文化遗产数字化展示与互动技术研究与进展

潘志庚，袁庆曙*，陈胜男，张明敏

（1.杭州师范大学VR与智能系统研究院，浙江杭州311121；2.浙江大学计算机科学与技术学院，浙江杭州310027）

0 引 言

0.1 简 介

人类文明形成了大量珍贵的文化遗产，是先人遗留下来的文化沉淀与结晶。然而,受自然变迁和人类活动的影响，文化遗产不可避免地遭受了侵蚀和破坏。如何更好地保存、继承和传播文化遗产，是一项重要的历史使命。

近年来，如何通过现代科技手段来保存、继承和传播人类珍贵的文化遗产已经成为全世界共同面临的重大课题。而以计算机图形学、VR、AR[1]、三维造型、数字制造、计算机动画等为支撑的“数字文化遗产”技术异军突起，为数字化记录、保存、展示和利用文化遗产提供了丰富的手段，拓展了传统文化遗产保护的内涵。

本文从技术视角，就数字文化遗产的现状、存在的主要问题、涉及的关键技术进行探讨，同时，通过京杭大运河虚拟漫游系统[2]和清明上河图动画与互动系统[3]这两个实例，对相关技术进行了讨论。需要说明的是，文化遗产可分为物质文化遗产（tangible cultural heritage）与非物质文化遗产（intangible cultural heritage）[4]，本文讨论的主要是物质文化遗产，即传统意义上的文化遗产，根据《保护世界文化和自然遗产公约》，其包括历史文物、历史建筑、人类文化遗址等。

0.2 文化遗产数字化现状

0.2.1 国外研究现状

早在20世纪70年代，国外的文化工作者就开始使用摄影、录像、临摹等技术记录文化遗产相关信息。1992年，联合国教科文组织开始实施“世界记忆”项目，其目标是利用现代信息技术和数字化手段，推动世界范围的文化遗产资源的保存与传播。进入20世纪90年代，在3D技术和虚拟现实技术的支撑下，文化遗产的数字化保护进入三维时代[5]。斯坦福大学和华盛顿大学在1998—1999学年将米开朗基罗的雕塑和建筑数字化，称为数字米开朗基罗项目[6]。该项目前期用三角测量激光扫描仪和飞行时间激光扫描仪采集信息，后期用软件进行数据处理，如大卫像大约花了10 a时间得到近10亿个多边形三维模型。其他类似的工程还有大佛工程[7]、密涅瓦工程[8]、皮埃塔工程[9]、博韦大教堂工程[10]等。这类项目采用的主要设备包括用于记录形状信息的激光扫描仪和用于记录纹理甚至文化遗产材质的数码相机。

除了通过三维扫描记录文化遗产外形外，摄影测量技术也被广泛应用，特别是用于记录不可移动的文化遗产，如纪念碑和历史遗迹等。从根本上说，摄影测量来源于遥感领域，适用于大体量的文化遗产保存。近年来，随着计算机视觉技术的发展，摄影测量已成为一种产生高密集、高精度三维表面数据的强大技术。基于数码相机捕获的图像，利用图像匹配与多视图几何方法，可以生成文化遗产对象的三维点云模型。汉堡哈芬西大学的摄影测量和激光扫描实验室花费十多年时间记录了德国北部的几座重要建筑[11-13]，用摄影测量技术实现了考古遗址的三维重建；并对越南迈森考古区的“G1”神庙进行了勘测和重建[14]。特拉格斯-蒙特斯和阿尔托-杜罗大学利用无人机对文化遗产进行摄影测量，利用大疆Phantom 4拍摄埃斯皮里托圣托教堂，将获得的航拍图像导入Pix4D制图软件和Agisoft Photoscan，生成高分辨率的三维模型[15]。

在文化遗产的展示方面，虚拟或在线博物馆、VR、AR、计算机动画与游戏等也有所应用。SILBERG[16]将文化遗产旅游定义为“来自主办方以外的人出于对某个社区、地区、团体或机构提供的历史、艺术、科学或生活方式/遗产的兴趣而开展的访问”。由IBM公司开发的，“永远的埃及”项目，旨在创建一个虚拟的古埃及博物馆。该项目进行了文化遗产的数字化采集，形式包括二维图像、三维模型、三维场景等，由飞行时间三维扫描仪、数码相机和成像系统等进行记录，最终以在线博物馆的方式在互联网上进行展示[17]。

