虛擬現實技術在文物保護中的應用探討

張文

摘 要：文章從現階段我國文物保護中存在的突出問題入手，分析虛擬現實技術的發展過程及主要技術特征，深入研究虛擬現實技術在文物保護中的應用及關鍵技術，并以莫高窟為例進行分析。

關鍵詞：虛擬現實技術;文物保護;莫高窟

隨著居民生活水平的提高，整個社會對文物保護工作的重視程度逐年提升，由此帶來文物保護和文物修復工作的黃金發展時期。文物傳承著中華民族的共同記憶，記載著歷史的變遷，是我國傳統文化的重要載體。如何通過虛擬現實技術提升文物保護工作的質量，更好地發揮文物展覽、博物館職能，是現階段文物保護與展出工作研究的熱點問題。

1 我國文物保護現狀

1.1 保護策略過時

我國文物數量眾多，但有超過50%的文物都被損壞了，比如紙質類、漆器類、織繡類等文物在傳承過程中都遭到了不同程度的破壞，產生脆化及脫色等問題。在以前的文物保護工作中，只開展修復和臨摹等，不能有效延長文物的壽命，并且還會損耗很多的資金、時間和人力。此外，大量不可移動的文物處于很偏僻的地區，相關工作者不能對其開展很好的保護，文物不能有效發揮其自身的核心價值。

1.2 大量文物無法展出

部分學者的統計數據顯示，我國現有的文物展出地點多達幾十萬處，各類文物上千萬件，我國擁有大量的文物，但只有少部分文物被展出，供公眾學習和參觀。例如南京博物館館藏文物多達40萬件，其中展出文物只占館藏文物的2%。與此同時，在文物展出的過程中，為保護文物需投入大量的人力、物力和財力，采取專業化的保護措施。文物展出品難以頻繁更換，長時間展出同一批文物，難以吸引大眾的參觀，因此導致惡性循環，不利于博物館職能的發揮和文物保護工作的開展。

1.3 文物保護形勢嚴峻

我國文物保護工作面臨自然因素和人為因素的雙重影響，首先在自然因素方面，全球變暖、惡劣天氣、經濟增長等都會對文化遺產產生影響;其次在人為因素方面，火災、戰爭、走私、過度旅游等也增加了文物保護的難度。例如部分文物流失海外，導致無法觀賞或游覽一處完整的文化遺產，如圓明園在多次浩劫中成為一片廢墟。旅游業的快速發展給地方帶來經濟收入的同時，也給部分文化遺產的保護工作帶來了諸多限制，部分地區在文物保護工作中投入不足，比如平遙古城在短短兩年時間內就曾三次坍塌。①

2 虛擬現實技術分析

2.1 虛擬現實技術發展

虛擬現實技術簡稱VR技術，是20世紀90年代為工程界和科學界廣為關注的一項技術。虛擬現實技術開創了人機交互界面領域新的研究方向，是智能工程的重要應用領域，為大型工程的數據可視化提供了新的技術手段。利用虛擬現實技術，可借助于計算機的存儲和計算優勢，構建虛擬的三維空間，實現逼真的虛擬模擬，使用戶在視覺上產生沉浸式的體驗。

早在1965年就有學者提出了虛擬現實系統的基本思想，隨后美國林肯實驗室開始了頭盔式顯示器的研制工作，并在顯示器系統中融入了觸覺力反饋系統和模擬力量系統模。基于以上種種的理論和技術突破，20世紀80年代正式提出了VR（Virtual Reality）一詞。虛擬現實技術最早在美國國防部和宇航局中得到應用，并取得了滿意的效果，后開發出多個通用傳感虛擬現實技術和仿真器。20世紀90年代，計算機軟硬件系統飛速發展，使虛擬現實技術商業化應用成為可能，通用型的輸入輸出設備不斷推出。

2.2 虛擬現實主要技術特征

虛擬現實技術主要包括虛擬實景技術和虛擬虛景技術，在眾多領域得到了廣泛應用。虛擬現實技術包括以下4個主要的技術特征：①強烈的存在感。借助于虛擬現實技術，能使用戶在模擬環境中體驗真實感，現階段的虛擬現實技術已經做到真假難辨的程度。②優異的交互性能。在模擬環境下用戶可操作物體的能力以及從虛擬環境中得到反饋的程度稱之為交互性。借助于力學感應設備，用戶可在虛擬現實中體驗真實環境中抓握物體的觸感，物體也可隨著手的移動而移動。③多感知能力。在虛擬現實場景中，用戶除了有視覺感受，還可實現觸覺、力覺、聽覺、味覺等多感知能力。在理想化的虛擬現實場景中，使用者可感受到與現實場景相同的感知功能。④自主性。自主性需構建與現實場景中類似的物理運動規律，使其符合力學定律。在對一個物體施加力的作用時，它會沿力的方向移動或者翻倒，在一個閉環的虛擬現實場景中，可通過傳感器與虛擬環境中的用戶實現聯通。①

