基于虛擬現(xiàn)實(shí)的“長城烽傳”線上全景漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

【摘" " 要】：新疆哈密地區(qū)長城烽傳系統(tǒng)保存情況較差，為對該文化遺產(chǎn)進(jìn)行保護(hù)與展示，進(jìn)行了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的“長城烽傳”線上全景漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。通過系統(tǒng)地整理資料，完善哈密地區(qū)烽燧數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行線路復(fù)原與形制分類統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用以Pano2VR為核心的多種軟件，完成全景漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將空間信息、歷史信息、傳遞線路和烽燧現(xiàn)狀同時(shí)展現(xiàn)在全景漫游中，搭建交互式全景漫游系統(tǒng)，通過全景漫游可視化的方式呈現(xiàn)哈密地區(qū)烽傳系統(tǒng)營建智慧，豐富了長城文化遺產(chǎn)的展陳形式。

【關(guān)鍵詞】：虛擬現(xiàn)實(shí)；長城烽傳；全景漫游

【中圖分類號】：TU17 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）01-76-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.01.019

Design and Construction of Online Panoramic Roaming System of \"Great Wall Beacon Communication\" Based on Virtual Reality

ZHAO Siqing，CHANG Di，ZHOU Hongyue，ZHOU Zitong

（School of Architecture ，Tianjin University，Tianjin 300072， China ）

【Abstract】：The Great Wall beacon system in Hami area of Xinjiang is in poor preservation，in order to protect and display the cultural heritage，the design and construction of the Great Wall panoramic roaming system based on virtual reality was accomplished. Related data was organized and the database of beacons in Hami area was improved too，including location，shape，pictures and other information. Then， utilizing multiple software with Pano2VR as core to create Visualization system. The spatial information，historical information，transmission line and the current situation of beacons were displayed in the panoramic roaming in one interface. And an interactive panoramic roaming system was built. Through the visual way，the wisdom of the construction of the beacon system in Hami area was presented，and the exhibition form of the cultural heritage of the Great Wall was enriched.

【Key words】： irtual reality; Great Wall beacon transmission; panoramic roaming system

2021年發(fā)布的《中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化傳承發(fā)展工程“十四五”重點(diǎn)項(xiàng)目規(guī)劃》中明確要求，需要增設(shè)長城國家文化公園建設(shè)等工程。長城有城、烽、障3個(gè)子系統(tǒng)，三者缺一不可稱長城，障塞和烽燧的文化內(nèi)涵比城墻更豐富[1]。在此背景下，國內(nèi)科研人員進(jìn)行相應(yīng)的探索研究和相關(guān)的保護(hù)、宣傳工作，并取得相應(yīng)成果。張玉坤等[2]提出了明長城“秩序帶”的概念：長城是一個(gè)由點(diǎn)—線—帶層次體系構(gòu)成的文化遺存，構(gòu)建了長城研究的整體框架。目前針對新疆長城的研究在空間形態(tài)演變[3]、生態(tài)環(huán)境[4]、歷史沿革[5]等方面有豐厚的成果，對于烽傳系統(tǒng)的研究也覆蓋哈密、赤峰[6]、遼東[7]等地區(qū)。針對哈密烽燧已經(jīng)有通視分析[8]、烽燧形制等研究成果。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，三維全景漫游系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用在博物館、商業(yè)地產(chǎn)、旅游展示、建筑漫游等領(lǐng)域。以“北京數(shù)字博物館”為例，里面的諸多展廳都是以多媒體技術(shù)的整合為主，運(yùn)用 flash 等技術(shù)，整合博物館的文字、圖片、視屏、動畫等元素，全面提升了展覽實(shí)效。為對長城烽傳系統(tǒng)進(jìn)一步保護(hù)、還原、介紹和展現(xiàn)，基于VR全景技術(shù)和多媒體技術(shù)的高度整合，選擇全景漫游展陳方式改進(jìn)目前博物館的不足，促進(jìn)我國數(shù)字化博物館的建設(shè)與轉(zhuǎn)變。本文利用以Pano2VR為核心的多種軟件，完成全景漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將長城烽傳系統(tǒng)遺址樣貌、烽傳系統(tǒng)運(yùn)作方式和邏輯融為一體，使長城烽傳系統(tǒng)的信息更為全面、生動地傳遞給大眾，成為中國長城文化博物館展陳設(shè)計(jì)的重要組成部分。

1 全景漫游關(guān)鍵技術(shù)

三維全景漫游是指在由全景圖像構(gòu)建的全景空間里進(jìn)行切換，達(dá)到瀏覽各個(gè)不同場景的目的。相對于傳統(tǒng)的博物館展示形式，全景漫游可視化展陳方式有著極強(qiáng)的表達(dá)能力，在文化傳播與遺產(chǎn)保護(hù)方面都具有領(lǐng)先優(yōu)勢：

