基于VR技術的甘肅歷史文化遺址數字化保護研究

許朝森，巴鈞才

（蘭州石化職業技術大學，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

歷史文化遺址是社會長期發展而形成的重要物質，代表著民族風貌、精神以及地方風土人情。我國十分重視文化遺產的保護工作，而甘肅省具有較多的歷史文化遺址，需要充分發揮VR技術在歷史文化遺址保護中的作用。本文將以魯土司衙門舊址為例分析VR技術在甘肅歷史文化遺址保護中的應用。

1 VR技術與歷史文化遺址分析

1.1 VR技術分析

虛擬現實(Virtual Reality，VR）技術是一種計算機仿真技術，應用VR技術可以構建虛擬世界，即利用計算機構建三維動態視景，并讓用戶體驗［1］。VR技術的應用范圍十分廣泛，如地產漫游、虛擬樣板間、多專業協調、網上看房、場館仿真等都應用了虛擬現實技術。但是，VR技術在實際應用過程中也出現了一些問題。(1）設備使用不便、攜帶不便等問題十分突出，且硬件的處理速度相對較慢。(2）軟件的可用性較差。在硬件的影響下，應用VR技術的成本較高且效果不佳，相關的理論與算法不夠成熟，三維建模技術也存在一定問題。(3）應用領域有限。在諸多因素的影響下，VR技術沒有被廣泛應用在教育領域、工業領域。(4）效果不佳。虛擬現實感知缺乏對觸覺與聽覺的關注，導致整體效果缺乏真實性。同時，VR技術與人的交互不足，在人工智能以及語音識別等方面的效果不佳。

1.2 歷史文化遺址分析

歷史文化遺址指的是古人建造的建筑現在成了建筑廢墟，常見的歷史文化遺址包括村落、宮殿、都城、民居、寺廟以及作坊等［2］。在自然與人為等因素的影響下，大多數文化遺址都被埋藏在地下，部分文化遺址殘存在地面上，也有部分文化遺址已淪為廢墟。當前，我國較為著名的歷史文化遺址主要包括古墓地、古城堡以及石窯寺。

2 甘肅歷史文化遺址保護現狀

經過長期發展，甘肅省積累了大量優秀的歷史文化，其中民俗風情有阿克塞風俗、肅北蒙古族風情、敦煌莫高窟民俗、肅南裕固族風情；歷史文化有大地灣文化、伏羲文化等；歷史文化遺址有玉門關、古陽關、公劉廟、窯洞民居以及魯土司衙門等［3］。

其中，魯土司衙門位于甘肅省蘭州市永登縣，是目前甘肅省眾多土司建筑當中保存較為完整的宮殿式建筑群，主要是由魯土司衙門、土司花園以及妙因寺等部分共同構成。魯土司衙門坐北朝南、附近自然環境十分優美，主體建筑布局呈現出了對稱的特點。魯土司衙門的東西兩側是寢宮、倉院、小教場等建筑，也包括儀門等建筑。整體而言，魯土司衙門具有濃厚的民族風格。近年來，文物保護單位逐漸將感恩寺、顯教寺、海德寺以及雷壇并入到魯土司衙門舊址中。同時，魯土司衙門中儲存了大量的佛教典籍，例如大藏經等，具有重要意義。

甘肅省在歷史文化遺址保護中獲得了一定的成績，但是從實際情況來看，甘肅省的底子較為薄弱，存在缺乏資金、缺乏人才等問題。

(1）缺乏資金。甘肅省的經濟發展水平相對較低，進行歷史文化遺址保護的經費主要來自國家財政支持。但是，國家財政支持有限，且更注重對國保單位的保護，對省保單位、市保單位以及縣保單位等級別的歷史文化遺址的支持力度不足，且仍然按照財政分級負擔的原則劃撥經費。但是，多數地區的經濟水平較低，導致文物單位存在較大的資金缺口，無法在歷史文化遺址的保護中投入更多的資金。

(2）缺乏人才。相比于經費不足，甘肅省人才不足這一問題更加突出。當前，甘肅省從事文物工作的人員有3 000人左右，但專業的技術人員只有五六百人。歷史文化遺址的保護具有較強的專業性，對專業人員的需求量較大。但是，甘肅省的專業人員較為匱乏，且現有專業人員分布不均衡，大多數專業人員都在比較大的文博單位中。基層部門十分缺乏專業人員，加大了歷史文化遺址的保護難度。且部分地區的基層文物保護機構與文博單位都位于偏遠鄉村，很難吸引到專業人才。

