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| | 虚拟现实技术在文物展示、复原和保护中的应用 |
一、 研究目标：
虚拟现实技术在文物展示、复原和保护中的应用
二、 技术现状
1. 虚拟现实技术的广泛运用
虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，原本是美国军方开发研究出来的一项计算机技术。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了计算机技术的发展。由于它生成的视觉环境是立体的、音效是立体的，人机交互是和谐友好的，因此虚拟现实技术将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，即计算机创造的环境将人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。通过20多年的研究探索，VR技术于20世纪80年代末走出实验室，开始进入实用化阶段。目前，世界上少数发达国家在经济、艺术乃至军事 等领域，已开始广泛应用这种高新技术，并取得了显著的综合效益。
VR技术具有强烈的“身临其境” 临场感、友好亲切的人机交互性、引人想像的多感知性和虚拟现实世界的自主性。
VR技术分虚拟实境(景)技术(如虚拟游览实体博物馆)与虚拟虚境(景)技术(如复原生成阿房宫、圆明园等已经湮灭了的建筑、构建尚未发掘的秦始皇陵等)两大类。虚拟现实技术的应用领域和交叉领域非常广泛，几乎到了无所不包、无孔不入的地步。就目前成功运用的领域有虚拟现实技术战场环境、虚拟现实作战指挥模拟、飞机、船舶、车辆虚拟现实驾驶训练、飞机、导弹、轮船与轿车的虚拟制造(含系统的虚拟设计)、虚拟现实建筑物的展示与参观、虚拟现实手术培训、虚拟现实游戏、虚拟现实影视艺术等等，由此可见VR技术有着强烈的市场需求和技术驱动。
2. 虚拟现实系统的有关技术特征、构成和研究现状
从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。
虚拟现实的定义可以归纳如下：虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实技术因此具有以下四个重要特征：
存在感
它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。
交互性
交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。
多感知性
所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。
自主性
是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。
用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它 反馈信息（如触觉、力觉反馈等）。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用（如遥操作等）。
虚拟现实系统主要由以下六个模块构成:
检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。
反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。
传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面 将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。
控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。
建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。
虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面：
动态环境建模技术
虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。
实时三维图形生成技术
三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15帧/秒，最好是高于30帧/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。
立体显示和传感器技术
虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。
应用系统开发工具
虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。
系统集成技术
由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。
虚拟现实的应用领域十分广泛，主要在工程设计CAD、遥控机器人学、数据可视化、飞行模拟、多媒体远程教育、临床外科、远程医疗、艺术创作、游戏、娱乐等方面。
虚拟现实的发展前景诱人，在某种意义上说它将改变人们的思维方式，会改变人们对世界、自己、空间和时间的看法。它是一项发展中的、具有深远的潜在应用方向的新技术。利用虚拟现实技术和Internet技术相结合，我们可以建立真正的远程教室，在这间教室中我们可以和来自五湖四海的朋友们一同学习、讨论、游戏，就像在现实生活中一样。我们也可以进行基于文本、声音和三维视频的聊天站，甚至在网上建立一个真正的三维社区也不再是梦想。
三、 文博行业应用现状
我国有着悠久的文化历史，因此而拥有丰富的文化遗存，但由于受观念落后、资金、人才匮乏的困扰而面临严峻的形势，主要表现在以下几个方面：
1. 展出数量少
据统计全国已登记在册的文物点约有35万处，收藏于各类博物馆当中的文物达1200万件，每年还有大量的文物出土，但能展出的仅占极少部分。如南京博物院藏品有41万件，而常年展出的仅有5千件，不足1.25%，加之办新展览需要资金投入来设计、制作，而博物馆很难筹措到必须的经费而导致展品的更换率极低，因此博物馆的陈列形式长年不变，使得本来就很少的观众变得更加稀少，形成了恶性循环。
2. 文物保护手段落后
在文物当中存在大量的易损文物，如纸质类、织绣类、漆器类、石窟壁画类文物等。经过长期的自然侵蚀，这些类文物都容易出现脆化、脱色、剥落等现象，而人工临摹、修复后的文物不仅仍难于长期用于研究、收藏和展示，并且面对众多需保护的文物也是杯水车薪。据报导，景德镇陶瓷研究所为复原一件古瓷器，其中为一件瓷片的放置竟耗去一个人三个月的时间。
3. 迁址保护损害文物价值
我国拥有大量的不可移动的文物，但许多又处于交通闭塞的地区，难以在就地保护的原则下用于展出，使文物的价值无法发挥出来。比如1979年江苏省在高邮仙居山发掘了一座具有极高文物价值的汉代墓葬，但由于该地在当时交通闭塞，不得已而迁址到扬州市建立了汉墓博物馆，予以保护陈列，耗费了大量财力，但更重要的是损害了文物的原有价值。
4. 陈列手段落后
我国博物馆长期沿用“通柜、实物加说明牌”的陈列手段，难以诠释展品内涵，因而难以吸引生活在信息时代的观众。
以上这些问题都是我国博物馆所面临的重大难点，它们极大地阻碍了博物馆的发展，但合理地应用虚拟现实技术，在很大程度上能解决这些问题。
2. 提高文物的展出率和效果
运用技术手段将文物大量地制作成各种类型的影像，如三维立体的、动画的、平面连续的等等，来展示文物生动的原貌。激动人心的还在于，虚拟现实技术提供了脱离文物原件而表现其本来的重量、触觉等非视觉感受的技术手段，能根据考古研究数据和文献记载，模拟地展示尚未挖掘或已经湮灭了的遗址、遗存。
透过网络技术能将这些文物资源统一整合起来，全面地向社会传播，而丝毫不会影响到文物本身的安全。
2. 提高文物保护技术手段并利于文物保护
利用细致拟真的虚拟技术来预先展现文物修复后的影像，从而检验修复技术、手段的可行性，进一步可以和视图计算技术相结合，考察修复过程中的各项环节和修复后的耐久性。利用虚拟技术大量而完好地多角度展示文物，从而使文物实体保存在更加严密的环境中，有利于文物寿命的延长。
我国博物馆目前在应用这项技术还处于相当落后的阶段，甚至还谈不上起步，主要原因在于观念落后、资金和人才极其匮乏。仅有南京博物院、故宫博物院在这方面做过一些初步的研究，敦煌博物院、上海博物馆等单位也仅仅对部分文物做过平面的图像采集。
四、 应用研究目标
利用虚拟现实技术，结合网络技术，将文物的展示、保护提高到一个崭新的阶段。
首先表现在将文物实体通过影像数据采集手段，建立起实物三维或模型数据库，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、高精度和永久的保存；
其次利用这些技术来提高文物修复的精度和预先判断、选取将要采用的保护手段，同时可以缩短修复工期；
第三，通过计算机网络来整合统一大范围内的文物资源，并且通过网络在大范围内来利用虚拟技术更加全面、生动、逼真地展示文物，从而使文物脱离地域限制，实现资源共享，真正成为全人类可以“拥有”的文化遗产。
我们的研究目标就是要开发出一套我国目前技术条件下可用于博物馆的虚拟技术支撑下的文物展示和保护的总体解决方案及其相关软件，在一定程度上实现自有知识产权。从而推动文博行业更快地进入信息时代，实现文物展示和保护的现代化。
我们建议列入“十五”期间的相关课题为：
博物馆藏品管理信息系统和统一资源网站的建设；文物修复、复原的计算机技术研究；多媒体和虚拟技术在文物展示和复原中的应用；文物鉴定专家系统研究；数字化博物馆建设研究。 |
更多资迅请拨打021-51105008
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