基于三维全景交互系统的文化遗产传播研究

王赛兰

摘要：文化遗产作为民族文化的瑰宝，需要被传承、被认知、被理解。这就需要文化遗产被广泛而有效地传播。在此，我们提出了一种基于互联网的传播方式，这种方式运用了人机交互、三维全景、虚拟现实等技术，让文化遗产的传播摆脱时空的束缚，以可视化的方式呈现在用户面前。

关键词：三维全景交互系统；文化遗产；数字化传播

中图分类号：K854.3文献标识码：A

DOI：10.3963/j.issn.16716477.2014.02.012

文化遗产，包括物质和非物质文化遗产的数字化保护已经越来越受到重视。我们已经开始运用先进的二维三维扫描、数字摄影、图像处理等技术，实现文物图形、结构与纹理等信息的高精度获取与保存。特别是在对文物信息的数字化获取的研究方面，取得了许多成果。但是，如何在保护的同时向全世界展现这些文化瑰宝？更有效地传播其内在的文化价值？如何突破二维图片的局限与不足？如何应用计算机技术辅助复建、再现文化遗产？在此，笔者提出了一种三维全景交互的再现系统，并提出前期设计的方案，希望这种方式能够成为扩大文化遗产影响的新方式。

一、文化遗产的传播与保护

时代越发展，社会越进步，对本民族的自我认知的渴望就越强烈。文化遗产是先人智慧和创造的结晶，沉淀了民族特有的精神思想、思维方式、和文化意识，是维护文化身份和文化主权的基本依据。文化遗产不仅具有历史价值，而且包含未来发展趋势的某种启示。保护文化遗产，在文化意义上体现着人类对主体性、主体间性与历史性的自觉。随着经济全球化趋势和现代化进程的加快，我国的文化生态正在发生巨大变化，文化遗产及其生存环境受到严重威胁。不少历史文化名城（街区、村镇）、古建筑、古遗址及风景名胜区整体风貌遭到破坏。文物非法交易、盗窃和盗掘古遗址古墓葬以及走私文物的违法犯罪活动在一些地区还没有得到有效遏制，大量珍贵文物流失境外。由于过度开发和不合理利用，许多重要文化遗产消亡或失传。在文化遗存相对丰富的少数民族聚居地区，由于人们生活环境和条件的变迁，民族或区域文化特色消失加快。因此，加强文化遗产保护刻不容缓。[1]

视觉语言是一种结构性传播符号的建构，是人们认识世界、了解世界、诠释世界的一种视觉化方式。人体接受的外部信息大约70%来自眼睛，听觉、嗅觉、触觉等其它感知方式加起来只占到30%。可以说视觉形式的信息接受是人类最主要的信息来源。因此就单一形式的传播途径来看，视觉信息传播的形式可以达到最大的传播效果。

目前来看，文化遗产的传播方式主要有下面几种：一是文化遗产的本地传播。主要通过博物馆、旅游景区等方式向游客传播。这种方式给游客的印象深刻，但是影响范围不够广泛。二是通过电视、广播、报刊等传统媒体的传播。例如通过制作精良的或者是有影响力的报刊杂志，这种方式影响深远，但广泛程度还是有限。三是通过互联网和自媒体的数字化传播。这种基于网络的数字化传播方式，如果结合视觉传播，从理论上说能够做到无国界、无语言限制。

本文就是研究在互联网平台下，如何运用三维全景技术对文化遗产进行视觉传播，并达到最优化的效果。

二、文化遗产数字化保护在国内外的进展

在保护领域引入数字化保护手段，在国外发达国家早已开始。1992年，为了便于永久性地保存和最大限度地为公众公平地享有文化遗产，联合国教科文组织（UNESCO）开始推动“世界的记忆”（“Memoryof the World”）项目，在世界范围内推动文化遗产数字化。1999年，在芬兰倡议下，欧盟国家开始启动一项多国框架性合作项目“内容创作启动计划”，在该计划中文化遗产数字化被确定为基础性内容。我国1996年启动的国家数字图书馆工程，开始了文化资源的数字化进程。[2]但是这期间的数字文化遗产保护的内容主要集中在对大量资料的数字化保存上。由于技术的进步和前期工作的经验积累，文化遗产的数字化保护从单纯的资料保存转变到视觉化的进程。特别是三维扫描成像技术的发展成为了数字文化遗产保护的新契机。如美国的斯坦福大学利用激光测距仪对米开朗基罗的10件雕塑（包括著名的大卫像）进行了数字化处理[3]，其扫描精度达到了0. 25 mm。这给文化遗产保护的可视化提供了技术条件。目前基于可视化的虚拟博物馆、数字博物馆在西方有数百万之多，它们给文物保护、文化传播提供了新的途径和方式。

