虚拟现实技术在敦煌壁画保护中的应用研究

蔡蔡　宋双双

摘 要：以敦煌壁画保护为基础，对虚拟现实技术在物质遗产保护领域的应用展开了研究，并根据虚拟现实技术在国内外文物保护领域的发展和应用，对现有的文物古迹保护的主客观问题进行了分析。

关键词：虚拟现实技术；物质文化遗产；敦煌壁画；VR系统

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.078

虚拟现实技术（Virtual Reality），简称VR，又称灵境技术，是利用计算机图形技术和硬件设备生成的一种可通过视、听、触和嗅等多感通道达成的高逼真度的模拟环境，这种模拟可给用户提供一种身临其境的感受。

1 虚拟现实技术的三大特性

VR系统是一种先进的计算机用户接口，可表现真实或想象的三维计算机生成环境，能使用户在虚拟环境中做到“沉浸其中、超越其上、运转自如和交互自由”。其拥有3个突出的特性：沉浸性、交互性和想象性。

1.1 沉浸性

沉浸性（Immersion）是指用户在自然状态下，借助交互设备和自身的感知系统对虚拟环境的投入程度。用户置身该环境之中，从被动地观察角度转化为主动参与到虚拟世界中，并产生类似于对现实物体的存在意识或幻觉。

1.2 交互性

交互性（Interactivity）是指用户在进入虚拟环境后，在保证实时性和有效性的前提下，运用一种自然、轻松的方式对物体进行操作的体验。通过交互形式，用户的操作和意图可实时地影响和改变虚拟环境的构成。

1.3 想象性

想象性（Imagination）是指用户在以计算机为媒介的虚拟世界中，在对系统反馈的信息进行理解判断的基础上，对其可能的运行状态和未来进展的想象能力。这种想象力可以帮助人们在认识复杂系统深层规律的同时，获得更多的知识。

这三种特性都强调了人与虚拟环境之间的相互作用，即人在整个系统中的感受，只有人的存在，才能使这一反馈环路有效存在。

2 虚拟现实技术在壁画保护中的运用

随着计算机图形学和数字图像处理技术的发展，许多国家已将信息技术应用在文物的收集、保存、虚拟展示、复原、辅助考古研究和旅游宣传等方面。采用信息技术对文物实施数字化保存，能极大限度地弥补文物因不可抗拒衰变或消失所造成的信息消亡，又能很好地处理旅游开发和文物保护的关系，数字敦煌便是一个很好的例证。

作为中国三大石窟之一的敦煌石窟，由莫高窟、榆林窟、西千佛窟和东千佛洞等组成，虽然这些石窟的规模悬殊，但地域风格相近，所以，统称为敦煌石窟。因岩质松散、不适雕刻，所以，造像以泥塑和壁画为主，现存壁画、彩塑石窟共492窟，另有禅窟700多窟。由于地跨北温带和亚热带，受大陆季风性气候的影响，复杂的自然环境和地质情况使敦煌壁画常受到雨水、风沙等的侵蚀和强光照射等的威胁，加之壁画经历了成百上千年的时光，制作材料不断老化，导致壁画本身变得十分脆弱。随着游人数逐渐增多，保护与利用间的矛盾不断加剧。为了满足更多游客的参观需要，处理好旅游开发与文物保护的关系，对壁画进行数字化处理已迫在眉睫。从20世纪80年代开始，敦煌壁画的开发和保护已成为政府、机构以及文化保护者的一个重要课题。敦煌研究院曾与国内外多家单位合作，试图利用计算机对复杂文物信息进行获取和保存。1996年，敦煌研究院启动《濒危珍贵文物的计算机存贮与再现系统研究》项目，与浙江大学合作开发了“敦煌石窟虚拟漫游与壁画复原”系统，该系统综合采用了数字摄影、图像处理、三维建模、虚拟现实和人工智能技术。利用该系统，用户可以通过电脑参观敦煌莫高窟的外景、内部壁画、彩塑等，还能虚拟观看石窟完工的盛况，感受石窟壁画千年演变的沧桑。整个“敦煌莫高窟虚拟参观旅游系统”运用的虚拟现实相关技术如下。

2.1 动态建模技术

动态建模技术是整个VR系统的基础，通常建模技术可分为几何建模和行为建模。几何建模基于物体的形态和结构进行立体绘制和显示；行为建模可对物体的运动和行为进行逼真模拟，也称为动画。

2.2 实时动态绘制技术

实时动态绘制技术是指利用计算机，灵活地对用户随意的操作作出准确的反映，提供真实、准确的应对方案。为了达到这种实效性，图形显示速度必须跟上视点的转变，系统刷新频率应不低于20～30帧/s。

2.3 人机自然交互技术

人机自然交互技术可提供一种人与计算机交流的桥梁，使用户通过计算机产生的数据进行直观、灵活的操作。但目前这种自然交互技术不太成熟，手势识别、眼动跟踪和面部识别等自然交互技术还在不断完善。

2.4 立体显示和传感技术

立体显示和传感技术都是实现虚拟现实交互能力的重要途径，它能最大限度地利用人的心理和生理特点，通过眼镜和手部的感知，在大脑中产生对虚拟对象、景物的深度知觉。

2.5 三维虚拟声音技术

三维虚拟声音与立体声音有很大的不同，虚拟现实系统的声音是围绕人的两只耳朵进行播放的，声音可能出现在头部前、后、左、右等不同方向。当视觉空间超出了范围，三维虚拟声音技术能够弥补空间信息的不足。

3 虚拟敦煌壁画的不足之处

虚拟现实技术实现了多种三维交互式馆藏信息的展示，其数据管理技术也为虚拟敦煌的数据发布和资源管理搭建了坚实的平台。虚拟漫游系统使游客不必亲临敦煌，就能欣赏敦煌的盛况，减少了人为破坏。但这种虚拟展示仍与亲临敦煌壁画所感受到的震撼有极大的差距。从技术层面上看，虚拟现实技术作为一门年轻的科学技术，仍存在许多尚未解决的理论问题和技术障碍。比如，这种数字化过分依赖计算机和网络技术，这两者在给人们带来便捷的同时，也存在一定的风险。数据库在依赖网络满足不同用户需求的同时，也为恶意入侵者盗取文物信息提供了一定的可乘之机。数字化技术仅是保护的途径和辅助手段，因此，对于类似敦煌壁画这种珍贵的文物古迹，应坚持“保护为主、抢救第一、合理利用、加强管理”。

4 结束语

综上所述，对于VR构建的虚拟世界，仍存在很多心理、生理和社会问题，关于它的争论也将不可避免地继续下去。但VR的巨大作用是不可否认的，它在军事、医学、培训、艺术、设计和商业领域中的应用恰恰是最好的证明。随着计算机技术、仿真技术和人工智能技术等多个交叉学科的发展，VR媒介的应用将会有更加广阔的前景。

参考文献

[1]胡小强.虚拟现实技术基础与应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.

〔编辑：张思楠〕