虛擬奧運(yùn)博物館

一、簡(jiǎn)介

對(duì)于“虛擬博物館”這個(gè)概念，大家并不陌生。早在上個(gè)世紀(jì)，就已經(jīng)有不少組織甚至個(gè)人，通過(guò)圖文結(jié)合的形式在網(wǎng)上建立了形形色色的“虛擬博物館”，將現(xiàn)實(shí)生活中的信息在網(wǎng)絡(luò)上反映出來(lái)。不過(guò)，由于技術(shù)等方面的限制，早期的虛擬博物館都存在一個(gè)問(wèn)題，那就是大多數(shù)采用文字、圖片、視頻等形式表現(xiàn)的信息，缺乏交互性。為此，從2002年開(kāi)始，北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與微軟亞洲研究院開(kāi)展了名為“DOM（即Digital Olympic Museum，數(shù)字奧林匹克博物館）”的合作，針對(duì)“虛擬奧運(yùn)博物館”的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，目的是研發(fā)出一個(gè)“真正立體的博物館，讓觀眾感到與真實(shí)博物館一樣具有逼真的感受”。2005年北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室還獲得國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“虛擬奧運(yùn)博物館關(guān)鍵技術(shù)研究(編號(hào)60533070)”資助。本文對(duì)這些研究成果進(jìn)行介紹。

二、實(shí)時(shí)交互式多視角視頻系統(tǒng)

“實(shí)時(shí)交互式多視角視頻系統(tǒng)”技術(shù)聽(tīng)上去非常復(fù)雜，但其所實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容卻早已為人們所熟知，那就是電影《Matrix》中，基努·李維斯的那個(gè)騰空后360度的全方位鏡頭。只不過(guò)電影中的這個(gè)場(chǎng)面是靜態(tài)的，觀眾只能看到主人公一瞬間的全方位場(chǎng)景，而在應(yīng)用了新的技術(shù)后，由于現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)了多臺(tái)攝像機(jī)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)同步拍攝，我們就可以在整個(gè)視頻播放過(guò)程中，任意選擇感興趣的視角進(jìn)行欣賞。從技術(shù)上來(lái)講，交互式多視角視頻不僅是一種新型的視頻捕捉系統(tǒng)和方法，也是一種新型交互式多視角視頻服務(wù)技術(shù)。這套系統(tǒng)包括視頻攝像機(jī)、控制電腦、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)組件以及客戶端。為了實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的全角度拍攝，在拍攝現(xiàn)場(chǎng)布置了幾十至幾百個(gè)視頻攝像機(jī)，這些攝像機(jī)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)并全部由電腦控制。在拍攝時(shí)，事件將被不同方位的攝像機(jī)同時(shí)捕獲，所得到的全部視頻將在控制電腦上被壓縮并實(shí)時(shí)傳送給服務(wù)器，或者被實(shí)時(shí)地傳送給最終用戶，用戶可以獲取任意視點(diǎn)的視頻圖像。

“實(shí)時(shí)交互式多視角視頻系統(tǒng)”不僅可以為用戶提供多角度的影片，最有趣的是，視角的切換還能由用戶進(jìn)行控制。試想一下，如果奧運(yùn)比賽使用這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行拍攝，并在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行實(shí)時(shí)播放，那么我們將擁有一種前所未有的視覺(jué)新體驗(yàn)。人們可以從任意角度觀看比賽，而且比現(xiàn)場(chǎng)的觀眾看到更多東西，欣賞到過(guò)去難以想象的各種經(jīng)典場(chǎng)景。

三、在線文物展示

作為博物館，最重要的職責(zé)之一就是保存歷史資料的原貌，這些歷史資料不僅要完整，而且要準(zhǔn)確，在必要時(shí)人們甚至可以通過(guò)這些資料還原出歷史的真相。對(duì)于“虛擬奧運(yùn)博物館”來(lái)說(shuō)，由于其完全基于數(shù)字化技術(shù)，因此在數(shù)據(jù)的保存方面更是具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)：它們保存的數(shù)據(jù)不會(huì)因時(shí)間的流逝而損壞。

虛擬奧運(yùn)博物館可以逼真地再現(xiàn)小到藝術(shù)雕像、運(yùn)動(dòng)器具，大到整個(gè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館，而這要?dú)w功于技術(shù)人員所采用的三維激光掃描技術(shù)。激光掃描儀的工作原理非常簡(jiǎn)單：由于激光的速度是恒定的，因此，只要知道光束發(fā)出和返回的時(shí)間，我們就可以計(jì)算出其間的距離。只要能夠獲得一個(gè)三維物體上足夠多的點(diǎn)與發(fā)射源之間的距離，自然就可以獲得其外形的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，也就可以在電腦上生成其三維模型了。