近年来在我国，基于三维图形图像技术的考古、文化遗产保护等项目也有很好的发展。从2003年5月起，湖北省文物考古研究所与和武汉大学中南医院合作，使用CT扫描仪器对1990年出土于湖北郧县曲远河口的“郧县人”2号头骨化石进行了扫描。在此基础上，中法双方的研究人员运用计算机技术对头骨进行三维复原研究，对头骨缺失损坏部分进行了修复。[4]敦煌石窟是我国最著名的应用三维技术进行数字化与虚拟化的文物保护工程。2004年开始，敦煌研究院与中科院计算所开展技术合作，先后选择莫高窟第45窟和第196窟进行敦煌石窟洞窟三维数字化工作。至今，敦煌研究院已经完成了40个洞窟的三维动画实景漫游。[5]这些成果向我们证明，数字化在文物保护、展示、修复等一系列领域中已经取得了实践性的成果，也起到了很好的效果。

三、三维全景交互系统的构建

从国内外前期研究成果可以看出，文化遗产的数字化经历了从单纯的数字化资料收集到静态的展品展示，从二维平面的图像展示到三维虚拟空间的立体实景展示的过程。数字化多媒体技术让博物馆中人类的文明和历史真实地呈现在人们眼前。这种文物信息的横向、纵向多维连接以及从静态到动态的变化，使得文物和历史不再只是沉闷的静态陈设，而成为一个能够在人们面前“说话”的动态博物馆，能满足不同用户的不同观赏模式、不同观赏层次、不同观赏目的的多维需求。基于这种变化，笔者提出一种三维交互虚拟文物再现系统，在数字化、三维化的基础上，将人机交互的概念应用到这个系统中，让系统更符合用户的使用需求和情感需求。

（一）人机交互的概念

人机交互（HumanComputer Interaction，HCI）在美国通常称为机人交互CHI（ComputerHuman Interaction）、MMS（ManMachine Studies）是研究人、计算机以及它们间相互影响的技术。在计算机中我们将“交互”理解为：参与活动的对象可以相互交流，双方互动。用户发出指令，计算机做出反馈的过程我们称为“交互”。

美国21世纪信息技术计划中的基础研究内容为四项：软件、人机交互、网络、高性能计算。我国973计划、S-863计划、十五计划均将人机交互列入为主要内容。如果我们看计算机的发展历史，其不仅是处理器速度、存储器容量飞速提高的历史，也是不断改善的人机交互技术的历史。从早期只有经过专业训练才能使用的DOS操作系统，到现在连孩子都爱不释手的Ipad，Iphone，交互性成为决定数字产品成功与否的重要因素。

所以我们期望的，不仅仅是传统的三维静态、动态效果，而是能真正与用户交互且有良好用户体验的展示系统。

（二）三维全景交互系统的构成要素

本文中的三维全景交互系统，是一种基于计算机与互联网的虚拟展示系统。和其他数字展示方式不同，它包含以下三个不可缺少的要素：

一是全角度交互体验。这是本系统最重要的特点。与二维的平面照片或者360°全景式照片展示不同，该展示可以在用户的控制下随着鼠标的移动展示文物任意角度的情况。用户可以根据自己的需要放大、缩小、任意变换角度，没有任何限制。三维交互文物再现系统的互动性表现在通过人机对话，参观者的主体地位得到最大程度的显现。

二是基于互联网的传播方式。可在全世界任意一台联网的计算机上运行，不需要安装复杂的软件，不需要用户学习任何复杂的知识，可以说是能够跨越语言、文化、地域障碍的传播方式。

三是多种信息交互方式的融合。除了视觉信息的传播，本系统还应该融合丰富的文物知识讲述、背景故事介绍、音乐效果等内容。让人们能够身临其境地体会文物所在历史环境和背景。

（三）三维全景交互系统的实现

1. 实现流程。该系统可以分为两个部分，一是网页部分，一是Unity3D展示部分。其中，网页系统负责用户在网页上浏览、操作和管理；而Unity3D展示部分负责实现三维交互操作。本系统的实现流程见图1。

