數(shù)字化技術(shù)在文化遺產(chǎn)的保護(hù)與傳承中的應(yīng)用研究

郭龍翔

（周口師范學(xué)院）

文化遺產(chǎn)蘊(yùn)含著豐富的文化信息，其種類豐富、設(shè)計(jì)巧妙、工藝精湛、風(fēng)格多樣，每一處文化遺產(chǎn)都具有其獨(dú)特的藝術(shù)特征和精神風(fēng)貌。對(duì)文化遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化處理與數(shù)字化展示平臺(tái)的建設(shè)，有利于對(duì)非遺文化的保護(hù)、傳承與創(chuàng)新研究；對(duì)于弘揚(yáng)民間文化、傳統(tǒng)文化，發(fā)掘地方傳統(tǒng)文化的市場(chǎng)潛力，促進(jìn)地方特色文化的健康發(fā)展，推進(jìn)城市文化品牌建設(shè)，在文化遺產(chǎn)保護(hù)與傳承的可持續(xù)發(fā)展方面也可以起到至關(guān)重要的作用，文化遺產(chǎn)的數(shù)字化是社會(huì)發(fā)展的需要、時(shí)代發(fā)展的需要。

一、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展

數(shù)字化技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生而發(fā)展出來(lái)的一種技術(shù)。計(jì)算機(jī)由“0”與“1”構(gòu)成，這兩個(gè)數(shù)字也可以看作開和關(guān)，1表示開，0表示關(guān)，這一組開關(guān)構(gòu)成了二進(jìn)制的數(shù)制。人們看到的計(jì)算機(jī)顯示出來(lái)的一切復(fù)雜效果，都是計(jì)算根據(jù)各種編譯語(yǔ)言對(duì)二進(jìn)制數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)碼后而展現(xiàn)出的形態(tài)。所以說(shuō)，我們?cè)谟?jì)算機(jī)中所看到的一切，其實(shí)都是數(shù)字0和1，而通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行的文字、圖形、視頻等信息的記錄、修改及保存，都屬于數(shù)字化技術(shù)的范疇。

自數(shù)字化技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，經(jīng)歷過(guò)不同的階段，最開始是數(shù)字和字母階段，此階段計(jì)算機(jī)剛剛出現(xiàn)，體積大、操作復(fù)雜，只有少數(shù)尖端領(lǐng)域的科研人員才能接觸。然后是圖形階段，20世紀(jì)60年代，在伊萬(wàn)·蘇澤蘭發(fā)表論文《Sketchpad：人機(jī)圖形通信系統(tǒng)》，標(biāo)志著數(shù)字化技術(shù)開始進(jìn)軍圖形學(xué)領(lǐng)域，這位“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父”還提出了最初的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）的方案，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)不斷完善，數(shù)字化圖形開始廣泛的應(yīng)用。到現(xiàn)在，數(shù)字化技術(shù)的虛擬化越來(lái)越接近現(xiàn)實(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)想接近實(shí)現(xiàn)，而以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）、混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，簡(jiǎn)稱MR）等新的數(shù)字化技術(shù)也開始出現(xiàn)，當(dāng)然，這一切的核心就是數(shù)字化技術(shù)。

歷史文化資源數(shù)字化之后有很多方便之處，一是可以對(duì)數(shù)字化資料進(jìn)行靈活的修改、編輯、移動(dòng)、備份等。如按照傳統(tǒng)的方式對(duì)資料進(jìn)行這類操作，程序上會(huì)非常繁瑣，費(fèi)工費(fèi)力，難以實(shí)現(xiàn)。二是方便查閱、檢索、調(diào)取信息資料。在信息時(shí)代，各種數(shù)據(jù)資料海量，個(gè)人如想找到所需的材料如大海撈針一樣，但是當(dāng)材料數(shù)字化以后，就可以在電腦或者其它智能設(shè)備上進(jìn)行快速的檢索和調(diào)用，還不會(huì)受到時(shí)間以及空間上的限制。三是依托網(wǎng)絡(luò)等方式，可以高效、便捷的進(jìn)行歷史文化資源的分享與傳播。在5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，各種智能終端豐富多樣，大眾通過(guò)手機(jī)就可以隨時(shí)隨地的輕松接觸到這些文化資源知識(shí)，這些數(shù)字化資源在文化的傳承中能夠起到巨大的作用。

二、當(dāng)下重要的數(shù)字化技術(shù)

（一）360全景技術(shù)

