故宮博物院數(shù)字VR劇場的多元化應(yīng)用

張雨辰

關(guān)鍵詞 VR技術(shù)；數(shù)字劇場；文化傳播；新媒體

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-0360（2021）16-0024-04

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（英文名稱：Virtual Reality，縮寫為VR），是20世紀發(fā)展起來的一項全新的實用技術(shù)[ 1 ]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)囊括計算機、電子信息、仿真技術(shù)于一體，其基本實現(xiàn)方式是通過計算機模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感，虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有存在性、多感知性、交互性等特征，深受博物館行業(yè)的關(guān)注與青睞。早在2003年，故宮文化資產(chǎn)數(shù)字化應(yīng)用研究所（簡稱數(shù)研所）就開始進行虛擬現(xiàn)實技術(shù)的探索，建立了一套多通道VR展示系統(tǒng)，利用計算機實時渲染技術(shù)將虛擬的紫禁城以不同于平常的視角展示出來。

隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)研所數(shù)字VR劇場先后經(jīng)歷了兩次展示系統(tǒng)的迭代更新。使用清晰度更高的投影設(shè)備，同時改造渲染系統(tǒng)的架構(gòu)，使渲染性能、穩(wěn)定性以及便捷性都有較大的提升。截至2020年，數(shù)研所在該系統(tǒng)上陸續(xù)開發(fā)了10部《紫禁城·天子的宮殿》虛擬現(xiàn)實系列節(jié)目，對于展示傳播故宮文化起到了非常重要的作用。

隨著觀眾對于文化需求的日益增長，以故宮博物院為代表的中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化也越來越受到重視，相關(guān)的文化活動發(fā)布會、論壇、學術(shù)講座以及會議不斷的增加，數(shù)字VR劇場的使用率也達到了新的高度。與此同時，也從以下三方面看到了不足：

1）數(shù)字VR劇場使用場景單一，無法匹配現(xiàn)階段多元化的使用方式。由于系統(tǒng)設(shè)備是根據(jù)VR節(jié)目自身特性所集成，無法將設(shè)備沿用與其他應(yīng)用場景當中，團隊調(diào)研國內(nèi)多家博物館的數(shù)字劇場、VR影院和球幕劇場，都存在只能播放特定影劇內(nèi)容的情況，系統(tǒng)設(shè)備無法針對不同內(nèi)容轉(zhuǎn)換使用場景。只能使用VR系統(tǒng)外的投影設(shè)備進行內(nèi)容的投射放映，又由于數(shù)字VR劇場為弧幕劇場需要對展示畫面進行復(fù)雜的幾何矯正，所以展示效果受到極大的影響。

2）VR節(jié)目全部以介紹故宮古建筑為主題，缺乏對可移動文物的專題VR節(jié)目。由于系統(tǒng)和軟件技術(shù)的限制，主要以故宮古建為視角進行設(shè)計開發(fā)VR節(jié)目，對于186萬件故宮所藏珍貴文物的系統(tǒng)介紹相對較少。

3）數(shù)字VR劇場運營維護成本高，難以支撐博物館數(shù)字化展示業(yè)務(wù)的可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)有投影系統(tǒng)為汞燈光源投影機，燈泡更換時長短成本高且該設(shè)備配件老化，輸出圖像信號不穩(wěn)定，在使用過程中存在風險。

針對以上三個方面的問題，進行了深入的調(diào)查研究，并著手對數(shù)字VR劇場多通道展示系統(tǒng)進行大規(guī)模的升級改造工程，致力于建設(shè)一個多元化智慧數(shù)字VR劇場。

1 提升傳統(tǒng)VR展示效果

數(shù)字VR劇場原有基于三臺2K級汞燈光源投影機組成的前端投影展示系統(tǒng)，通過對弧幕進行融合拼接，形成一個高4.2米、寬13.5米的投影畫面，拼接后畫面總體分辨率為4 250×1 200像素點。對于汞燈光源來說其損耗程度與投影的使用時長成正比，雖然三臺投影的畫面一致性保持正常，但是投影光源出現(xiàn)亮度及色彩飽和度下降的問題。目前數(shù)研所制作的虛擬現(xiàn)實節(jié)目，模型精度按照4K級以上標準進行采集和加工，現(xiàn)有前端展示系統(tǒng)已不足以匹配高精度、高擬真度三維數(shù)據(jù)的展示需求。