1）數(shù)字化展廳以多媒體技術(shù)的整合為主，運(yùn)用flash技術(shù)，統(tǒng)合博物館的文字、圖片、視屏、動畫等元素，將藏品描述與虛擬場景結(jié)合，使參觀者身臨其境，更為直觀地理解其中的精妙之處。

2）全景漫游技術(shù)相對于實(shí)景照片與模型還原，通過整合360°全景技術(shù)和多媒體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全方位的沉浸式觀賞體驗(yàn)，使觀者更主動，更高效的獲取相關(guān)信息。在消除參觀者與文化遺產(chǎn)的時(shí)空隔閡的同時(shí)，進(jìn)一步激發(fā)大眾對于文化遺產(chǎn)的興趣和熱情。

3）全景漫游技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化展示能夠最大程度地減弱現(xiàn)場參觀對文化遺產(chǎn)造成的破壞，避免展示過程對遺產(chǎn)保護(hù)工作的影響。

三維全景漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要相應(yīng)硬件和軟件結(jié)合。首先需要相機(jī)、無人機(jī)等硬件來拍攝出圖像照片，然后使用全景拼接軟件把拍攝的照片拼合，發(fā)布成可以播放和瀏覽的格式。見圖1。

1.1 圖像采集

目前，可采用多種方法獲取全景圖。主要方法有3種：一是使用全景相機(jī)來直接采集一張柱面全景圖像；二是使用配備較大視域的鏡頭，例如魚眼鏡頭進(jìn)行拍攝，該方法拍攝的圖像存在很大的變形，將其生成球面全景圖之前必須進(jìn)行校正和變換；三是使用普通相機(jī)、攝像機(jī)等手持設(shè)備拍攝若干能夠覆蓋整個(gè)景物空間的照片序列或視頻，相鄰照片之間的拼接可以采用人機(jī)交互或自動方法完成，從而獲得寬視野的全景圖。

本研究采用第三種方法，使用大疆御二無人機(jī)通過設(shè)備鏡頭上旋、下轉(zhuǎn)一定角度并以45°間隔旋轉(zhuǎn)拍攝一周，獲取多方位的烽燧單體照片序列，并保證相鄰圖片留有一定重合度。通過相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)照片組的拼接合成，經(jīng)過后期處理降低不可抗因素對拍攝效果的干涉影響，從而獲得烽燧實(shí)景的寬體全景圖。

1.2 全景圖像拼接

全景圖像拼接技術(shù)是一種用于將多張圖像合并成一張完整全景圖像的技術(shù)，主要通過圖像拼接工具根據(jù)圖像特征提取、特征匹配、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和圖像合并等關(guān)鍵步驟分析圖像中的相似特征自動合成完整的全景圖像?，F(xiàn)有的圖像拼接應(yīng)用軟件很多且各有特點(diǎn)，如Ptgui、Photoshop、Auto Pano Giga、、PhotoVista、Canon PhotoStitch等。本項(xiàng)目采用Auto Pano Giga進(jìn)行360°全景圖拼接后將全景圖片導(dǎo)為Flash，具有拼接精確度高，顏色和融合度把控得當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)，但渲染時(shí)線程和 CPU 使用率較高且拼接后需通過Photoshop軟件調(diào)整圖片長寬比例及補(bǔ)全局部畫面缺失。

1.3 Pano2VR虛擬全景漫游系統(tǒng)

全景漫游是通過全景圖像實(shí)現(xiàn)的全方位、互動式觀看真實(shí)場景的展現(xiàn)方式，F(xiàn)lash是目前全景漫游的主流格式，可以在網(wǎng)頁上直接播放。Pano2VR是用來制作Flash全景文件的重要軟件，基本功能是將全景圖片轉(zhuǎn)換成全景漫游文件并進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)交互式虛擬體驗(yàn)。項(xiàng)目通過該軟件的豐富功能實(shí)現(xiàn)了總分布圖繪制、熱點(diǎn)插入及皮膚文件自定義化等工作，針對烽燧的特點(diǎn)及展陳需求，完善了全景漫游系統(tǒng)的展示、交互、介紹、輔助等功能。

2 哈密地區(qū)長城烽傳全景漫游系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)功能需求及技術(shù)路線

烽傳系統(tǒng)可以被理解為一個(gè)有層級，有邏輯的巨大網(wǎng)絡(luò)，覆蓋地域廣闊，游覽者難以在現(xiàn)實(shí)中到達(dá)現(xiàn)場感受體驗(yàn)且現(xiàn)場保存極不完善，信息呈散點(diǎn)式碎片化分布，為遺產(chǎn)展示帶來了極大的困難。哈密地區(qū)長城烽傳系統(tǒng)的展陳方式需要滿足如下需求：

