辽代文物古迹的数字化展示技术研究

赵晶晶

（辽宁传媒学院，辽宁 沈阳 110000）

文物古迹具有历史价值、科学价值和艺术价值，是遗存在社会上或埋藏在地下的历史文化遗物和遗迹。我国历史悠久，中华文明绵延至今未曾中断，拥有着丰富的历史文化遗产。一直以来，习近平总书记高度重视我国文化遗产的保护和传承工作，他强调要“让收藏在博物馆里的文物、陈列在广阔大地上的遗产、书写在古籍里的文字都活起来。”随着计算机技术的进步，文物的数字化得到了突飞猛进的发展。近年来，VR虚拟现实技术被广泛应用于医疗、军事、教育、游戏等领域，其不仅可以对损坏的文物古迹进行虚拟化的修复和复原，还可以对一些已经消失的文物进行虚拟化展示。

博物馆是展示历史文化的重要窗口，也是保护和发扬我国优秀传统文化的重要途径。利用人工智能、虚拟现实、3D全息展示、云上展览、虚拟触摸、沉浸式体验等新技术、新手段、新方法，可以实现文物的数字化展示，让文物古迹“活”起来，让人们能够随时随地、多角度、沉浸式地欣赏文物。

一、辽代文物古迹的重要地位和文物古迹数字化展示的意义

辽王朝时期是中国历史发展的一个重要时期，辽代文化吸收了渤海国、五代、北宋、西夏以及西域各国的文化，主要由契丹文化、汉族、其他民族文化共同融合而成，是草原文化的重要组成部分，独具特色的多元文化形态决定了其在历史发展进程中具有不可替代的地位。现存大量的辽代文物古迹为我们研究辽代历史提供了重要依据。

2020年初，受新冠肺炎疫情影响，各地博物馆陆续暂停对外开放，多项原定于春节期间的文物展览被取消，文化事业的发展面临巨大挑战。但与此同时，文物数字化得到了快速发展，呈现出勃勃生机。受自然灾害、环境恶化、政治经济等因素影响，一些不可移动的建筑文物历经岁月的洗礼而倒塌、甚至被人为毁坏，这时文物保护部门要对其进行修复，就必须基于文物本身的特殊性，人工搜集数据资料、绘制图纸并研究传统工艺进行施工，难度可想而知。而文物数字化不仅可以存储大量的文字、图形、图像数据，便于调用和比对，为文物的展示、保护、研究、修复提供了一个新的方法和平台，在某种程度上减轻了文物修复工作中数据采集的资源消耗，缓解了文物资源保护和利用的矛盾，还能让人们足不出户就享受海量文博资源。通过数字展厅、虚拟看展、VR看展，以全新的视角和互动体验，利用数字、艺术、故事、交互等手法演绎社会、历史、文化和艺术的探索之旅，为传承中华文化提供了有力的技术支持。

二、文物古迹数字化的优点

（一）提供虚拟技术展示，突破时间和空间限制

基于文物保护的需要，博物馆中的文物被保存在固定的设备中，因此，人们在参观时，很难观察到文物的细节；而在虚拟空间中，人们可以自由进入所感兴趣的场景进行欣赏，并且，数字建模技术可以360度立体还原文物细节，能够给人们带来不同的体验视角。

（二）共享数字化文物数据库，利于资料的管理和调用

数据存储一般分为两种，一种是本地存储，需要用精模，文件量较大，可供文物修复时调用；另一种是在线存储，主要用于在线传输，便于文化传播，重点突出纹理的精度，需要WebVR引擎工具来处理不同等级的纹理，方便查看。文物的数字化是将大量的文字、图像、音视频资料等文物基础数据进行深度融合，并建立庞大的数据库，在此基础上进行全景拍摄和三维数据重建，形成虚拟三维影像，使文物的展示由实体、静态拓展到虚拟、动态。实现对文物古迹的数字化展览与管理，不仅能让人们更直观地获取历史文化资源，也能为进一步研究历史文化、检索和开发文物展示系统提供数据支撑。

（三）创建VR展示平台，增强互动性和体验感

“三维数字建模技术在工业设计、机械制造、建筑测绘等行业已普遍使用，其在文物保护和博物馆虚拟化展示等方面也做了一些尝试”。数字化展示最终生成的是可视化历史文物资源，可以让人们更直观、更真实地了解文物。

