基于VR技術(shù)的甘肅歷史文化遺址數(shù)字化保護(hù)研究

許朝森，巴鈞才

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

歷史文化遺址是社會(huì)長(zhǎng)期發(fā)展而形成的重要物質(zhì)，代表著民族風(fēng)貌、精神以及地方風(fēng)土人情。我國(guó)十分重視文化遺產(chǎn)的保護(hù)工作，而甘肅省具有較多的歷史文化遺址，需要充分發(fā)揮VR技術(shù)在歷史文化遺址保護(hù)中的作用。本文將以魯土司衙門(mén)舊址為例分析VR技術(shù)在甘肅歷史文化遺址保護(hù)中的應(yīng)用。

1 VR技術(shù)與歷史文化遺址分析

1.1 VR技術(shù)分析

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR）技術(shù)是一種計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，應(yīng)用VR技術(shù)可以構(gòu)建虛擬世界，即利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建三維動(dòng)態(tài)視景，并讓用戶(hù)體驗(yàn)［1］。VR技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛，如地產(chǎn)漫游、虛擬樣板間、多專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)、網(wǎng)上看房、場(chǎng)館仿真等都應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。但是，VR技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題。(1）設(shè)備使用不便、攜帶不便等問(wèn)題十分突出，且硬件的處理速度相對(duì)較慢。(2）軟件的可用性較差。在硬件的影響下，應(yīng)用VR技術(shù)的成本較高且效果不佳，相關(guān)的理論與算法不夠成熟，三維建模技術(shù)也存在一定問(wèn)題。(3）應(yīng)用領(lǐng)域有限。在諸多因素的影響下，VR技術(shù)沒(méi)有被廣泛應(yīng)用在教育領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域。(4）效果不佳。虛擬現(xiàn)實(shí)感知缺乏對(duì)觸覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)的關(guān)注，導(dǎo)致整體效果缺乏真實(shí)性。同時(shí)，VR技術(shù)與人的交互不足，在人工智能以及語(yǔ)音識(shí)別等方面的效果不佳。

1.2 歷史文化遺址分析

歷史文化遺址指的是古人建造的建筑現(xiàn)在成了建筑廢墟，常見(jiàn)的歷史文化遺址包括村落、宮殿、都城、民居、寺廟以及作坊等［2］。在自然與人為等因素的影響下，大多數(shù)文化遺址都被埋藏在地下，部分文化遺址殘存在地面上，也有部分文化遺址已淪為廢墟。當(dāng)前，我國(guó)較為著名的歷史文化遺址主要包括古墓地、古城堡以及石窯寺。

2 甘肅歷史文化遺址保護(hù)現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，甘肅省積累了大量?jī)?yōu)秀的歷史文化，其中民俗風(fēng)情有阿克塞風(fēng)俗、肅北蒙古族風(fēng)情、敦煌莫高窟民俗、肅南裕固族風(fēng)情；歷史文化有大地灣文化、伏羲文化等；歷史文化遺址有玉門(mén)關(guān)、古陽(yáng)關(guān)、公劉廟、窯洞民居以及魯土司衙門(mén)等［3］。

其中，魯土司衙門(mén)位于甘肅省蘭州市永登縣，是目前甘肅省眾多土司建筑當(dāng)中保存較為完整的宮殿式建筑群，主要是由魯土司衙門(mén)、土司花園以及妙因寺等部分共同構(gòu)成。魯土司衙門(mén)坐北朝南、附近自然環(huán)境十分優(yōu)美，主體建筑布局呈現(xiàn)出了對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)。魯土司衙門(mén)的東西兩側(cè)是寢宮、倉(cāng)院、小教場(chǎng)等建筑，也包括儀門(mén)等建筑。整體而言，魯土司衙門(mén)具有濃厚的民族風(fēng)格。近年來(lái)，文物保護(hù)單位逐漸將感恩寺、顯教寺、海德寺以及雷壇并入到魯土司衙門(mén)舊址中。同時(shí)，魯土司衙門(mén)中儲(chǔ)存了大量的佛教典籍，例如大藏經(jīng)等，具有重要意義。

甘肅省在歷史文化遺址保護(hù)中獲得了一定的成績(jī)，但是從實(shí)際情況來(lái)看，甘肅省的底子較為薄弱，存在缺乏資金、缺乏人才等問(wèn)題。