1）科普知識通俗化、可視化、具體化；

2）滿足高度還原性與沉浸感；

3）實(shí)現(xiàn)烽傳訊息傳遞行為與具體烽火臺實(shí)體的結(jié)合；

4）最大程度保護(hù)文化遺產(chǎn)。

新疆哈密烽傳全景漫游系統(tǒng)基于Pano2VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。見圖2。

2.2 烽燧點(diǎn)位繪制及線路復(fù)原

1）數(shù)據(jù)獲取，從《新疆維吾爾自治區(qū)第三次全國文物普查成果集》等現(xiàn)代文獻(xiàn)中提取烽燧有關(guān)信息，結(jié)合《新疆地輿總圖》等古代輿圖體現(xiàn)的軍事與社會環(huán)境，獲取哈密地區(qū)45座烽燧的坐標(biāo)、形態(tài)、材制等相關(guān)參數(shù)。

2）實(shí)地考察，對新疆境內(nèi)漢、唐、清長城軍事設(shè)施遺存進(jìn)行無人機(jī)航測、全景漫游拍攝、地面踏勘和材料采集。調(diào)研范圍覆蓋哈密地區(qū)及烏魯木齊市、吐魯番等烽燧出土地區(qū)，共計(jì)約120萬km2疆域。航測約110座烽火臺、25座長城軍事城池和4座古驛站。

3）應(yīng)用GIS系統(tǒng)，結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫與輿圖史料，對烽燧點(diǎn)位及傳遞路線進(jìn)行一定程度復(fù)原。運(yùn)用全球定位系統(tǒng)與GIS系統(tǒng)繪制成圖在全景漫游系統(tǒng)中展示，確保展示的內(nèi)容真實(shí)、準(zhǔn)確。見圖3。

在哈密烽燧點(diǎn)位分布基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)烽傳路線復(fù)原。

1）東西線性分布的烽燧與山脈走向基本一致。例如：大墩村烽燧、二墩村烽燧等，緊貼天山山脈，與其走向大體相同。

2）南北走向分布的烽燧則多是連通不同山脈或是連接山脈與城鎮(zhèn)。例如：南園子北1～10號烽燧、3個(gè)墩烽燧，此線路溝通天山和莫?dú)J烏拉山。邊關(guān)墩烽燧、十五里墩烽燧、尤勒滾魯克烽燧、南山口烽燧，這條線路則是溝通哈密市與天山山脈。

3）部分烽燧呈點(diǎn)狀分布。例如：都魯都力歐庫爾烽火臺與其他烽燧相隔較遠(yuǎn)，無明顯的線性關(guān)系，這種烽燧與周圍鄉(xiāng)鎮(zhèn)的關(guān)系較為密切。

2.3 全景漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 全景圖制作

使用無人機(jī)進(jìn)行全景素材拍攝。選取烽燧正上方及旁側(cè)兩處作為拍攝點(diǎn)位，以完整采集烽燧本體和周邊環(huán)境作為該場景的全景素材組。

將調(diào)研所得的全景航拍素材使用Auto Pano Giga軟件實(shí)現(xiàn)片段合成，拼接為完整全景圖片文件，使用Photoshop軟件補(bǔ)全天空視角的局部缺失。

2.3.2 全景場景設(shè)計(jì)

將全景圖導(dǎo)入Pano2VR軟件，生成烽燧單體全景漫游場景。通過注釋系統(tǒng)設(shè)計(jì)可折疊的介紹文字界面，為對應(yīng)烽火臺加入圖文介紹。畫面中部設(shè)置當(dāng)前烽火臺詳細(xì)資料，包括具體坐標(biāo)、周邊環(huán)境、形制材料、具體尺寸、年代推測等。畫面左側(cè)設(shè)置古代輿圖資料，如《中外交通古地圖集》，《輿圖摘要》，《大清地圖》。古今結(jié)合，進(jìn)一步提升科普性。

2.3.3 交互功能設(shè)計(jì)

1）總分布圖設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的總分布圖顯示了烽燧名稱、位置坐標(biāo)、當(dāng)前面朝方向等信息。按照地理位置分別置入位置功能鍵，鏈接至對應(yīng)烽火臺文件。通過圖新地球軟件根據(jù)地貌確認(rèn)拍攝地南北朝向，調(diào)節(jié)每個(gè)全景場景初始視點(diǎn)的朝向，保證地圖上顯示的視野方向和實(shí)際圖畫一致，且在跳轉(zhuǎn)過程中視線朝向始終一致。

2）熱點(diǎn)功能設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)對哈密地區(qū)烽燧傳遞路線的可視化展示，在地理相鄰的兩個(gè)烽火臺作品中置入熱點(diǎn)圖標(biāo)，將傳遞路線上下游兩個(gè)烽火臺作品相互連接，達(dá)到多組場景無縫切換，實(shí)現(xiàn)全景漫游沉浸式體驗(yàn)烽火傳遞的功能。