當(dāng)然，要想獲得完美的掃描結(jié)果，也并不是一件容易的事情。因?yàn)閽呙杷@得的只是一些具有深度信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)行相應(yīng)處理才能構(gòu)造出逼真的三維模型。在這一過(guò)程中，人們可能會(huì)遇到各種問(wèn)題。例如掃描得到的數(shù)據(jù)不完整需要再次掃描，或者某些位置無(wú)法通過(guò)掃描獲得，必須用軟件進(jìn)行填充、修補(bǔ)。在修補(bǔ)的過(guò)程中，對(duì)于那些無(wú)法得到的數(shù)據(jù)，必須通過(guò)對(duì)其相鄰的點(diǎn)進(jìn)行“猜測(cè)”來(lái)判斷這個(gè)點(diǎn)最可能的值是什么。在“虛擬奧運(yùn)博物館”中，工作人員用三維掃描技術(shù)制作了一個(gè)中國(guó)古代跪射彩色秦俑的三維模型。在利用多角度掃描獲取了足夠多的數(shù)據(jù)后，技術(shù)人員開(kāi)發(fā)出相應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的修復(fù)、多個(gè)數(shù)據(jù)塊的自動(dòng)拼接、模型自遮擋產(chǎn)生模型漏洞的修復(fù)，以及高分辨率紋理自動(dòng)映射等，在電腦上生成了一個(gè)與原物完全相同的逼真三維模型。利用激光三維掃描技術(shù)，“虛擬奧運(yùn)博物館”的技術(shù)人員構(gòu)造出大量的、與奧運(yùn)相關(guān)的逼真三維模型，例如體育藝術(shù)品、大型體育場(chǎng)館和古運(yùn)動(dòng)會(huì)遺址。這樣一來(lái)，人們不親臨現(xiàn)場(chǎng)也能夠欣賞它們了。

四、參與：游戲

1908年第四屆倫敦奧運(yùn)會(huì)期間，英國(guó)大主教彼得有感于馬拉松比賽中，選手多蘭多·皮特里的拼搏精神，而說(shuō)了一句迄今廣為傳頌的名言：“奧運(yùn)會(huì)重要的不是勝利，而是參與。”從此，“重在參與”就成了奧林匹克運(yùn)動(dòng)的口號(hào)之一。

作為以展現(xiàn)奧運(yùn)風(fēng)貌、弘揚(yáng)奧運(yùn)精神為主的“虛擬奧運(yùn)博物館”，最大的特色就是擁有大量可以讓用戶參與的內(nèi)容。“虛擬奧運(yùn)博物館” 包含北京奧運(yùn)、現(xiàn)代奧運(yùn)、古希臘體育、古代中國(guó)體育四大部分，通過(guò)對(duì)中西方體育文化異同點(diǎn)的比較，向人們系統(tǒng)而完整地講述世界體育運(yùn)動(dòng)史。為了讓參觀者能夠更形象、具體地了解古代體育的特色，在“虛擬奧運(yùn)博物館”中，設(shè)計(jì)了許多可以與用戶互動(dòng)的項(xiàng)目，讓人們親身參與到古代的體育運(yùn)動(dòng)中。

五、古希臘跳遠(yuǎn)

在古希臘，人們跳遠(yuǎn)時(shí)雙手會(huì)各持一只石制或金屬制的類(lèi)似啞鈴的助跳器。運(yùn)動(dòng)員起跳后，會(huì)在空中向后將其拋出，以提高自己的成績(jī)。事實(shí)上，直到19世紀(jì)，這種做法依然被很多運(yùn)動(dòng)員沿用。在虛擬奧運(yùn)博物館中，技術(shù)人員通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)（Motion Capture），采集了大量真實(shí)運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作數(shù)據(jù)后，對(duì)這些運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，然后用其控制計(jì)算機(jī)中的三維虛擬人運(yùn)動(dòng)，這樣人們就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)交互，親自感受古代跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)的特色。

