基于VR技術(shù)的大地灣國(guó)家考古遺址公園的還原與再現(xiàn)研究

何敏

摘 要：大地灣國(guó)家考古遺址公園的VR技術(shù)的復(fù)原和再現(xiàn)，不僅能讓更多的人了解大地灣文化，了解史前聚落的文化特征和出土文物的規(guī)模與內(nèi)涵，讓更多的人得到沉浸式、場(chǎng)景式、互動(dòng)式的考古生活體驗(yàn)，還可以全面提升大地灣考古遺址公園的總體水平，保證大地灣遺址得到系統(tǒng)、科學(xué)的管理與保護(hù)，喚醒公眾對(duì)大地灣遺址的保護(hù)與尊重意識(shí)，擴(kuò)大大地灣遺址的影響力。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；遺址保護(hù)；數(shù)字化復(fù)原

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.07.042

1 關(guān)于VR技術(shù)

1.1 VR技術(shù)的特點(diǎn)

VR技術(shù)，又稱虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，縮寫(xiě)為VR）技術(shù)，是一種能夠創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種交互式的三維動(dòng)態(tài)視景，其實(shí)體行為的仿真系統(tǒng)能夠使用戶沉浸到特定的環(huán)境中。VR技術(shù)涉及的領(lǐng)域越來(lái)越廣闊，不僅僅是計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)，還有多媒體技術(shù)、人機(jī)交互、人工智能、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等，各種技術(shù)可以在VR環(huán)境下進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，是近幾年快速發(fā)展的新技術(shù)之一。

建模與仿真是VR技術(shù)的核心。沉浸感、交互性和構(gòu)想性是虛擬現(xiàn)實(shí)的三個(gè)基本特性。沉浸感就是用戶在虛擬環(huán)境中有著身臨其境的感覺(jué)；交互性指用戶可以與虛擬對(duì)象產(chǎn)生互動(dòng)，進(jìn)行不同程度的操控；構(gòu)想性指通過(guò)想象力構(gòu)思和設(shè)計(jì)特定的場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)具體的目標(biāo)。

VR技術(shù)為認(rèn)識(shí)世界提供了全新的方式和方法。VR技術(shù)是未來(lái)世界的一項(xiàng)新技術(shù)和新事物，也是科技發(fā)展與人們精神需求的產(chǎn)物。

1.2 國(guó)內(nèi)VR技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

目前，VR技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用在我國(guó)仍處于初級(jí)階段，尤其是在建筑遺產(chǎn)保護(hù)研究領(lǐng)域，與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一些差距。隨著VR技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的發(fā)展中越來(lái)越成為剛需，其已經(jīng)引起了我國(guó)學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)階段，許多科研機(jī)構(gòu)和高校在VR技術(shù)的研究和應(yīng)用方面已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成果，前景廣闊，應(yīng)用VR技術(shù)建立人機(jī)交互模式的研究越來(lái)越有深度和廣度。

中國(guó)與美國(guó)等國(guó)家一些重點(diǎn)大學(xué)投資、相互合作專門做VR領(lǐng)域的研究。在圓明園遺址復(fù)原中就使用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，再現(xiàn)了當(dāng)時(shí)“園中之園”的盛況。VR技術(shù)不僅能夠保護(hù)遺址，更重要的是讓觀眾獲得了體驗(yàn)，更好地處理了保護(hù)和利用之間的關(guān)系，體現(xiàn)遺產(chǎn)的價(jià)值，獲得更多的認(rèn)同。北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是最早研究VR技術(shù)的高校之一，具體的研究涉及三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)計(jì)和飛行員訓(xùn)練場(chǎng)景及其環(huán)境的虛擬平臺(tái)等，還包括虛擬現(xiàn)實(shí)中物體的物理特性等。清華大學(xué)國(guó)家光盤(pán)工程研究中心應(yīng)用VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了布達(dá)拉宮大全景的效果；西北大學(xué)可視化技術(shù)研究所根據(jù)多年的研究，結(jié)合法醫(yī)人類學(xué)知識(shí)建立了人類顱骨面貌復(fù)原模型，除此之外還在復(fù)雜外觀人物數(shù)字化、遺址建模數(shù)字化等方面取得了重大研究成果；哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)系利用VR技術(shù)對(duì)人的臉部圖像進(jìn)行合成，對(duì)表情和唇部動(dòng)作進(jìn)行合成，研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。