3）皮膚系統(tǒng)設(shè)計(jì)。全景漫游頁面中，滑動滾輪以控制場景縮放，鼠標(biāo)點(diǎn)擊視圖中紅色熱點(diǎn)或黃色熱點(diǎn)可切換到下一場景。皮膚系統(tǒng)可以對旋轉(zhuǎn)縮放、場景跳轉(zhuǎn)、文字介紹、輿圖展示等功能的熱鍵進(jìn)行形象、大小、位置等要素控制。

3 全景漫游系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

通過全景漫游在與烽傳路線一致的按序跳轉(zhuǎn)過程中，可直觀感受到各個(gè)路線上烽燧的形制特征、共性、差異與關(guān)聯(lián)等。所展示的烽燧，根據(jù)平面形狀不同分為矩形、圓形及形制不明；根據(jù)材質(zhì)不同可分為土坯夯筑與土制壘砌。

3.1 烽傳路線漫游交互

全景漫游系統(tǒng)可以按照傳遞路線展示烽燧單體。以哈密市周邊地區(qū)烽傳路線為例，從小南湖烽燧出發(fā)，先后途徑拉克蘇木烽燧、砂墩子烽燧、了墩烽燧等。在全景漫游頁面中，通過點(diǎn)擊紅色的跳轉(zhuǎn)按鈕，即可切換至同一線路上相鄰的其他烽燧。見表1。

3.2 烽燧形制漫游交互

以巴里坤漢城地區(qū)西路上為例，線路上主要的烽燧有大墩村、二墩村、花莊子?xùn)|南、花莊子西南、尖山子村、尖山子西北、自流井、骨拐泉東、骨拐泉西、蘇吉村、五校、盧方溝、吳家莊子、五場溝、肋巴泉烽燧等。此傳遞路線上的烽燧平面形狀大多為矩形，如盧方溝烽火臺14 m×13 m，大墩村烽火臺7 m×8 m[9]。

3.3 烽燧材質(zhì)漫游交互

巴里坤漢城地區(qū)西路線路上的烽燧材質(zhì)均為土制夯筑。該類烽燧表面往往有上下烽燧的腳窩或繩梯痕跡，主體上暴露出加固用的栣木以及栣木被抽去后形成的孔洞，例如二墩村烽燧、吳家莊子烽燧、五場溝烽火臺、肋巴泉烽燧等[10]。其中，保存較好的如二墩村烽燧烽燧平面呈正方形，建筑方式采用黃土分層夯筑，殘高7.8 m[11]；同樣保存狀況良好的如肋巴泉烽燧，底面形狀為矩形，可見其栣木[10]。

4 結(jié)語

新疆哈密地區(qū)蘊(yùn)含著豐富的長城烽傳系統(tǒng)遺產(chǎn)，針對其難以直接展覽的特點(diǎn)與向大眾科普的急切需要之間存在的矛盾，數(shù)字化、可視化的展覽方式給出了最優(yōu)解。本文通過探究全景漫游關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)烽燧研究成果構(gòu)建全景漫游系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)烽燧全方位漫游交互功能，制作出適于博物館展陳的交互式全景漫游系統(tǒng)。

在數(shù)字化技術(shù)方面，研究前期對哈密烽燧進(jìn)行圖像采集、后期處理、Auto Pano Giga拼接，在Pano2VR全景漫游軟件基礎(chǔ)上搭建哈密地區(qū)烽傳全景漫游系統(tǒng)。在展示內(nèi)容方面，將哈密地區(qū)烽傳系統(tǒng)的長期研究成果進(jìn)行整合，以確認(rèn)展陳特點(diǎn)及需求，實(shí)現(xiàn)烽燧點(diǎn)位圖繪制，復(fù)原局部烽傳線路，并利用數(shù)字化手段對以上成果進(jìn)行充分利用與展示。

哈密地區(qū)長城烽傳全景漫游系統(tǒng)構(gòu)建在進(jìn)一步完善新疆烽燧數(shù)據(jù)庫的同時(shí)，改變了傳統(tǒng)展陳靜態(tài)的信息傳遞模式，帶來了更科學(xué)、更系統(tǒng)、更容易被大眾接受的數(shù)字化展示方式。為烽傳系統(tǒng)在大眾間的普及與傳播邁出巨大一步，為中華珍貴文化遺產(chǎn)的傳承做出努力與嘗試，也為未來的文化遺產(chǎn)展示和傳播形式提供了經(jīng)驗(yàn)參考與指引。

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收稿日期：2024-08-05

課題項(xiàng)目：國家社科基金冷門絕學(xué)項(xiàng)目（23VJXG029）

作者簡介：趙思晴（2003 - ） ，女，從事建筑遺產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)研究。