(yàn)，利用數(shù)字、藝術(shù)、故事、交互等手法演繹社會(huì)、歷史、文化和藝術(shù)的探索之旅，為傳承中華文化提供了有力的技術(shù)支持。

二、文物古跡數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)

（一）提供虛擬技術(shù)展示，突破時(shí)間和空間限制

基于文物保護(hù)的需要，博物館中的文物被保存在固定的設(shè)備中，因此，人們?cè)趨⒂^時(shí)，很難觀察到文物的細(xì)節(jié)；而在虛擬空間中，人們可以自由進(jìn)入所感興趣的場(chǎng)景進(jìn)行欣賞，并且，數(shù)字建模技術(shù)可以360度立體還原文物細(xì)節(jié)，能夠給人們帶來(lái)不同的體驗(yàn)視角。

（二）共享數(shù)字化文物數(shù)據(jù)庫(kù)，利于資料的管理和調(diào)用

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)一般分為兩種，一種是本地存儲(chǔ)，需要用精模，文件量較大，可供文物修復(fù)時(shí)調(diào)用；另一種是在線存儲(chǔ)，主要用于在線傳輸，便于文化傳播，重點(diǎn)突出紋理的精度，需要WebVR引擎工具來(lái)處理不同等級(jí)的紋理，方便查看。文物的數(shù)字化是將大量的文字、圖像、音視頻資料等文物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合，并建立龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行全景拍攝和三維數(shù)據(jù)重建，形成虛擬三維影像，使文物的展示由實(shí)體、靜態(tài)拓展到虛擬、動(dòng)態(tài)。實(shí)現(xiàn)對(duì)文物古跡的數(shù)字化展覽與管理，不僅能讓人們更直觀地獲取歷史文化資源，也能為進(jìn)一步研究歷史文化、檢索和開(kāi)發(fā)文物展示系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

（三）創(chuàng)建VR展示平臺(tái)，增強(qiáng)互動(dòng)性和體驗(yàn)感

“三維數(shù)字建模技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、建筑測(cè)繪等行業(yè)已普遍使用，其在文物保護(hù)和博物館虛擬化展示等方面也做了一些嘗試”。數(shù)字化展示最終生成的是可視化歷史文物資源，可以讓人們更直觀、更真實(shí)地了解文物。

高精度實(shí)景三維數(shù)字建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、全景展示技術(shù)在文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)方面的應(yīng)用，為數(shù)字化展示提供了技術(shù)基礎(chǔ)，促進(jìn)了沉浸式體驗(yàn)展示技術(shù)的產(chǎn)生，比如，虛擬講解、“復(fù)原”展示并形成互動(dòng)、創(chuàng)建博物館AR游戲或AR展館內(nèi)導(dǎo)航等。

三、文物古跡數(shù)字化展示的相關(guān)技術(shù)

（一）數(shù)據(jù)信息采集技術(shù)

文物數(shù)字化的首要工作是采集數(shù)據(jù)，目前采集文物數(shù)據(jù)并生成三維模型的方法一般有三種：激光掃描技術(shù)、影像掃描技術(shù)和手動(dòng)3D軟件建模。三者各有優(yōu)缺點(diǎn)：激光掃描技術(shù)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、工作效率和精度方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但采集時(shí)需要大量的標(biāo)記點(diǎn)，容易造成文物本身質(zhì)地上的磨損或破壞，而且只出模型不顯示紋理，需要后期重新貼紋理；影像掃描技術(shù)所獲得的三維模型顏色逼真，能高效地1：1還原文物材質(zhì)，是文物觀察和還原質(zhì)地的首選，其缺點(diǎn)是3D打印的文物約有1－2毫米的誤差，且針對(duì)高光反射材質(zhì)輸入不穩(wěn)定，通常需要人工干預(yù)修改；人工手動(dòng)建?？梢詫?duì)文物破損或殘缺丟失的部位進(jìn)行虛擬還原，但精度不夠、效率低下。因此，采用激光掃描技術(shù)和影像掃描技術(shù)相結(jié)合，是遼代文物數(shù)字化最合適的方式，具體方法如下：

第一，拍攝可移動(dòng)的文物 （如遼代金銀器、銅鐵器、陶瓷器等）時(shí)，要特別注意背景和光源的選擇。首先，不能用彩色做背景，宜使用白色、灰色或黑色，但要注意與文物本身顏色有所區(qū)別。其次，在設(shè)置光源時(shí)，要注意光源的位置和強(qiáng)度，比如光線變化、反光、陰影等會(huì)虛化文物上的細(xì)節(jié)，因此，可采用Neutral Lighting（中性照明），清晰地拍攝出文物的細(xì)微差別、紋理和瑕疵等。最后，拍攝時(shí)應(yīng)盡可能減弱或消除雜亂投影和反光，可采用4種方法：1.通過(guò)調(diào)節(jié)文物兩側(cè)的打光、使用反光板或?qū)⑽奈镏糜诎l(fā)光板、燈箱上，提高背景亮度；2.在燈前加透明硫酸紙等，利用反光傘、玻璃瓦透明塑料板當(dāng)作攝影臺(tái)；3.針對(duì)不銹鋼、玻璃、瓷器等易形成反光的材質(zhì)，可將柔光布放置在被拍物的四周，從而減少反光；4.若文物表面不易破損，可使用無(wú)光噴劑或其他化學(xué)試劑來(lái)消除反光。

