虛擬現實技術在文物遺產保護和博物館教育中的應用研究

摘要：為了更好地保護、修復、展示文化遺產，將考古發現推廣到教育等領域，并且讓人民群眾能夠更加便捷直觀地欣賞文明成果，虛擬現實等技術手段正在發揮越來越令人矚目的價值。本文闡述了還技術在文博領域的應用原理，總結了國內外的應用案例，認為文博青年學者需要及時關注該領域的研究進展。

關鍵詞：VR；博物館教育；文物保護修復

一、虛擬現實技術的主要特征

虛擬現實技術（VR技術），又稱虛擬實境或靈境技術，它是一門綜合了三維圖形圖像處理、多媒體視音頻處理、人機交互、人工智能、傳感與測量、微電子等多種技術成果的綜合集成技術。簡單來說就是將本來沒有的或不可能同時存在的事物和環境，通過綜合應用各種技術給模擬出來，用戶通過計算機進入這個虛擬的環境，操縱系統中的對象并與之進行交互，感覺如同置身于真實世界中一樣。虛擬現實項目中的環境由計算機生成，并通過各種外接設備對人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官產生作用。項目可以根據設計者的構想，讓用戶在這個虛擬世界中直接觀察周圍世界的變化，參與其中的活動，與物體進行自然的交互，并得到與真實世界相同的實時反饋，使其沉浸到數據空間中，由一個虛擬世界的觀察者變為參與者，在一定的時間內抽離于現實環境。

與傳統的單純的三維模擬技術相比，VR技術的主要特征是擁有強烈到真假難辨，甚至可以超越真實的沉浸感以及自然的實時反饋的可交互功能。通過參與者與VR 環境的相互作用，并利用人類本身對事物的感知能力，讓參與者能夠全方位地獲取事物的各種空間信息和邏輯信息。

二、虛擬現實技術在博物館教育和文物保護中的應用原理

我國擁有著燦爛輝煌的五千年文明，如果把歷朝歷代的興衰榮辱比作一部浩瀚無垠的宏偉史書，那么文化遺產就像是記錄跌宕起伏的生花妙筆。因此，文化遺產的保護不單是考古學家的課題，也是所有具有歷史責任感的科學家和公民應盡的義務。以有形的物質文化遺產為例，我國已有31項文化遺產被列入《世界遺產名錄》，如洛陽龍門石窟、敦煌莫高窟、大同云岡石窟等反映了中國古代杰出的石刻、泥塑、繪畫藝術，明清皇宮、北京天壇、蘇州古典園林反映了中國各具韻味的建筑和園林設計風格。然而，這些物質文化遺產和其他一些非常珍貴的文物由于長時間的風吹日曬、曾經的戰火頻仍、尤其是近代以來屢遭盜竊等原因受損嚴重。為了更好地保護、修復、展示文化遺產，將考古發現推廣到教育等領域，并且讓人民群眾能夠更加便捷直觀地欣賞文明成果，數字化存儲和增強現實展示等技術手段正在發揮越來越令人矚目的價值。

在人類感知外部環境的過程中，約有80%的信息是通過視覺途徑獲取的。因此，各式各樣的視覺藝術和顯示技術成為了人們生活中不可或缺的一部分，例如繪畫、雕、建筑、影視等等。特別是上世紀后期進入信息時代以來，計算機科學和互聯網技飛速發展，融入了現代社會的方方面面，也為顯示技術的革命提供了契機。在此次浪潮之中，計算機視覺和計算機圖形學這兩個研究方向應運而生，取得了長足的科技進步，擁有著廣泛的應用前景。最近，虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）和增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）得到了越來越多的關注，隨著軟件算法和硬件設備日趨成熟，這種沉浸式交互的多媒體技術逐漸打開了消費者的大門，大大小小的高科技公司紛紛推出自己的虛擬現實和增強現實的電子產品和解決方案，如Oculus Rift、Google Cardboard、Microsoft HoloLens、暴風魔鏡等頭戴式顯示設備以及OpenCV、ALPSVR、ARToolKit等開源庫和軟件開發包。