3 虛擬現實技術在文物保護中的應用

3.1 虛擬現實技術在文物保護中作用

3.1.1 提升保護效果

借助于虛擬現實技術，在文物保護與展出環節能夠避免文物氧化、風化、破壞的問題，最大限度地保護文物。借助于影像化的方式和虛擬場景的方式，將修復后的文物以最佳狀態展示出來，同時選擇最佳的文物遺產保護方式。對于大型文物建筑群，虛擬現實技術可構筑立體式的虛擬場景，為用戶呈現身臨其境的感覺。

3.1.2 突破時空限制

作為一種數字化的存儲和信息傳播方式，虛擬現實技術能夠大大突破時間和空間的限制。將遠距離的文物搬到觀察者面前，在此過程中不受環境和區域的限制，避免文物在搬移過程中的損壞。更為重要的是，虛擬現實技術打破了博物館展出的模式，用戶可借助互聯網在任意地點實現24小時不間斷“參觀”。

3.1.3 豐富展示方式

借助于虛擬現實技術強大的展示功能，能夠為公眾提供更加多樣的觀察方式和感受方式。首先，對于小件文物可從多個角度立體式地進行展示，將傳統的觀察者移動、文物靜止轉變為文物移動、觀察者靜止的方式，提升了觀察體驗。其次，對于大型石雕或者古建筑群，虛擬現實技術能夠構建一個虛擬場景，幫助觀察者進入一個相對獨立的歷史空間，豐富了觀察視角和感受體驗。

3.2 虛擬現實技術保護文物實施過程

3.2.1 獲取數據

為了更加真實地還原文化遺產，提供更加逼真的虛擬環境，需要借助于多項測量手段，獲得高精度的三維數據。常用的測量技術包括儀器測量、激光雷達測量、攝影測量等。對大型場景是文化遺產進行測量，多采用儀器測量技術，使用全站儀能夠便捷地完成大范圍數據的采集。規則幾何體或者超大型石雕，可采用攝影測量技術，準確的獲得三維數據;表面非規則或者形態復雜的文物，使用激光掃描技術最為便捷，采集數據的精確度更高。通常情況下可采用一兩種測量技術搭配完成文化遺產中不同文物的數據采集。

3.2.2 虛擬環境的三維建模

在獲取精確化的三維數據基礎上，虛擬環境的三維建模是實現虛擬現實技術的關鍵步驟，也是文物保護工作數字在線的基礎工作。現階段在三維建模中常使用成熟的建模軟件，完成目標文物的交互式建模過程，建模的精度較高。使用建模軟件能夠避免繁重的手工作業，建模效率高，自動化程度高，但是也要注意到，模精度與成本呈現正相關，建模精度每提升一個臺階，都伴隨著資金投入的大量增加。

3.2.3 生成實時三維圖形

將已經建好的文物三維場景或者是模型展示在用戶面前，最便捷的方式是使用三維圖形生成技術。在實時站位圖形的生成過程中，重點是實現三維圖像的實時再現，要求繪制的幀率應高于30幀每秒。該項技術在使用的過程中最大的技術難點是在保證數據質量和圖形復雜程度的基礎上，盡可能提升圖形繪制的幀率。

3.2.4 傳感器與立體顯示技術

單純的屏幕展示無法發揮虛擬現實技術在文物保護中的最大價值，現階段不少研究人員提出使用傳感器技術和立體顯示技術，在非觸摸的條件下為使用者帶來真實的觸感。利用傳感器技術開發出的多種頭盔式顯示器，搭配數據手套或者服飾，結合壓力技術和力學原理能夠提供更加真實的虛擬場景。與此同時，相比單純的屏幕展示，大型立體顯示設備在虛擬旅游方面顯示出更加旺盛的生命力和市場需求。②

