基于G/S模式的非物质文化遗产异构数据可视化共享研究

陈永光

(周口师范学院 教育科学学院,河南 周口 466001)

联合国教科文组织在法国巴黎发布的《保护非物质文化遗产公约》中指出,群体、团体，甚至个人的文化遗产的呈现形式和活动场所均是非物质文化遗产(以下简称“非遗”)的范畴,它是各类文化的熔炉,是确保可持续发展的基础[1]。《中华人民共和国非物质文化遗产法》规定,各族人民世代相传的多样性文化都是中华民族的非遗资源,是中华民族的文化瑰宝。这些文化随着各群体和团体所处自然环境和历史环境的不同,随着时代变革而在创新,从而体现出了各族人民在历史变迁中的认同感和历史感,促进了文化多样性的发展,激发人类不断变革的创造力。

在非遗中,“非物质”强调人是非遗的根本,文化本身是活态的,其形态和形式上是流变的,非遗是以人为核心的经验、技艺和精神,而不是依赖物质才能存在的品质。“文化”是非遗的性质,它体现的是不同时代、不同地域条件下,先辈们在当时环境下的思想、感情、意识和价值观,这是人们评判自己行为的标准。“遗产”是指非遗在特定环境下的不可复制性,是现代文化的渊源,体现了当时特定群体独特的创造力。非遗的定义体现了其种类繁多、表现形式多样的特点,但在他们所彰显的独特个性之间却也存在着共性,可概括为无形性、传承性、口头性、可塑性和濒危性等。

一、非物质文化遗产保护现状与数字化趋势

(一)国内外非物质文化遗产保护状况

国外开展非遗保护起步较早,成绩斐然。在亚洲,韩国、日本等国家建立了专门的机构和认证机制对非遗进行保护。日本的“全球数字博物馆计划”和其建立的将传承人视为“人间国宝”的认定和保护机制,韩国的非遗保护制度和奖惩办法,不但为通过政府认证的“保有者”提供充足的生活保障,而且给他们提供非遗文化展示的经费和场所等,形成了类似金字塔形式的非遗保护和传承体系。在欧洲,德国、意大利、法国等国家也已经全面开展对非遗的保护工作。意大利采用“保护与利用并举”模式,实现非遗保护过程中政府部门的能动性。他们不但负责保护工作的展开和指导,同时鼓励私人或企业等参与到非遗保护中来。目前，意大利已建立3200多个博物馆、10万座教堂和5万座历史建筑,非遗保护相关知识的普及度很高。还有法国的“Aquarelle计划”和著名的“欧洲文化遗产在线”项目等,都极大地体现了欧洲政府对非遗保护的重视。美国在1996年也通过建立虚拟遗产网络对非遗开展保护,如“美国回忆”等项目[2]。

我国非遗的保护工作开展相对较晚,但由于政府高度重视,措施得当,仍取得了令人瞩目的成绩。从2002年召开抢救和保护中国非物质遗产座谈会,讨论如何全面开展非遗保护工作至今,我国非遗保护以“保护为主、抢救第一、合理利用、传承发展”为总体工作方针。目前，已初步建立契合我国国情的保护政策制度,各级文化部门专门设立研究机构和保护中心,全国也成立各级保护和监察机构,逐步进行非遗的普查、认证和保护等工作。

(二)我国非物质文化遗产保护中存在的问题

我国针对非遗的保护工作虽然已全面展开,但保护手段仍然存在着许多不足,这也加剧了对非遗保护的迫切性。我国非遗保护工作主要问题有:

1.数字化保护认知薄弱。我国政府已经意识到非遗数字化建设的重要性,投入大量人力与物力,但是相对于国外大量的数字化共享平台建设成就,我们的实施进度仍较迟缓,主要是因为人们对数字化保护认知不深,看不到数字化平台建设在增强核心竞争力、提升现代化管理水平方面的优势。