(3）技術水平較低。信息技術在人們的生活與生產活動中占據著重要地位。同樣，信息技術在歷史文化遺址保護與利用中也發揮著重要作用，但是甘肅省文物保護單位的技術水平較低，技術應用水平也較低，無法充分發揮信息技術在歷史文化遺址保護中的作用。首先，在經費缺乏的情況下，甘肅省無法為歷史文化遺址的保護提供更多的資金，也無法完善信息設備與相關設施。例如，若想應用VR技術便需要完善計算機等設備，但是甘肅省無法購置大量的設施。因此，VR技術在歷史文化遺址中的應用較少。其次，信息技術應用水平較低。甘肅省缺乏專業人才，現有的工作人員對信息技術尤其是VR技術等高科技了解較少，不知道如何在歷史文化遺址中應用VR技術。

3 VR技術在甘肅歷史文化遺址保護中的應用

3.1 VR技術在歷史文化遺址中的應用方法

歷史文化遺址具有不可再生性，若不加強保護可能無法恢復其原貌。同時，當前歷史文化遺址保護技術有限，可能會導致歷史文化遺址因受到人為與自然等因素的影響而消亡。歷史文化遺址的參觀人數較多，可能會對文化遺址造成破壞。而利用VR技術可以增加歷史文化遺址的展示頻率，也可以進行歷史文化遺址的數字化保存。

(1）利用VR技術增加歷史文化遺址的展示頻率。大多數人距離甘肅省較遠，在交通、時間以及資金等因素的限制下，人們無法實地參觀歷史文化遺址，且部分歷史文化遺址需要高度保護，若參觀人數過多會對遺址造成破壞。為此，文物保護單位可以通過VR技術展示歷史文化遺址，讓人們隨時隨地參觀遺址、了解遺址，讓人們感受到歷史文化遺址當中的歷史文化價值。當前，應用在歷史文化遺址保護中的VR技術有三維全景、Web 3D商業軟件、編程方法以及VRML/X3D語言等，其中Web 3D商業軟件有3DML以及Viewpoint，而編程方法包括Java 3D等［4］。參觀者可以通過這些VR技術全方位地欣賞歷史文化遺址，有利于滿足人們的參觀需求。

(2）利用VR技術進行歷史文化遺址的數字化保存。當前，部分地區的歷史文化遺址保護工作出現了問題，其中部分歷史文化遺址受到了破壞，為此文物保護單位需要利用VR技術進行歷史文化遺址的數字化保存。VR技術包括數字建模技術與三維掃描技術，利用這些技術可以對歷史文化遺址進行數字化處理與數字化保存。例如，對于魯土司衙門舊址等體積較大的歷史文化遺址，可以利用VR技術進行遺址的數據采集。利用VR技術獲取的數字化信息可以永久保存，之后可以通過全息投影、3D打印等方式展現歷史文化遺址。工作人員可以利用VR技術對魯土司衙門舊址當中的佛教藏經等文化遺產進行保存，構建電子檔案，并利用無人機拍攝、激光掃描等方式收集魯土司衙門舊址的模型，增強三維場景的真實性。

3.2 利用VR技術進行歷史文化遺址保護的流程

(1）獲取數據。為了利用VR技術真實展現歷史文化遺址，工作人員需要利用不同的測量手段獲取高精度的遺址三維信息。常用的測量技術有人工測量、攝影測量、儀器測量以及激光雷達測量等，其中人工測量的關鍵在于測量遺址簡單的幾何特征；攝影測量可以獲取遺址的規則幾何特征以及詳細的三維信息；儀器測量可以進行大型場景的測量；激光雷達測量可以獲取非規則表面的三維信息。只有將不同的測量技術結合起來，才能夠獲取更準確的遺址三維信息，為VR技術的應用提供數據支持。

(2）構建三維虛擬環境模型。在獲取歷史文化遺址的三維信息之后，工作人員需要根據三維信息構建三維模型，從而為歷史文化遺址的數字化展現奠定基礎。工作人員可以利用較為成熟的建模軟件進行建模，確保建模精度符合實際需求。但是，即使應用成熟的建模軟件也需要大量的手工操作，降低了建模的效率，也提高了建模的成本，因此，需要加大對自動化建模方法的研究力度。