（二）三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù)是20實(shí)際90年代開始，逐漸發(fā)展而來(lái)的一種能夠快速獲取物體三維空間數(shù)據(jù)的技術(shù)，憑借激光測(cè)距的原理進(jìn)行激光掃描，能夠精確地獲得被掃描物體在真實(shí)空間中的坐標(biāo)位置，并自動(dòng)生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維激光掃描的適應(yīng)能力強(qiáng)，從大型的古建筑、遺跡，到小型的文物，三維激光掃描都能夠很好的進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的獲取，但由于光線都是沿直線進(jìn)行，所以對(duì)復(fù)雜的物體，一般會(huì)通過(guò)變換不同的角度，多次掃描，以獲得完整無(wú)誤的數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)在后期進(jìn)行對(duì)齊與拼接，最終建立完整的三維數(shù)據(jù)模型。

（三）攝影測(cè)量建模技術(shù)

攝影測(cè)量建模技術(shù)是21世紀(jì)以來(lái)新型的一種數(shù)字化建模方式，這種技術(shù)通過(guò)多角度采集被攝物體的照片，在通過(guò)計(jì)算機(jī)專門軟件進(jìn)行處理，依照一定的算法來(lái)生成物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再由點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)而生成物體模型，并依據(jù)照片投射賦予貼圖，達(dá)成完整的三維模型，效果也非常真實(shí)。由于這種建模技術(shù)依托于大量的攝影照片，技術(shù)和設(shè)備上的限制相比三維激光掃描小了非常多，現(xiàn)在的社會(huì)幾乎人人都有手機(jī)可以隨時(shí)隨地進(jìn)行拍攝，所以這種技術(shù)也就成為了最為高效、成本低、最容易推廣的建模技術(shù)。

應(yīng)用這種技術(shù)建模軟件有很多，按照數(shù)據(jù)處理的方式來(lái)算分為兩種類型，一種是云端計(jì)算，如Autodesk ReCap Phot，這種類型的軟件需要把拍攝到的照片素材通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至軟件的云端，然后云端的服務(wù)器再通過(guò)算法進(jìn)行點(diǎn)云的計(jì)算、模型的生成，這種類型的好處是云端處理數(shù)據(jù)，不占用本地的電腦計(jì)算能力，并且計(jì)算速度更快，可以完成更高精度的模型重建。第二種類型是本地處理的軟件，如Agisoft Metashape Professional，這款軟件所有的計(jì)算不依靠網(wǎng)絡(luò)，所有的數(shù)據(jù)處理由本地完成，所以數(shù)據(jù)處理的速度取決于設(shè)定的精度，以及電腦硬件的算力，在模型不那么復(fù)雜的情況下也能夠很好的完成建模工作。

雖然攝影測(cè)量建模技術(shù)有不同的軟件，但是其本質(zhì)上的工作流程是一樣的。（1）使用相機(jī)拍攝足夠多角度的被攝物體照片。（2）在建模軟件中導(dǎo)入照片。（3）使用軟件對(duì)齊照片，計(jì)算出照片的拍攝角度，并生成三維空間坐標(biāo)，以及初步的點(diǎn)云效果。（4）生成高質(zhì)量的密集點(diǎn)云，使物體的細(xì)節(jié)得以體現(xiàn)。（5）優(yōu)化點(diǎn)云效果，生成網(wǎng)格模型。（6）為模型生成紋理貼圖。（7）完成模型創(chuàng)建，并根據(jù)需要，導(dǎo)出相應(yīng)三維模型格式文件，如：stl、fbx、obj等格式。

鑒于攝影測(cè)量建模技術(shù)具備的多重優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外的文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)工作，也越來(lái)越多的采用這種技術(shù)來(lái)進(jìn)行。除了常規(guī)文物以外，地形測(cè)繪，建筑群等大型的三維重建工作，也開始借助無(wú)人機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，利用這種數(shù)字化技術(shù)來(lái)快速進(jìn)行模型的創(chuàng)建工作。