為解決這個問題，利用現(xiàn)階段主流4K激光投影設(shè)備（Barco UDX-4K22）作為數(shù)字VR劇場前端投影系統(tǒng)部分的投影機。該投影機具有4K UHD（3 840×2 400）分辨率和20 000lm光輸出，同時恒定光輸出（CLO）功能也能始終提供恒定的亮度和顏色，而且采用三片DLP（數(shù)字光處理）芯片使畫面展示色彩空間提升到Rec.709標準以上，確保能夠顯示精準的色彩。在運營成本上，由于采用的使激光熒光光源，可以避免燈源成本、維護成本以及圖像閃爍的問題。

基于傳統(tǒng)VR節(jié)目展示需求來建立逼真的視景仿真環(huán)境，需要對多通道投影進行拼接融合，利用投影機內(nèi)置的自動曲面幾何圖像糾正系統(tǒng)和Blending融合系統(tǒng)，將位于多個投影機的投影區(qū)域重合部分的畫面亮度做由明到暗的過渡處理，使得不同投影機生成的圖像可以平滑過渡[2]。經(jīng)過驗證，拼接融合系統(tǒng)處理后的圖像，可以實現(xiàn)多通道投影在弧幕上的無縫顯示效果，達到了預(yù)期指標要求。

此次前端投影系統(tǒng)部分升級改造完全剔除了原系統(tǒng)的缺陷，從色彩的銳利性和穩(wěn)定性、亮度的穩(wěn)定性、畫面的精細度與一致性等各個方面都有了非常顯著的提高，運營成本則顯著降低。拼接畫面物理分辨率達到8 720×2 400像素，而通過投影4K增強功能可以使分辨率提升到11 626×3 200像素，相比于原來投影設(shè)備拼接而成的畫面精細度提升了4倍。同時激發(fā)后臺渲染圖形工作站的最大性能承載力，在保證程序運行流暢的基礎(chǔ)上，對每塊顯卡實現(xiàn)4K內(nèi)容的渲染輸出，使得VR節(jié)目的沉浸感和臨場效果都獲得極大提升，為接下來新展示方式和劇場延伸性的探索提供了平臺和可能性。

2 探索新展示方式

傳統(tǒng)VR節(jié)目主要依靠特定的虛擬現(xiàn)實渲染引擎進行開發(fā)，三個通道的分別獨立渲染畫面之后進行軟件系統(tǒng)的幀同步，同步后達到畫面的一致性從而實現(xiàn)120度可觀賞視角虛擬場景的展現(xiàn)，在此過程中利用了投影機角度視角模式（Angular FOV），但是這種模式本身存在局限性，它無法將有弧度的屏幕在Windows視窗下融合為一個整體，即使內(nèi)容已經(jīng)相對完整，但是展示方式卻存在單一的情況，這就產(chǎn)生了數(shù)字化展示過程中的局限性。為此我們嘗試了新的投影方式，前端投影系統(tǒng)加載新的平行視角模式（Collimator FOV）并利用NVIDIA Mosaic多屏顯示技術(shù)，通過矯正幾何畫面能夠?qū)⑷_投影機在有弧度的屏幕下形成統(tǒng)一的Windows視窗畫面。

平行視角模式的引入使我們對于故宮文化遺產(chǎn)的展示方式有了更多的可能性。隨著近幾年商業(yè)游戲引擎的快速發(fā)展，特別是其優(yōu)異的畫面特效、可定制性、多平臺和組件化開發(fā)，越來越多的文博數(shù)字化展示內(nèi)容也利用游戲引擎進行設(shè)計和制作，更利于大眾化的傳播并取得了不錯的效果。對此，數(shù)研所運用新的系統(tǒng)平臺和游戲化引擎開啟全新類目的故宮文化遺產(chǎn)虛擬現(xiàn)實節(jié)目開發(fā)工作。