由于VR可以以用户为中心获得沉浸式体验，非常适合文化遗产的展示。VR中的大多数传统技术，如建模、跟踪、交互等仍然是系统部署的主要问题。此外，系统开发人员还应考虑应用目的问题，例如教育目的。1998年，希腊文化遗产机构“希腊世界基金会”成立了VR部，在其文化中心提供各种教育VR展品，这些展品被证明是该中心最受欢迎的。在VR展览中，用户可以“穿行”在米利图斯古城，互动地从虚拟陶瓷碎片中重新组装古代花瓶，或者协助古代雕塑家创作雕像[18-19]。美国匹兹堡大学和加拿大FiatLUX工作室合作完成的“虚拟埃及神殿”（The Virtual Egyptian Temple）项目[20]，通过构建三维模型和虚拟环境展示了埃及神殿丰富的功能、造型、特征信息及其宗教象征等多重属性，如图1所示。用户可以通过互联网在个人电脑上访问虚拟埃及神殿，或者可以走入博物馆的沉浸式CaveUT[21]在按照实际尺寸重建的虚拟漫游场景中游览神殿。

图1 “虚拟埃及神殿”项目中的虚拟漫游场景Fig.1 Virtual navigating scenes for the virtual Egyptian Temple

与VR类似，AR也可以让用户沉浸其中，而且可以增强其对真实世界的感知。2002年，Tim Gleue和 Patrick Dähne在 Archeoguide项目中，设计了一套AR设备，该设备由头戴式显示器、笔记本电脑、无线路由器、GPS模块等组成，最终实现了一个用于文化遗产地户外AR旅游的移动单元，并将其应用于古希腊奥林匹亚遗址[22]。手持设备的文化遗产AR导览也得到了大众的青睐，CHANG等[23]开发AR系统旨在将艺术欣赏与AR深度结合，手持式的AR系统不仅可以帮助用户识别艺术品，有助于游客集中注意力观察展品，同时在同一视野内提供详细的导览信息和图像增强。研究表明，AR导引模式有助于提高用户对绘画的鉴赏能力。瑞士日内瓦大学的MIRALAB实验室在古遗址以及古代人物情景的数字化增强再现方面取得了突出的研究成果，通过“复活”古代壁画中的动植物群，提出了一种新颖的三维重建方法，在AR环境中，展示虚拟动画与人物行为。该方法突破了虚拟故事讲述技术的局限，探索虚拟空间（如壁画）的混合叙事设计过程，使游客体验到高度的真实感，基于视频透视式AR头盔显示器对虚拟动植物进行实时注册和三维渲染，该项目在庞贝古城项目中有很好的应用[24]。近年来，数字文化遗产在深度和广度上也有长足的发展，出现了更多的应用系统[25]。

0.2.2 国内研究现状

在国内，敦煌研究院在20世纪末期就开始着手“数字敦煌”项目。敦煌研究院与浙江大学自1998年起合作开展国家自然科学基金“敦煌壁画多媒体复原”项目，共同致力于敦煌莫高窟壁画、彩塑、石窟外景及建筑结构的高精度采集及高逼真数字化展示。通过计算机辅助完成了对壁画的虚拟复原，并利用计算机模拟技术对各种破损的发生和演变过程进行模拟，根据该过程预测未来可能的变化趋势，为敦煌壁画的下一步保护工作提供科学参考；通过数字摄影测量技术，分析文物的纹理图像并获取其几何空间关系，结合结构光与三维激光扫描技术对石窟进行了三维数字化和信息获取，最后通过数据处理对壁画图像进行色彩矫正、几何矫正与拼接，实现环境和各类物体的三维重建和整体校准[27-29]。此外，敦煌研究院又在1998年年底与美国梅隆基金会、美国西北大学合作开展“数字化敦煌壁画合作研究”项目，实现莫高窟典型洞窟的数字化和虚拟漫游制作。

