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虚拟现实技术在大遗址保护中的应用和发展研究.rar

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    编号:20181101170527631    类型:共享资源    大小:6.02MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-02
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    虚拟现实 技术 遗址 保护 中的 应用 发展 研究
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    虚拟现实技术在大遗址保护中的应用和发展研究罗航,兰馨西安建筑科技大学建筑学院风景园林系,西安建筑科技大学建筑学院风景园林系48508632@qq.com, 547922708@qq.com摘要:近年来,自然因素的影响、人为破坏严重、过度旅游开发等多种因素造成了我国部分大遗址的损坏,对于一些珍贵的大遗址实施抢救性的保护措施,已经显得非常迫切与重要。作为数字化时代发展的产物,虚拟现实技术对大遗址保护注入新的生机和活力,并已在国际遗产保护界得到了广泛的认同。本文首先对虚拟现实技术在大遗址保护领域的应用展开研究,分析了该技术在大遗址保护方向的发展脉络,试图归纳虚拟现实技术应用于大遗址保护领域的关键技术,探索该技术在大遗址保护领域的发展前景和意义;其次以三星堆遗址为例,详细研究了利用 VR技术在该遗址保护的应用,在不破坏遗址自然生态与人居环境的情况下使大遗址的原始数据得以保存;最后进行了总结和展望,即使目前还有一些因素制约 VR 技术在大遗址保护领域发展,但 VR 技术在该领域的发展是极具意义的,并具有广泛的应用前景。关键词:虚拟现实技术;大遗址;应用;三星堆.Study on the Application and Development of Virtual Reality Technology in Great Heritage Sites protectionLuo hang, Lan xinXian University of Architecture and Technology,ChinaAbstract.Our great heritage sites have long suffered various damages due to different factors.It is urgent and important to protect it.As the outcome of digital age development,the Virtual Reality (VR)has injected new vigor and vitality to Great Heritage Sites protection,and it has been widely accepted worldwide.Firstly,this paper shows the study on the application of VR technology for great heritage sites protection,and it analyzes the development skeleton of it,and explores the key technology and its future in this area; Secondly,A detailed study in application of VR technology has been undertaken by taking Sanxingdui site as a example.It shows how the initial cultural heritage data is preserved without destroying;In the end,a conclusion and expectation is given.Keywords. the Virtual Reality technology; great heritage sites; application; Sanxingdui site.1 研究背景1.1 虚拟现实技术虚拟现实技术(Virtual Reality,简称 VR)是一项在很多领域应用非常广泛的高新技术。