基于VR技术的甘肃历史文化遗址数字化保护研究

2022-11-17许朝森巴钧才

无线互联科技 2022年14期

许朝森，巴钧才

（兰州石化职业技术大学，甘肃兰州 730070）

0 引言

历史文化遗址是社会长期发展而形成的重要物质，代表着民族风貌、精神以及地方风土人情。我国十分重视文化遗产的保护工作，而甘肃省具有较多的历史文化遗址，需要充分发挥VR技术在历史文化遗址保护中的作用。本文将以鲁土司衙门旧址为例分析VR技术在甘肃历史文化遗址保护中的应用。

1 VR技术与历史文化遗址分析

1.1 VR技术分析

虚拟现实(Virtual Reality，VR）技术是一种计算机仿真技术，应用VR技术可以构建虚拟世界，即利用计算机构建三维动态视景，并让用户体验［1］。VR技术的应用范围十分广泛，如地产漫游、虚拟样板间、多专业协调、网上看房、场馆仿真等都应用了虚拟现实技术。但是，VR技术在实际应用过程中也出现了一些问题。(1）设备使用不便、携带不便等问题十分突出，且硬件的处理速度相对较慢。(2）软件的可用性较差。在硬件的影响下，应用VR技术的成本较高且效果不佳，相关的理论与算法不够成熟，三维建模技术也存在一定问题。(3）应用领域有限。在诸多因素的影响下，VR技术没有被广泛应用在教育领域、工业领域。(4）效果不佳。虚拟现实感知缺乏对触觉与听觉的关注，导致整体效果缺乏真实性。同时，VR技术与人的交互不足，在人工智能以及语音识别等方面的效果不佳。

1.2 历史文化遗址分析

历史文化遗址指的是古人建造的建筑现在成了建筑废墟，常见的历史文化遗址包括村落、宫殿、都城、民居、寺庙以及作坊等［2］。在自然与人为等因素的影响下，大多数文化遗址都被埋藏在地下，部分文化遗址残存在地面上，也有部分文化遗址已沦为废墟。当前，我国较为著名的历史文化遗址主要包括古墓地、古城堡以及石窑寺。

2 甘肃历史文化遗址保护现状

经过长期发展，甘肃省积累了大量优秀的历史文化，其中民俗风情有阿克塞风俗、肃北蒙古族风情、敦煌莫高窟民俗、肃南裕固族风情；历史文化有大地湾文化、伏羲文化等；历史文化遗址有玉门关、古阳关、公刘庙、窑洞民居以及鲁土司衙门等［3］。

其中，鲁土司衙门位于甘肃省兰州市永登县，是目前甘肃省众多土司建筑当中保存较为完整的宫殿式建筑群，主要是由鲁土司衙门、土司花园以及妙因寺等部分共同构成。鲁土司衙门坐北朝南、附近自然环境十分优美，主体建筑布局呈现出了对称的特点。鲁土司衙门的东西两侧是寝宫、仓院、小教场等建筑，也包括仪门等建筑。整体而言，鲁土司衙门具有浓厚的民族风格。近年来，文物保护单位逐渐将感恩寺、显教寺、海德寺以及雷坛并入到鲁土司衙门旧址中。同时，鲁土司衙门中储存了大量的佛教典籍，例如大藏经等，具有重要意义。

甘肃省在历史文化遗址保护中获得了一定的成绩，但是从实际情况来看，甘肃省的底子较为薄弱，存在缺乏资金、缺乏人才等问题。

(1）缺乏资金。甘肃省的经济发展水平相对较低，进行历史文化遗址保护的经费主要来自国家财政支持。但是，国家财政支持有限，且更注重对国保单位的保护，对省保单位、市保单位以及县保单位等级别的历史文化遗址的支持力度不足，且仍然按照财政分级负担的原则划拨经费。但是，多数地区的经济水平较低，导致文物单位存在较大的资金缺口，无法在历史文化遗址的保护中投入更多的资金。