故宮博物院現(xiàn)有書畫類（繪畫、法書）藏品127 006件/套，目前故宮博物院對于書畫類藏品的展示方式除了傳統(tǒng)線下展覽以外通過“數(shù)字文物庫”和“故宮名畫記”兩個網(wǎng)頁展示欄目進行欣賞，盡可能擴大資源開放力度來激活數(shù)字文物的價值。但是故宮書畫類文物的采集精度可以達到數(shù)十億級像素級別，線上展示的方式無法將超高清的書畫資源數(shù)據(jù)進行淋漓盡致的展現(xiàn)。中華傳統(tǒng)文化需要根據(jù)文物的不同種類進行多元化的展示工作，這就需要結(jié)合新的數(shù)字展示技術(shù)與展示方法，以沉浸式、交互式的方式來欣賞傳統(tǒng)書畫。

《韓熙載夜宴圖》是五代十國時期南唐畫家顧閎中的繪畫作品，現(xiàn)存宋摹本，絹本設(shè)色，其風格基本反映出原作面貌，且達到相當高水平，堪稱流傳有緒的古代繪畫珍品[3]。與傳統(tǒng)VR節(jié)目不同，書畫藏品的展示以二維影像為主，所以不能用以往透視視角進行數(shù)字化展示，需在制作引擎里使用正交視角對書畫藏品二維影像數(shù)據(jù)加以利用。在實際制作過程中，由于《韓熙載夜宴圖》數(shù)字影像精度極高（最高達到600dpi），數(shù)字VR劇場的超高精度屏幕易產(chǎn)生摩爾紋（摩爾效應(yīng)）從而影響觀賞效果。對此，在開發(fā)過程中利用Mip映射（Mipmapping）技術(shù)，通過制作多個層級的影像貼圖在虛擬相機遠近不同的情況下，轉(zhuǎn)換適當?shù)挠跋窦墑e，這樣不僅產(chǎn)生更好的視覺效果，也能將減少實時渲染的負擔[4]。

之后利用局域網(wǎng)搭建可交互式的展示平臺，平板設(shè)備作為客戶端控制數(shù)字VR劇場大屏幕進行可視化交互，開發(fā)三種互動模式：故事模式、分鏡模式和熱點模式。故事模式以自動化講解的方式將《韓熙載夜宴圖》學術(shù)研究成果以及所蘊含的知識點，通過簡單易懂的可視化語言表達出來，形成10分鐘的VR節(jié)目；分鏡模式和熱點模式主要面向基于數(shù)字VR劇場的學術(shù)交流，學者可以自主選擇交互熱點進行可定制化的講解和展示。

將VR劇場與二維書畫影像結(jié)合，并通過合適的技術(shù)手段和巧妙的闡釋設(shè)計，從而形成新的數(shù)字VR劇場展示方式。突破以往VR技術(shù)用于三維內(nèi)容的展示界限，將中華傳統(tǒng)書畫以另一種形態(tài)展現(xiàn)給大眾。

3 數(shù)字VR劇場的延伸性

上一代數(shù)字VR劇場受硬件系統(tǒng)和軟件平臺的限制，僅限播放虛擬現(xiàn)實節(jié)目，無法實現(xiàn)其多功能性。通常數(shù)字劇場需要承接更多的線下文化傳播活動，觀影周、學術(shù)論壇、文化講座以及發(fā)布會都是提升博物館自身影響力的主要方式。文化的數(shù)字化工作，需要切實的場地進行“孵化”與“傳播”。基于數(shù)字劇場、數(shù)字影院來舉辦更多、更豐富的文化活動，這就需要數(shù)字化展示場所有更為多樣的使用功能，以此來滿足不同使用場景。所以說延伸性是判定博物館數(shù)字VR劇場是否具有可持續(xù)發(fā)展的重要指標。

一般來說，傳統(tǒng)的巨幕數(shù)字演播廳容易實現(xiàn)應(yīng)用于不同的使用場景，而對于球幕以及弧幕等演播廳設(shè)備，由于受異形屏幕的限制，不易實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的多功能復(fù)用。例如，球幕數(shù)字劇場多數(shù)情況下只能播放特定技術(shù)和制式的2D或3D數(shù)字影片，在播放其他數(shù)字內(nèi)容時受屏幕畸變影響大，而且需要更加復(fù)雜的投影系統(tǒng)來滿足使用需求。特別是在當今世界新冠肺炎疫情肆虐的大背景下，越來越多的機構(gòu)選擇視頻電話會議的形式開展工作，所以畫中畫、多窗口等會議功能需求凸顯，弧幕在這一方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。

