融合虚拟现实技术的布达拉宫文化遗产保护研究*

张孝飞

布达拉宫被誉为“世界屋脊上的明珠”，坐落于西藏拉萨市西北方位的红山上，它是一座融合建筑艺术与佛教艺术的博物馆，也是西藏地方统治者的政治中心和宗教中心，更是一座规模宏大、气势宏伟的宫堡式建筑群。布达拉宫中不仅收藏了极为丰富的历史文物，而且更蕴含着无数藏传佛教精髓文化，堪称是一座艺术的殿堂。1961年，布达拉宫被中华人民共和国国务院公布为第一批全国重点文物保护单位之一。1994年，布达拉宫被列为世界文化遗产。

近年来，随着西藏旅游产业的迅速发展，布达拉宫作为藏传佛教圣地和西藏具有代表性的旅游景点，吸引着大量的朝圣者和旅游者前来膜拜与参观,布达拉宫是土木建筑，人流量的超负荷会对布达拉宫的本体建筑造成影响。这些旅游者和香客在欣赏和膜拜了布达拉宫千年文化之后，可能留下的却是它自身千年也无法修复的诸多问题，所以布达拉宫的保护和进一步的开发是其自身发展中两个并重的难题。

一、虚拟现实技术与布达拉宫文化遗产数字化保护

对布达拉宫等土木建筑类文化遗产本体建筑造成潜在破坏的是大量旅游人群，超量的参观人群不仅会对建筑物的载荷造成影响，而且还会增加火灾隐患，虽然布达拉宫等文化遗产管理部门出台了一些限制参观人群数量的法规，但也仅仅是控制了时间段游客人数，游客年参观总人数仍久居不下，据统计：2015年布达拉宫接待游客逾90万人次［1］。那么能不能利用现代科学技术使游客不用去实地就能如同身临其境般的全方位、多视角的参观布达拉宫呢？这样一方面节约了游客的旅游成本，另一方面充分满足了游客对布达拉宫想往的视觉体验，目前流行的虚拟现实技术可以解决这问题。

（一）虚拟现实技术介绍

虚拟现实（Virtual Reality，缩写VR），又称灵境技术或人工环境，是利用电脑模拟产生的一个三维虚拟世界。它综合运用人工智能、计算机图形学、多媒体技术、计算机仿真及并行处理等先进的科学技术，模拟用户的听觉、视觉、及触觉等感觉器官体验，使人沉浸在计算机所产生的虚拟环境之中，用户还可以通过语言、肢体动作等方式与虚拟世界进行交互，实现了适人化的虚拟信息空间［2］。虚拟现实技术不仅能使置身其中的用户有身临其境之感，而且还能突破时间与空间的限制，实现用户在真实世界无法亲身经历的体验感受。

由于能够再现真实环境，并且人们可以介入虚拟场景，还能与场景中的事物进行实时交互，使得虚拟现实系统在许多领域应用广泛。随着虚拟现实技术与其它技术的深度融合，相互促进，虚拟现实技术在军事、工业、教育、艺术与娱乐、城市仿真、医疗、科学计算可视化等领域的应用都有极大的发展［2］。

（二）融合虚拟现实技术的布达拉宫文化遗产数字化保护的重要意义

虚拟现实技术能够更全面地记录布达拉宫内部建筑数据与场景特征，以多视角、全方位、最直观的方式再现布达拉宫等文化遗产的历史形态，使人们在虚拟信息空间中身临其境般地参观浏览，还可以实现人与历史建筑、历史人物的实时交互。把虚拟现实技术应用到布达拉宫等文化遗产的保护之中，是对文化遗产保护方式的一种创新，它弥补了传统文化遗产保护和传承方式的欠缺，有利于更多的人群不受时间和地点约束的认识文化遗产，更能激发民族文化发展的活力［3］。

二、基于虚拟现实技术的布达拉宫虚拟漫游的开发过程

基于虚拟现实技术的布达拉宫虚拟漫游开发就是以计算机图形图像学为基础，对布达拉宫真实的外部环境和内部场景进行抽象与建模，基于图形图像构建其虚拟景观的三维动态模型，并通过虚拟环境中材质与光线模型的变换，最后根据观察者的观测点利用软件动态控制并绘制视景画面，从而完成对布达拉宫整个场景的漫游。图1是布达拉宫虚拟漫游开发流程框图。