2.过于依赖技术。数字信息技术仅仅是非遗保护过程中的手段和工具,操作这些技术的还是人本身,而不是用技术完全替代人,文化的根本也应该是以人为本。人们应该做的是通过学习先进技术,提升在非遗保护中的能力,从而更好地保护优秀文化,而不是太过于依赖信息技术,否则只会适得其反,进而加剧文化的遗产化。

3.传播与共享手段相对滞后。目前针对不同受众,用于传播非遗保护认知的平台主要还是传统的报纸、电台、广告栏等手段,这些方式展现形式单一,不能广泛地被大众所接受,虽然也出现了利用微信平台等手段,但还没有全面普及,因此迫切需要改善当前滞后的传播方式和共享手段,促进非遗保护工作的开展。

4.运行机制与管理模式协调性差。传统的管理体制与方法,由于受当时信息环境的限制,已不能适应当今快速更替的信息需求,亟须更快速地多部门联动、多产业协同的运行系统和管理模式。

5.知识产权保护意识欠缺。随着非遗保护在世界范围内日益受到重视,对非遗知识产权的保护也更为迫切。近年来，我国非遗文化被他国抢先入侵式宣布主权的事件越来越多,如韩国的端午祭等,这给我国的非遗保护工作敲响了警钟,政府应尽早建立完备的非遗知识产权申报和保护制度,确保祖辈文化不被掠夺。

(三)我国非遗保护的数字化进程分析

我国的非遗数字化保护道路正经历着从概括到具体的实施过程。2005年非遗数字化保护的概念被明确清晰地提出,2011年首次将非遗国家级代表性项目及代表性传承人相关资料的数据库建设提上重要日程,2012年国家在“十二五”规划中更是详细地描述了数字化保护工作的目标和具体内容,2017年腾讯和敦煌研究院宣布“数字丝路”项目的启动。可见,我国非遗的数字化保护,随着计算机技术的发展和大数据时代的来临,将越来越受到国家的重视。

当前，我国非遗数字化保护和采集方面技术应用还较为单一,主要是以图片、音频和视频为载体,总体质量不高,在信息技术的应用方面还比较传统,新的信息处理手段如动作捕捉技术、三维扫描仪、现实虚构等新技术运用较少,没有最大限度地调动人们参与非遗保护的能动性。因此,亟须综合各信息手段,将能够不同角度、不同层面和不同深度反映非遗的各类数据资源融合,建立可视化共享平台,充分发挥信息化平台多元、便捷和即时共享的优势,全面、立体、真实地展现非遗,从而使得人人参与非遗保护事业,因而搭建文化共享平台已成为非遗数字信息化发展的必然趋势。

二、基于G/S模式的客户端聚合服务技术研究

(一)G/S模式

G/S(Geo-Browser/Spatial Information Server)译为“地学浏览器/空间信息服务器”,G/S模式是指以地理信息数字化为目的,设计出以超地理标记语言HGML(Hyper Graphic Markup Language)为基础,能够将现有不同种类的大规模数据根据“请求-聚合-服务”的方式将其存储和交互,从而进一步结合三维建模、人工智能等技术，将其呈现的“客户端聚合服务”。相较于传统C/S模式或B/S模式无法对非遗的大量声音、文本、视频、虚拟现实等不同类型数据进行有效交互共享操作的劣势,G/S模式可充分发挥其基于HGML组织和管理海量异构数据的优势,简化数据查询和调度,使用其独特的三维展示和交互能力,将数据充分显示和共享。同时,它较多的先进分布式技术处理方法与手段不仅降低了网络传输的复杂度,保证实时性以及保密性,而且其在设计之初保存的冗余空间,也将会极大地降低数据出错的可能性。

G/S模式并不是仅仅将服务器作为客户端,而是有着严格规范的标准协议,如各类数据交互时的数据流交换标准要求、客户端和数据库的互操作标准规范和功能模块间的标准接口协议等。这些都是以能够处理大规模数据的新云计算处理技术为基础,是目前解决客户端聚合服务较为高效可靠的前沿技术。