浙江大学CAD&CG国家重点实验室自2002年起，开展了静态场景的动态化处理研究，并率先利用VR技术实现了多个数字文化遗产系统的演示，比如基于图像的胡庆余堂漫游系统、河坊街数字化重建、大昌古镇数字化、皮影戏数字化及互动[30-31]等，特别典型的有清明上河图的动态化展示[3-4,32-33]；2005年又牵头承担了数字奥运博物馆项目，实现了网上奥运博物馆漫游系统[34]（见图2）。

图2 虚拟奥运博物馆系统Fig.2 Virtual Olympic Museum

北京理工大学21世纪初就开始开发数字圆明园项目[35]，实现了3种不同的用于数字重建展示的户外AR方案，包括定点式观察AR系统、手持式便携AR系统以及头戴式漫游AR系统，这些方案与设备能使游客感受圆明园的沧桑变幻，再现圆明园的“昔日辉煌”。后续还有一些非物质文化遗产数字化以及基于AR的文物系统漫游等方面的成果[36]。

西北大学和北京师范大学也是国内较早从事文化遗产数字化及保护的单位，通过三维扫描获取、特征计算、碎片匹配拼接，最终实现文物对象的虚拟复原展示，并在兵马俑一号坑第3次发掘中做了很好的示范。他们还利用大场景激光扫描仪对陕西省西安市小雁塔文物群进行了三维激光扫描测量，通过数据获取、数据预处理、深度图像配准、数据融合、点云的网格化建模和纹理映射6个步骤，实现了小雁塔场景的建模与展示[37-40]。

微软亚洲研究院和清华大学从事文化遗产数字化基础理论、壁画色彩恢复、古画的标注与漫游、古建筑交互展示系统等工作也已有多年[41-44]。一项典型成果是在973项目课题支持下，开展敦煌壁画的数字化修复与保护，利用先进的科学技术手段对以敦煌雕塑和壁画为典型代表的文化遗产进行数字化的虚拟复原。另外，还以法海寺壁画色彩为研究对象,通过美学、美术学、信息设计、色彩学等多学科的交叉研究,构建文化遗产色彩数字化的理论模型与实践基础。

故宫博物院的数字化过程从以照片为载体的文物影像管理系统的改造开始，通过故宫博物院网站，实现了博物馆资源信息的采集、加工和展示等工作[45]；故宫博物院与日本凸版印刷株式会社合作，共同打造了“紫禁城·天子的宫殿”VR作品[46]（如图3所示）。该项目借助一个大型曲面屏幕，配合解说词，带领观众游历故宫三大殿，观众可以在虚拟三维空间中任意“游走”，还可以将视点设置在半空，俯瞰故宫全景，获得现实中无法得到的体验感受；其后，又与IBM公司合作，开展了“超越时空的紫禁城”文化遗产项目，旨在通过交互式体验系统构建一座虚拟的紫禁城，并将其发布在互联网上，为用户提供更加便捷的访问途径。

图3 漫游故宫的例子Fig.3 Navigating in Forbidden City

另外，在非物质文化遗产的数字化保护与传承方面，国内多家单位(如清华大学、天津大学、厦门大学、武汉大学、北京理工大学、北京邮电大学和杭州师范大学等)也开展了卓有成效的工作，并在多个项目或博物馆中得到示范[47]。具体涉及诗词[48]、对联[49]、书法[50-51]、古琴[52]、年 画[53]、新疆 维 吾尔图案与木卡姆音乐[54]（如图4所示）等。

图4 新疆木卡姆音乐与画面虚拟展示Fig.4 Animating Mukamu music and picture of Xinjiang

在该研究领域，在国家多个部门的科技计划支持下，多家单位开展了文化遗产数字化保护与传承工作。在学术交流方面，由浙江大学创办的“全国数字博物馆与文化自然遗产数字化及保护”研讨会已成功举办了12届，第12届于2019年12月在安庆举行。该系列会议为领域专家提供了交流文化遗产数字化及保护的研究成果和经验、探讨该领域所面临的关键性挑战问题和研究方向的平台。另外，由北京邮电大学创办的“中国文化计算大会”也已成功举办了2届。