虚拟现实技术是 20 世纪 60 年代发展起来的,它指通过电子技术手段模拟现实环境下人的各种感官体验,最终形成一个沉浸度较高的虚拟环境,使用者通过特殊设备(三维眼镜、三维头盔、互动手套等)与虚拟环境对象进行互动,以模拟真实环境下的感受。现在,该技术已经发展成为集计算机图形学、人工智能、人机接口技术、传感器技术及实时计算技术于一体的高新技术。1.2 虚拟现实技术的技术特征虚拟现实技术是一种划时代的技术,1993 年,美国科学家 Burdea G 和Philippe Coiffet 在“Virtual Reality Systems and Application“一文中,提出“虚拟现实技术的三角形”,简明地说明了虚拟现实系统的基本特性,即可以用三个“I”来描述:沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和构想(Imagination) 。(图 1)沉浸性是指使用者存在于虚拟环境中的真实程度,及对虚拟环境的感知程度;交互性是指使用者对虚拟环境内的物体的控制度和环境对使用者的操作反馈;构想性是指使用者在信息环境中,对空间环境的信息缺失所进行的信息补全。【1】图 1虚拟现实技术的技术特征2 虚拟现实技术在大遗址保护领域的应用2.1 大遗址保护大遗址是指具有一定规模的、保留原有的部分使用功能和结构作用以及建筑材料于原地的人类文化活动的场所。其包括范围包括大型的古文化遗址、古墓葬、其它设施遗迹及其群体。大遗址保护的概念,最早产生于 16 世纪的欧洲。1515 年拉斐尔以古罗马文物为题写的调查报告中,最早提出了保护文物古迹的思想,他呼吁拯救“全基督教教徒的祖国遗产”,“让过去的荣光照耀现世”。 【2】中国的大遗址保护工作起步较完,缺乏系统的总结和理论研究。现代意义上的遗址保护工作,始于中国营造学社的成立,主要实践活动从中华人民共和国成立后开始的。2001 年国家文物局组织编制了《中国文物古迹保护准则》,对 20 世纪 30--90 年代以来,中国文物保护的实践进行了总结,该《准则》作为行业标准的实施,对大遗址、遗迹保护工作起到了极大的推动作用。2.2 VR 技术在大遗址保护领域的发展脉络虚拟现实技术在大遗址保护中已经开始得到运用,利用虚拟现实技术并结合计算机网络技术,可以将遗址的展示、保护提高到一个崭新的阶段。国外 VR 技术应用于大遗址保护领域开始的较早,也有了许多成果。联合国教科文组织吸收了 Virtual Heritage Network,通过虚拟现实系统来帮助保护文化遗产,目前已经完成了德国 Frauen kirche 以及中国的兵马俑等虚拟模型的制作;美国加州大学洛杉矶分校的 William Jepson 领导城市仿真小组完成的古耶路撒冷聚落的虚拟重建;此外,University of Calgary 的 Richard M.Levy 主持的Phimai 神庙虚拟重建项目和法国建筑师 Jean.Pierre Houdin 借助于虚拟现实平台Virtools 的金字塔建筑结构理论研究都是国外 VR 技术在大遗址保护领域的典型案例 【3】 。目前国内 VR 技术在大遗址保护领域的研究还处于快速发展阶段,故宫博物院的“激光雷达故宫古建筑数字化保护与应用”,上海交通大学的杨祥涛利用 GIS 技术与近景摄影测量的方法对上海市的文物建筑进行了历史建筑数字化保存和历史建筑信息化管理等方面的研究,武汉大学投资建成的地理教学虚拟现实实验室、西安秦始皇兵马俑博物馆遗址保护、云冈石窟虚拟数字博物馆等都是我国利用 VR 技术在大遗址保护领域的一些进展。2.3VR 技术在大遗址址保护领域的应用技术随着虚拟现实技术的发展,在遗址保护应用中具有较强的应用价值和意义,特别是近年来包括三维数字化技术、增强现实技术等虚拟现实技术更是取得了较大发展。2.3.1 三维激光扫描技术三维激光扫描技术能够真实记录考古发掘现场,再现考古发掘前后的遗址原貌,因此,利用三维数字化技术记录发掘现场原始三维信息和纹理信息,将有视点的三维数据整合在同一坐标系内,并生成三维网格,通过纹理映射从而建立真三维数字模型是大遗址保护的重要措施。它通过高速激光扫描测量的方法, 以被测对象的采样点(离散点)集合—称之为“点云”的形式获取物体或地形表面的阵列式几何图像数据,可以快速、大量的采集空间点位信息,快速、精确地获取物体的三维信息,进而建立起科学准确的数据模型。其包含数据采集、数据处理、三维建模等关键技术。(图 2)图 2三维激光扫描技术建模技术路线2.3.2 CCD 成像技术CCD 指 Charge-couple Device,即电荷耦合器。CCD 芯片由许多像素阵列组成,每个像素能够通过光电效应把光信号转换成电信号。传统矩阵型 CCD 的工作原理是:当快门打开时,光线透过彩色滤镜达到 CCD 矩阵;然后,相机的微处理器从每个像素中获得信号,将相邻的四个点合成为一个像素点,最终产生高清图像。