不同于以往集中式的计算模式,云计算是大数据时代背景下诞生的分布式计算技术,它作为当前热门的大数据技术可将各种网络技术与计算技术融为一体,该技术能够将各计算组件网格化,通过负载均衡将需要处理的数据在不同的端点计算单元并行计算,然后将各分布单元计算结合聚合,从而实现数据存储和计算的虚拟化和一体化等。它能够将复杂的计算处理程序网络化分割成小程序,进而通过多部服务器群,如存储服务器群、计算服务器群、控制服务器群等各类各部服务器集群的搜寻、计算处理以及解析等一系列的操作后,将最终结果汇总传输给终端。不同节点和空间位置的服务器群协同构建了“云”端网络,这些服务器集群同时还具备管理平衡、虚拟化资源、自动修复和计算单元的强大功能。

(二)客户端聚合服务技术

客户端聚合服务主要包括底层和顶层两个层面。底层是指将各类大规模数据,如多维的、异构的等,聚合在一起综合处理,从而挖掘出单一数据不能得到的深层次信息。顶层是指以服务为目的,将数据处理结果与客户聚合在一起,满足客户的服务需求。信息聚合技术的要点包括:服务聚合模式,海量异构数据的组织、存储和管理,信息的汇聚、交换和共享,各种信息的处理和服务,异构数据的展示和互操作等。其中,服务聚合模式由客户端聚合技术、空间信息聚合和服务器聚合技术标准等三个要素构成。如一次完整服务的流程是:用户在客户端上发出服务请求,然后基于G/S模式均衡化后由分布式服务器群在网络上搜索读取相关数据,不同种类不同维度的数据基于HGML转化为能够在各模块接口间传输的数据流,通过各功能模块的综合处理将数据转化为用户所需知识输出给客户端。因此,客户端聚合机制也是异构空间数据从数据到信息、从信息到知识的转化过程。

基于G/S模式的客户端聚合服务平台具有以下两个特点:(1)该平台的运行原则是“数据分散、服务聚合”,基于网格化的各服务器群均衡存储、管理和处理大规模异构数据,基于客户端为用户提供交互服务。(2)HGML作为各功能模块和各网格服务端点的数据交换标准。各服务器群和终端之间建立双向映射,用户数据组织,并提供丰富的数据交换接口,客户端也通过HGML对分布在网络上的数据和服务进行聚合,减少了服务响应时间,解决了空间异构数据的时间复杂度问题。其采用的分布式架构,使得网络带宽对数据的调用影响减少,可解决异构空间数据访问的空间复杂度问题。客户端作为非遗资源的展示和保护平台,人机界面友好,对三维数据的支持性好,因此,较好地解决了展示系统的视觉复杂度和操控复杂问题[3]。

三、基于G/S模式的异构空间数据共享和可视化研究

(一)非遗异构数据及共享方式

非遗的多元化特点决定了要全面正确地记录、描述和表达其内涵,仅仅依靠单一数据形式是无法完成的,必须同时综合文字、图片、音视频、虚拟成像等多种数据形式,才能将非遗全方位多角度地呈现给受众。这种多类型数据的结构,对保护和共享过程中异构数据的处理也提出了相应技术要求。

目前,各类异构数据共存时的异构性主要表现为:(1)系统异构,因为数据库系统,数据源使用的业务系统和业务平台使用的操作系统不同,所造成的异构,如Unix、Windows等;(2)模式异构,指的是信息存储时的数据间关系模式不同,如常见的有关系模式、对象模式、网络模式和嵌套模式等;(3)数据异构,指的是由于采集技术的不同,数据维度、物理含义、数据形式的不同,也会造成数据本身异构,如文本、图片、音频、视频和HTML、关系型数据库数据等;(4)语义异构,主要是指由于表达不同语义的相同数据形式和表达相同语义的不同数据形式造成的异构情况。