1 文化遗产数字化关键技术

文化遗产数字化展示和互动的技术框图如图5所示[4,54]。

图5 文化遗产数字化展示和互动技术框图Fig.5 Technique diagram for virtual presentation and interaction of culture heritage

1.1 数字化建模

1.1.1 三维扫描

三维扫描旨在获取物体的空间外形结构和色彩信息。其重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供方便快捷的手段。早期的三维扫描技术是接触式的，如通过探针对硬质物体表面进行三维探测的三坐标仪，接触式扫描易造成文化遗产破坏，显然不可用于文化遗产的三维获取。三维扫描通常得到的是一组或几组点云模型，后期需要经过去噪声、拼接、精简、网格化等操作。适用于文化遗产三维获取的技术主要有激光三维扫描和结构光三维扫描。

激光三维扫描仪的基本结构包括激光光源、受光元件(检测器)、控制单元及计算单元等，具体方法主要有飞行时间法和三角测量法；结构光三维扫描仪的基本结构包括结构光发射器（如投影机）、相机、控制单元及计算单元等。结构光发射器可投射具有结构编码的图案，相机可同步拍摄，后期通过图像分析重建点云数据，通常一次可以获取几百万个点，效率较高。

无论是激光三维扫描还是结构光三维扫描，对于透明物体、深色物体、高光反射物体的获取，都有一定的局限性。

1.1.2 摄影测量

摄影测量是一种通过相机摄影来测量目标物的形状、大小和空间位置的技术，其基本原理是利用光学摄影机、针孔理想模型及畸变计算来获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系。摄影测量学通过获取被摄物体的影像，利用单张或多张影像进行处理，研究内容涉及相关理论、设备和技术，以及将所测得的结果以图解或数字形式输出的方法和设备。与三维扫描法不同的是，摄影测量法不需要人为制造激光或结构光特征。

数字摄影测量指的是从摄影测量和遥感所获取的数据中采集数字图像，在计算机中进行各种分析处理，并得到其几何及其他信息的技术。近年来，由于计算机技术特别是计算机视觉技术的快速发展，数字摄影测量技术得以广泛应用。SLAM技术源于机器人领域，其经典功能是“即时定位与地图构建”，即将一个机器人放入未知环境中的未知位置，让其一边移动一边逐步描绘此环境的地图。近年来，基于摄像机的视觉SLAM技术，也被应用于文化遗产领域的三维重建，特别是基于AR的数字文化遗产展示应用[55]。

1.1.3 其他技术

除三维扫描和摄影测量技术外，众多数字化建模方法也被用于文化遗产的数字化记录与测量，如传统的几何建模、数据驱动的建模[56]、基于图像的建模、全景技术[57]、无人机航拍、LiDAR（激光雷达）等。同时，为了适应文化遗产的形状多样性，多种技术往往会合并使用，如德国斯图加特大学将激光三维扫描技术与摄影测量技术相结合，得到了更高质量的模型，并将该法用于生成Al-Khasneh（约旦佩特拉的一个著名纪念碑）的三维虚拟模型[58]。

1.2 数字化呈现

数字化呈现是数字文化遗产展示与互动系统的关键部分，其中最核心的是实时绘制。

1.2.1 实时绘制

虚拟场景的快速绘制技术是VR中的关键技术。为了真实地表达虚拟场景，通常采用多边形网格来建模。随着3D建模技术的不断发展，三维模型的精度不断提高，多边形数量也随之飞速增长，给计算机实时绘制带来了巨大的挑战。特别是在20世纪90年代，计算机的运算能力和图形处理能力比较弱，为了获得理想的视觉效果和计算机处理速度,可以使用一定的技术对场景中的模型进行管理。细节层次(LOD)技术是最常用的技术之一,即将三维物体用多种不同的精度表示,并根据观察点位置的变化选择不同精度的模型予以成像。1992年，浙江大学在国内率先开展了几何模型简化和多细节层次模型生成研究，提出了一系列算法[59]，并将其应用于实际系统。

随着科技的发展，在VR、三维游戏等领域，实时绘制技术应用越来越广，其本质就是实时计算和输出图像数据，在短时间内绘制和显示图片。这种技术仅靠CPU是没办法完成的，还需要依靠显卡。另外，由于单渲染系统难以实时绘制巨量数据，可采用分布式渲染系统[60]实现3D场景的实时并行绘制[61]。

