數(shù)字時代文物虛擬展示實踐研究

夏夢雪 呂逸飛

課題來源：《基于多學(xué)科交叉融合的藝術(shù)與科技專業(yè)課程思政教育實施與發(fā)展策略研究》，四川省2021—2023年高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項目重點項目，主持人：王烈娟，項目標(biāo)號：JG2021-1484

摘要：虛擬展陳不僅是對傳統(tǒng)文物展陳的補(bǔ)充和發(fā)展，更是對虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身的創(chuàng)新應(yīng)用，也將進(jìn)一步推動博物館的數(shù)字化升級。據(jù)此，對數(shù)字文物、虛擬展陳等內(nèi)容進(jìn)行持續(xù)深入的創(chuàng)新研究，無疑具有重要意義。本次實踐以三星堆文物為研究對象，完成三維點云虛擬展示實踐研究，旨在拓展文物保護(hù)與虛擬展陳的多樣性，強(qiáng)化虛擬展示的傳播和教育功能，為數(shù)字文物研究提供一定的理論和應(yīng)用參考價值。本文認(rèn)為數(shù)字文物的虛擬展示應(yīng)符合數(shù)字時代的發(fā)展需求，藝術(shù)與科技的創(chuàng)新融合將會為我國文物保護(hù)與數(shù)字傳播，以及文化價值創(chuàng)新提供豐富的應(yīng)用場景和實踐空間。

關(guān)鍵詞：數(shù)字博物館；虛擬展陳；數(shù)字文物；三維點云

一、研究背景

展示設(shè)計作為集合展示空間、數(shù)字媒體、文化信息、商業(yè)管理的一門綜合性學(xué)科，對我國文物的傳播和保護(hù)工作具有重要意義。近幾年，無論是虛擬展示還是移動平臺展示形式，已經(jīng)在各類展陳設(shè)計中初見端倪。其中，數(shù)字化虛擬展示為傳統(tǒng)實物展示拓展了無限空間和時間的可能性。例如，北京故宮博物院與騰訊攜手推出的“數(shù)字故宮”小程序2.0版本，于2021年12月21日正式上線。“數(shù)字故宮”以“智慧開放”理念，優(yōu)化無障礙功能升級，讓大眾可以隨時隨地觸達(dá)故宮、走進(jìn)故宮。再如，三星堆博物館聚焦文物數(shù)字化采集、文物3D模型建立，以及文物數(shù)字化展示傳播等方面，有力推動了地方珍貴文物的數(shù)字化建設(shè)發(fā)展。本文所涉及的研究之意義在于，以三星堆文物虛擬展示為實踐研究，拓展地方文物保護(hù)與展陳的多樣性，強(qiáng)化虛擬展示的傳播和教育功能。虛擬展陳不僅是對傳統(tǒng)文物展陳的補(bǔ)充和發(fā)展，更是對虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身的創(chuàng)新應(yīng)用，也將為我國博物館數(shù)字化發(fā)展提供一定的理論和實踐依據(jù)。

二、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國歷來對文化遺產(chǎn)和珍貴文物的數(shù)字化建設(shè)高度重視。本文認(rèn)為數(shù)字文化遺產(chǎn)建設(shè)的主要目的之一是利用信息技術(shù)和數(shù)字技術(shù)、人工智能技術(shù)等，對我國優(yōu)秀文化遺產(chǎn)進(jìn)行深度保護(hù)和價值開發(fā)。目前，數(shù)字博物館是我國數(shù)字文化遺產(chǎn)建設(shè)的常見形式之一，能為參觀者提供更直觀準(zhǔn)確且生動有趣的數(shù)字化文物信息。例如，中國國家博物館數(shù)字化建設(shè)的成功案例為我國數(shù)字文化遺產(chǎn)發(fā)展與保護(hù)提供參考性價值（馬玉靜，2016）。同時，元宇宙數(shù)字博物館、數(shù)字孿生技術(shù)（顧振清等，2022）也逐步融入數(shù)字博物館建設(shè)系統(tǒng)之中。然而，國內(nèi)數(shù)字博物館整體建設(shè)的起步相對于國外較晚，基于我國文化遺產(chǎn)特色的數(shù)字博物館建設(shè)理論和創(chuàng)新應(yīng)用實踐仍有待深入研究。數(shù)字博物館整體建設(shè)需要完善數(shù)字文物、虛擬展陳，以及空間交互等諸多應(yīng)用的實踐創(chuàng)新，解決數(shù)字化展示場景中的人與展品、空間之間的關(guān)系問題。此外，數(shù)字文物建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系（魏利偉等，2016）、創(chuàng)新跨界人才培養(yǎng)等方面仍需進(jìn)一步補(bǔ)齊短板。