在新形勢下，文化強國、精神文明建設、提升文化軟實力成為了重要的國家戰略。不可忽視的是，計算機科學和互聯網技術的高速發展為廣大的文化產業注入了新的活力，旅游服務、國產動漫、人文藝術等行業全都展現著蓬勃的生機。在文化遺產方面，數字化技術使得各類文物得到了持久的保護，也為新型的文物修復和展示途徑帶來了便利。

三、虛擬現實技術在博物館教育和文物保護中的應用舉例

在過去的十幾年中，信息技術被越來越多地應用到了數字文化遺產領域，包括文物數字化、計算機輔助考古、傳播與展示等，不單單是歷史、文化和考古學界，普通群眾也能通過數字博物館展示等途徑享受到技術進步帶來的便捷與震撼。國內數字文化遺產較為突出的工作有敦煌莫高窟數字展示中心的建成，以及龍門石窟佛像的三維數字化掃描等，近期北京故宮博物院、陜西歷史博物館等機構也逐漸引入了數字化展示技術，國外的相關研究工作利用的技術手段基本相似。

日本九州裝飾古墳群，包括王冢古墳、櫻京古墳、乘場古墳、石人山古墳等地，通過顏色建模、圖像處理等手段可以增強墓內壁畫的紋理并提取模式，并能夠利用圖形學算法模擬驗證考古學家的猜想。引入藝術舞蹈界的拉班舞譜（labano-tation），還可以通過讓機器人學習人類舞者的動作，編碼關鍵幀并進行插值來記錄和重現傳統舞蹈。在東南亞，吳哥窟與巴戎寺等著名的文化遺產由于正在受到自然的侵蝕，對其進行數字化建模就顯得尤為重要，為了克服建筑過高、不便進行三維掃描的問題，研究者提出了氣球掃描儀這種新的方法，并通過變形數據、圖像運動和氣球運動這三個約束融合出高質量的三維模型。在針對西方文物的數字文化遺產研究中，有專門研究如何從教堂的花窗玻璃中提取出高質量的圖像進行分割，以及通過互聯網上的海量圖像進行全景拼接以供展示等。其他的方面包括在保存下來的中世紀手稿自動識別文字并進行風格分析，開發面向雕塑三維分析和檢測文物形狀的圖形學軟件，對文物不斷老化的材料的物理特性進行圖形學建模等。還有奈良大佛和鐮倉大佛的三維掃描數字化，在采集到佛像三維模型數據之后，通過手工或自動的方式進行高效的修復，并通過幾何一致性和色彩一致性的建模搭建了增強現實展示系統；以及在建筑方面，通過利用已有的維圖片或三維模型等信息，在飛鳥京遺跡上搭建類似的增強現實環境，并通過景區游客導纜車進行視點的粗略定位。

敦煌莫高窟數字展示中心于2014年8月1日正式對外開放，總投資3億多元，主要為來自各地的游客放映主題電影《千年莫高》和球幕電影《夢幻佛宮》，后者是全球首部超高清8K實景數字球幕電影，影片對莫高窟最具藝術價值的7個代表洞窟進行了全方位展示。這種數字化展示方式不但減輕了客流量巨大對洞窟不可逆轉的傷害，而且也讓眾多游客欣賞到了平常難得一見的“特窟”。龍門石窟景區在應用高新技術的進程中也走在了行業前列，2015年7月15日，“互聯網+龍門”智慧景區正式上線運營，購票、游園、管理、宣傳等功能模塊極大地方便了各路游客。由于VR等技術進步，游客無需進洞即可漫游欣賞洞窟藝術，甚至還能觀看流失海外的文物補全之后的效果。從景區的角度看，減少了對文物的損壞，為科學考古提供了便捷，也很有可能提高景區的綜合收益；從游客的角度看，體驗了新型的多媒體交互方式，接受了難得的藝術熏陶和文化教育，也可以在社交平臺上營造交流的氛圍，這種增強現實的顯示技術能夠推廣到更多的文化遺產景點和其他文化產業。

結論

VR等新技術在文物保護修復方面運用前景廣闊，在博物館教育功能的作用發揮上，也有非常突出的成績。國內外正在興起研究VR在文博領域應用的熱潮，作為文博領域的青年學者，需要及時關注該領域的研究進展。

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作者簡介：

秦一（1987.11- ），河南鄭州人，河南博物院助理館員，研究方向：博物館學與影像。