2. 原始数据采集。原始数据采集是三维数字化及展示的基础，如果想得到最大程度接近实物的三维模型，那么就必须得到详尽、确实的文物原始数据。它包含三个更细的环节：对象的数字化分析→采集方案制定→现场数据采集。采集方式主要有以下几种：

一是数字摄影测量。数字摄影测量技术是通过获取一系列物体对象的数字照片， 解析演算出物体空间外形的技术方法。近年来， 随着计算机技术的快速进步，数字摄影数字空间解析的全数字化成熟技术。目前这种方式在文物保护领域的应用已经比较成熟，特别是在莫高窟壁画保护研究中，对该方式的研究已经非常透彻。

二是三维激光扫描。三维激光扫描（ 3D laser scanner） 技术是上世纪90年代蓬勃发展起来的高精度、快速获取物体三维几何数据的新型技术。对于体量适合的文物进行三维激光扫描可以得到比较完整的数字信息。使用三维激光扫描技术完成的文物项目最有影响的要算是斯坦福大学的米开朗琪罗数字化项目，总计获取的数据达到250GB，单大卫雕像即达到32GB，由20亿多面体、7000幅图像组成。[6]

三是文献资料数据采集。在数字化手段愈来愈先进的今天，传统的文献资料数据采集也是必不可少。特别是对于已经消失或者尚未发掘的文物就不能够采用前面的两种方式，而只能采取文献资料研究的方法来获得文物的各种数据。

3. Unity3D在3D表现上的优势。该系统的核心在于让用户能够在自己的计算机上自由观赏文物，并与之交互。其中最主要的技术就在于3D引擎的应用。Unity3D是一款由Unity Technologies开发的一款3D引擎，是一种便捷易用的交互式图形化的综合型游戏开发工具。它可以很方便地让非计算机专业的开发人员创建自己的三维电脑游戏、建筑的可视化游历以及实时交互的三维动画作品。目前，三维虚拟展示技术应用比较广泛的有VRML、Flash3D、Unity 3D及Cult 3D等。选择Unity3d作为3D引擎主要有下面三点原因：

其一，丰富的3D性能支持。支持包括漫反射、凹凸、法线、高度等3D贴图模式及100种以上光照材质shader，20种以上后期效果，高质量的粒子系统。对3ds、fbx等多种3D模型支持直接导入和自动转换。丰富的3D特性，可以对各种文物古迹的还原复建、3D全向展示、数字保护、虚拟旅游提供无所不能的强大支持。

其二，强大的脚本支持。内置支持3种核心脚本语言，javascript、C#、Python。可以提供所需的虚拟文物及文化遗产保护所需的各种逻辑功能支持，从而实现气象切换控制、环境切换控制、多人交互、人景交互、飞行巡游等等各种复杂的逻辑功能。

其三，全平台发布。通过Unity3D一个引擎可以直接实现PC端、Android、IOS、MacOS等各种平台端的发布，通过统一的后台程序，直接实现多平台的联通。针对可能的项目，可以实现通过web浏览器、手机、pad等各种性质的全平台覆盖并同时交互，为虚拟文物及文化遗产保护提供了极其先进便捷的用户体验和广阔的应用前景。

四、实现三维全景交互系统对我国文化遗产传播的意义

首先，笔者认为本系统最重要的意义在于文化的传播。文化的传承与活力是与其传播的广泛程度成正比的。承载大量文化信息的文物和各种文化遗产如果不能在现代社会准确、有效、广泛地传达其自身的文化信息，就会失去活力而难以延续。目前，这样的传播还仅仅局限在小规模的专业人群中，这样的传播无疑是很有限的。

信息科学已经进行了半个多世纪的发展，并且出现了大量的研究与应用成果。这些成果解决了许多工程领域和计算机科学领域的问题，但是在物质和非物质文化遗产保护方面的系统化应用尚未找到一个有效的切入点。

该系统借助互联网的传播手段，打破了地域和时空的限制。另外，基于图形图像与全交互的这样的用户体验模式符合大多数互联网使用人士的习惯，能够达到更好的传播效果，这样的传播才是广泛而有效的。