2 大地灣國(guó)家考古遺址公園的概況

2.1 大地灣遺址概況

大地灣遺址位于甘肅省天水市秦安縣五營(yíng)鄉(xiāng)邵店村的東側(cè)，隴城鎮(zhèn)和蓮花鎮(zhèn)之間，坐落在清水河南岸的緩坡山地上，遺址北是清水河的階地，南為山頂，東是馮家溝，西是閆家溝。遺址總面積約270萬(wàn)平方米。該遺址包含五個(gè)文化期，距今8000～4800年，是我國(guó)新石器時(shí)代黃河流域最重要的大型聚落遺址。

1958年全國(guó)文物普查時(shí)大地灣遺址被首次發(fā)現(xiàn)。1978—1984年，甘肅省文物工作隊(duì)率先開(kāi)始了發(fā)掘工作，數(shù)年之后又進(jìn)行補(bǔ)充發(fā)掘。出土文物數(shù)量和種類多樣，文化內(nèi)涵極其豐富，為大地灣遺址的研究提供了更多的資料。

2006—2008年，部分高校和科研單位對(duì)大地灣遺址進(jìn)行第二次發(fā)掘，包括蘭州大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、甘肅省文物考古研究所等。大地灣遺址的發(fā)現(xiàn)提供了從舊石器時(shí)代到新石器時(shí)代的完整序列，再一次證明了北方農(nóng)業(yè)是從采集狩獵轉(zhuǎn)化為旱作農(nóng)業(yè)的事實(shí)。

2014—2015年，甘肅省文物考古研究所、中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所、蘭州大學(xué)等單位對(duì)大地灣遺址再次開(kāi)展考古發(fā)掘。此次發(fā)掘出土了大量的舊石器時(shí)代遺存，專家組通過(guò)對(duì)樣品的檢測(cè)分析確定了大地灣遺址舊石器時(shí)代遺存，同時(shí)為農(nóng)業(yè)的起源和演變提供了確鑿的資料。

大地灣遺址的發(fā)現(xiàn)與考古研究為中國(guó)史前文化發(fā)展、彩陶制作與發(fā)展、聚落形態(tài)與文明、原始繪畫(huà)與文明及農(nóng)業(yè)起源、環(huán)境與文明等研究提供了重要的資料，具有重要的歷史、藝術(shù)、科學(xué)和社會(huì)價(jià)值。

2.2 大地灣國(guó)家考古遺址公園建設(shè)概況

1988年，大地灣遺址被國(guó)務(wù)院列為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，是甘肅省愛(ài)國(guó)主義教育基地。大地灣國(guó)家考古遺址公園集遺址管理與展示、文化體驗(yàn)、考古研究、文物保護(hù)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)于一體，更生動(dòng)地展現(xiàn)各個(gè)時(shí)期的文化遺存。

2.2.1 大地灣博物館

大地灣博物館是一座遺址類專題性博物館。博物館的材質(zhì)采用當(dāng)?shù)氐狞S土合成材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)呈折線狀延伸至古河道。整個(gè)建筑給人一種古樸宏大、與周圍自然形態(tài)渾然天成的感受。

大地灣博物館以陳列展覽考古發(fā)掘的遺物為主，設(shè)計(jì)了四個(gè)主題，分別是“發(fā)掘保護(hù)”“歲月遺痕”“陶風(fēng)彩韻”“光華永續(xù)”。展覽設(shè)計(jì)風(fēng)格獨(dú)特，構(gòu)思巧妙，內(nèi)容豐富，運(yùn)用現(xiàn)代化的手段，以考古實(shí)物、圖文及復(fù)原沙盤(pán)相結(jié)合的展示方式，介紹了新石器時(shí)代華夏文明發(fā)源的情況，做到科學(xué)性、藝術(shù)性、知識(shí)性和趣味性的有機(jī)結(jié)合，涵蓋了先民生產(chǎn)、生活、審美觀念的方方面面。

2.2.2 F901原始宮殿遺址展示區(qū)

大地灣F901原始宮殿遺址是我國(guó)新石器時(shí)代規(guī)模最大、建筑技術(shù)最先進(jìn)的史前重要遺跡。其規(guī)模宏大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝精湛，對(duì)于研究大地灣古先民社會(huì)生活、探索宮殿建筑的起源具有極為重要的價(jià)值。F901原始宮殿遺址由主室、后室、東西側(cè)室及棚廊構(gòu)成，總面積達(dá)420平方米，房址布局得體、主次分明、講究對(duì)稱，審美與實(shí)用價(jià)值共存，開(kāi)創(chuàng)了后世木結(jié)構(gòu)建筑的先河。