1.2.2 VR/AR

VR技术常被用于文化遗产的数字化呈现，特别是对遗失或残缺的文化遗产的重现具有天然优势。目前，VR系统主要有桌面式VR、头盔式VR、投影式VR等。桌面式VR，依托桌面计算环境，用户以桌面方式与虚拟系统进行交互，显示器视野比较窄，是一种沉浸感相对较低的VR模式，适用于单件文物或小型文物的展示，典型产品有zSpace。头盔式VR，借助于VR头盔显示器呈现虚拟场景，由于用户的视觉完全被头显内容替代，因此沉浸感较强，但因阻断了用户与现实世界的信息交流，人与人交流相对困难，典型产品有Htc Vive，Facebook Oculus等。投影式VR，借助投影系统实现虚拟显示，视野可以很广，被广泛应用于大型遗址的虚拟展示，且可以实现人与人的交流互动，其缺点是容易被现实世界干扰，典型产品有CAVE[62]、VR Workbench等。

AR技术[63-64]常被用于文化遗产的数字化呈现，特别适用于虚实融合的实地展示与体验。AR系统主要有三种形式，即手持设备式、头盔式、空间式。手持设备式AR，主要是基于手持式的PDA或手机，在现场增强呈现虚拟信息，其优势在于便携、设备普及，易被大众所接受，缺点是视野比较窄、显示效果差。头盔式AR，是一种借助于AR头盔显示器的AR呈现方式，需要头部佩戴设备，有一定的交互负载，典型产品有Hololens、Magic Leap等。空间式AR，是一种借助于投影仪实现空间实景的AR形式，适用于大型遗址的增强呈现，优点是显示效果好，缺点是设备成本高、不可移动。

1.3 人机互动与体验

人机互动是虚拟体验中的关键问题，由于文化遗产信息特有的属性，人机互动在文化遗产的虚拟体验中显得尤为重要。如何在古老的、甚至已不复存在的文化遗产和人们现实生活之间构建一座信息沟通的桥梁，使文化遗产信息得到更好的展示、传承和发扬，其中非常重要的一个环节就是友好的用户界面和自然的人机互动方式[4]。所以，人机互动技术是实现和优化文化遗产虚拟体验系统的不可或缺的因素。

因受计算与存储能力等因素制约,基于VR的数字化遗产系统在实时交互等方面面临不少挑战。首先,VR系统更强调交互的自然性。显然,传统的基于鼠标和键盘的交互方式不能适应这种需求。一种自然的实时交互方式是用户通过在物理空间的自身运动驱动虚拟场景的相应变化[65]。因此,对用户的位置进行跟踪是此类VR系统的一个重要组成部分。位置跟踪的精度会影响用户的真实感体验。在数字化遗产的实际应用中,考虑便携性、成本、易于实现等因素,常用单个RGB-D相机(如Kinect)进行用户跟踪,而有的文化遗产VR系统则使用数据手套来跟踪手势[66]。但在支持多人协同交互的VR系统中,对于多人跟踪,采用单个相机必然存在遮挡问题，特别是对于长时间、完全遮挡问题,需要研究更可靠、精度更高的方法[67]。图6是基于踏步机的互动控制虚拟场景漫游速度的演示；图7是基于手势的互动演奏虚拟乐器。