(2）缺乏人才。相比于经费不足，甘肃省人才不足这一问题更加突出。当前，甘肃省从事文物工作的人员有3 000人左右，但专业的技术人员只有五六百人。历史文化遗址的保护具有较强的专业性，对专业人员的需求量较大。但是，甘肃省的专业人员较为匮乏，且现有专业人员分布不均衡，大多数专业人员都在比较大的文博单位中。基层部门十分缺乏专业人员，加大了历史文化遗址的保护难度。且部分地区的基层文物保护机构与文博单位都位于偏远乡村，很难吸引到专业人才。

(3）技术水平较低。信息技术在人们的生活与生产活动中占据着重要地位。同样，信息技术在历史文化遗址保护与利用中也发挥着重要作用，但是甘肃省文物保护单位的技术水平较低，技术应用水平也较低，无法充分发挥信息技术在历史文化遗址保护中的作用。首先，在经费缺乏的情况下，甘肃省无法为历史文化遗址的保护提供更多的资金，也无法完善信息设备与相关设施。例如，若想应用VR技术便需要完善计算机等设备，但是甘肃省无法购置大量的设施。因此，VR技术在历史文化遗址中的应用较少。其次，信息技术应用水平较低。甘肃省缺乏专业人才，现有的工作人员对信息技术尤其是VR技术等高科技了解较少，不知道如何在历史文化遗址中应用VR技术。

3 VR技术在甘肃历史文化遗址保护中的应用

3.1 VR技术在历史文化遗址中的应用方法

历史文化遗址具有不可再生性，若不加强保护可能无法恢复其原貌。同时，当前历史文化遗址保护技术有限，可能会导致历史文化遗址因受到人为与自然等因素的影响而消亡。历史文化遗址的参观人数较多，可能会对文化遗址造成破坏。而利用VR技术可以增加历史文化遗址的展示频率，也可以进行历史文化遗址的数字化保存。

(1）利用VR技术增加历史文化遗址的展示频率。大多数人距离甘肃省较远，在交通、时间以及资金等因素的限制下，人们无法实地参观历史文化遗址，且部分历史文化遗址需要高度保护，若参观人数过多会对遗址造成破坏。为此，文物保护单位可以通过VR技术展示历史文化遗址，让人们随时随地参观遗址、了解遗址，让人们感受到历史文化遗址当中的历史文化价值。当前，应用在历史文化遗址保护中的VR技术有三维全景、Web 3D商业软件、编程方法以及VRML/X3D语言等，其中Web 3D商业软件有3DML以及Viewpoint，而编程方法包括Java 3D等［4］。参观者可以通过这些VR技术全方位地欣赏历史文化遗址，有利于满足人们的参观需求。

(2）利用VR技术进行历史文化遗址的数字化保存。当前，部分地区的历史文化遗址保护工作出现了问题，其中部分历史文化遗址受到了破坏，为此文物保护单位需要利用VR技术进行历史文化遗址的数字化保存。VR技术包括数字建模技术与三维扫描技术，利用这些技术可以对历史文化遗址进行数字化处理与数字化保存。例如，对于鲁土司衙门旧址等体积较大的历史文化遗址，可以利用VR技术进行遗址的数据采集。利用VR技术获取的数字化信息可以永久保存，之后可以通过全息投影、3D打印等方式展现历史文化遗址。工作人员可以利用VR技术对鲁土司衙门旧址当中的佛教藏经等文化遗产进行保存，构建电子档案，并利用无人机拍摄、激光扫描等方式收集鲁土司衙门旧址的模型，增强三维场景的真实性。

3.2 利用VR技术进行历史文化遗址保护的流程

(1）获取数据。为了利用VR技术真实展现历史文化遗址，工作人员需要利用不同的测量手段获取高精度的遗址三维信息。常用的测量技术有人工测量、摄影测量、仪器测量以及激光雷达测量等，其中人工测量的关键在于测量遗址简单的几何特征；摄影测量可以获取遗址的规则几何特征以及详细的三维信息；仪器测量可以进行大型场景的测量；激光雷达测量可以获取非规则表面的三维信息。只有将不同的测量技术结合起来，才能够获取更准确的遗址三维信息，为VR技术的应用提供数据支持。