（四）虛擬現(xiàn)實(shí)與游戲引擎

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，原英文名稱為“Virtual Reality”，簡(jiǎn)稱為“VR”。它是一種集計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的一種新的媒介。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)現(xiàn)在可以分為兩種，第一種是廣義的虛擬現(xiàn)實(shí)，它主要說(shuō)的是通過(guò)計(jì)算機(jī)三維軟件對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行的虛擬仿真，在這一層含義下，三維技術(shù)是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的主導(dǎo)，而三維模型的創(chuàng)建更是虛擬現(xiàn)實(shí)的一大基礎(chǔ)。第二種就是狹義的虛擬現(xiàn)實(shí)，這種主要是以硬件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要常見(jiàn)的就是那些 VR投影設(shè)備、頭戴式的 VR 眼鏡、依靠手機(jī)等輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)的 VR 等等。在這種含義下，利用多部攝像機(jī)在不同視角下同時(shí)拍攝，再以技術(shù)手段拼接成全景視頻，然后通過(guò) VR 設(shè)備進(jìn)行播放，此時(shí)人們眼睛觀察到的雖然是經(jīng)過(guò)處理的錄像影像，是真實(shí)世界的影像作品，也可以通過(guò)扭頭去觀察其它角度，但它畢竟不是目前的真正的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，所以它依然也是虛擬的現(xiàn)實(shí)影像。目前市面上絕大多數(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)大多數(shù)指的就是這第二種，也就是狹義的虛擬現(xiàn)實(shí)，上文中所提到的360全景圖也屬于此。

游戲引擎指一些已編寫好的可編輯電腦游戲系統(tǒng)或者一些互交式實(shí)時(shí)圖像應(yīng)用程序的核心組件。這些系統(tǒng)為游戲設(shè)計(jì)者提供各種編寫游戲所需的工具，其目的在于讓游戲設(shè)計(jì)者能容易和快速地做出游戲程序而不用由零開始。

為什么提游戲引擎，原因是隨著大型電腦游戲的快速發(fā)展，電腦硬件的變強(qiáng)，游戲引擎，特別是游戲引擎當(dāng)中的代表：虛幻引擎（Unreal Engine）所展現(xiàn)出的實(shí)時(shí)渲染能力已經(jīng)突破傳統(tǒng)影視行業(yè)的認(rèn)知。傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)受限于軟硬件，在表現(xiàn)超寫實(shí)虛擬場(chǎng)景的時(shí)候很難做到實(shí)時(shí)的交互和渲染，但是自第四代虛幻引擎（簡(jiǎn)稱UE4）出現(xiàn)以后，強(qiáng)大的實(shí)時(shí)渲染能力使得超寫實(shí)、仿真的虛擬場(chǎng)景可以流暢的展現(xiàn)出來(lái)，而且借助UE4，還可以實(shí)現(xiàn)很多的實(shí)時(shí)交互特性。這些優(yōu)勢(shì)很快突破了游戲引擎是專門做游戲的這種傳統(tǒng)認(rèn)知，并很快風(fēng)靡了各個(gè)行業(yè)：如汽車模擬、產(chǎn)品模擬、建筑表現(xiàn)、虛擬拍攝、虛擬合成等領(lǐng)域，它還顛覆了影視特效行業(yè)的制作方式，即將淘汰影視行業(yè)傳統(tǒng)的藍(lán)綠背拍攝的標(biāo)準(zhǔn)流程。

常用的過(guò)氧化試劑有過(guò)氧甲酸、過(guò)氧乙酸、間氯過(guò)氧苯甲酸等。過(guò)氧酸是一種酸性比母體酸若千倍的弱酸，造成這一現(xiàn)象的原因主要是過(guò)氧酸分子內(nèi)極易形成能量穩(wěn)定的五元環(huán)所致。不過(guò)這不代表安全，長(zhǎng)鏈過(guò)氧酸室溫為固體，較為穩(wěn)定。而短鏈液體過(guò)氧酸，受熱易分解和爆炸，應(yīng)避光低溫妥善保存。過(guò)氧酸常常被用作引發(fā)劑、氧化劑[15]和消毒劑。

三、文化遺產(chǎn)的數(shù)字化展示案例

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，世界各國(guó)越來(lái)越重視文化遺產(chǎn)方面的保護(hù)與傳承，數(shù)字化技術(shù)也開始越來(lái)越多的應(yīng)用到了文化遺產(chǎn)的保護(hù)和傳承當(dāng)中，數(shù)字圖書館、數(shù)字化博物館等等隨之出現(xiàn)。

（一）數(shù)字虛擬盧浮宮

法國(guó)的數(shù)字虛擬盧浮宮項(xiàng)目，就是最早進(jìn)行數(shù)字博物館建設(shè)的案例，盧浮宮成為第一個(gè)把藏品從展館搬到網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行展示的博物館。最初，網(wǎng)站上只有簡(jiǎn)單的博物館歷史的簡(jiǎn)單介紹，數(shù)字虛擬盧浮宮在2004年在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)博物館展廳的虛擬漫游，通過(guò)官網(wǎng)，下載指定的媒體播放器之后，人們就可以在網(wǎng)上進(jìn)行虛擬參觀，游覽盧浮宮中的七大展館，欣賞3.5萬(wàn)件管內(nèi)公開展示的藏品。