其次，该系统对损坏的文化遗产能进行很好的保护和视觉修复。笔者认为虚拟重现虽然不可能代替传统人工修复，但肯定是对其有效的补充。

对于已经损毁的文物，传统的方式主要是依靠考古工作者对残缺文物的判断和手工拼合来完成。修复人员需要有大量的人文、历史、美术、考古知识基础，同时还需要有很高的手工艺技巧。巨大手工劳动量和技术难度制约了修复的速度， 使得我国许多珍贵文物难以呈现其应有的历史文化价值。[7]所以，采用新技术、新方法来对文物进行复建或者重现是我国目前文物事业面对的最亟待解决的问题之一。将三维虚拟展示技术应用到文物复建领域，大大提高了效率，降低了成本，是修复损毁文物的有效补充。上文中提到的郧县人头骨化石三维复原研究就是三维修复技术的一次成功尝试。

再次，该系统可以对消失的文化遗产进行复建与重建。文物和历史遗迹的复建从来都是引起争议的工程。开封市在2012年8月宣布斥资千亿重现北宋汴京的计划就引起了多方关注和争议。另外，多位文物界专家都表示，如果不能在原址复建遗迹和文物只会为申遗减分。并且在文物保护法中也有规定：已经损毁的文物原则上不再复建。但是让这些曾经辉煌的城市和文物完全消失也让人觉得遗憾。“永恒的埃及”[8]是埃及政府用最新的网页浏览和手持设备计算技术配合10种不同语言版本，将埃及具有五千年悠久历史的文化艺术遗产展现给全球观众的数字系统。这给我们提供了一个良好的案例，那就是在数字空间里重现文物和遗迹是完全可行的。

如果说对于损坏的文化遗产本系统还只是有效补充的话，那么对于已经完全消失或者即将消失的文物、古建筑等文化遗产，本系统就是最可行也是最节省成本的重现方式。传统的文物修复大多是针对损坏的文物或者残片来进行，而对于尚未发掘或者已经消失的文物经常就要通过手工绘制、文字描述等方式来呈现。而虚拟复建可以不受现实条件的限制，根据前期研究成果即可在计算机上展现这些文物的风貌。其成本低，对现实文化遗产不产生任何影响，这些都是传统方法所不能比拟的。

五、结语

三维全景交互系统是以现代交互设计和虚拟三维漫游技术为支撑，结合考古研究、历史研究、美学研究等众学科综合而成的立体科研项目。利用Unity 3D技术，能够建立跨平台、真实3D交互、完整呈现文物外观，并可以整合文字、声音等其他传播方式的虚拟再现效果。该系统能够满足现代社会对文物和文化遗产保护和传播的迫切需求。随着数字博物馆、虚拟现实技术的发展以及用户信息获取需求的不断增长，该系统将能够运用到博物馆、地方文化遗产保护、文物保护等领域，成为数字文化遗产保护的重要手段之一。

[参考文献]

[1]谈星东.全景技术在文化遗产传播领域的应用前景展望[J].文物保护与考古科学，2011，23（4）：2738.

[2]彭冬梅.数字化保护—非物质文化遗产保护的新手段[J].美术研究，2006（1）：4751.

[3]The Digital Michelangelo Project [EB/OL].[20130210].http：∥graphics.stanford.edu/projects/mich/.

[4]俞少柏.中法文化年的又一科技合作硕果：郧县人头骨化石三维复原研究成果“亮相”江城[J].江汉考古，2004：95.

[5]刘刚.敦煌莫高窟石窟三维数字化技术研究[J].敦煌研究，2005，4（92）：104109.

[6]Marc Levoy.Kari Pulli.Brian Curless.The Digital Michelangelo Project：3D Scanning of Large Statues [J].Siggraph 2000，4（11）：3545.

[7]李涤尘.文物计算机辅助修复方法探讨[J].文物保护与考古科学，2005，17（3）：1217.

[8]永恒的埃及[EB/OL].[20130210].http：∥www.eternalegypt.org.

（责任编辑文格）

Abstract：As a national cultural treasure，cultural heritage needs to be passed， perceived and understood.This requires that cultural heritage be widely and effectively disseminated.In this paper，a method based on the use of Internet is presented.By using humancomputer interaction，three dimensional panorama，virtual reality and other technologies，the propagation of cultural heritage can get rid of the shackles of time and space，and be presented to the user visually.We hope that this new approach will become the new media to widely spread the cultural heritage.

Key words：3D panorama interactive system；cultural heritage；digital communication