3.3 應用的關鍵系統工具

在虛擬現實技術應用于文物保護的過程中，應首先分析適用于該文物的最佳技術搭配，并開發出相應的系統工具，常用的技術包括分布式虛擬現實技術和虛擬現實系統開發平臺。

實現虛擬現實的核心技術包括以下幾個：①實時三維計算機圖形技術，該項技術能夠生成不同環境下目標文物的精準圖像，其重點在于實時性和高精度;②寬視野立體顯示技術，借助于寬視野立體顯示技術，用戶戴上特制眼鏡后，可在一只眼睛內顯示奇數幀的圖像，另一只眼睛顯示偶數幀的圖像，即產生了視覺上的立體感;③立體聲播放技術帶來的聲音大幅提升了虛擬現實的真實感;④觸覺反饋技術是在特制的手套內加裝振動觸點，提供了觸覺及力學感受。

3.4 虛擬現實技術在文物保護中的應用案例

以敦煌莫高窟為例，探討虛擬現實技術在文物保護中的具體應用。敦煌莫高窟是大西北區的一處文化與藝術寶藏，地處絲綢之路的關鍵節點，其中的文物是中西方文明的瑰寶。莫高窟在千余年的歷史中，遭受到地震、風沙侵襲、偷盜、刻畫等破壞，加上近年來過度的旅游開發，使莫高窟幾乎所有的洞窟都存在不同程度的文物破壞問題。

近年來，敦煌研究院在文物保護方面做了大量的工作，對于現存的壁畫、建筑和彩塑均起到了較好的保護效果。但是也應注意到莫高窟文化遺址年代久遠、規模宏大，保護工程量巨大，同時壁畫保護的諸多難題尚未完全攻克，給文物保護工作帶來了諸多困難。

在敦煌莫高窟的文物保護中，主要包括三個目標任務。首先，需完成482個洞窟和莫高窟周圍230余平方千米的地區的全三維建模，建模的范圍包括室內的文物和室外環境，構建高精度的復制檔案，搭建虛擬現實技術應用的平臺。該項基礎工作不僅可供游人參觀使用，也可為文物保護和重建研究提供便捷的工具。其次，對現存的壁畫進行重建和色彩學修復。最后，基于上述兩項成果，復原敦煌壁畫的歷史故事，進行虛擬現實技術上的三維演繹。①

虛擬現實技術在莫高窟文物保護中的應用主要體現在數字敦煌工程中。將新一代數字技術和信息技術引入敦煌遺產保護中，現存與敦煌相關的文物包括洞窟、彩塑、壁畫、建筑群等，生成高精度的圖像，結合數字技術，將敦煌文物相關的文獻資料和研究成果匯編成電子檔案館，借助于激光掃描攝影、航空拍照等手段，獲取敦煌莫高窟內外的全三維數據及影像資料，建立三維可視的數字化環境模型。通過以上三方面的工作，不僅可以保護珍貴的雕塑和壁畫，同時可借由虛擬現實技術再現莫高窟的模型，用于瀏覽、參觀和研究。

具體工作流程分析如下：①借助于高精度的攝影和激光掃描技術，獲取室內外的環境數據;②制作等值線圖和正射影像圖，建立三維數據庫;③基于上述的數據進行三維數據建模，主要包括數據采集、不規則三角網的構建、三維恢復模型的構建;④在上述模型中完成紋理拼接和細節刻畫。

4 應用展望

應該注意到我國的虛擬現實技術還處于發展的初級階段，在商業模式和應用解決方案上還不足夠成熟。在文物保護中應用虛擬現實技術還存在許多技術問題，需要相關工作人員繼續研究。針對虛擬現實技術在文物保護中應用的限制，應大力推廣數字化保護工作，應用現代信息技術實現文物保護的目標，快速提升我國文物保護能力建設。②另一方面，深入探討三維地理信息系統，通過虛擬現實、激光掃描等相應技術的融合發展，探索出符合我國文化遺產保護需求的軟硬件技術方案，構建文化傳播與文物保護相結合的有效途徑。最后，國家有關部門應會同科研院所設立重大專項，聚焦科研與資金力量，在重大文物遺產保護項目中探索和應用虛擬現實技術，實現文化旅游事業發展、廣大人民素質提升、優秀文化傳承和文物保護的有機統一。

5 結語

我國擁有悠久燦爛的歷史文明，其中重要的文物和遺跡是屬于全人類的重要文化遺產。隨著信息時代的到來，在文物保護過程中應引入現代化的科學技術，提升文物保護工作的效率，更好地進行文物修復和還原工作，是現階段文物保護領域工作人員的重要研究課題。借助于虛擬現實技術，可更加高效地實現文物的展示與保護，提供了一種基于信息技術框架下的文物保護工作理論及方法。