第二，拍攝不可移動(dòng)的文物 （如無(wú)垢凈光舍利塔、白鶴樓、奉國(guó)寺、古墓等）時(shí)，需使用專(zhuān)業(yè)的布光。例如，遼代墓穴內(nèi)部空間有限、環(huán)境復(fù)雜，拍攝設(shè)備無(wú)法放置到拍攝位，打光也較平面拍攝難得多，而且平面拍攝的布光是主觀性的，但三維拍攝時(shí)的布光要均勻，并且要滿(mǎn)足一定的指標(biāo)，因此，需要專(zhuān)業(yè)的布光。使用專(zhuān)業(yè)的布光時(shí)，一方面可使用高精度掃描儀，將掃描精度精確至亞毫米級(jí)甚至μm級(jí)別，有效滿(mǎn)足對(duì)精度要求比較高的文物；另一方面，針對(duì)墓穴環(huán)境過(guò)暗或偏色的問(wèn)題，可運(yùn)用專(zhuān)業(yè)的燈光設(shè)備并制定布光方案，力求模擬出穩(wěn)定的太陽(yáng)光感，有效提高光源的真實(shí)性。

（二）“智能”紋理生成技術(shù)

數(shù)據(jù)采集便于組建文物的數(shù)據(jù)資源庫(kù)，但其在展示文物的演變過(guò)程、360度環(huán)繞觀看等方面有一定的局限性。這一問(wèn)題可通過(guò)賦予真實(shí)的紋理材質(zhì)，并創(chuàng)建周?chē)摂M環(huán)境來(lái)解決。

Substance Designer是一款功能強(qiáng)大的材料創(chuàng)作軟件，也是Ultimate3D材料創(chuàng)作和掃描處理工具，允許用戶(hù)構(gòu)建“智能”紋理生成器，可以表現(xiàn)紋理的質(zhì)感、烘焙模型信息 （如法線、位移、曲率等）。具有材質(zhì)和程序的效果庫(kù)，其精確的掃描濾鏡可以完成高清掃描工作，特有的無(wú)縫材質(zhì)也適用于Photogrammetry攝影測(cè)量流程。

Substance Painter制作出的是PBR格式的模型貼圖 （如圖1所示）。PB工作流程，即Physically Based Rendering，屬于物理的渲染過(guò)程，是一套基于真實(shí)世界光照物理模型的渲染技術(shù)，能夠更精確地描述光和物體表面的互動(dòng)。其將傳統(tǒng)的通過(guò)高光貼圖、環(huán)境貼圖的制作細(xì)化為金屬?gòu)?qiáng)度 （Metallic）和光滑強(qiáng)度（Smoothness），就像利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言中的“RGB”來(lái)定義顏色。這一優(yōu)勢(shì)可以真實(shí)地表達(dá)歷經(jīng)滄桑的遼代古建筑，最終表現(xiàn)出文物現(xiàn)階段真實(shí)的渲染效果。

圖1 Substance Painter中材質(zhì)貼圖面板

（三）虛擬動(dòng)畫(huà)演示技術(shù)

虛擬動(dòng)畫(huà)演示技術(shù)打破了早期靜態(tài)、被動(dòng)、單一角度觀看文物的局限性，方便人們?nèi)轿弧⒍嘟嵌鹊赜^看和體驗(yàn)虛擬建筑。首先，通過(guò)動(dòng)畫(huà)和圖像，人們可以看到建筑的搭建過(guò)程、整體面貌、建筑細(xì)節(jié)以及恢弘的氣勢(shì)；其次，人們可以結(jié)合旁白、音樂(lè)、聲效在視聽(tīng)世界里了解建筑的故事，產(chǎn)生身臨其境之感；最后，通過(guò)虛擬交互技術(shù)，人們還可以利用操控按鈕設(shè)定觀看路線，體會(huì)建筑的文化傳承魅力。