非遗信息化保护过程中遇到的异构阻碍主要有系统异构和数据异构两种。由于不同类型文化遗产表现形式的不同和不同地域遗产保护机构数据采集和存储标准的不同,现有的文化保护平台针对其自身应用所采用的开发平台也不同,从而导致没有一个通用的平台消除数据异构所导致的文化共享中遇到的阻碍。因此,需要利用G/S模式在处理异构数据上的技术优势,建立能够提供聚合服务的客户端平台,促进文化的共享发展。

(二)HGML异构空间数据共享

空间数据是指能够体现非遗文化载体空间分布特点的数据。非遗都是经过时代变迁而遗存至今的,经历过地理位置和空间结构的变化。如果能对非遗的空间数据进行有效的采集、加工和分析处理,从而呈现出该文化遗产在不同时期背景下的分布特点、变化规律等历史变迁,必定能够加快非遗在规划、管理和共享等方面的发展。但受限于早期的信息技术手段,现有的空间数据架构已经远远不能满足快速发展的空间数据共享需求,特别是非物质文化遗产数据的异构性问题非常突出,这对空间数据的共享提出了更高的技术规范要求。

异构空间数据共享的目的就是将不同类型的空间数据结合起来,使得用户能够同时获取更全面的空间信息。目前，实现该技术的方法主要有:(1)数据格式转化模式,这是目前数据共享最普遍的方法,也是由早期信息技术造成的。它通过转换程序或转换工具把另一系统数据结构转换为自己所用数据结构或将两个系统的数据结构统一到同一结构下实现交互。但这两种方法的共性问题就是,由于没有对空间对象统一的描述,转换过程中难免有信息丢失的情况发生,转换后也就不能准确地表述原数据源信息。(2)数据直接访问模式,它是通过引入空间数据引擎的方法实现对不同类型数据的访问。虽然该模式避免了复杂的数据格式转换和安装不同格式的软件,但需要平台对所需数据格式有足够了解,才能保证正确破译,否则会造成信息损失,还会延缓响应速度以及系统升级。(3)标准空间数据转换模式,它通过把不同数据间接口标准化,使得所有基于标准化接口的客户端都可以在这些数据间游走,从而使得数据网络对不同用户变得更加透明,这样不仅可对数据实现集成处理,而且处理过程也集成在了一起。这对于需要处理海量异构数据的非遗保护数字化平台来说,无疑是最优的异构数据交互方式,因此,可采用建立数据交换标准HGML实现空间异构数据的共享和集成。

HGML是针对G/S这一新型空间信息网络访问模式,在汲取现有各数据交换标准的优点基础上建立起来的一套容易实现和处理的高效数据交换标准。该标准是基于XML(Extensible Markup Language,可扩展标记语言)的标记语言,主要针对像非遗保护这类需要处理海量异构数据的应用而设计的,它既具备XML可扩展性、平台独立性和链接能力强等特点,同时又实现了对不同节点的异构数据并行透明的访问,方便异构数据的统一管理和均衡调度。与C/S模式中的GML(Geography Markup Language,空间数据建模标准规范)和B/S模式中的KML(Keyhole Markup Language,Keyhole标记语言)类似,HGML不仅是G/S模式的数据交换标准,同时还是该模式的数据组织和管理格式。HGML在G/S模式中的功能和结构见图1。

图1 G/S模式功能结构图

不同用户可以在交互平台G上提出数据分析和显示请求,交互平台G和Internet之间基于HGML标准实现异构数据的均衡调度、交换以及最终结果的显示与输出。在处理过程中,Internet与空间服务器集群之间也是基于HGML实现了数据的组织、存储和调度管理。无论是交互平台和Internet,还是空间数据服务器群,HGML都是它们网格化处理的基础,是实现不同功能模块交互的关键。这种分布式数据合成与网络化的处理方式,对用户来说数据将以透明的方式进行提供,这也体现了G/S模式“服务聚合”的核心思想。