在創(chuàng)建這個(gè)模擬跳遠(yuǎn)系統(tǒng)時(shí)，技術(shù)人員制作了一個(gè)獨(dú)具特色的“運(yùn)動(dòng)編輯器”，借助它，就可以將捕捉到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)應(yīng)用到不同的三維模型中，并可以在不同的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)片斷之間平滑過(guò)渡。我們知道，通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕獲方法得到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通常不能直接使用。這是因?yàn)椋旱谝唬跀?shù)據(jù)捕獲過(guò)程中，因?yàn)楦鞣N原因，得到的數(shù)據(jù)可能存在不同程度的噪聲；第二，數(shù)據(jù)應(yīng)用的虛擬人模型可能和采集到的真人骨架不匹配，例如關(guān)節(jié)長(zhǎng)度不一致等，直接使用可能會(huì)出現(xiàn)較大的誤差；第三，人體運(yùn)動(dòng)是相當(dāng)復(fù)雜的，運(yùn)動(dòng)模式多種多樣，不可能將所有的運(yùn)動(dòng)模式都采集下來(lái)，這就需要我們利用已有運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)生成一些新的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。此外，在實(shí)際的應(yīng)用中，同一運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)匹配到不同的虛擬人骨架模型和不同的虛擬場(chǎng)景中，也可能會(huì)產(chǎn)生一些不理想的情況，比如因?yàn)楣羌艿牟煌ヅ鋾?huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，場(chǎng)景的不同匹配會(huì)產(chǎn)生碰撞或者動(dòng)作不到位等。

“虛擬奧運(yùn)博物館”的運(yùn)動(dòng)編輯器可以解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)諸如運(yùn)動(dòng)拼接、運(yùn)動(dòng)融合、運(yùn)動(dòng)變形等技術(shù)，可以逼真模擬出不同虛擬人在不同虛擬場(chǎng)景完成的虛擬跳遠(yuǎn)動(dòng)作。

六、五禽戲

“五禽戲”的創(chuàng)造者是中國(guó)古代名醫(yī)華佗，原名為導(dǎo)引術(shù)。這套功夫通過(guò)模仿虎、鹿、熊、鷹、猿五種動(dòng)物的動(dòng)作，達(dá)到強(qiáng)身健體的目的，被看作是中華武術(shù)的起源。過(guò)去我們只是聽(tīng)說(shuō)，而在“虛擬奧運(yùn)博物館”中，我們卻可以親身體驗(yàn)這套武術(shù)的魅力。

首先，技術(shù)人員采用前面提到的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，獲取真實(shí)人體的運(yùn)動(dòng)信息，從而在計(jì)算機(jī)中生成運(yùn)動(dòng)逼真的虛擬人，向參觀者演示“五禽戲”。然后，參觀者就可以照著模擬人的動(dòng)作進(jìn)行演練。最有趣的是，通過(guò)攝像頭，計(jì)算機(jī)會(huì)記錄下參觀者的動(dòng)作，并與電腦中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)人們所做動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)程度，給出評(píng)分。

如果說(shuō)模擬跳遠(yuǎn)系統(tǒng)像一個(gè)在線的體育模擬游戲的話，那么這套可以讓參觀者親自“動(dòng)手動(dòng)腳”的“五禽戲”，則更能體現(xiàn)出“虛擬奧運(yùn)博物館”的獨(dú)特魅力。

七、禮射

“禮射”是中國(guó)西周時(shí)期重要的禮儀活動(dòng)之一，也是我國(guó)最早的體育比賽。它有明確的規(guī)范和嚴(yán)格的程序，參與者眾多。禮射共分為四種， 包括大射、賓射、燕射和鄉(xiāng)射。目前“虛擬奧運(yùn)博物館”中展示的是最普及的“鄉(xiāng)射”。首先，通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)采集數(shù)據(jù)，控制虛擬人運(yùn)動(dòng)，并在仿真的場(chǎng)景中完成整個(gè)鄉(xiāng)射的過(guò)程。當(dāng)用戶參觀時(shí)，則可以通過(guò)“角色扮演”的方式，親自扮演鄉(xiāng)射中的各個(gè)角色，借助系統(tǒng)的語(yǔ)音和文字等的提示，完成整個(gè)儀式。

八、結(jié)束語(yǔ)

“虛擬奧運(yùn)博物館”是多學(xué)科交叉的成果，涉及了體育史、信息技術(shù)、新媒體藝術(shù)等多個(gè)學(xué)科。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)將于2008年全部“竣工”，屆時(shí)，我們只需通過(guò)Web瀏覽器即可暢游整座博物館了。由于基于Java技術(shù)開(kāi)發(fā)，虛擬博物館可以很方便地部署到任何平臺(tái)的服務(wù)器下，使用不同平臺(tái)的用戶也都能訪問(wèn)它。“虛擬奧運(yùn)博物館”采用了圖像、視頻、音頻、三維圖形、動(dòng)畫(huà)等多媒體形式展現(xiàn)與奧運(yùn)有關(guān)的信息，并利用先進(jìn)的人機(jī)交互技術(shù)，讓觀眾可以親身體會(huì)到各種運(yùn)動(dòng)的樂(lè)趣。雖然數(shù)據(jù)量非常大，但由于采用了多種優(yōu)化算法，使其對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求降到最低，普通用戶也可以通過(guò)家中的網(wǎng)絡(luò)流暢地參觀整座博物館。