虛擬現實技術（VR）在遺跡復原中的應用

崔強

山東省淄博市臨淄區是齊文化的發源地，在《戰國策》一書中提到“臨淄之中，七萬戶，臨淄之途，車轂擊，人肩摩，連衽成帷，舉袂成幕，揮汗成雨”，體現了齊國故都臨淄的繁華盛景。但是隨著社會的快速發展，大量歷史遺跡受到不同程度的損壞，當時齊國的繁榮盛景可以說已是所剩無幾，存在的也有相當部分是后人進行多次修葺的。無法真實體現出那種齊桓稱霸時期的宏偉場景，即便是進入臨淄齊國歷史博物館也沒有那種身臨其境的感受。

古建筑之所以被重視、被保護，一個重要的原因就是其不可再生性，這一特征決定了古建筑一旦被破壞，將很難再完整的呈現在人們的眼前。隨著計算機三維技術的發展，三維動畫技術與虛擬現實技術相結合，利用3D虛擬建筑技術可以將被破壞的古建筑以視頻動畫的形式再次呈現。通過古建筑的歷史留存資料，建立起實物模型三維數據庫，對文物古跡進行復原。同時，虛擬仿真技術復原的文物古跡，也解決了部分文物古跡不便于長期多次展覽展示的難題，真正讓文物古跡成為人類可以“擁有”的文化遺產。

虛擬現實技術Virtual Reality，簡稱VR，是利用計算機技術模擬產生三維空間，營造出一個接近真實的虛擬世界。VR利用視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等，達到讓使用者“身臨其境”的效果。VR有三個核心特征：沉浸感、交互性、想象力。其中，沉浸感是VR系統最基本的特征，即讓人脫離真實環境，沉浸到虛擬空間之中，獲得與真實世界相同或相似的感知。受VR技術的啟發，可以將該技術應用到齊文化遺跡復原當中。當然，這并不是什么創新，在今年4月由Realities.io團隊制作的VR游戲《現實（Realities）》即將登陸HTC Vive，這是一款超現實游戲，簡單來說用戶可以通過HTC Vive虛擬現實頭戴式顯示器1：1實景在世界各地旅行。

從本質上說，虛擬現實就是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如視、聽、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便用戶的操作，從而減輕用戶的負擔、提高整個系統的工作效率。

虛擬現實技術主要具有以下四個重要特征：

1.存在感：

它是指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該達到使用戶難以分辨真假的程度。

2.交互性：

交互性是指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，用戶可以用手去直接抓取環境中的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視場中的物體也隨著手的移動而移動。

3.多感知性：

所謂多感知性就是說除了一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知、甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現實就是應該具有人所具有的感知功能。

4.自主性：

是指虛擬環境中物體依據物理定律動作的程度。例如，當受到力的推動時，物體會向力的方向移動、或翻倒、或從桌面落到地面等。

用戶通過傳感裝置直接對虛擬環境進行操作，并得到實時三維顯示和其它 反饋信息（如觸覺、力覺反饋等）。當系統與外部世界通過傳感裝置構成反饋閉環時，在用戶的控制下，用戶與虛擬環境間的交互可以對外部世界產生作用（如遙操作等）。

虛擬現實系統主要由以下五個模塊構成：

1.檢測模塊：檢測用戶的操作命令，并通過傳感器模塊作用于虛擬環境。

2.反饋模塊：接受來自傳感器模塊信息，為用戶提供實時反饋。

3.傳感器模塊：一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用于虛擬環境；另一方面 將操作后產生的結果以各種反饋的形式提供給用戶。

4.控制模塊：對傳感器進行控制，使其對用戶、虛擬環境和現實世界產生作用。

5.建模模塊：獲取現實世界組成部分的三維表示，并由此構成對應的虛擬環境。

虛擬現實的關鍵技術可以包括以下幾個方面：

1.動態環境建模技術：

虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容。動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。三維數據的獲取可以采用CAD技術（有規則的環境），而更多的環境則需要采用非接觸式的視覺建模技術，兩者的有機結合可以有效地提高數據獲取的效率。

2.實時三維圖形生成技術

三維圖形的生成技術已經較為成熟，其關鍵是如何實現“實時”生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15幀/秒，最好是高于30幀/秒。在不降低圖形的質量和復雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術的研究內容。

3.立體顯示和傳感器技術

虛擬現實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發展。現有的虛擬現實還遠遠不能滿足系統的需要，例如，數據手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點；虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開發新的三維顯示技術。

4.應用系統開發工具

虛擬現實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發揮想象力和創造力。選擇適當的應用對象可以大幅度地提高生產效率、減輕勞動強度、提高產品開發質量。為了達到這一目的，必須研究虛擬現實的開發工具。例如，虛擬現實系統開發平臺、分布式虛擬現實技術等。

5.系統集成技術

由于虛擬現實中包括大量的感知信息和模型，因此系統的集成技術起著至關重要的作用。集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別和合成技術等等。

相對于國內而言，VR技術的發展還并不完善，應用的領域相對較少。尤其是遺跡復原方面，現階段大部分只是在遺跡原貌上的虛擬展示，并沒有達到那種通過視覺、聽覺、觸覺等全方位身臨其境上的感受。所以，將VR技術應用到齊文化遺跡復原中去，開發一款齊文化遺跡虛擬仿真平臺能夠更好的將歷史原貌展示給用戶，只要借助頭盔、眼鏡、耳機等虛擬現實設備，就能夠 “穿越”到當時齊桓稱霸時期，甚至是當時硝煙彌漫的古戰場，活生生呈現在面前。這樣能夠更好地對歷史進行還原。同時，也能夠做為一項旅游熱點項目，帶動區域經濟發展。

VR在齊文化遺跡復原中存在的主要問題是VR設備兼容性問題，目前市場上的主流設備為HTC Vive、Oculus Rift等，應用面較窄，在對接上局限性較大，如前面提到的VR游戲《現實（Realities）》只能夠利用HTC Vive，而Oculus Rift，Realities.io制作團隊正在與該設備方洽談階段，所以，VR設備的應用普及面現階段較窄。另外，在制作技術上也受到了一定的限制，現階段制作VR主要采用的軟件為3dmax、maya、CryEngine、unity3d等軟件，部分軟件因剛剛接觸，技術水平還沒有達到一定的要求，網絡書籍上的相關材料較少，大多只是停留在理論層面，所以在制作的過程中，模型精度、渲染貼圖等方面在應用中會出現不穩定因素。

在處理存在的問題時，主要是通過統一VR設備，在制作前期掌握相關VR設備的功能屬性。同時，進一步提升相關專業水平，多到VR技術較為發達的地方進行學習交流，如今年建立的中國（南昌）虛擬現實VR產業基地中的中國（南昌）虛擬現實教育培訓集團，可去進行學習提升。另外，組建制作團隊，規劃合理，分工明確，并在制作前期與當地相關機關對接，掌握相關歷史資料，提前分析整個制作中每個環節。