(1）缺乏資金。甘肅省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低，進(jìn)行歷史文化遺址保護(hù)的經(jīng)費(fèi)主要來(lái)自國(guó)家財(cái)政支持。但是，國(guó)家財(cái)政支持有限，且更注重對(duì)國(guó)保單位的保護(hù)，對(duì)省保單位、市保單位以及縣保單位等級(jí)別的歷史文化遺址的支持力度不足，且仍然按照財(cái)政分級(jí)負(fù)擔(dān)的原則劃撥經(jīng)費(fèi)。但是，多數(shù)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平較低，導(dǎo)致文物單位存在較大的資金缺口，無(wú)法在歷史文化遺址的保護(hù)中投入更多的資金。

(2）缺乏人才。相比于經(jīng)費(fèi)不足，甘肅省人才不足這一問(wèn)題更加突出。當(dāng)前，甘肅省從事文物工作的人員有3 000人左右，但專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員只有五六百人。歷史文化遺址的保護(hù)具有較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性，對(duì)專(zhuān)業(yè)人員的需求量較大。但是，甘肅省的專(zhuān)業(yè)人員較為匱乏，且現(xiàn)有專(zhuān)業(yè)人員分布不均衡，大多數(shù)專(zhuān)業(yè)人員都在比較大的文博單位中?；鶎硬块T(mén)十分缺乏專(zhuān)業(yè)人員，加大了歷史文化遺址的保護(hù)難度。且部分地區(qū)的基層文物保護(hù)機(jī)構(gòu)與文博單位都位于偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村，很難吸引到專(zhuān)業(yè)人才。

(3）技術(shù)水平較低。信息技術(shù)在人們的生活與生產(chǎn)活動(dòng)中占據(jù)著重要地位。同樣，信息技術(shù)在歷史文化遺址保護(hù)與利用中也發(fā)揮著重要作用，但是甘肅省文物保護(hù)單位的技術(shù)水平較低，技術(shù)應(yīng)用水平也較低，無(wú)法充分發(fā)揮信息技術(shù)在歷史文化遺址保護(hù)中的作用。首先，在經(jīng)費(fèi)缺乏的情況下，甘肅省無(wú)法為歷史文化遺址的保護(hù)提供更多的資金，也無(wú)法完善信息設(shè)備與相關(guān)設(shè)施。例如，若想應(yīng)用VR技術(shù)便需要完善計(jì)算機(jī)等設(shè)備，但是甘肅省無(wú)法購(gòu)置大量的設(shè)施。因此，VR技術(shù)在歷史文化遺址中的應(yīng)用較少。其次，信息技術(shù)應(yīng)用水平較低。甘肅省缺乏專(zhuān)業(yè)人才，現(xiàn)有的工作人員對(duì)信息技術(shù)尤其是VR技術(shù)等高科技了解較少，不知道如何在歷史文化遺址中應(yīng)用VR技術(shù)。

3 VR技術(shù)在甘肅歷史文化遺址保護(hù)中的應(yīng)用

3.1 VR技術(shù)在歷史文化遺址中的應(yīng)用方法

歷史文化遺址具有不可再生性，若不加強(qiáng)保護(hù)可能無(wú)法恢復(fù)其原貌。同時(shí)，當(dāng)前歷史文化遺址保護(hù)技術(shù)有限，可能會(huì)導(dǎo)致歷史文化遺址因受到人為與自然等因素的影響而消亡。歷史文化遺址的參觀人數(shù)較多，可能會(huì)對(duì)文化遺址造成破壞。而利用VR技術(shù)可以增加歷史文化遺址的展示頻率，也可以進(jìn)行歷史文化遺址的數(shù)字化保存。

(1）利用VR技術(shù)增加歷史文化遺址的展示頻率。大多數(shù)人距離甘肅省較遠(yuǎn)，在交通、時(shí)間以及資金等因素的限制下，人們無(wú)法實(shí)地參觀歷史文化遺址，且部分歷史文化遺址需要高度保護(hù)，若參觀人數(shù)過(guò)多會(huì)對(duì)遺址造成破壞。為此，文物保護(hù)單位可以通過(guò)VR技術(shù)展示歷史文化遺址，讓人們隨時(shí)隨地參觀遺址、了解遺址，讓人們感受到歷史文化遺址當(dāng)中的歷史文化價(jià)值。當(dāng)前，應(yīng)用在歷史文化遺址保護(hù)中的VR技術(shù)有三維全景、Web 3D商業(yè)軟件、編程方法以及VRML/X3D語(yǔ)言等，其中Web 3D商業(yè)軟件有3DML以及Viewpoint，而編程方法包括Java 3D等［4］。參觀者可以通過(guò)這些VR技術(shù)全方位地欣賞歷史文化遺址，有利于滿足人們的參觀需求。