F901原始宮殿遺址保護(hù)大廳于20世紀(jì)80年代建成，由于年久失修，其與遺址環(huán)境風(fēng)貌極不協(xié)調(diào)，墻體及周圍護(hù)坡產(chǎn)生裂縫、位移及地基下陷等問(wèn)題，存在安全隱患，難以對(duì)遺址實(shí)施有效保護(hù)。

2013年在國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)專項(xiàng)補(bǔ)助的支持下，大地灣F901原始宮殿遺址本體保護(hù)工程開(kāi)工實(shí)施。工程主要內(nèi)容包括環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)、溫濕度探頭放置與位移設(shè)置、遺址本體裂隙與表面風(fēng)化加固等，有效保護(hù)了遺址的本體，減輕或減緩了自然和人為因素對(duì)遺址的破壞。為防止遺址本體的病害繼續(xù)擴(kuò)大，采取了相應(yīng)的保護(hù)和監(jiān)測(cè)措施，同時(shí)也積累了室內(nèi)土遺址保護(hù)的經(jīng)驗(yàn)。

2.2.3 原始村落復(fù)原和遺址展示區(qū)

大地灣原始村落復(fù)原區(qū)在外觀上形成原始村落氣勢(shì)，屋頂采用先進(jìn)的科技材料，防雨防銹，外觀呈現(xiàn)出稻草屋頂形式，顯得更加真實(shí)，部分房址內(nèi)用蠟像復(fù)制了當(dāng)時(shí)生活的場(chǎng)景。復(fù)原房屋可以使觀眾更清楚地了解大地灣原始村落建筑形制和布局特征。

①大地灣一期居住址復(fù)原。主要有三座房址，具體是F371、F372和F378。距今約8000年，房址均為圓形半地穴，房屋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，營(yíng)造方法較簡(jiǎn)陋，居住面和墻壁略經(jīng)修整而成。墻壁（穴壁）為土質(zhì)緊密且較硬的灰黃色黏土，門向朝北，房址內(nèi)未發(fā)現(xiàn)灶坑。根據(jù)穴壁上端的紅燒土痕跡，推斷當(dāng)時(shí)已經(jīng)使用火。

②大地灣二期居住址復(fù)原。主要有F254、F255、F301。距今約6000年，房址均為方形半地穴，墻面表面以草拌泥涂抹，且在上面有一層褐紅色的涂料，據(jù)專家推斷可能與當(dāng)時(shí)人們的信仰有關(guān)。房址內(nèi)部以無(wú)墻柱和有墻柱為主，面積有大、中、小的區(qū)分，結(jié)構(gòu)部分基本沒(méi)有變化，灶坑有瓢形、方形、圓形之別，還有在灶前設(shè)泥圈土坎者。有的房址門道內(nèi)設(shè)有門欄，個(gè)別房址建有套穴，有的室內(nèi)設(shè)有窖穴，但建筑結(jié)構(gòu)基本相近，其發(fā)展特點(diǎn)為穴室由較深逐漸變較淺，圓形灶坑的變化也由深變淺。

3 VR技術(shù)在大地灣國(guó)家考古遺址公園數(shù)字化復(fù)原中的應(yīng)用

采用先進(jìn)的VR技術(shù)，將大地灣國(guó)家遺址公園中的大地灣博物館、原始宮殿和原始村落進(jìn)行三維模型的復(fù)原與再現(xiàn)，構(gòu)造人機(jī)交互模式，使觀眾可以穿越進(jìn)入大地灣文化時(shí)期，讓觀眾逐漸感受和體驗(yàn)華夏族先民的生活與居住環(huán)境，讓遙不可及的仰韶文化、常山下層文化等重現(xiàn)，同它對(duì)話和互動(dòng)，讓觀眾體驗(yàn)新石器時(shí)代的文化。具體通過(guò)Web、手機(jī)客戶端或者VR設(shè)備瀏覽器體驗(yàn)，主要包括以下三個(gè)部分。

3.1 全景智慧漫游系統(tǒng)

采用無(wú)人機(jī)航拍、全景攝像和后期三維軟件合成技術(shù)，設(shè)計(jì)出大地灣原始村落實(shí)景漫游系統(tǒng)。在原始村落遺跡處建立熱區(qū)鏈接，通過(guò)手機(jī)客戶端點(diǎn)擊進(jìn)入實(shí)景漫游。在用茅草和木柱搭起的房屋跟前，有相關(guān)歷史資料的介紹，并可以點(diǎn)擊鏈接進(jìn)入建筑內(nèi)部體驗(yàn)，感受新石器時(shí)期特色的村莊，感受原始的粟農(nóng)作業(yè)，感受歷史的滄海桑田。

