數字化技術在文化遺產的保護與傳承中的應用研究

郭龍翔

（周口師范學院）

文化遺產蘊含著豐富的文化信息，其種類豐富、設計巧妙、工藝精湛、風格多樣，每一處文化遺產都具有其獨特的藝術特征和精神風貌。對文化遺產進行數字化處理與數字化展示平臺的建設，有利于對非遺文化的保護、傳承與創新研究；對于弘揚民間文化、傳統文化，發掘地方傳統文化的市場潛力，促進地方特色文化的健康發展，推進城市文化品牌建設，在文化遺產保護與傳承的可持續發展方面也可以起到至關重要的作用，文化遺產的數字化是社會發展的需要、時代發展的需要。

一、數字化技術的發展

數字化技術是隨著計算機的產生而發展出來的一種技術。計算機由“0”與“1”構成，這兩個數字也可以看作開和關，1表示開，0表示關，這一組開關構成了二進制的數制。人們看到的計算機顯示出來的一切復雜效果，都是計算根據各種編譯語言對二進制數值進行轉碼后而展現出的形態。所以說，我們在計算機中所看到的一切，其實都是數字0和1，而通過計算機技術進行的文字、圖形、視頻等信息的記錄、修改及保存，都屬于數字化技術的范疇。

自數字化技術出現以來，經歷過不同的階段，最開始是數字和字母階段，此階段計算機剛剛出現，體積大、操作復雜，只有少數尖端領域的科研人員才能接觸。然后是圖形階段，20世紀60年代，在伊萬·蘇澤蘭發表論文《Sketchpad：人機圖形通信系統》，標志著數字化技術開始進軍圖形學領域，這位“計算機圖形學之父”還提出了最初的虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）的方案，隨著計算機圖形學的發展，計算機圖形系統不斷完善，數字化圖形開始廣泛的應用。到現在，數字化技術的虛擬化越來越接近現實，虛擬現實的設想接近實現，而以虛擬現實技術為基礎的增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）、混合現實（Mixed Reality，簡稱MR）等新的數字化技術也開始出現，當然，這一切的核心就是數字化技術。

歷史文化資源數字化之后有很多方便之處，一是可以對數字化資料進行靈活的修改、編輯、移動、備份等。如按照傳統的方式對資料進行這類操作，程序上會非常繁瑣，費工費力，難以實現。二是方便查閱、檢索、調取信息資料。在信息時代，各種數據資料海量，個人如想找到所需的材料如大海撈針一樣，但是當材料數字化以后，就可以在電腦或者其它智能設備上進行快速的檢索和調用，還不會受到時間以及空間上的限制。三是依托網絡等方式，可以高效、便捷的進行歷史文化資源的分享與傳播。在5G網絡時代，各種智能終端豐富多樣，大眾通過手機就可以隨時隨地的輕松接觸到這些文化資源知識，這些數字化資源在文化的傳承中能夠起到巨大的作用。

二、當下重要的數字化技術

（一）360全景技術

（二）三維激光掃描

三維激光掃描技術是20實際90年代開始，逐漸發展而來的一種能夠快速獲取物體三維空間數據的技術，憑借激光測距的原理進行激光掃描，能夠精確地獲得被掃描物體在真實空間中的坐標位置，并自動生成三維點云數據。三維激光掃描的適應能力強，從大型的古建筑、遺跡，到小型的文物，三維激光掃描都能夠很好的進行三維數據的獲取，但由于光線都是沿直線進行，所以對復雜的物體，一般會通過變換不同的角度，多次掃描，以獲得完整無誤的數據，得到的數據在后期進行對齊與拼接，最終建立完整的三維數據模型。