高精度实景三维数字建模技术、虚拟现实技术、全景展示技术在文化遗产数字化保护方面的应用，为数字化展示提供了技术基础，促进了沉浸式体验展示技术的产生，比如，虚拟讲解、“复原”展示并形成互动、创建博物馆AR游戏或AR展馆内导航等。

三、文物古迹数字化展示的相关技术

（一）数据信息采集技术

文物数字化的首要工作是采集数据，目前采集文物数据并生成三维模型的方法一般有三种：激光扫描技术、影像扫描技术和手动3D软件建模。三者各有优缺点：激光扫描技术在数据存储、工作效率和精度方面有一定的优势，但采集时需要大量的标记点，容易造成文物本身质地上的磨损或破坏，而且只出模型不显示纹理，需要后期重新贴纹理；影像扫描技术所获得的三维模型颜色逼真，能高效地1：1还原文物材质，是文物观察和还原质地的首选，其缺点是3D打印的文物约有1－2毫米的误差，且针对高光反射材质输入不稳定，通常需要人工干预修改；人工手动建模可以对文物破损或残缺丢失的部位进行虚拟还原，但精度不够、效率低下。因此，采用激光扫描技术和影像扫描技术相结合，是辽代文物数字化最合适的方式，具体方法如下：

第一，拍摄可移动的文物 （如辽代金银器、铜铁器、陶瓷器等）时，要特别注意背景和光源的选择。首先，不能用彩色做背景，宜使用白色、灰色或黑色，但要注意与文物本身颜色有所区别。其次，在设置光源时，要注意光源的位置和强度，比如光线变化、反光、阴影等会虚化文物上的细节，因此，可采用Neutral Lighting（中性照明），清晰地拍摄出文物的细微差别、纹理和瑕疵等。最后，拍摄时应尽可能减弱或消除杂乱投影和反光，可采用4种方法：1.通过调节文物两侧的打光、使用反光板或将文物置于发光板、灯箱上，提高背景亮度；2.在灯前加透明硫酸纸等，利用反光伞、玻璃瓦透明塑料板当作摄影台；3.针对不锈钢、玻璃、瓷器等易形成反光的材质，可将柔光布放置在被拍物的四周，从而减少反光；4.若文物表面不易破损，可使用无光喷剂或其他化学试剂来消除反光。

第二，拍摄不可移动的文物 （如无垢净光舍利塔、白鹤楼、奉国寺、古墓等）时，需使用专业的布光。例如，辽代墓穴内部空间有限、环境复杂，拍摄设备无法放置到拍摄位，打光也较平面拍摄难得多，而且平面拍摄的布光是主观性的，但三维拍摄时的布光要均匀，并且要满足一定的指标，因此，需要专业的布光。使用专业的布光时，一方面可使用高精度扫描仪，将扫描精度精确至亚毫米级甚至μm级别，有效满足对精度要求比较高的文物；另一方面，针对墓穴环境过暗或偏色的问题，可运用专业的灯光设备并制定布光方案，力求模拟出稳定的太阳光感，有效提高光源的真实性。

（二）“智能”纹理生成技术

数据采集便于组建文物的数据资源库，但其在展示文物的演变过程、360度环绕观看等方面有一定的局限性。这一问题可通过赋予真实的纹理材质，并创建周围虚拟环境来解决。

Substance Designer是一款功能强大的材料创作软件，也是Ultimate3D材料创作和扫描处理工具，允许用户构建“智能”纹理生成器，可以表现纹理的质感、烘焙模型信息 （如法线、位移、曲率等）。具有材质和程序的效果库，其精确的扫描滤镜可以完成高清扫描工作，特有的无缝材质也适用于Photogrammetry摄影测量流程。

Substance Painter制作出的是PBR格式的模型贴图 （如图1所示）。PB工作流程，即Physically Based Rendering，属于物理的渲染过程，是一套基于真实世界光照物理模型的渲染技术，能够更精确地描述光和物体表面的互动。其将传统的通过高光贴图、环境贴图的制作细化为金属强度 （Metallic）和光滑强度（Smoothness），就像利用计算机语言中的“RGB”来定义颜色。这一优势可以真实地表达历经沧桑的辽代古建筑，最终表现出文物现阶段真实的渲染效果。