3.2 不同年代分期數(shù)字化復(fù)原展示

根據(jù)歷史資料，大地灣遺址包括五期文化——前仰韶文化、仰韶文化早期、仰韶文化中期、仰韶文化晚期和常山下層文化，共有3000多年的歷史。

第一期，距今7800～7300年，稱為前仰韶文化，是新石器文化時(shí)期。隴原的先民在這一時(shí)期創(chuàng)造了我國(guó)最早的彩陶。

第二期，距今6500～6000，稱為仰韶文化早期。原始的氏族村落就是這一時(shí)期出現(xiàn)的，形成了“隴原第一村”，并且出土了大量絢麗奪目的彩陶。

第三期，距今5900～5500年，稱為仰韶文化中期。這一時(shí)期彩陶的發(fā)展達(dá)到鼎盛階段。

第四期，距今5500～5000年，稱為仰韶文化晚期。這一時(shí)期農(nóng)業(yè)開(kāi)始發(fā)展，人口劇增，大量的部落聚集在此，在半山坡發(fā)掘有數(shù)座大型的原始會(huì)堂式建筑分布，其中有以F901為代表的大型宮殿遺址。

第五期，距今約5000～4800年，稱為常山下層文化。

大地灣遺址一期房屋遺址的特點(diǎn)是圓形半地穴式；二期、三期均為方形或長(zhǎng)方形半地穴式；四期開(kāi)始大部分是平地起建，較之前面積劇增，結(jié)構(gòu)開(kāi)始不規(guī)則，F(xiàn)901、F405、F411等就是這一時(shí)期的代表。模型的建立包括原始房屋模型、村落模型和自然環(huán)境模型。需要根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)資料進(jìn)行系統(tǒng)的了解和研究后，以年代為縱線，五個(gè)時(shí)期的歷史資料包括文字介紹、圖片素材，從整體介入，進(jìn)行歸納整理。場(chǎng)景分為建筑場(chǎng)景和自然場(chǎng)景。尤其對(duì)于房屋內(nèi)部物品的真實(shí)情況需要借鑒和參考大量的文獻(xiàn)歷史資料，結(jié)合當(dāng)時(shí)出土的文物，規(guī)劃設(shè)計(jì)，合理布局。對(duì)于自然場(chǎng)景的復(fù)原也需要全面地搜集相關(guān)素材，同時(shí)要考慮符合當(dāng)時(shí)的地形地貌和生態(tài)植物，確保復(fù)原與再現(xiàn)的科學(xué)性和真實(shí)性。

三維建模具體有3D MAX、Sketchup、Maya等三維軟件。Sketchup負(fù)責(zé)整體大環(huán)境的建模，包括房屋外形、自然場(chǎng)景等；3D MAX負(fù)責(zé)居住址內(nèi)部復(fù)原模型和場(chǎng)景的搭建（圖1）；Maya負(fù)責(zé)漫游動(dòng)態(tài)效果。最后配合Photoshop、CorelDRAW等平面繪圖軟件進(jìn)行后期的合成，還原成三維模型。對(duì)于場(chǎng)景中所有建立的模型，必須和真實(shí)物體1∶1等比例復(fù)原，符合人體工程學(xué)，確保觀眾在交互過(guò)程中的真實(shí)感受。根據(jù)顱骨與面貌的關(guān)系、顱面形態(tài)學(xué)創(chuàng)建古人面貌，提高復(fù)原結(jié)果的準(zhǔn)確性，使科學(xué)性更強(qiáng)。在合理范圍內(nèi)保證細(xì)節(jié)的刻畫(huà)，做到生動(dòng)、逼真，讓體驗(yàn)者有身臨其境的感受。

針對(duì)大地灣遺址三維數(shù)字化可以將不同時(shí)期的居住房屋、典型建筑和景觀的物質(zhì)特征提取，以三維虛擬仿真的形式再現(xiàn)，從而突破時(shí)空限制，重現(xiàn)大地灣原始村落建筑形制和布局特征。

3.3 全息投影技術(shù)寓教于樂(lè)

全息投影技術(shù)是使用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)將畫(huà)面投射到空中，讓觀眾產(chǎn)生實(shí)景在眼前的感受，具有強(qiáng)烈的縱深效果，并通過(guò)傳輸技術(shù)產(chǎn)生人與物的互動(dòng)。