（三）攝影測量建模技術

攝影測量建模技術是21世紀以來新型的一種數字化建模方式，這種技術通過多角度采集被攝物體的照片，在通過計算機專門軟件進行處理，依照一定的算法來生成物體的點云數據，再由點云數據進而生成物體模型，并依據照片投射賦予貼圖，達成完整的三維模型，效果也非常真實。由于這種建模技術依托于大量的攝影照片，技術和設備上的限制相比三維激光掃描小了非常多，現在的社會幾乎人人都有手機可以隨時隨地進行拍攝，所以這種技術也就成為了最為高效、成本低、最容易推廣的建模技術。

應用這種技術建模軟件有很多，按照數據處理的方式來算分為兩種類型，一種是云端計算，如Autodesk ReCap Phot，這種類型的軟件需要把拍攝到的照片素材通過網絡上傳至軟件的云端，然后云端的服務器再通過算法進行點云的計算、模型的生成，這種類型的好處是云端處理數據，不占用本地的電腦計算能力，并且計算速度更快，可以完成更高精度的模型重建。第二種類型是本地處理的軟件，如Agisoft Metashape Professional，這款軟件所有的計算不依靠網絡，所有的數據處理由本地完成，所以數據處理的速度取決于設定的精度，以及電腦硬件的算力，在模型不那么復雜的情況下也能夠很好的完成建模工作。

雖然攝影測量建模技術有不同的軟件，但是其本質上的工作流程是一樣的。（1）使用相機拍攝足夠多角度的被攝物體照片。（2）在建模軟件中導入照片。（3）使用軟件對齊照片，計算出照片的拍攝角度，并生成三維空間坐標，以及初步的點云效果。（4）生成高質量的密集點云，使物體的細節得以體現。（5）優化點云效果，生成網格模型。（6）為模型生成紋理貼圖。（7）完成模型創建，并根據需要，導出相應三維模型格式文件，如：stl、fbx、obj等格式。

鑒于攝影測量建模技術具備的多重優勢，國內外的文化遺產的數字化保護工作，也越來越多的采用這種技術來進行。除了常規文物以外，地形測繪，建筑群等大型的三維重建工作，也開始借助無人機進行影像數據采集，利用這種數字化技術來快速進行模型的創建工作。

（四）虛擬現實與游戲引擎

虛擬現實技術，原英文名稱為“Virtual Reality”，簡稱為“VR”。它是一種集計算機圖形學、多媒體技術、網絡傳輸技術的一種新的媒介。目前，虛擬現實現在可以分為兩種，第一種是廣義的虛擬現實，它主要說的是通過計算機三維軟件對現實世界進行的虛擬仿真，在這一層含義下，三維技術是整個虛擬現實的主導，而三維模型的創建更是虛擬現實的一大基礎。第二種就是狹義的虛擬現實，這種主要是以硬件設備來實現，主要常見的就是那些 VR投影設備、頭戴式的 VR 眼鏡、依靠手機等輔助設備實現的 VR 等等。在這種含義下，利用多部攝像機在不同視角下同時拍攝，再以技術手段拼接成全景視頻，然后通過 VR 設備進行播放，此時人們眼睛觀察到的雖然是經過處理的錄像影像，是真實世界的影像作品，也可以通過扭頭去觀察其它角度，但它畢竟不是目前的真正的現實環境，所以它依然也是虛擬的現實影像。目前市面上絕大多數的虛擬現實大多數指的就是這第二種，也就是狹義的虛擬現實，上文中所提到的360全景圖也屬于此。

游戲引擎指一些已編寫好的可編輯電腦游戲系統或者一些互交式實時圖像應用程序的核心組件。這些系統為游戲設計者提供各種編寫游戲所需的工具，其目的在于讓游戲設計者能容易和快速地做出游戲程序而不用由零開始。