此外，提升數(shù)字VR劇場的復(fù)用性能夠有效降低博物館的運營成本。如今越來越多的博物館為了提升自身品牌效應(yīng)，會定期舉辦學術(shù)會議及產(chǎn)品的發(fā)布會，公道甚至出彩的發(fā)布會給新產(chǎn)品的推出形成正面的影響。所以，通常情況下博物館行業(yè)會尋求公關(guān)公司的幫助利用更好的展示系統(tǒng)平臺搭建發(fā)布會現(xiàn)場環(huán)境，一般情況下硬件設(shè)備的租賃占活動總經(jīng)費的20%以上[5]。博物館行業(yè)的品牌傳播，要把重點放在品牌內(nèi)容的打造，通過數(shù)字VR劇場的硬件系統(tǒng)復(fù)用性降低活動成本，將更好的內(nèi)容呈現(xiàn)給公眾，從而提升博物館公共文化服務(wù)效率。

新一代數(shù)字VR劇場采用模塊化的系統(tǒng)定制，每種系統(tǒng)模塊盡可能的實現(xiàn)功能分離，每個系統(tǒng)模塊盡可能的實現(xiàn)多方位接口。根據(jù)預(yù)設(shè)使用場景，構(gòu)架數(shù)字VR劇場的可交叉式系統(tǒng)布局，多種模式相互組合實現(xiàn)各種應(yīng)用場景。作為顯示系統(tǒng)構(gòu)建的核心設(shè)備——多通道演示融合處理器（畫中畫處理器），一方面負責鏈路三臺投影機與多臺高性能工作站的信號輸入與輸出交換，另一方面負責多路超高清信號通過畫中畫功能同時在弧幕上呈現(xiàn)。以往數(shù)字VR劇場中間鏈路由信號顯示矩陣和融合設(shè)備共同組成，升級后無需分步控制，減少中間環(huán)節(jié)從而降低信號延時，提升信號穩(wěn)定性。對于面向公眾的數(shù)字VR劇場來說，系統(tǒng)穩(wěn)定性是運營過程中非常關(guān)鍵的指標，其良好的穩(wěn)定性能夠降低運營成本，提升放映產(chǎn)能[6]。

除顯示系統(tǒng)升級以外，對聲音系統(tǒng)也進行了杜比全景聲（Dolby Atmos）的升級，其突破了傳統(tǒng)意義上5.1、7.1聲道的概念，能夠結(jié)合影片內(nèi)容，呈現(xiàn)出動態(tài)的聲音效果，更真實的營造出由遠及近的音效。

博物館領(lǐng)域經(jīng)常會舉辦國際間的交流活動和會議，通過同聲傳譯設(shè)備可以保證演講者在演講的同時，內(nèi)容被同聲翻譯成指定的目標語言，通過另外的聲道傳送給與會代表。

對于數(shù)字VR劇場來說，除了能夠播放傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實影片以外，還需要擴大系統(tǒng)軟件技術(shù)路線，運用諸如人工智能、AR、感官體驗、主動立體等先進技術(shù)來打造更為豐富的博物館領(lǐng)域播放內(nèi)容，這是現(xiàn)階段博物館數(shù)字劇場應(yīng)當具有的技術(shù)延伸性。同時，通過不同功能模塊的組合疊加，可以變化不同的使用場景，以此來應(yīng)對各類應(yīng)用需求，這是現(xiàn)階段博物館數(shù)字劇場應(yīng)當具有的場景延伸性。只有兩者相互結(jié)合、相互作用，才能夠使博物館數(shù)字劇場保持相對長久的先進性和易用性，提升數(shù)字劇場在博物館整體建設(shè)中的影響力，提高數(shù)字劇場利用效率。

4 總結(jié)

通過此次系統(tǒng)性的數(shù)字VR劇場升級改造，在現(xiàn)有的多通道VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，搭建了一個更為穩(wěn)定、更加先進，同時具有一定功能拓展性和延伸性的博物館展示系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)字VR劇場的可持續(xù)發(fā)展的目標；同時，從系統(tǒng)角度出發(fā)，提供了一個與時俱進的、可供文化服務(wù)、傳播與研究的綜合平臺；從文化創(chuàng)造的角度出發(fā)，新的數(shù)字VR劇場為故宮數(shù)字化的傳播與展示提供了更為強大的支撐和平臺。

參考文獻

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