相比较现有的数据共享方式,HGML具有如下特点:(1)HGML是文本标记语言,在对异构数据进行描述时,标记灵活,辨识度高,且交互转换时能够确保原数据源信息不丢失。(2)HGML可在将异构数据集成的基础上,与多媒体技术相结合,实现数据的综合应用。(3)HGML通过封装空间对象和其属性,可实现高效编码。(4)HGML可实现数据内容和形式分离,提高了异构数据在客户端的可视化效率[4]。

(三)ICHML可视化

ICHML(Intangible Cultural Heritage Markup Language)指的是非遗可扩展标记语言,这是以HGML为基础,能够实现海量非遗异构信息的均衡化管理,在存储、交换和显示上层次化,同时,它也是一种统一的数据整合格式。该技术主要包括ICHML解析技术和ICHML查询技术。

1.ICHML解析技术

解析方法的好坏对非遗信息资源的管理效率有着直接影响。如果解析技术使用不当,不仅会影响内存资源的分配,造成响应时间较长,还会降低其可伸缩性。ICHML解析器的本质是一段可以读入一个文档并分析其结构的代码,它是从HGML发展起来的,因此与HGML一样,它的解析技术也是包括:(1)DOM(Document Object Model,文件对象模型),主要用于表示XML文档的官方W3C标准,其显著特点是层次化的结构,所有的信息片段均是该结构内的一个节点,开发人员可以根据所需信息的分类特点,在结构树中按层次索引。因此,DOM被广泛认为是基于树或基于对象的。树形存储是内存存储最常见的方法,可以通过对树的修改实现对数据和结构的修改,相比较SAX与DOM,它可以灵活地在树形结构中搜索,操作简单高效。(2)SAX(Simple API for XML),该解析方法处理流程类似于流媒体,能同时处理多批数据,读取数据的同时具备对数据正确与否的判断能力,可避免将大量数据导入内存引起阻塞,加快处理速度。如果设定停止条件,还可以终止正在进行的解析过程。相比较DOM的树形结构,SAX事件模型在非遗保护平台里,用户通过组件就可以操作HGML数据,系统响应时间很短。

对比DOM和SAX的技术优势,ICHML主要采用能够并行多批次数据处理的SAX进行解析操作,解析时首先将HGML数据按照树形结构读入内存,然后按地理要素对HGML进行数据分流/分层,最后处理、显示树中的各个节点。

2.ICHML查询技术

HGML的核心是数据,它不仅是数据表示标准,又是数据交换标准。它通过建立树形结构,不仅可以表示复杂的空间数据,同时兼容非空间数据。结合G/S模式,可广泛用于数据的表示与集成、交换和存储等地方。当用户需要从复杂的数据结构中搜索感兴趣的内容时,可以通过节点路径特征、结构特征和类型等参数,定制查询条件来缩小查询范围,尽快找到所需内容。与HGML类似,ICHML也是以XML为基础,查询技术也是包括以下两种:

(1)XPath。XPath是根据W3C标准制定的,用来表示文档搜索时的导航和查询路径,从而实现对搜索内容在HGML树形层次结构中的节点进行定位。W3C对XPath的介绍为:它是一种描述型语言,可以对符合XPath数据模型的数据进行处理,这种数据模型提供了HGML文档的树形表示,其中包括原子值(比如整数、字符串、布尔类型的值)和序列(可能包含对HGML文档中节点的引用以及原子值)[5]。XPath可以表达该数据模型所允许的任意序列,类似于路径表示,因此称之为XPath。

(2)XQuery。XQuery是HGML文档的一种查询语言,综合了其他一些查询语言的优势和特点,功能比XPath更为丰富。比较来说,XPath是在HGML文档内描述节点路径的通用规范,而XQuery是W3C推荐的XML数据库的查询言语标准,因此也是HGML和ICHML的查询标准。XQuery和XPath最大的不同在于,前者返回的是有次序的节点序列,而后者返回的是一个节点集合,对比来说,XQuery兼容的数据类型、表达式类型和操作符也更加丰富。