图6 基于踏步机的互动Fig.6 Interaction based on treadmill

图7 基于手势的互动Fig.7 Interaction based on gesture

2 典型系统

从引言的介绍中可知，文化遗产数字化应用系统有很多，本节结合笔者实现的京杭大运河虚拟漫游系统和清明上河图动画与互动系统2个典型系统进行介绍。

2.1 京杭大运河虚拟漫游系统

在国家科技支撑计划项目“中国数字科技馆”的子课题“漫游运河”（2006—2007）支持下，浙江大学牵头完成了京杭大运河虚拟漫游系统[68-69]（http://b2museum.cdstm.cn/canal/）。该系统以大运河为中心，以情节为主线，向人们生动地了展示了京杭大运河的历史，并介绍了一系列人文、科技、历史、地理知识和相关的科普知识。虚拟漫游系统是一种综合多学科的系统设计，为用户提供具有丰富科学内涵的体验形式和数字化的虚拟科学乐园。该虚拟漫游和体验系统引入了“体验式学习”的教学理念，使用户在模拟的网络环境中，通过“寓教于乐”的实践体验获取知识，检测自己对该科学知识和方法的掌握程度和运用能力，在进行学习和娱乐体验的同时，培养创造性思维，形成良好的科学思考习惯。该系统于2006年上线免费运行，得到了社会的一致好评，为推广大运河文化、传承大运河文化遗产起到了积极作用。漫游系统的界面如图8所示。

图8 系统访问界面Fig.8 User interface of the system

京杭大运河虚拟漫游系统力求做到操作简单，同时保证具有丰富的知识量，使用户在操作过程中，通过“寓教于乐”的体验获得知识。因此，系统的设计与实现需要考虑以下问题：

知识组织与表示的有效性：在具有优美的知识传递表现的同时，还能高效组织知识，并有效地向用户展示。具体方法为：通过XML组织元数据；利用Flash表现二维场景；利用全景图表现三维场景；借助视频和动画表现运动场景。

交互界面的友好性：一个好的体验系统，不只是单纯地向用户展示知识，而应有与用户互动的过程，激发用户主动探索。系统采用Java 3D技术，让用户进行航行体验。

服务端性能优化：由于系统采用B/S结构模型，服务端的稳定性以及对用户的响应速度等非常重要。本系统采用多线程、数据库连接池等技术提高并行响应能力。

数据量有效控制：由于通过Internet传输数据，因此传输的延时和低效将影响系统的运行和用户的使用。本系统中不但有图片，而且有三维模型，数据量非常大。对三维模型数据，尽量减少面片数；此外，采用动态下载技术提升系统性能。

系统分为3个主要模块[69-70]：运河概况、沿线风景、漫游体验。其中前2个模块以知识介绍为主，结合交互式的动态展示，在情节开展之前介绍了运河的形成和开凿历史，运河沿线的风土人情、历史典故和名胜古迹等；第3个模块以体验为主，用多媒体的手段展示运河厚重的文化积淀，以情节为线索，展示当时开凿运河的主要目的——漕运，即体验漕运的过程。该线索以知识交互的形式推进，设置一些问答题和关卡，用户可以通过这些关卡了解与京杭大运河相关的知识。其中，体验内容主要有：漕运模拟和体验，通过动画演示和装货模拟，让目标用户了解浮力的基本知识和漕运的过程；船闸系统模拟和体验，告诉用户船是如何过闸的；运河上的虚拟驾驶，让用户了解当时运河沿岸的风土人情，体验运河上的驾驶；全景图漫游体验，让用户通过鼠标操作实现身临其境的场景漫游。

2.2 清明上河图动画与互动系统

2002年，杭州市启动中国京杭大运河博物馆的实体建设，2004年，笔者所在的课题组应邀参与馆内多媒体展成系统的初期设计，并根据馆方要求制作了清明上河图画卷片段的动画。事实上，最初使用的是由中国美院画家根据《清明上河图》所绘制的一幅画。后来该项技术被应用到上海世博会的《清明上河图》长卷动画中，在全球产生了巨大影响。

为了展示画卷中丰富的内容，包括人物、建筑、船只、货物以及生动形象的背景，系统设计包含以下过程[32-33]：（1）通过结合自然的人机交互手段，丰富了系统展示的交互性和用户体验，基于网络摄像头实现了基于手势的交互。（2）通过对画卷进行专业临摹与数字化重现，既保证了数字化展示的科学性，又增加了信息展示的趣味性。（3)通过将背景的二维数字化展示与对物体的三维重建相结合，充分考虑整体场景的宏观与细节信息的具体展示，并对于画卷内展示的建筑进行了空间上的联想和数字化重建，进一步增加了该数字化展示系统所包含的信息量和知识点。（4)采用二维展示与三维虚拟体验相结合的手段搭建了一个集成的数字化展示和虚拟体验环境，用户可以观看二维动画展示，也可以进入其中具有代表性的建筑物中进行三维漫游，在增加趣味性体验的同时，通过实际操作加深用户对场景内物体的认识。本系统的设计包括画卷背景的二维重建、图中物体的三维建模、前景背景的合成等数字化展示。另外，在虚拟体验设计方面，包括对画卷内三维建筑的虚拟重建、由二维场景到三维场景的切换和基于手势识别的交互等(如图9所示)。