（二）數(shù)字敦煌

“數(shù)字敦煌”是國(guó)內(nèi)另一個(gè)有名的數(shù)字化展館項(xiàng)目，該項(xiàng)目從20世紀(jì)80年代就提出了構(gòu)想，旨在利用計(jì)算機(jī)和數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)敦煌石窟文物的永久保存和利用。2014年，敦煌莫高窟數(shù)字展示中心建成使用，通過(guò)數(shù)字化技術(shù)，向觀眾呈現(xiàn)莫高窟絢麗多彩的石窟藝術(shù)經(jīng)典及氣勢(shì)恢宏的歷史文化背景，游客們?cè)谟斡[莫高窟之前就可以對(duì)莫高窟進(jìn)行全方位的觀賞。借此方式，也可以適當(dāng)減少石窟的開放數(shù)量，分散游客，并縮短其在洞窟內(nèi)的游覽時(shí)間，緩解參觀活動(dòng)對(duì)遺址造成的壓力，對(duì)石窟遺址的保護(hù)與傳承，起到重要作用。除了敦煌莫高窟數(shù)字展示中心以外，2016年5月，還上線了“數(shù)字敦煌”資源庫(kù)，人們可以在網(wǎng)絡(luò)上通過(guò)虛擬漫游的方式，游覽和體驗(yàn)30個(gè)洞窟中的藝術(shù)經(jīng)典。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)字博物館

2019年4月15日 擁 有856年歷史的巴黎圣母院，巴黎的地標(biāo)性建筑，全人類的藝術(shù)瑰寶發(fā)生了大火，屋頂被燒毀、其哥特式建筑標(biāo)志性的塔尖在大火中坍塌，索性巴黎圣母院的主體構(gòu)造得以保留。還有值得慶幸的一點(diǎn)就是，2015年有團(tuán)隊(duì)利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)巴黎圣母院進(jìn)行過(guò)三維數(shù)據(jù)的獲取，精確地三維激光掃描數(shù)據(jù)加上巴黎圣母院存留的完備的設(shè)計(jì)圖紙，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確修復(fù)是不成問(wèn)題的，這也說(shuō)明了數(shù)字化技術(shù)在文化遺產(chǎn)資源的保護(hù)和傳承起到的重要作用。

2019年法國(guó)政府在全力修復(fù)巴黎圣母院的時(shí)候，有虛擬現(xiàn)實(shí)制作公司推出了名為《巴黎圣母院：時(shí)光倒流旅程》的VR游覽項(xiàng)目，并在聯(lián)合國(guó)教科文組織總部（UNESCO）首度公開，成為了官方導(dǎo)覽內(nèi)容。該項(xiàng)目正式發(fā)布以后，人們可以通過(guò)電腦加上虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備去游覽、感受大火之前的巴黎圣母院這一經(jīng)典古跡。這個(gè)項(xiàng)目基于游戲引擎進(jìn)行制作，人們可以通過(guò)VR設(shè)備仔細(xì)游覽“巴黎圣母院”這個(gè)古老的輝煌建筑，巴黎圣母院當(dāng)中的各種細(xì)節(jié)都可以一覽無(wú)余，除此以外， 該VR項(xiàng)目還提供了不同的游覽方式，人們既可以進(jìn)入到建筑物里慢慢游覽，也可以通過(guò)搭乘熱氣球，在空中進(jìn)行觀賞。這種通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的手段進(jìn)行參觀巴黎圣母院的方式，也成為民眾在巴黎圣母院重建修復(fù)完成前，進(jìn)入內(nèi)部游覽的唯一選擇。

通過(guò)這個(gè)案例，也體現(xiàn)出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化博物館建設(shè)的巨大潛力，隨時(shí)隨地，不受地域、時(shí)間、空間的限制的沉浸式的游覽體驗(yàn)，這種方式應(yīng)該也是未來(lái)數(shù)字化虛擬博物館發(fā)展的一種方向。

四、文化遺產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用流程

關(guān)于數(shù)字化技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護(hù)與傳承中的應(yīng)用，可以分為不同的階段來(lái)進(jìn)行。