(2）构建三维虚拟环境模型。在获取历史文化遗址的三维信息之后，工作人员需要根据三维信息构建三维模型，从而为历史文化遗址的数字化展现奠定基础。工作人员可以利用较为成熟的建模软件进行建模，确保建模精度符合实际需求。但是，即使应用成熟的建模软件也需要大量的手工操作，降低了建模的效率，也提高了建模的成本，因此，需要加大对自动化建模方法的研究力度。

(3）应用实时三维图形生成技术。工作人员可以利用实时三维图形生成技术展现构建好的目标模型与三维场景，从而创设虚拟环境。在应用实时三维图形生成技术时，工作人员需要保证图形的实时绘制帧率在15 fps甚至30 fps之上［5］。同时，工作人员应在保证图形质量的基础上提高图形绘制频率。

(4）应用立体显示与传感器技术。只是通过屏幕展现历史文化遗址并不满足考古学等专业领域的研究需求，因此，需要利用立体显示技术与传感器技术增强场景的立体性与真实性。例如，技术人员可以在传感器技术的基础上积极研发数据手套、3D眼镜等专业设施，让研究人员利用专业设施研究历史文化遗址。其次，利用大型的立体显示设备为参观者提供虚拟演示的场景，缓解历史文化遗址参观人数过多的现状。

(5）丰富应用系统开发工具。若想应用VR技术就需要创设合适的场合、明确对象，因此，应当利用平台开发技术与分布式虚拟现实技术进行系统研发。其次，VR技术当中包括很多核心技术，例如实时三维图形生成技术、广角立体显示技术等。其中，实时三维图形生成技术可以准确反馈物体的图像，不会受到光照等条件的影响；广角立体显示技术指的是参观者戴上特制眼镜后可以同时看到奇数帧图像与偶数帧图像，就会产生立体感；立体声音播放技术可以让参观者更快速地判断声源的方向；触觉与力觉反馈技术让参观者戴上内层装有振动触点的手套感受文化遗址；语音输入输出技术通过人的自然预算输入信息并输出信息。

4 VR技术在历史文化遗址中的具体应用

鲁土司衙门旧址是甘肃省保存较为完整的宫殿式建筑群，展现了甘肃省的发展情况，因此，可以利用VR技术加大保护力度，如利用VR技术进行鲁土司衙门旧址的虚拟现实动画规划。虚拟现实动画系统具有仿真性、交互性等特点。虚拟现实动画的设计融合了诸多学科的内容，需要利用计算机运算、模型构建、材质处理等手段构建三维立体环境，并将三维影像投射到虚拟交互平台上，创设身临其境的环境，可以让参观者融入到虚拟现实环境中，具有较强的仿真性。例如，在进行鲁土司衙门旧址虚拟交互动画的设计时，技术人员便利用三维技术手段设置了高度仿真的场景，使参观者可以直接利用3D眼镜游览鲁土司衙门旧址。虚拟现实动画可以通过图像、图形满足参观者的需求，与参观者进行互动，具有一定的交互性。虚拟现实动画调动了参观者的积极性，使参观者沉浸其中，具有较强的沉浸性。虚拟现实动画的设计应用了实用主义美学理论，具有较强的审美性。

虚拟现实动画设计平台的构成包括三维仿真建模平台、虚拟现实交互平台等子系统。在进行鲁土司衙门旧址虚拟现实动画的整体规划时，需要综合分析系统的设计对象、软硬件需求、设计目标、设计流程。(1）设计对象。鲁土司衙门旧址的民族风格较为明显，是由祖先堂、大堂等诸多建筑共同构成的，需要根据鲁土司衙门旧址的实际情况构建三维虚拟动画系统，创设虚拟空间。(2）软硬件需求。硬件包括尼康相机、索尼动画演示投影机等，软件包括3ds Max，Unity3d等。(3）设计目标。设计鲁土司衙门旧址虚拟交互动画可以仿真再现历史文化遗址并保护遗址；实现人机交互的动态体验；加强资源整合；加强网络学习［6］。(4）设计流程。在设计过程中，技术人员需采集信息，构建模型，做好动画特效设置工作，实现3ds Max平台与Unity3d平台的衔接。