三、數(shù)字文物展示實踐研究

當(dāng)下數(shù)字文物的展示設(shè)計，通常需要運用三維虛擬建模和空間模擬系統(tǒng)，立體化呈現(xiàn)文物展品的樣式與特征。其中，三維建模是常用的實物虛擬展示技術(shù)之一，通過計算機(jī)對實物幾何參數(shù)和材質(zhì)參數(shù)等進(jìn)行輔助生成實物或空間模擬系統(tǒng)。隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，點云建模逐漸成為新興虛擬實物建模技術(shù)之一。點云建模不同于幾何參數(shù)建模，是基于點云數(shù)據(jù)的建模方式（史宜南等，2016）。點云數(shù)據(jù)是指在一個三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的一組向量集合，每一個點都包含三維坐標(biāo)，部分點可能含有顏色信息或反射強(qiáng)度信息等。本文以三星堆遺址文物的數(shù)字化保護(hù)與展示作為研究內(nèi)容，著重對三星堆重點文物進(jìn)行三維點云技術(shù)應(yīng)用研究，將文物形態(tài)以虛擬效果呈現(xiàn)在數(shù)字空間中，作為一種數(shù)字展品供大眾參觀和學(xué)習(xí)。

（一）三星堆文物的特點分析

三星堆遺址的發(fā)掘意義深刻，其是古蜀文化和長江流域青銅文明的代表之一。三星堆遺址文物以青銅器和金器、玉器為主，但存在不同程度的腐蝕和損壞問題。其中，三星堆人首青銅器造型辨識度頗高，眼部呈突出的三角形，耳部呈四方形，嘴形長而扁。而青銅器本身易受銹蝕而缺失金屬的光澤感，形成覆蓋銅綠的獨特青綠色顆粒質(zhì)感。為實現(xiàn)我國珍貴文物的數(shù)字化保護(hù)目的，如表1所示，本次研究對象以三星堆博物館中典型的青銅器文物藏品為主，包括青銅縱目面具、金面銅人頭像、青銅人頭像、青銅花果與立鳥等多件文物。在實踐研究中，三星堆青銅器獨有的青綠色質(zhì)感和立體造型，在點云模型的渲染中應(yīng)加以重點考慮和效果呈現(xiàn)。

（二）三維點云模型應(yīng)用研究

1. 三維點云模型創(chuàng)建過程

本次實踐以研究對象的照片替代三維掃描技術(shù)作為建模素材，試驗如何提高三維虛擬建模技術(shù)的多樣化、使用效率和還原度。在應(yīng)用軟件方面，選用Touchdesigner交互設(shè)計平臺，創(chuàng)建文物的三維點云效果。Touchdesigner交互設(shè)計平臺屬于數(shù)字交互媒體，是運用可視化編程完成復(fù)雜設(shè)計的工程軟件，在數(shù)字藝術(shù)效果和動態(tài)交互設(shè)計方面有一定創(chuàng)新優(yōu)勢。目前，中央美術(shù)學(xué)院、廣州美術(shù)學(xué)院等一流藝術(shù)設(shè)計類高校已將Touchdesigner交互設(shè)計平臺納入教學(xué)體系中，培養(yǎng)跨學(xué)科創(chuàng)新型人才。

如圖1所示，工程文件以青銅縱目面具文物為例，由Touchdesigner節(jié)點式可視化編程對文物圖片進(jìn)行點云數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整點云噪點等參數(shù)，完成青銅縱目面具文物的三維點云效果。如圖2所示，在此基礎(chǔ)上選取金面銅人頭像和青銅人頭像進(jìn)行三維點云效果優(yōu)化渲染。由于噪點參數(shù)易受照片明暗和色彩的影響，使三維點云的立體呈現(xiàn)效果呈現(xiàn)扁平化。因此，本次實踐中提高了文物圖片的對比度，以突出點云效果的立體感和粒子感。