图1 Substance Painter中材质贴图面板

（三）虚拟动画演示技术

虚拟动画演示技术打破了早期静态、被动、单一角度观看文物的局限性，方便人们全方位、多角度地观看和体验虚拟建筑。首先，通过动画和图像，人们可以看到建筑的搭建过程、整体面貌、建筑细节以及恢弘的气势；其次，人们可以结合旁白、音乐、声效在视听世界里了解建筑的故事，产生身临其境之感；最后，通过虚拟交互技术，人们还可以利用操控按钮设定观看路线，体会建筑的文化传承魅力。

在制作虚拟演示动画前，需构思、设计全景飞行动画、粒子效果天气动画、人机虚拟交互画面等分镜头脚本，并详细绘制各分镜头的时长、角度、声效和旁白等。虚拟演示动画主要由动画展示和虚拟交互演示两部分组成，由三维动画制作技术和虚拟现实技术来实现。其中，动画展示的具体制作流程为：首先，在3dmax中建立摄像机、附加太阳光及辅助光源、加入雨雪特效等动画，再运用Vary渲染器将动画渲染为序列帧 （如图2所示）；其次，将用Flash制作的按钮元件和后期图片素材导入AE中，运用Keylight功能将操控按钮透明化；最后，运用Premiere影视合成技术，将时间轴上每个序列帧、图片、背景音乐和旁白等所有素材剪辑并调整好顺序，添加转场特效进行渲染，最终输出MP4格式的成品动画。虚拟交互演示的具体制作流程为：将模型导出为PBX格式的文件，保存至Assets文件夹，最终运用Unity3D引擎多角度进行预览。系统交互界面的点击操作，主要通过Flash制作按钮元件并添加ActionScript3.0编程来实现各按钮的联接关系。

图2 辽阳白塔的动画渲染序列帧

需要注意的是：1.在制作动画时，要保证镜头连续、不抖动、速度适宜；2.在Flash中制作交互界面时，代码的编写要准确；3.背景音乐要与摄像机飞行速率相匹配，达到“踩点”的效果。

（四）虚拟现实技术

虚拟现实技术即VR技术，又称虚拟实境或灵境技术，拥有更强的真实感和交互功能。罗奥、范伊然在研究中提出：“四川美术学院的周教授就有关于古生物复原的研究项目，他的团队能够从皮毛层面对灭绝生物进行数字复原，使人们从未见过的生物在计算机里变得栩栩如生。古生物如此，可见复原历史遗迹应当也是可行的。”VR技术是将计算机复杂的数据进行可视化的操控，将三维图像、计算机视觉、人工智能、多媒体音频等多种现代科技相结合，并利用Unity3D游戏引擎开发互动环节，生成一个虚拟空间模拟系统。同时，结合用户的视觉、听觉、触觉等，通过VR体验设备让用户沉浸在虚拟环境中，并随着身体感官的变化来影响场景，给人以真实场景的互动体验。

四、文物古迹数字化的发展趋势

（一）利用云技术促进文物数字资源共享

随着数字经济的蓬勃发展和大数据战略的持续推进，“数据蝶变”“上云用数”“数字赋能”等专有样态应运而生。因此，可以利用数字技术留下1：1全景图像资料，将文物资源数据、管理和服务由本地迁移到云端，通过云技术使文物与科技、文物与民生、文物与教育、文物与旅游等行业深度融合，最终实现“文物传播云展示”。

（二）建设标准统一的文物数据库

目前，我国博物馆正处于信息化发展的关键时期，基本上每个博物馆都在按照自己的标准和惯例探索文物数字化，这时，建设标准统一的文物数据库就显得尤为必要。各博物馆的文物数字化在统一的标准体系下进行，能够极大程度地为文物数据使用、互相借鉴、网络权限等提供便利，从而实现文物资源数据的共享。

五、结 语

文物古迹的数字化展示是传承中华民族优秀传统文化，传播文物历史价值、民族精神和文化力量，凝聚和弘扬民族精神的重要载体。以数字化技术手段为依托，结合辽代民族的文化特点，以现代化的方式保护、传承和发展文化遗产，形成更广泛、立体的文化推广，是实现历史文化资源价值最大化和社会共享的有效途径。