(2）利用VR技術(shù)進(jìn)行歷史文化遺址的數(shù)字化保存。當(dāng)前，部分地區(qū)的歷史文化遺址保護(hù)工作出現(xiàn)了問(wèn)題，其中部分歷史文化遺址受到了破壞，為此文物保護(hù)單位需要利用VR技術(shù)進(jìn)行歷史文化遺址的數(shù)字化保存。VR技術(shù)包括數(shù)字建模技術(shù)與三維掃描技術(shù)，利用這些技術(shù)可以對(duì)歷史文化遺址進(jìn)行數(shù)字化處理與數(shù)字化保存。例如，對(duì)于魯土司衙門(mén)舊址等體積較大的歷史文化遺址，可以利用VR技術(shù)進(jìn)行遺址的數(shù)據(jù)采集。利用VR技術(shù)獲取的數(shù)字化信息可以永久保存，之后可以通過(guò)全息投影、3D打印等方式展現(xiàn)歷史文化遺址。工作人員可以利用VR技術(shù)對(duì)魯土司衙門(mén)舊址當(dāng)中的佛教藏經(jīng)等文化遺產(chǎn)進(jìn)行保存，構(gòu)建電子檔案，并利用無(wú)人機(jī)拍攝、激光掃描等方式收集魯土司衙門(mén)舊址的模型，增強(qiáng)三維場(chǎng)景的真實(shí)性。

3.2 利用VR技術(shù)進(jìn)行歷史文化遺址保護(hù)的流程

(1）獲取數(shù)據(jù)。為了利用VR技術(shù)真實(shí)展現(xiàn)歷史文化遺址，工作人員需要利用不同的測(cè)量手段獲取高精度的遺址三維信息。常用的測(cè)量技術(shù)有人工測(cè)量、攝影測(cè)量、儀器測(cè)量以及激光雷達(dá)測(cè)量等，其中人工測(cè)量的關(guān)鍵在于測(cè)量遺址簡(jiǎn)單的幾何特征；攝影測(cè)量可以獲取遺址的規(guī)則幾何特征以及詳細(xì)的三維信息；儀器測(cè)量可以進(jìn)行大型場(chǎng)景的測(cè)量；激光雷達(dá)測(cè)量可以獲取非規(guī)則表面的三維信息。只有將不同的測(cè)量技術(shù)結(jié)合起來(lái)，才能夠獲取更準(zhǔn)確的遺址三維信息，為VR技術(shù)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

(2）構(gòu)建三維虛擬環(huán)境模型。在獲取歷史文化遺址的三維信息之后，工作人員需要根據(jù)三維信息構(gòu)建三維模型，從而為歷史文化遺址的數(shù)字化展現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。工作人員可以利用較為成熟的建模軟件進(jìn)行建模，確保建模精度符合實(shí)際需求。但是，即使應(yīng)用成熟的建模軟件也需要大量的手工操作，降低了建模的效率，也提高了建模的成本，因此，需要加大對(duì)自動(dòng)化建模方法的研究力度。

(3）應(yīng)用實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)。工作人員可以利用實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)展現(xiàn)構(gòu)建好的目標(biāo)模型與三維場(chǎng)景，從而創(chuàng)設(shè)虛擬環(huán)境。在應(yīng)用實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)時(shí)，工作人員需要保證圖形的實(shí)時(shí)繪制幀率在15 fps甚至30 fps之上［5］。同時(shí)，工作人員應(yīng)在保證圖形質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高圖形繪制頻率。

(4）應(yīng)用立體顯示與傳感器技術(shù)。只是通過(guò)屏幕展現(xiàn)歷史文化遺址并不滿足考古學(xué)等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的研究需求，因此，需要利用立體顯示技術(shù)與傳感器技術(shù)增強(qiáng)場(chǎng)景的立體性與真實(shí)性。例如，技術(shù)人員可以在傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上積極研發(fā)數(shù)據(jù)手套、3D眼鏡等專(zhuān)業(yè)設(shè)施，讓研究人員利用專(zhuān)業(yè)設(shè)施研究歷史文化遺址。其次，利用大型的立體顯示設(shè)備為參觀者提供虛擬演示的場(chǎng)景，緩解歷史文化遺址參觀人數(shù)過(guò)多的現(xiàn)狀。