图1布达拉宫虚拟漫游开发流程框图

（一）数据采集

虚拟现实技术开发中的基础环节是数据采集，数据采集是三维建模的主要依据。布达拉宫的数据采集主要从其建筑、历史、文物三个部分入手。

1.建筑部分数据采集

布达拉宫的主要建筑由白宫、红宫、山脚下的雪城、宫后的龙王潭公园等组成，整座宫殿从外围城墙算起，东西长约360米，南北长约270平米，围绕布达拉宫转一圈周长约1200多米，总建筑面积138025平米。布达拉宫主楼共13层，高115.7米，宫墙底层最厚——约五米，逐渐变薄，最高处最薄——约1米厚，总约2000余间房屋；其中主要建筑物是白宫和红宫——二者合起来就是我们通常所说的布达拉宫，山脚下的雪城属附属性建筑物。

对于布达拉宫外部环境（诸如：雪城、龙王潭公园、宫墙等）周围空间比较开阔，宜利用全景摄影技术。全景摄影是把相机环360°拍摄的一组照片拼接成一个全景图像360°，摄影工具一般需要准备：单反相机+鱼眼镜头+全景云台+三角架，全景摄影首先是选景，景物宜选择开阔的大场景，要突出场景开阔的气势；在全景照片拍摄时一般的做法是：首先是将相机固定，在一个平面内以固定点作为圆心旋转相机，分别取圆上的间隔点分段连续拍摄，并将影像存下来，最后拼接这些分断拍摄的照片，一个对象的全景照片就这样形成了。由于布达拉宫内部场景不太开阔，不宜利用全景图像摄影，可以变换拍摄角度进行图像采集。另处，不管是外景还内景都要测量并记录场景中物体大小尺寸、距离等数据，以备几何建模需要。

2.文物数据采集

布达拉宫内珍贵文物无数，主要有佛像、壁画、唐卡、灵塔、佛教器物及室内装修等，这些文物在建模时宜采用三维扫描技术或摄影技术，制作虚拟文物三维扫描的出发点是数码照片，这些数据照片一般的拍摄方法有两种，一种是单行技术和多行技术，单行物体三维扫描只由一行围绕物体旋转的从水平方向拍摄的照片组成，多行物体三维扫描是分别从物体的上部、下部与斜面等三个方位进行拍摄的多行照片组成，在文物拍摄时我们选用单行技术，拍摄时使用的器材是：单反相机+三角架+带刻度的转盘，将文物置于转盘中央，每隔22.50转动转盘进行拍摄一次，转动转盘360°一圈共拍摄16张照片［4］。

3.历史数据采集

布达拉宫由西藏吐蕃王朝最伟大的藏王松赞干布于公元七世纪中叶始建，距现在已有千年历史，经历了几次修建与补建，发生了多次历史故事，将这些历史史料进行分段采集制作成音频，以便在最终视频加工时根据不同场景合成相应的解说音频。

（二）三维建模

1.三维建模技术选择

非计算机专业的学生学习Access数据库的主要目的是在本专业领域的应用，而传统考核中理论知识比重较大，显然这无法有效地评价学生们的学习效果，为了使评价结果更为科学、客观和全面，改革后的课程成绩主要有以下四个构成要素：

三维建模是布达拉宫虚拟漫游开发过程中关键模块，三维建模的质量直接影响着虚拟漫游场景开发的效果。目前国内外虚拟现实建模技术最常用的有两种，一种是基于几何建模技术，另一种是基于实景图像建模技术，这两种技术各有利弊，基于几何建模技术主要是由于实际场景不存在，仅根据图纸设计建立的虚拟景观，它建立的虚拟景观逼真、细腻，而且便于用户与虚拟场景中的虚拟对象交互，但这种建模技术过于复杂、计算量与工作量都非常大［5］。基于实景图像建模技术不依赖于三维几何图形，而是把拍摄的离散图像经过技术处理后生成全景图像，这种全景图像用户可以全方位浏览，基于实景图像建模技术不足之处是用户与模拟对象交互效果差，为了达到布达拉宫良好的虚拟漫游效果，在布达拉宫虚拟漫游建模中采用基于图形与图像混合建模技术。

2.运用几何建模与图像建模混合技术构建布达拉宫虚拟场景

目前，在市场上可以看到许多优秀几何建模软件，比较知名的有3DMAX,SoftImage，Maya，UG以及AutoCAD等，布达拉宫几何建模中选用3DMAX软件工具。基于图像的建模和绘制（Im⁃age-Based Modeling andRendering,IBMR）是当前计算机图形学界一个极其活跃的研究领域。利用图像的建模和绘制技术可以使照片真实感增强、自然性流露。IBMR技术建模工具比较成熟和简单实用的是3DCloud［3］，所以在布达拉宫图像建模中用3DCloud工具。