(3）應用實時三維圖形生成技術。工作人員可以利用實時三維圖形生成技術展現構建好的目標模型與三維場景，從而創設虛擬環境。在應用實時三維圖形生成技術時，工作人員需要保證圖形的實時繪制幀率在15 fps甚至30 fps之上［5］。同時，工作人員應在保證圖形質量的基礎上提高圖形繪制頻率。

(4）應用立體顯示與傳感器技術。只是通過屏幕展現歷史文化遺址并不滿足考古學等專業領域的研究需求，因此，需要利用立體顯示技術與傳感器技術增強場景的立體性與真實性。例如，技術人員可以在傳感器技術的基礎上積極研發數據手套、3D眼鏡等專業設施，讓研究人員利用專業設施研究歷史文化遺址。其次，利用大型的立體顯示設備為參觀者提供虛擬演示的場景，緩解歷史文化遺址參觀人數過多的現狀。

(5）豐富應用系統開發工具。若想應用VR技術就需要創設合適的場合、明確對象，因此，應當利用平臺開發技術與分布式虛擬現實技術進行系統研發。其次，VR技術當中包括很多核心技術，例如實時三維圖形生成技術、廣角立體顯示技術等。其中，實時三維圖形生成技術可以準確反饋物體的圖像，不會受到光照等條件的影響；廣角立體顯示技術指的是參觀者戴上特制眼鏡后可以同時看到奇數幀圖像與偶數幀圖像，就會產生立體感；立體聲音播放技術可以讓參觀者更快速地判斷聲源的方向；觸覺與力覺反饋技術讓參觀者戴上內層裝有振動觸點的手套感受文化遺址；語音輸入輸出技術通過人的自然預算輸入信息并輸出信息。

4 VR技術在歷史文化遺址中的具體應用

魯土司衙門舊址是甘肅省保存較為完整的宮殿式建筑群，展現了甘肅省的發展情況，因此，可以利用VR技術加大保護力度，如利用VR技術進行魯土司衙門舊址的虛擬現實動畫規劃。虛擬現實動畫系統具有仿真性、交互性等特點。虛擬現實動畫的設計融合了諸多學科的內容，需要利用計算機運算、模型構建、材質處理等手段構建三維立體環境，并將三維影像投射到虛擬交互平臺上，創設身臨其境的環境，可以讓參觀者融入到虛擬現實環境中，具有較強的仿真性。例如，在進行魯土司衙門舊址虛擬交互動畫的設計時，技術人員便利用三維技術手段設置了高度仿真的場景，使參觀者可以直接利用3D眼鏡游覽魯土司衙門舊址。虛擬現實動畫可以通過圖像、圖形滿足參觀者的需求，與參觀者進行互動，具有一定的交互性。虛擬現實動畫調動了參觀者的積極性，使參觀者沉浸其中，具有較強的沉浸性。虛擬現實動畫的設計應用了實用主義美學理論，具有較強的審美性。

虛擬現實動畫設計平臺的構成包括三維仿真建模平臺、虛擬現實交互平臺等子系統。在進行魯土司衙門舊址虛擬現實動畫的整體規劃時，需要綜合分析系統的設計對象、軟硬件需求、設計目標、設計流程。(1）設計對象。魯土司衙門舊址的民族風格較為明顯，是由祖先堂、大堂等諸多建筑共同構成的，需要根據魯土司衙門舊址的實際情況構建三維虛擬動畫系統，創設虛擬空間。(2）軟硬件需求。硬件包括尼康相機、索尼動畫演示投影機等，軟件包括3ds Max，Unity3d等。(3）設計目標。設計魯土司衙門舊址虛擬交互動畫可以仿真再現歷史文化遺址并保護遺址；實現人機交互的動態體驗；加強資源整合；加強網絡學習［6］。(4）設計流程。在設計過程中，技術人員需采集信息，構建模型，做好動畫特效設置工作，實現3ds Max平臺與Unity3d平臺的銜接。

5 結語

VR技術在歷史文化遺址的保護中發揮著重要作用，文化遺產保護部門應提高對VR技術的重視程度并通過有效措施靈活應用VR技術，通過虛擬互動等方式展現歷史文化遺址，增進人們對文化遺址的了解與認同，讓更多的人主動參與文化遺址的保護，促進傳統文化的發展。