（一）基礎(chǔ)資料的數(shù)字化

在這個(gè)階段，首先要全面整理文化遺產(chǎn)項(xiàng)目相關(guān)的文史資料，收集文化遺產(chǎn)項(xiàng)目相關(guān)的所有故事和介紹，做好分類和索引。有缺失以及圖片素材不清晰，可以選擇使用專業(yè)相機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，力爭(zhēng)建立完善的圖文音像數(shù)字化資料庫(kù)。

（二）360全景漫游展示

360全景圖技術(shù)是業(yè)內(nèi)流行的文化場(chǎng)景展示方案，也有非常多成熟的案例可以借鑒，如數(shù)字虛擬盧浮宮、數(shù)字敦煌。從成本上來(lái)說(shuō)相對(duì)較小，且傳播方便，是一種非常容易實(shí)現(xiàn)的數(shù)字虛擬展示方式，文化遺產(chǎn)也可以選擇這種數(shù)字化展示方案。

（三）文化遺產(chǎn)數(shù)字化虛擬博物館

這一階段的目的是建立一個(gè)三維化的文化遺產(chǎn)數(shù)字化虛擬博物館，通過(guò)三維激光掃描及攝影測(cè)量建模技術(shù)，可以給文化遺產(chǎn)中的雕刻進(jìn)行數(shù)字三維重建，得到單獨(dú)的可從任何角度去觀察的三維雕刻模型，然后用真實(shí)可信的三維模型為基礎(chǔ)，搭配第一階段整理好的圖文音像數(shù)字化資料庫(kù)。就可以建立一個(gè)更為生動(dòng)形象，現(xiàn)代化的文化遺產(chǎn)展示系統(tǒng)。

（四）游戲引擎與數(shù)字化虛擬博物館的建立

在做完上述各階段的工作之后，進(jìn)入到游戲引擎與數(shù)字化虛擬博物館的建立這個(gè)環(huán)節(jié)。借助最新的第五代虛幻引擎，簡(jiǎn)稱“虛幻5”首先對(duì)所有掃描得到的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，建立一個(gè)完整的虛擬文化遺產(chǎn)場(chǎng)景。虛幻5引入了很多新的技術(shù)，其中最利好的是Nanite渲染技術(shù)，其能夠直接在游戲引擎里表現(xiàn)出影視級(jí)別的超高精度模型。這種技術(shù)使利用攝影測(cè)量建模方式制作的模型，在未經(jīng)任何壓縮與優(yōu)化的情況下，就可以直接進(jìn)入到虛幻5引擎當(dāng)中，極大的減少了后期優(yōu)化的工作量。

整合了所有模型之后，我們這個(gè)虛擬的文化遺產(chǎn)場(chǎng)景基礎(chǔ)搭建應(yīng)該就基本完成了，再經(jīng)過(guò)植被模型的導(dǎo)入，場(chǎng)景氛圍的添加，可以逐步完善完整的、真實(shí)的數(shù)字虛擬文化遺產(chǎn)，并且可以在這個(gè)虛擬場(chǎng)景中自由的游覽和觀賞所有的建筑、雕刻、環(huán)境。

隨后的工作是把前期整理的各項(xiàng)圖文音像資料和場(chǎng)景做整合與關(guān)聯(lián)，做到在虛擬場(chǎng)景中漫游時(shí)，也可以隨時(shí)通過(guò)場(chǎng)景系統(tǒng)，調(diào)取并觀看周圍景象的詳細(xì)資料。這就是筆者依據(jù)現(xiàn)有的數(shù)字技術(shù)手段所設(shè)想的文化遺產(chǎn)數(shù)字化虛擬博物館。

五、結(jié)語(yǔ)

目前全世界對(duì)歷史文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)都十分的重視，文中的各個(gè)案例也說(shuō)明，文化遺產(chǎn)的數(shù)字化在永久保存其珍貴歷史遺存的同時(shí)，在保護(hù)、研究和弘揚(yáng)等方面都帶來(lái)很大空間和新的可能性，具有深遠(yuǎn)的歷史意義。通過(guò)目前強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)手段，可以建立文化遺產(chǎn)數(shù)字化虛擬場(chǎng)景、數(shù)字化博物館，文化遺產(chǎn)的數(shù)字化對(duì)其傳承、保護(hù)、研究和發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義，希望現(xiàn)實(shí)中的本地文化遺產(chǎn)也早日進(jìn)行數(shù)字化應(yīng)用。