在制作虛擬演示動(dòng)畫(huà)前，需構(gòu)思、設(shè)計(jì)全景飛行動(dòng)畫(huà)、粒子效果天氣動(dòng)畫(huà)、人機(jī)虛擬交互畫(huà)面等分鏡頭腳本，并詳細(xì)繪制各分鏡頭的時(shí)長(zhǎng)、角度、聲效和旁白等。虛擬演示動(dòng)畫(huà)主要由動(dòng)畫(huà)展示和虛擬交互演示兩部分組成，由三維動(dòng)畫(huà)制作技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，動(dòng)畫(huà)展示的具體制作流程為：首先，在3dmax中建立攝像機(jī)、附加太陽(yáng)光及輔助光源、加入雨雪特效等動(dòng)畫(huà)，再運(yùn)用Vary渲染器將動(dòng)畫(huà)渲染為序列幀 （如圖2所示）；其次，將用Flash制作的按鈕元件和后期圖片素材導(dǎo)入AE中，運(yùn)用Keylight功能將操控按鈕透明化；最后，運(yùn)用Premiere影視合成技術(shù)，將時(shí)間軸上每個(gè)序列幀、圖片、背景音樂(lè)和旁白等所有素材剪輯并調(diào)整好順序，添加轉(zhuǎn)場(chǎng)特效進(jìn)行渲染，最終輸出MP4格式的成品動(dòng)畫(huà)。虛擬交互演示的具體制作流程為：將模型導(dǎo)出為PBX格式的文件，保存至Assets文件夾，最終運(yùn)用Unity3D引擎多角度進(jìn)行預(yù)覽。系統(tǒng)交互界面的點(diǎn)擊操作，主要通過(guò)Flash制作按鈕元件并添加ActionScript3.0編程來(lái)實(shí)現(xiàn)各按鈕的聯(lián)接關(guān)系。

圖2 遼陽(yáng)白塔的動(dòng)畫(huà)渲染序列幀

需要注意的是：1.在制作動(dòng)畫(huà)時(shí)，要保證鏡頭連續(xù)、不抖動(dòng)、速度適宜；2.在Flash中制作交互界面時(shí)，代碼的編寫(xiě)要準(zhǔn)確；3.背景音樂(lè)要與攝像機(jī)飛行速率相匹配，達(dá)到“踩點(diǎn)”的效果。

（四）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)即VR技術(shù)，又稱(chēng)虛擬實(shí)境或靈境技術(shù)，擁有更強(qiáng)的真實(shí)感和交互功能。羅奧、范伊然在研究中提出：“四川美術(shù)學(xué)院的周教授就有關(guān)于古生物復(fù)原的研究項(xiàng)目，他的團(tuán)隊(duì)能夠從皮毛層面對(duì)滅絕生物進(jìn)行數(shù)字復(fù)原，使人們從未見(jiàn)過(guò)的生物在計(jì)算機(jī)里變得栩栩如生。古生物如此，可見(jiàn)復(fù)原歷史遺跡應(yīng)當(dāng)也是可行的。”VR技術(shù)是將計(jì)算機(jī)復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的操控，將三維圖像、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工智能、多媒體音頻等多種現(xiàn)代科技相結(jié)合，并利用Unity3D游戲引擎開(kāi)發(fā)互動(dòng)環(huán)節(jié)，生成一個(gè)虛擬空間模擬系統(tǒng)。同時(shí)，結(jié)合用戶(hù)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等，通過(guò)VR體驗(yàn)設(shè)備讓用戶(hù)沉浸在虛擬環(huán)境中，并隨著身體感官的變化來(lái)影響場(chǎng)景，給人以真實(shí)場(chǎng)景的互動(dòng)體驗(yàn)。

四、文物古跡數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)

（一）利用云技術(shù)促進(jìn)文物數(shù)字資源共享

隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展和大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，“數(shù)據(jù)蝶變”“上云用數(shù)”“數(shù)字賦能”等專(zhuān)有樣態(tài)應(yīng)運(yùn)而生。因此，可以利用數(shù)字技術(shù)留下1：1全景圖像資料，將文物資源數(shù)據(jù)、管理和服務(wù)由本地遷移到云端，通過(guò)云技術(shù)使文物與科技、文物與民生、文物與教育、文物與旅游等行業(yè)深度融合，最終實(shí)現(xiàn)“文物傳播云展示”。

（二）建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的文物數(shù)據(jù)庫(kù)

目前，我國(guó)博物館正處于信息化發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，基本上每個(gè)博物館都在按照自己的標(biāo)準(zhǔn)和慣例探索文物數(shù)字化，這時(shí)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的文物數(shù)據(jù)庫(kù)就顯得尤為必要。各博物館的文物數(shù)字化在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系下進(jìn)行，能夠極大程度地為文物數(shù)據(jù)使用、互相借鑒、網(wǎng)絡(luò)權(quán)限等提供便利，從而實(shí)現(xiàn)文物資源數(shù)據(jù)的共享。

五、結(jié) 語(yǔ)

文物古跡的數(shù)字化展示是傳承中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，傳播文物歷史價(jià)值、民族精神和文化力量，凝聚和弘揚(yáng)民族精神的重要載體。以數(shù)字化技術(shù)手段為依托，結(jié)合遼代民族的文化特點(diǎn)，以現(xiàn)代化的方式保護(hù)、傳承和發(fā)展文化遺產(chǎn)，形成更廣泛、立體的文化推廣，是實(shí)現(xiàn)歷史文化資源價(jià)值最大化和社會(huì)共享的有效途徑。