四、淮阳太昊陵非遗保护管理和服务平台

(一)太昊陵简介

太昊陵是中国著名陵庙之一,为纪念“三皇之首、人文始祖”太昊伏羲氏而兴建,现已是国家AAAA级旅游景区,全国重点文物保护单位。太昊陵的历史可追溯至春秋时代,盛唐达到鼎盛时期,明清又投入大量人力物力进行修缮,历时3000年,被历代帝王52次御祭,被称为“天下第一皇朝祖圣地”。太昊陵是在伏羲的先天八卦的基础上建造的,分为外城、内城、紫禁城及三皇城,景区内的主要景点包括中轴线上的一系列建筑，如午朝门、道仪门、先天门、太极门、统天殿等,其他附属景点，如独秀园、碑林、西四观、岳忠武祠等。

太昊陵的祭祖仪式活动已持续数千年,按照惯例,在农历的第一天和第十五天,均有盛大的仪式活动。2008年庙会期间更是以“单日与最多的信徒会面(约825 000人)”被上海世界吉尼斯总部记录在吉尼斯世界纪录中。同时,太昊陵祭祖仪式也被正式列入国家非物质文化遗产名录,因此,选择集人文文化和古建筑艺术于一体的太昊陵为例,具有一定代表性。

(二)功能设计

在对非遗保护时,首先要确定该非遗的信息资源,主要包括基于各种数字化采集设备获得的文字、图片和音视频等,还有基于历史文字信息并利用虚拟技术描绘出的三维动态展示数据。太昊陵的资源主要存储在相关文化部门、景区部门和对应的研究机构,通过对这些基础数据库的访问,为平台展示提供数据支撑。对于现存缺失而又需要的数据,可以组织专业人员采集数据,最后分类存储在相应数据库中再进行显示、传播和共享等。工作流程见图2。

图2 非遗保护工作流程

展示太昊陵的最佳方式与手段就是三维动态展示,包括现有建筑群结构的展示、历史变迁的演变过程展示和朝圣祭祀活动的展示等。三维可视化的过程是通过使用各种建模技术和手段来模拟建筑结构、生活设施、景点和文物。将音视频和其他多媒体数据组合在一起,虚拟化文化载体,并生成.ichml文件,在客户端上显示具有真实体验的3D虚拟场景,如图3所示。3D可视化技术可用于模拟文物的展示、虚拟漫游以及与手工艺品的互动,使其更易于理解和接受。

图3 三维可视化技术路线

结合以上业务流程,在平台功能设计上,主要考虑构建以下几个系统:

(1)非遗信息管理子系统:该系统主要利用ICHML实现非遗信息的数字化处理,包括信息录入、资料的更新、分类存储、信息查询以及备份等。系统保留各种数据接口,以确保它可以与多个部门的不同数据库连接并共享数据。

(2)非遗信息查询展示子系统:该系统主要利用HGML在客户端汇总多种类型的非遗信息资源,包括文字、图片和音视频等,全面分析非遗资源,利用互联网扩大非遗的认知度和影响力。

(3)非遗资源再现交互系统:使用多媒体来复制在特定时间和特定区域发生的一些非遗载体,如朝圣和传统手工泥泥狗等。利用VRML实现与用户的交互,加深用户体验。

(4)非遗传承查询子系统:它主要用于查询各种非遗信息,如传承人、传承主题和资源配置等,以方便公众参与。其平台结构见图4。

图4 非遗保护平台功能设计图

概而言之,我国非物质文化遗产保护虽然取得了一定成绩,但仍有很多难题亟待解决,广大非遗工作者还需以现代网络技术与空间信息技术为支撑,进一步挖掘其在非遗保护中的应用方法与创新措施,致力于我国历史悠久的文化遗产保护工作。