(5）豐富應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具。若想應(yīng)用VR技術(shù)就需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)合適的場(chǎng)合、明確對(duì)象，因此，應(yīng)當(dāng)利用平臺(tái)開(kāi)發(fā)技術(shù)與分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)。其次，VR技術(shù)當(dāng)中包括很多核心技術(shù)，例如實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、廣角立體顯示技術(shù)等。其中，實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)可以準(zhǔn)確反饋物體的圖像，不會(huì)受到光照等條件的影響；廣角立體顯示技術(shù)指的是參觀者戴上特制眼鏡后可以同時(shí)看到奇數(shù)幀圖像與偶數(shù)幀圖像，就會(huì)產(chǎn)生立體感；立體聲音播放技術(shù)可以讓參觀者更快速地判斷聲源的方向；觸覺(jué)與力覺(jué)反饋技術(shù)讓參觀者戴上內(nèi)層裝有振動(dòng)觸點(diǎn)的手套感受文化遺址；語(yǔ)音輸入輸出技術(shù)通過(guò)人的自然預(yù)算輸入信息并輸出信息。

4 VR技術(shù)在歷史文化遺址中的具體應(yīng)用

魯土司衙門(mén)舊址是甘肅省保存較為完整的宮殿式建筑群，展現(xiàn)了甘肅省的發(fā)展情況，因此，可以利用VR技術(shù)加大保護(hù)力度，如利用VR技術(shù)進(jìn)行魯土司衙門(mén)舊址的虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)規(guī)劃。虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)具有仿真性、交互性等特點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)的設(shè)計(jì)融合了諸多學(xué)科的內(nèi)容，需要利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算、模型構(gòu)建、材質(zhì)處理等手段構(gòu)建三維立體環(huán)境，并將三維影像投射到虛擬交互平臺(tái)上，創(chuàng)設(shè)身臨其境的環(huán)境，可以讓參觀者融入到虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，具有較強(qiáng)的仿真性。例如，在進(jìn)行魯土司衙門(mén)舊址虛擬交互動(dòng)畫(huà)的設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員便利用三維技術(shù)手段設(shè)置了高度仿真的場(chǎng)景，使參觀者可以直接利用3D眼鏡游覽魯土司衙門(mén)舊址。虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)可以通過(guò)圖像、圖形滿足參觀者的需求，與參觀者進(jìn)行互動(dòng)，具有一定的交互性。虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)調(diào)動(dòng)了參觀者的積極性，使參觀者沉浸其中，具有較強(qiáng)的沉浸性。虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)的設(shè)計(jì)應(yīng)用了實(shí)用主義美學(xué)理論，具有較強(qiáng)的審美性。

虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)平臺(tái)的構(gòu)成包括三維仿真建模平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)交互平臺(tái)等子系統(tǒng)。在進(jìn)行魯土司衙門(mén)舊址虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)的整體規(guī)劃時(shí)，需要綜合分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)象、軟硬件需求、設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)流程。(1）設(shè)計(jì)對(duì)象。魯土司衙門(mén)舊址的民族風(fēng)格較為明顯，是由祖先堂、大堂等諸多建筑共同構(gòu)成的，需要根據(jù)魯土司衙門(mén)舊址的實(shí)際情況構(gòu)建三維虛擬動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)，創(chuàng)設(shè)虛擬空間。(2）軟硬件需求。硬件包括尼康相機(jī)、索尼動(dòng)畫(huà)演示投影機(jī)等，軟件包括3ds Max，Unity3d等。(3）設(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)魯土司衙門(mén)舊址虛擬交互動(dòng)畫(huà)可以仿真再現(xiàn)歷史文化遺址并保護(hù)遺址；實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的動(dòng)態(tài)體驗(yàn)；加強(qiáng)資源整合；加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)［6］。(4）設(shè)計(jì)流程。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，技術(shù)人員需采集信息，構(gòu)建模型，做好動(dòng)畫(huà)特效設(shè)置工作，實(shí)現(xiàn)3ds Max平臺(tái)與Unity3d平臺(tái)的銜接。

5 結(jié)語(yǔ)

VR技術(shù)在歷史文化遺址的保護(hù)中發(fā)揮著重要作用，文化遺產(chǎn)保護(hù)部門(mén)應(yīng)提高對(duì)VR技術(shù)的重視程度并通過(guò)有效措施靈活應(yīng)用VR技術(shù)，通過(guò)虛擬互動(dòng)等方式展現(xiàn)歷史文化遺址，增進(jìn)人們對(duì)文化遺址的了解與認(rèn)同，讓更多的人主動(dòng)參與文化遺址的保護(hù)，促進(jìn)傳統(tǒng)文化的發(fā)展。