2. 三維點云模型保真問題

三維數(shù)字建模應(yīng)盡可能精細(xì)地還原實物，而在我國數(shù)字博物館中建模往往存在細(xì)致度和創(chuàng)新度不高的問題。周波（2011）認(rèn)為，以三維建模技術(shù)進(jìn)行虛擬文物展示設(shè)計時，“在形制、尺寸、功能、材質(zhì)、色彩、裝配方式、使用方式、痕跡等方面，應(yīng)力求還原文物的高保真狀態(tài)，不僅包括實物外在狀態(tài)，還包括以動態(tài)視頻展示點云效果的流動，以此產(chǎn)生逼真的模擬還原?！币虼?，在數(shù)字博物館應(yīng)用實踐中應(yīng)注重文物模型建立和后期渲染，都盡可能地還原文物展品的立體感和材質(zhì)特性。由于本次實物照片不及激光掃描的精度和視域，實踐結(jié)果表明未使用激光，點云技術(shù)的建模速度雖快，但也對建模精度和視域造成了影響。此外，為提高數(shù)字展品的立體感和材質(zhì)特性，本次實踐提高了照片的對比度，但也對建模的還原性產(chǎn)生了一定影響，有待進(jìn)一步優(yōu)化實驗以解決此類問題。

（三）三維點云藝術(shù)化創(chuàng)新實驗

為彌補(bǔ)圖片點云建模在精度、還原度和視域等方面的問題，本次實踐在圖片點云模型基礎(chǔ)上拓展了虛擬文物創(chuàng)新展示實踐，以色彩參數(shù)和運動參數(shù)的變化，呈現(xiàn)數(shù)字文物的動態(tài)虛擬點云效果，創(chuàng)新三星堆文物數(shù)字化展示方式。

在色彩參數(shù)實驗方面，本次實踐考慮到青銅器和金器的材質(zhì)特點，對每件文物運用了多種配色方案，增加數(shù)字表現(xiàn)效果，以表達(dá)數(shù)字空間的多維變化概念。如圖3和圖4所示，設(shè)計實踐結(jié)果顯示，不同色調(diào)的變色效果使三星堆數(shù)字文物顯得更加神秘，而低飽和度的冷色調(diào)能較好地體現(xiàn)青銅材質(zhì)特點，符合三星堆久遠(yuǎn)、古樸的藝術(shù)風(fēng)格。

在運動參數(shù)實驗方面，實驗設(shè)計考慮到虛擬空間的動態(tài)粒子呈現(xiàn)，添加了點云粒子的成像運動和旋轉(zhuǎn)運動，提高虛擬參觀的空間互動感。如圖5所示，此時數(shù)字展品（以金面銅人頭像為例）以點云粒子的形態(tài)成為運動的“活”展品，在虛擬空間中實現(xiàn)展品—人—數(shù)字空間的動態(tài)視覺交互。藝術(shù)化實驗結(jié)果表明，藝術(shù)化創(chuàng)新在數(shù)字交互應(yīng)用的基礎(chǔ)上豐富了文物數(shù)字化展示的方式和效果，可為數(shù)字文物、虛擬展示乃至數(shù)字博物館的建設(shè)提供更多創(chuàng)新可能性。

四、數(shù)字文物虛擬展示效率分析

通過三星堆文物的三維點云建模實驗和藝術(shù)化創(chuàng)新實驗，本文完成了三星堆文物數(shù)字化展示實踐研究。進(jìn)一步，本文從虛擬建模的還原度、立體感、精度、創(chuàng)新效率四個方面對點云建模和三維模型進(jìn)行對比分析，為今后進(jìn)一步創(chuàng)新設(shè)計實踐提供一定的理論依據(jù)。

總體來說，三維點云利用展品圖片對文物進(jìn)行數(shù)字化還原，工作效率高且易上手。但在建模精度方面，點云建模精度較三維參數(shù)建模不夠精準(zhǔn)，易受照片明暗和色彩的影響，容易出現(xiàn)點云移位的問題。因此，需要更精準(zhǔn)的三維全景攝影，或三維激光掃描技術(shù)輔助三維點云建模。如果運用三維全景攝影或三維激光掃描技術(shù)（史宜南等，2016），點云效果也可以實現(xiàn)360°全視域建模（霍笑游等，2009）。據(jù)此，三維點云建模技術(shù)（基于圖片）的優(yōu)缺點，如表2所示，本文認(rèn)為應(yīng)根據(jù)文物的材質(zhì)、肌理和結(jié)構(gòu)特征，以及表達(dá)要求和創(chuàng)新需求，合理運用數(shù)字建模方式。