大地灣遺址在外觀上形成原始村落氣勢(shì)，在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上復(fù)原需要深入研究史前聚落的文化特征、民間傳說(shuō)，在尊重歷史文化的基礎(chǔ)上設(shè)置陶區(qū)、狩獵區(qū)、農(nóng)耕區(qū)，在系統(tǒng)上增加趣味性的故事并用交互的方式表現(xiàn)出來(lái)，在原始村落設(shè)置篝火、狩獵等體驗(yàn)，增加游客場(chǎng)景式、互動(dòng)式的考古生活體驗(yàn)。

4 對(duì)復(fù)原大地灣遺址公園前景的思考

大地灣遺址地處甘肅秦安，1958年全國(guó)文物普查時(shí)首次發(fā)現(xiàn)；2006年和2014年進(jìn)行第二次和第三次發(fā)掘；2013年，大地灣遺址啟動(dòng)國(guó)家考古遺址公園申請(qǐng)立項(xiàng)工作；2015年經(jīng)國(guó)家文物局批準(zhǔn)后開(kāi)始實(shí)施，已經(jīng)持續(xù)發(fā)掘數(shù)年，但至今為止遺址復(fù)原工程未見(jiàn)成效，說(shuō)明大地灣遺址的復(fù)原、保護(hù)和利用任重道遠(yuǎn)，需要從各個(gè)方面落實(shí)。

首先，大地灣遺址的保護(hù)、利用和發(fā)展與當(dāng)?shù)卣年P(guān)系密切，政策的支持和落實(shí)是政府的職責(zé)，也是保護(hù)和復(fù)原發(fā)展大地灣遺址的前提，要做到政策到位、資金充足、監(jiān)督落實(shí)、責(zé)任到位，爭(zhēng)取各個(gè)部門的支持，繼續(xù)在保護(hù)的基礎(chǔ)上加大力度復(fù)原，尤其對(duì)F901大型宮殿遺址和村落形制的復(fù)原。近十年，當(dāng)?shù)卣畬?duì)大遺址的保護(hù)很有成效，積極爭(zhēng)取專項(xiàng)資金，夯實(shí)基礎(chǔ)，加快推進(jìn)大地灣遺址公園的規(guī)劃建設(shè)和復(fù)原再現(xiàn)。

其次，需要加強(qiáng)大地灣遺址與秦安、天水周邊地區(qū)的聯(lián)系和合作，打造歷史文化圈。秦安縣地處天水市，有著非常豐富的文化資源，如伏羲文化、女?huà)z文化、三國(guó)遺存街亭、麥積山石窟等，政府部門要重視和整合，加強(qiáng)大地灣遺址與周邊地區(qū)的聯(lián)系和合作，打造歷史文化名縣，促進(jìn)考古遺址公園保護(hù)、利用和區(qū)域文化發(fā)展，進(jìn)一步豐富大地灣遺址內(nèi)涵。

最后，需要構(gòu)建大地灣國(guó)家考古遺址公園的認(rèn)知體系。遺址的保護(hù)需要大量專業(yè)的人才，術(shù)業(yè)有專攻，不僅需要考古、歷史方面的人才，也需要管理、藝術(shù)設(shè)計(jì)、多媒體應(yīng)用等方面的人才，打造一支專業(yè)化、規(guī)?；年?duì)伍。不僅僅是讓游客了解和體驗(yàn)大地灣文化，了解史前聚落的文化特征，還要文旅融合，整合大地灣遺產(chǎn)，多點(diǎn)展示，在全縣范圍內(nèi)形成點(diǎn)、線、面線路，打造大地灣文化的獨(dú)特品牌，進(jìn)一步加強(qiáng)大地灣文化的影響力。

5 結(jié)語(yǔ)

基于VR技術(shù)的大地灣國(guó)家考古遺址公園的還原和再現(xiàn)，不僅能讓更多的人了解大地灣文化，了解史前聚落的文化特征，了解出土文物的規(guī)模和內(nèi)涵，讓更多的人得到沉浸式、場(chǎng)景式、互動(dòng)式的考古生活體驗(yàn)，更能全面提升大地灣考古遺址公園的總體水平，保證大地灣遺址得到系統(tǒng)、科學(xué)的管理與保護(hù)，喚醒公眾對(duì)大地灣遺址的保護(hù)與尊重意識(shí)，擴(kuò)大大地灣遺址的影響力。

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