為什么提游戲引擎，原因是隨著大型電腦游戲的快速發展，電腦硬件的變強，游戲引擎，特別是游戲引擎當中的代表：虛幻引擎（Unreal Engine）所展現出的實時渲染能力已經突破傳統影視行業的認知。傳統的虛擬現實技術受限于軟硬件，在表現超寫實虛擬場景的時候很難做到實時的交互和渲染，但是自第四代虛幻引擎（簡稱UE4）出現以后，強大的實時渲染能力使得超寫實、仿真的虛擬場景可以流暢的展現出來，而且借助UE4，還可以實現很多的實時交互特性。這些優勢很快突破了游戲引擎是專門做游戲的這種傳統認知，并很快風靡了各個行業：如汽車模擬、產品模擬、建筑表現、虛擬拍攝、虛擬合成等領域，它還顛覆了影視特效行業的制作方式，即將淘汰影視行業傳統的藍綠背拍攝的標準流程。

常用的過氧化試劑有過氧甲酸、過氧乙酸、間氯過氧苯甲酸等。過氧酸是一種酸性比母體酸若千倍的弱酸，造成這一現象的原因主要是過氧酸分子內極易形成能量穩定的五元環所致。不過這不代表安全，長鏈過氧酸室溫為固體，較為穩定。而短鏈液體過氧酸，受熱易分解和爆炸，應避光低溫妥善保存。過氧酸常常被用作引發劑、氧化劑[15]和消毒劑。

三、文化遺產的數字化展示案例

隨著計算機技術的發展，自20世紀80年代以來，世界各國越來越重視文化遺產方面的保護與傳承，數字化技術也開始越來越多的應用到了文化遺產的保護和傳承當中，數字圖書館、數字化博物館等等隨之出現。

（一）數字虛擬盧浮宮

法國的數字虛擬盧浮宮項目，就是最早進行數字博物館建設的案例，盧浮宮成為第一個把藏品從展館搬到網絡上進行展示的博物館。最初，網站上只有簡單的博物館歷史的簡單介紹，數字虛擬盧浮宮在2004年在網上實現了對博物館展廳的虛擬漫游，通過官網，下載指定的媒體播放器之后，人們就可以在網上進行虛擬參觀，游覽盧浮宮中的七大展館，欣賞3.5萬件管內公開展示的藏品。

（二）數字敦煌

“數字敦煌”是國內另一個有名的數字化展館項目，該項目從20世紀80年代就提出了構想，旨在利用計算機和數字化技術實現敦煌石窟文物的永久保存和利用。2014年，敦煌莫高窟數字展示中心建成使用，通過數字化技術，向觀眾呈現莫高窟絢麗多彩的石窟藝術經典及氣勢恢宏的歷史文化背景，游客們在游覽莫高窟之前就可以對莫高窟進行全方位的觀賞。借此方式，也可以適當減少石窟的開放數量，分散游客，并縮短其在洞窟內的游覽時間，緩解參觀活動對遺址造成的壓力，對石窟遺址的保護與傳承，起到重要作用。除了敦煌莫高窟數字展示中心以外，2016年5月，還上線了“數字敦煌”資源庫，人們可以在網絡上通過虛擬漫游的方式，游覽和體驗30個洞窟中的藝術經典。

（三）虛擬現實與數字博物館

2019年4月15日 擁 有856年歷史的巴黎圣母院，巴黎的地標性建筑，全人類的藝術瑰寶發生了大火，屋頂被燒毀、其哥特式建筑標志性的塔尖在大火中坍塌，索性巴黎圣母院的主體構造得以保留。還有值得慶幸的一點就是，2015年有團隊利用三維激光掃描技術對巴黎圣母院進行過三維數據的獲取，精確地三維激光掃描數據加上巴黎圣母院存留的完備的設計圖紙，實現準確修復是不成問題的，這也說明了數字化技術在文化遺產資源的保護和傳承起到的重要作用。