【4】(图 3)在大遗址保护工作中,利用其高分辨率像素采集大遗址的空间和建筑数据,重点突破多源空间信息处理的关键技术,为遗址保护提供真三维、真尺寸、真纹理的数字化模型。图 3CCD 技术原理图2.3.3 增强现实技术增强现实技术是在虚拟现实基础上,通过计算机系统提供信息增加用户对现实世界感知的技术,并将计算机生成的虚拟物体,场景或系统提示信息叠加到真实场景中,从而实现对现实的增强。AR 通常是以透视式头盔显示和注册体统相结合的形式实现的。虚拟现实与增强现实 R. T. Azuma 把增强现实的特点总结为:虚实结合、实时交互、3D 注册。增强现实系统的基本组成结构主要包括(1)实际场景的获取、(2)虚拟对象注册信息的获取、(3)虚拟对象数据库、(4)3D 图像的变换与渲染、(5)图像的虚实融合、6) 显示终端等组成。(图 4)目前国内外有报道的大遗址保护运用到增强现实技术主要有希腊的 ARCHE0GUIDE 数字考古导游和我国的数字圆明园。【5】图 4增强现实系统基本机构2.3.4 360 度全景虚拟技术360 度全景虚拟技术是基于全景图像的真实场景虚拟现实技术。全景(panorama)是把相机 360 度拍摄的一组或者多组照片拼接成一个全景图像,通过计算机技术实现全方位互动式观看的真实场景还原展示方式。在播放插件(通常 JAVA、Quicktime、Activex、Flash)的支持下,使用鼠标控制环视的方向,可左可右可近可远,使您感到就处在现场环境当中,您好像在一个三维的窗口中浏览遗址的实地风貌。 【6】360 度全景技术是利用实景照片建立虚拟环境,按照照片拍摄、数字化、图像拼接和生成场景的模式来完成虚拟现实的创建,更为简单实用。360 度全景技术的制作流程可以分为四大部分,前期全景照片的采集、中期照片的全景拼接以及后期的互动漫游制作和网络和其他多媒体终端的发布。早期该技术是利用 Java,采用基于 WebService 的四层分布式体系结构,构建了一个网上多用户共享虚拟三维展示平台,完成了 VMRL 场景、浏览器、服务器和数据库之间的通信,实现了一个基于 WEB 的 VRML 一 Applet 一 WebService 一 DBMS 架构。【7】 (图 5)现在该技术是把相机环 360 度拍摄的一组或多组照片拼接成一个全景图像,通过计算机技术实现全方位互动式观看真实场景。现在的全景数字博物馆主要是通过 Object 2VR 制作。图 5360 度全景技术模式架构2.4VR 技术在大遗址保护领域中的意义将虚拟现实技术应用于大遗址的保护具有重大的理论价值和实际作用。具体主要体现在四个方面。 【8】 首先,利用虚拟现实技术可有效提高大遗址保护的技术水平。其应用可预先展现遗址中文物修复后的影像,用于检验修复技术、手段的可行性,考察修复过程中各项环节,修复后耐久性等,有效提高文物修复的精度和预先判断、选取采用的保护手段,同时可缩短修复工期。其次,虚拟现实技术可实现大遗址文物存档及永久性保存。通过影像采集数据,建立起实物三维或模型数据库,用于保存文物原有的各项型式数据和空间关系等重要资源,实现濒危文物资源的科学的、高精度和永久性的保存。第三,虚拟现实技术可突破时空限制发挥大遗址的价值。利用其采集的数据信息,可将考古研究数据和文献记载进行汇总,模拟地展示尚未挖掘或已经湮灭了的遗址、遗存。最后,能够使用户更加便捷、高效地了解和学习大遗址的科学价值和文化内涵。通过建立网上虚拟博物馆,多方位,多视角地向人们传播遗址文化,并且可以将文物大量地制作成各种类型的逼真影像,提高文物的展出率和展出效果,这样也能同时减少了实景遗址的人为干扰,从源上降低了破坏。3 三星堆 的 VR 技术应用三星堆遗址作为典型的古城、古国、古蜀文化遗址,三星堆遗址是迄今在西南地区发现的范围最大、延续时间最长、文化内涵最丰富的古城、古国、古蜀文化遗址,是公元前 28 世纪至公元前 7 世纪(距今 4800 年--2600 年)长江上游文明中心——古蜀王国的都邑,被称为 20 世纪人类最伟大的考古发现之一,被誉为“长江文明之源”。它以其宏大的都城气象、独特的出土文物和深邃的文化内涵,在中国众多的古遗址中占有重要地位。从 1929 年被偶然发现,三星堆遗址的保护已有 80 余年。以 2002 年 4 月 5 日《三星堆遗址保护规划》颁布实施为标志,三星堆遗址进入了大遗址保护与展示并重的科学保护时期。(张耀辉,2005)近年来,三星堆“数字遗址”建设,运用 VR 技术、计算机网络技术等高新技术,将该遗址各类的历史建筑数据和文物古迹数据可视化,便于多种形式的查询,统计和深层次数据分析以找寻规律。“数字遗址”的建设促进了三星堆大遗址的保护和管理走向标准化和现代化。