五、結(jié)論和建議

綜上所述，數(shù)字交互媒體的三維點云效果在實踐三星堆文物數(shù)字化展示時，具有一定的應(yīng)用和創(chuàng)新優(yōu)勢，同時也存在精度較低和視角問題，有待進(jìn)一步的研究和優(yōu)化實踐。本文根據(jù)實踐研究提出以下我國數(shù)字博物館建設(shè)建議：首先，數(shù)字博物館應(yīng)結(jié)合地方文物和地域文化特點，以及地域之間的歷史文化脈絡(luò)，讓數(shù)字博物館整體建設(shè)達(dá)到跨地域系統(tǒng)性水平。其次，數(shù)字博物館應(yīng)體現(xiàn)對文物—人—數(shù)字空間之間的關(guān)系思考，數(shù)字文物可作為實物文物的“孿生”存在，不同文物類型的數(shù)字展示系統(tǒng)應(yīng)和物理展示場景有所區(qū)別，展品的獨特性、人的參與性，以及數(shù)字空間的可變性都可以在虛擬空間中加以呈現(xiàn)。再次，為促進(jìn)我國博物館數(shù)字化建設(shè)水平，應(yīng)盡快落實數(shù)字博物館的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，給出定性和定量的建設(shè)指標(biāo)和參考建議，使我國數(shù)字博物館整體建設(shè)水平實現(xiàn)長足發(fā)展。

同時，本文認(rèn)為要實現(xiàn)數(shù)字博物館符合數(shù)字時代的發(fā)展需求，并突出我國文化遺產(chǎn)特色，創(chuàng)新和融合是關(guān)鍵。而數(shù)字時代的應(yīng)用創(chuàng)新和交叉融合需要有深厚文化底蘊(yùn)的跨學(xué)科應(yīng)用型人才。因此，應(yīng)強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科專業(yè)教育與課程思政的深度融合。在跨學(xué)科專業(yè)教育方面，數(shù)字時代的文物保護(hù)與展示設(shè)計應(yīng)強(qiáng)調(diào)藝術(shù)與科技結(jié)合，培養(yǎng)跨學(xué)科的探索創(chuàng)新與應(yīng)用能力；在課程思政方面，應(yīng)強(qiáng)調(diào)對我國珍貴文物的文化傳承與價值創(chuàng)新，樹立民族文化自信。因此，藝術(shù)與科技的創(chuàng)新融合將會為我國文物保護(hù)與數(shù)字傳播，以及文化價值創(chuàng)新提供豐富的應(yīng)用場景和實踐空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧振清，肖波，張小朋等.“探索 思考 展望：元宇宙與博物館”學(xué)人筆談[J].東南文化，2022（03）：134-160+191-192.

[2]霍笑游，孟中元，楊琦.虛擬現(xiàn)實——秦兵馬俑遺址與文物的數(shù)字化保護(hù)與展示[J].東南文化，2009（04）：98-102.

[3]馬玉靜.三維激光掃描技術(shù)在國家博物館的應(yīng)用初探[J].北方文物，2016（02）：108-110.

[4]史宜南，代偵勇，劉鵬.激光點云建模與傳統(tǒng)建模方法的比較[J].地理空間信息，2016，14（08）：41-43+5.

[5]魏利偉，李文武，劉俊華.國內(nèi)外文物數(shù)字化保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及趨勢研究[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2016（06）：91-96.

[6]周波.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的展示設(shè)計創(chuàng)新研究[J].現(xiàn)代裝飾（理論），2011（09）：2-3.

[7]周吉清，董翠芳，廖小兵.三維掃描技術(shù)及應(yīng)用[J].出版與印刷，2007（04）：45-48.

作者簡介：

夏夢雪（1987—），女，漢族，重慶潼南人。意大利都靈理工大生態(tài)設(shè)計專業(yè)碩士研究生，四川文化藝術(shù)學(xué)院專職教師，助教，研究方向：數(shù)字藝術(shù)、虛擬現(xiàn)實。

呂逸飛（2002—），男，漢族，河北人。四川文化藝術(shù)學(xué)院在讀?？粕?，研究方向：數(shù)字藝術(shù)設(shè)計。