基于VR技術的長白山訥殷古城遺址的還原與再現研究

郭亮，劉書廷

（1.長春光華學院，吉林長春 130031；2.長春市第一實驗銀河小學，吉林長春 130051）

根據《國家文物事業發展“十三五”規劃》《吉林省“十三五”時期文化發展改革規劃綱要》，以及《吉林省文化和旅游廳2019年重點工作規劃》的總體思路為指導。遵循“保護為主，搶救第一，合理利用，傳承發展”的理念，加強文物保護利用和文化遺產保護傳承。以提高該省文化旅游產業發展為主題，以加快數字技術與文化產業深度融合為主線，以推進智能化和虛擬仿真為主攻方向。

通過對吉林省長白山地區文化的現狀調研，了解到長白山地區有豐富的人文歷史和旅游資源，但隨著農村的城鎮化發展以及人為破壞和自然環境的影響，很多區域的歷史文化正逐漸消失。虛擬現實技術（簡稱VR）的介入，可以對已消失的文化古跡進行真實還原和場景再現，對未消失的文化古跡可以做到提前存檔與文化宣傳，將傳統旅游業向互聯網＋方向積極轉型。進而帶動當地文化旅游產業的發展，為全面提升該省地方傳統文化，促進景區公共網絡建設以及形象宣傳起到了推進作用。

1 國內外研究現狀與對比分析

美國是虛擬現實技術研究的發源地，虛擬現實技術的誕生可以追溯到20世紀40年代。最初研究的虛擬現實技術只是用于美國軍方對飛行駕駛員和宇航員的模擬訓練。然而，隨著冷戰結束后美國軍費大大削減，虛擬現實技術就逐漸轉為民用，目前美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。英國在VR開發的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設備（包括觸覺反饋）設計和應用研究方面，在歐洲來說是領先的。德國在VR的應用方面選擇了以工業設計為主的發展方向，在改造傳統產業方面，一是用于產品設計、降低成本，避免新產品開發的風險；二是產品演示，吸引客戶爭取定單；三是用于培訓，在新生產設備投入使用前用虛擬工廠來提高工人的操作水平。

我國虛擬現實技術的研究和一些發達國家相比還有很大的一段距離，隨著計算機圖形學、計算機系統工程等技術的高速發展，虛擬現實技術已經得到了相當的重視，引起我國各界人士的興趣和關注。研究與應用VR建立虛擬環境、虛擬場景模型分布式VR系統的開發正朝著深度和廣度發展。國家科委國防科工委部已將虛擬現實技術的研究列為重點攻關項目，國內許多研究機構和高校也都在進行虛擬現實的研究和應用并取得了一些不錯的研究成果。

北京航空航天大學計算機系也是國內最早進行VR研究、最有權威的單位之一，其虛擬實現與可視化新技術研究室集成了分布式虛擬環境，可以提供實時三維動態數據庫、虛擬現實演示環境、用于飛行員訓練的虛擬現實系統、虛擬現實應用系統的開發平臺等，并在以下方面取得進展：著重研究了虛擬環境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現實中的視覺接口方面開發出部分硬件，并提出有關算法及實現方法。清華大學國家光盤工程研究中心所作的“布達拉宮”，采用了QuickTime技術，實現大全景VR效果；浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發了一套桌面型虛擬建筑環境實時漫游系統；哈爾濱工業大學計算機系已經成功地合成了人的高級行為中的特定人臉圖像，解決了表情的合成和唇動合成技術問題，并正在研究人說話時手勢和頭勢的動作、語音和語調的同步等。

2 研究內容

通過對長白山訥殷古城遺址的深入挖掘和智能化模擬，將虛擬現實技術和地方文化相結合，不僅滿足了傳統旅游中感官方面的體驗，也還原了舊時東北地區的文化特色，將歷史、建筑、民俗、服飾、自然風光、傳奇故事等進行虛擬還原建設。給用戶提供視覺、聽覺、觸覺等直觀體驗，并以激活觸發點的方式來增加故事情節和添加智能交互處理，從而達到身臨其境的真實感受，構建出一個逼真、生動的虛擬世界。

（1）通過虛擬現實技術為指定區域創建自然景觀、建筑物、室內外設施等，并為其添加寫實材質，模擬真實場景效果，還原旅游景區的原始風貌。

（2）深入研究當地人文歷史、風俗文化、傳奇故事，在遵循歷史，尊重文化的基礎上，為系統軟件添加故事情節，以視頻和交互動畫的形式展示出來，寓教于樂。

（3）為系統添加智能人機交互功能，每個景點配位文字、語音介紹，充分做到人機交互的人工智能效果。

（4）模擬晝夜更替、四季變化、風霜雨雪等自然現象，著重研究場景中的光影、大氣、物理碰撞等真實現象。

3 重點與難點

（1）如何保證場景中的環境與模型真實可信是本項目的一大難點。虛擬現實技術的核心思想是通過創建“虛擬環境或物體”來模擬現實世界中的“景或物”。如果創建的模型不真實，便起不到模擬的目的，而模擬的真實與否則全部取決于制作者對模型細節的刻畫和材質紋理的寫實繪制。所以，如何保證場景中所建模型真實可信，是本項目的一大難點。