三星堆遗址的数字化资源,如三星堆全景数字博物馆,既有利于古巴蜀物质文化资源的保存,又便于用户对三星堆遗址实景的游览和欣赏,也为其他大遗址管理部门的管理及保护提供了借鉴和资源共享的平台。目前,三星堆遗址所运用的虚拟现实技术主要包括三维激光扫描技术、CCD 成像技术和 360 度全景虚拟技术。(图 6)图 6VR 技术在三星堆遗址保护中的应用3.1 三星堆一号祭祀坑的重建模型本项目是以三维激光扫描技术和 CCD 成像技术为主要数据获取手段,建立三星堆一号祭祀坑遗址的数字化模型。(图 7)首先,用 RieglLMS-Z420i 三维激光扫描仪和高分辨率的尼康 D1 00 数码相机获取场景的空间和纹理数据;接着通过 Poly—Works 软件实现多站点点云数据配准到同一坐标系内,并生成三维网格,给出从数据采集、数据处理到模型建立大遗址数字化的合理工艺流程。【9】图 7三星堆一号祭祀坑重建模型此项目所运用的三维数字化技术(即三维激光扫描技术和 CCD 成像技术)打破了传统的依靠文献记载及图片、照片的方式,直接采集遗址表面三维数据,同时与计算机视觉技术结合,可以准确地将纹理数据与激光数据融合。一号祭祀坑三维模型的建立通过网上的发布,使更多的人们了解古巴蜀文化遗产,更利于推动大遗址保护及考古事业的发展。3.2 三星堆全景数字博物馆三星堆全景数字博物馆是运用 360 度全景成像技术打造的数字全景博物馆,实现了传统的线下博物馆和数字化线上博物馆的结合,是全国首个数字全景博物馆。它借助百度百科数字博物馆平台,利用富媒体融合技术,通过文字、图片、录音解说、立体 flash、虚拟漫游、高空俯瞰等多种方式,打造辐射全球的“无墙博物馆”,从而突破实体馆面临的地域限制,方便更多游客了解三星堆,提升三星堆文化传播力。其中,该全景数字博物馆所运用到的虚拟全景技术的流程包括拍摄一组图片、图片处理、导出 Flash 文件、嵌入网页(图 8)。图 8三星堆虚拟全景技术流程图 通过该项技术,三星堆全景数字博物馆将三星堆综合馆和青铜馆及周边景物全部收录,一览无余。该数字馆通过青铜器、玉石器、金器、陶瓷器的展示,全方位展示了三星堆博物馆的众多珍贵展品。它利用专业相机捕捉整个三星堆两大馆的图像信息,使用软件进行图片拼合,并用 Flash 播放器进行播放,把二维的平面图模拟成真实的三维空间,呈现给观赏者。并给观赏者提供各种操纵图像的功能,可以放大缩小,各个方向移动观看场景,以达到模拟和再现场景的真实环境的效果。广大用户可以通过 360 度全景数字博物馆全方面、无死角地看到每一个藏品的细节。(图 9)图 9三星堆全景数字博物馆4.结语本文首先对虚拟现实技术的概念及技术特征进行分析,再而梳理了 VR 技术在大遗址保护领域的发展脉络,并提出了 VR 技术在大遗址址保护领域的应用技术,然后以三星堆为例,详细研究了利用 VR 技术在该遗址保护的应用。大遗址作为文化遗产,它不仅属于我们,属于我们的子孙后代,而且应当属于全人类,大遗址所蕴含和传递的信息,是人类文化宝藏的一部分,它们是无价的,是永恒的。面对当前大遗址保护这一重要的历史课题,现 VR 技术及其应用与实际需求还存在一定的距离。必须充分利用当代信息科学中的各项技术,大力推进大遗址保护的数字化工作进展,在充分发挥 VR 技术基础上继续研究增强现实技术和可穿戴技术等前沿技术。在不久的将来,随着 VR 技术的进一步发展和计算机科学的进一步辅助,此技术在大遗址保护中的应用将会得到更多的认同和实现,呈现出一片美好的发展前景。参考文献【1】刘曦,李辰绮,张龙巍.虚拟现实环境下的景观空间体验研究[J].数字景观,2013:190-194.【2】孟宪民、于冰、丁见祥等,2012,遗址保护理论与实践[M],科技出版社,北京.【3】章立.虚拟现实技术在建筑遗产保护中的应用研究[D], 江苏无锡:江南大学 ,2009.【4】http://tech.sina.com.cn/digi/2010-08-20/15101467129.shtml【5】师国伟,王涌天,刘越,郑伟.增强现实技术在文化遗产数字化保护中的应用[J].系统仿真学报,2009,21(7):2090-2093.【6】http://www.chinatmic.com/360_Panoramic/show/83.html【7】朱晓冬.数字博物馆关键技术研究[D],陕西西安:西北大学,2004.【8】李德仁.虚拟现实技术在文化遗产保护中的应用[J].云南师范大学学报,2008,40(4) :1-7.【9】刘江涛,张爱武,臧克.三维数字化技术在考古中的应用[J].中国图象图形学报,2008,13(4):654-657.
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