布达拉宫中的几何建模主要是指涉及到的文物与历史人物，在对历史人物建模时采用几何建模，要根据历史人物描述的特点及历史图像进行设计，尤其是要注意建模人物的服饰、佩戴、身高、体型等要尽量与文献描述相一致。在对内部场景中的文物、饰物等要利用图像建模，首先根据所拍摄的实物真实照片作为采集样本进行重现，从重要文物实物中获取其六面截图，截图要与原物比例相一致，色彩纹理也要求与原物尽量匹配，另外还要注意物体与原图环境的比例搭配，然后利用所获得的六面截图对模型进行无缝贴图，并做消隐、去冗、光照变换、渲染等技术处理，最后得到形态逼真、视觉效果丰富的三维模型。

（三）建立布达拉宫场景数据库

在布达拉宫建模时，首先将布达拉宫外部环境与内部场景按区域分块，对于同一区域内的场景对象根据其特点分别选择几何建模、图像建模及三维全景技术进行建模，最后将形成的多个实体模型按地域特征形成多个单节点对象，这些节点对象文件存储起来就形成了场景数据库。

（四）布达拉宫虚拟漫游的实现

1.虚拟现实软件平台的选择

布达拉宫三维建模完成后，按分区节点对模型导入系统就形成了场景数据库，最后利用虚拟现实软件平台对场景数据库中的节点模型控制和调用就可以实现交互设计。虚拟现实系统开发软件较多，主要有 Unity3D、Nibiru、Virtools、Quest3D、VR-Plateform、Converse3D，这些方法各有利弊，在布达拉宫虚拟漫游编程中我们选择Unity3D。Unity3D具有很强的拓展性和实时交互性，它操作简单、功能强大、完全可视化，它不仅支持Java Script、C#脚本语言，还支持顶点渲染与像素渲染，很适合开发建筑类虚拟场景的再现［6］，能实现布达拉宫虚拟漫游的效果。

2.布达拉宫虚拟漫游功能的实现

在利用Unity3D制作虚拟漫游过程中，控制场景节点让观察者可以从不同角度，不同方位对场景进行观看；为了给观察者漫游提供导航，可以在三维场景的基础上辅以二维地理信息，制作一张虚拟布达拉宫全景地图，以缩略图的形式放到场景中，观察者可以随时定位到地图中的场景进行浏览；再通过在全景图中添加视频、Flash、声音、图片、文字等多媒体元素，使虚拟漫游更生动逼真，让每个场景都动起来；根据场景的位置配套插入一些采集制作的解说音频，增加浏览者的视听效果；在全景图里添加热点实现从一个场景漫步到另一个场景的虚拟漫游效果；在制作中适当增加弹出窗口，弹出窗口可以在必要的时候弹出详细的解说，在漫游中，也可以弹出图片、文字、链接和其他有趣的内容；还可以在虚拟漫游中的场景里适时添加3D模型，更能形象逼真的把场景中的物体展示出来［6］。

3.布达拉宫虚拟漫游

布达拉宫虚拟世界构建完成后，观察者就可以虚拟漫游布达拉宫了，游览都可以选择自动漫游或人工漫游，自动漫游是按系统设定好的路线进行游览，人工漫游是游览者可以自己选择漫游场景，按照自己的意愿变换角度、方位、场景欣赏，在游览中，观看者不仅可以选择整体游览，也可以选择深入其中的一个场景、一个细节地观赏，如同身临其境地感受布达拉宫的历史文化魅力。

结语

我国文化遗产数量众多，像布达拉宫、长城、敦煌莫高窟等世界级的文化遗产就有41处，随着我国旅游业的快速发展，超负荷旅游者流量对这些文化遗产的保护提出了新的挑战，如何寻求现代科技与文化遗产保护的契合点，实现文化遗产保护方式创新性突破已经成为业界关注的课题。虚拟现实技术是21世纪科学技术发展的一个重要方向［3］，它为文化遗产的传承和保护提供了新的技术和思路，使得濒危文化遗产的还原与再现成为可能。我们要充分运用这种先进的科学技术开发出原汁原味的虚拟文化遗产产品，使人们在虚拟世界中身临其境般地感受传统文化的魅力。