（2）使用者與系統的交互設計是本項目的重點技術，好的交互體驗會大大增加環境的代入感。首先要保證觸發后實行的任務及時有效，其次交互體驗涉及AI設計，所以觸發開關外形要醒目、美觀，避免遮擋視線等特點。

4 研究方法與實施步驟

系統包含硬件和軟件兩個部分，硬件包括計算機、虛擬設備、力反饋手套、交互設備等，而軟件系統是系統核心部分，主要開發虛擬交互程序和視覺軟件界面，根據編程語言實現人機交互的原理和功能，包括視覺感知、觸覺感知、聽覺感知、知識講解、娛樂冒險、虛擬漫游等部分。

4.1 虛擬漫游系統的組成

系統是以坐標定位、視覺圖像采集、空間位移、激活觸發點和模擬情景為基礎來實現的。系統在現實世界中使用采集器定位坐標點，并將信息轉化為計算機可識別的數字坐標，存入計算機內，然后由計算機內的空間處理軟件對坐標進行處理和分析，再配合VR設備捕捉人眼采集到的圖像信息，通過計算機反饋到手部控制器上，通過算法為虛擬物體設定觸發點或觸發區域。當使用者接觸到指定觸發區域后，被觸發物體激活產生位移、特效、動畫等交互體驗，完成模擬情景、虛擬漫游的最終效果。其模擬系統工作流程圖如圖1所示。

圖1 模擬系統工作流程圖

4.2 模型與場景的創建

模型包括建筑物模型、生物模型與物體模型三種。需要對文獻資料進行系統研究后，通過年代對比整理出符合準確時間段的文字及圖片素材作為參考資料。使用Maya2018等三維軟件配合PhotoShop等繪圖軟件以及大量插件將素材還原成三維模型。其中建筑物的比例要符合人體工程學，以保證交互過程中的真實體驗感。生物模型的外貌特征要嚴格遵循生物體的生理解剖特點，對肌肉、皮膚、毛發、衣著裝飾等特征的模擬需要在指定面數的合理范圍內保證細節的刻畫。

場景分為部落場景和自然場景。部落場景需要對文獻資料深入研究后，結合真實村落的實際情況，通過規劃指定區域的方式對建筑物進行合理擺放，以保證人類日常生活的基本需求。自然場景需要通過實地考察以及無人機俯拍照片的方式搜集準確素材，同時要確定符合當地自然狀態的植物與地形地貌。

4.3 虛擬交互的制作

虛擬交互方面主要分為AI設計和命令設定兩個階段，其中AI設計是通過PhotoShop等繪圖軟件將操作界面和命令按鈕設計成簡介、美觀、易于操作的LOGO標志，通過觸發的方式表現開與關等不同細節。命令設定是將模型導入到UE4等游戲引擎中，通過藍圖節點和算法進行編程設定，以此來控制系統內一切可交互的物體。

4.4 寓教于樂的設計

訥殷古城位于長白山池南區西錦江、漫江和頭道松花江三江交匯之處，依山傍水，屬于典型的火山地貌，也因此當地的動植物種類繁多。為了增加漫游的趣味性和體驗感，后期會為系統設計諸如狩獵、捕魚、采人參等體驗任務。

5 風險與前景分析

5.1 技術風險

隨著VR領域的不斷發展，新設備、新技術的更新日新月異。目前業內普遍使用的VR設備是HTC公司生產的VIEW和Facebook公司生產的Oculus兩款設備，而目前線上發行的虛擬產品大多只針對個別設備使用，無法做到全部兼容。本系統預計可以完美兼容多款VR設備，并會根據用戶需求更新不同版本。

5.2 市場風險

市場產品銷售量與價格為項目運行效益的較大風險。由于產品的附加值較高，預計從事本行業的研究和生產單位會有所增加。省內研究虛擬現實較為成熟的公司均以制作虛擬實驗教學、虛擬漫游類項目為主，但產品價格較高，后期維護費用昂貴。而本產品目前處于試驗階段，以“長白山數字文化旅游產業研發中心”為依托，降低了制作成本，這也是本產品的優勢所在。

5.3 前景分析

虛擬現實發展前景十分廣闊，而將該技術搭載在大數據、云計算、5G等技術上，更是我們一直渴求的。從某種意義上說它將改變人們的思維方式，甚至會改變人們對世界、自己、空間和時間的看法。它是一項正在發展的、具有深遠潛在應用方向的新技術。利用它，我們不僅可以通過漫游的方式觀看古代建筑，還可以將虛擬現實技術應用在教育教學方面，通過對不同學科方向的合作、交叉，開展以虛擬技術為基礎的虛擬實驗研究。同時同行業的工作人員可以依靠這個平臺，進行相關設備的模擬，討論技術要點。這項技術一旦實現將會給我們的生活帶來翻天覆地的變化。