2019年法國政府在全力修復巴黎圣母院的時候，有虛擬現實制作公司推出了名為《巴黎圣母院：時光倒流旅程》的VR游覽項目，并在聯合國教科文組織總部（UNESCO）首度公開，成為了官方導覽內容。該項目正式發布以后，人們可以通過電腦加上虛擬現實設備去游覽、感受大火之前的巴黎圣母院這一經典古跡。這個項目基于游戲引擎進行制作，人們可以通過VR設備仔細游覽“巴黎圣母院”這個古老的輝煌建筑，巴黎圣母院當中的各種細節都可以一覽無余，除此以外， 該VR項目還提供了不同的游覽方式，人們既可以進入到建筑物里慢慢游覽，也可以通過搭乘熱氣球，在空中進行觀賞。這種通過虛擬現實的手段進行參觀巴黎圣母院的方式，也成為民眾在巴黎圣母院重建修復完成前，進入內部游覽的唯一選擇。

通過這個案例，也體現出了基于虛擬現實技術進行數字化博物館建設的巨大潛力，隨時隨地，不受地域、時間、空間的限制的沉浸式的游覽體驗，這種方式應該也是未來數字化虛擬博物館發展的一種方向。

四、文化遺產數字化技術的應用流程

關于數字化技術在文化遺產保護與傳承中的應用，可以分為不同的階段來進行。

（一）基礎資料的數字化

在這個階段，首先要全面整理文化遺產項目相關的文史資料，收集文化遺產項目相關的所有故事和介紹，做好分類和索引。有缺失以及圖片素材不清晰，可以選擇使用專業相機進行影像數據采集，力爭建立完善的圖文音像數字化資料庫。

（二）360全景漫游展示

360全景圖技術是業內流行的文化場景展示方案，也有非常多成熟的案例可以借鑒，如數字虛擬盧浮宮、數字敦煌。從成本上來說相對較小，且傳播方便，是一種非常容易實現的數字虛擬展示方式，文化遺產也可以選擇這種數字化展示方案。

（三）文化遺產數字化虛擬博物館

這一階段的目的是建立一個三維化的文化遺產數字化虛擬博物館，通過三維激光掃描及攝影測量建模技術，可以給文化遺產中的雕刻進行數字三維重建，得到單獨的可從任何角度去觀察的三維雕刻模型，然后用真實可信的三維模型為基礎，搭配第一階段整理好的圖文音像數字化資料庫。就可以建立一個更為生動形象，現代化的文化遺產展示系統。

（四）游戲引擎與數字化虛擬博物館的建立

在做完上述各階段的工作之后，進入到游戲引擎與數字化虛擬博物館的建立這個環節。借助最新的第五代虛幻引擎，簡稱“虛幻5”首先對所有掃描得到的三維數據進行整合，建立一個完整的虛擬文化遺產場景。虛幻5引入了很多新的技術，其中最利好的是Nanite渲染技術，其能夠直接在游戲引擎里表現出影視級別的超高精度模型。這種技術使利用攝影測量建模方式制作的模型，在未經任何壓縮與優化的情況下，就可以直接進入到虛幻5引擎當中，極大的減少了后期優化的工作量。

整合了所有模型之后，我們這個虛擬的文化遺產場景基礎搭建應該就基本完成了，再經過植被模型的導入，場景氛圍的添加，可以逐步完善完整的、真實的數字虛擬文化遺產，并且可以在這個虛擬場景中自由的游覽和觀賞所有的建筑、雕刻、環境。

隨后的工作是把前期整理的各項圖文音像資料和場景做整合與關聯，做到在虛擬場景中漫游時，也可以隨時通過場景系統，調取并觀看周圍景象的詳細資料。這就是筆者依據現有的數字技術手段所設想的文化遺產數字化虛擬博物館。

五、結語

目前全世界對歷史文化遺產的數字化保護都十分的重視，文中的各個案例也說明，文化遺產的數字化在永久保存其珍貴歷史遺存的同時，在保護、研究和弘揚等方面都帶來很大空間和新的可能性，具有深遠的歷史意義。通過目前強大的虛擬現實手段，可以建立文化遺產數字化虛擬場景、數字化博物館，文化遺產的數字化對其傳承、保護、研究和發展有著深遠的意義，希望現實中的本地文化遺產也早日進行數字化應用。