扫二维码观看漕运故事半景厅展示系统

图9 系统设计流程图和画面例子Fig.9 T he flow diagram of system design and the animated clip

系统实现步骤：

· 在原画面的基础上，对该节选画面中的场景进行故事编排，即情景和故事情节的延伸，从而勾勒出一幅接近于现实的、动态的场景。

· 对节选段的背景画面进行高精度绘制，并从中提取动态的二维物体，创建二维动画。此背景分割和单独绘制的方法，一方面确保了丰富的画面内容，另一方面有效降低了绘制的数据量。

· 从节选段的前景中选取一些物体进行三维建模。只对背景画面的绘制还不足以展示繁中见细的特点，因此对前景中一些物体进行三维绘制，而后再结合解说和背景音乐进行合成，尽量向用户展示内容丰富又形象生动的古代汴河沿岸的繁荣景象。

· 选择画面中具有代表性的建筑进行三维场景建模和交互体验。对建筑内部进行一定程度的联想和重建，该步骤主要是为用户通过二维画卷点击进入三维场景进行虚拟漫游而制作，并以手势交互的方式实现系统操作。

以上步骤中的前三项，主要是实现《清明上河图》的虚拟展示，最后一项，通过引入自然的人机交互方式，丰富该系统的体验。

图10 不同时期文化遗产传承模式Fig.10 Impart and inherit mode of culture heritage in different stages

3 总结和展望

文化遗产保护的首要目标是要保护其原真性和完整性。原真性和完整性是《保护世界文化和自然遗产公约》中两个非常重要的概念，也是文化遗产保护的基本目标。文化遗产保护的深层次目标是文化遗产在历史存留基础上的价值重现，因此，必须充分挖掘，并在可读性上下功夫，从中阅读历史、了解其文脉，发掘并再现隐藏在内部的丰富内涵，更好地传承和传播传统文化，使文化遗产得以长存，最终促进文化的协调和可持续发展。图10示例了不同时期文化遗产的传承模式，可以预计，借助最新的AI技术，文化遗产数字化保护和传承将上一个新的台阶。

在数字文化遗产方面，当前工作尚面临巨大挑战[71-72]，主要体现在：

首先，在获取文化遗产信息方面，三维扫描、摄影测量、全景、无人机UAV 、3S（GISGPSRS）、激光雷达（LIDAR)等均有应用，如何高保真、高精度地获取文化遗产，如几何结构和数据处理的高精度、色彩的高度一致等仍是重点任务。此外，由于文化遗产形式各异、分布广泛，如何将多源的文化遗产数字化信息进行完整、无缝地融合集成以便统一利用，也是目前面临的重大挑战。

其次，在数字化展示方面，如何将最新的科学技术与文化遗产的内涵结合起来，更好地讲述文化遗产故事、传承文明，并针对不同受众进行个性化展示，是目前工作面临的又一巨大挑战。在保证专业性的同时，做到寓教于乐，使参与者能够通过与虚拟环境的交互或其他操作，得到身临其境的体验和沉浸感，从而达到学习、体验和娱乐的目的。

此外，对文化遗产进行保护、保存、展示与传播是一项庞大的系统工程，不仅涉及考古学、博物馆学、地质学、信息学、材料学、传播学等多学科的知识，而且需要将各学科知识进行有机融合与交叉。对文化遗产进行全方位、多角度的数字化保护，是数字文化遗产未来发展的重要方向。

可见，我们不仅要在文化遗产保存上做工作，而且还要通过新颖的方法和手段对其进行数字化展示与虚拟体验，重新构建其特有的科学和人文内涵，为广大群众了解传统文化和文化遗产提供一种更加简单、便捷的渠道，使我国珍贵的历史遗存和智慧结晶更加贴近我们的日常生活，并为我们提供源源不断的知识养分。