数字化技术在文化遗产的保护与传承中的应用研究

郭龙翔

（周口师范学院）

文化遗产蕴含着丰富的文化信息，其种类丰富、设计巧妙、工艺精湛、风格多样，每一处文化遗产都具有其独特的艺术特征和精神风貌。对文化遗产进行数字化处理与数字化展示平台的建设，有利于对非遗文化的保护、传承与创新研究；对于弘扬民间文化、传统文化，发掘地方传统文化的市场潜力，促进地方特色文化的健康发展，推进城市文化品牌建设，在文化遗产保护与传承的可持续发展方面也可以起到至关重要的作用，文化遗产的数字化是社会发展的需要、时代发展的需要。

一、数字化技术的发展

数字化技术是随着计算机的产生而发展出来的一种技术。计算机由“0”与“1”构成，这两个数字也可以看作开和关，1表示开，0表示关，这一组开关构成了二进制的数制。人们看到的计算机显示出来的一切复杂效果，都是计算根据各种编译语言对二进制数值进行转码后而展现出的形态。所以说，我们在计算机中所看到的一切，其实都是数字0和1，而通过计算机技术进行的文字、图形、视频等信息的记录、修改及保存，都属于数字化技术的范畴。

自数字化技术出现以来，经历过不同的阶段，最开始是数字和字母阶段，此阶段计算机刚刚出现，体积大、操作复杂，只有少数尖端领域的科研人员才能接触。然后是图形阶段，20世纪60年代，在伊万·苏泽兰发表论文《Sketchpad：人机图形通信系统》，标志着数字化技术开始进军图形学领域，这位“计算机图形学之父”还提出了最初的虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）的方案，随着计算机图形学的发展，计算机图形系统不断完善，数字化图形开始广泛的应用。到现在，数字化技术的虚拟化越来越接近现实，虚拟现实的设想接近实现，而以虚拟现实技术为基础的增强现实（Augmented Reality，简称AR）、混合现实（Mixed Reality，简称MR）等新的数字化技术也开始出现，当然，这一切的核心就是数字化技术。

历史文化资源数字化之后有很多方便之处，一是可以对数字化资料进行灵活的修改、编辑、移动、备份等。如按照传统的方式对资料进行这类操作，程序上会非常繁琐，费工费力，难以实现。二是方便查阅、检索、调取信息资料。在信息时代，各种数据资料海量，个人如想找到所需的材料如大海捞针一样，但是当材料数字化以后，就可以在电脑或者其它智能设备上进行快速的检索和调用，还不会受到时间以及空间上的限制。三是依托网络等方式，可以高效、便捷的进行历史文化资源的分享与传播。在5G网络时代，各种智能终端丰富多样，大众通过手机就可以随时随地的轻松接触到这些文化资源知识，这些数字化资源在文化的传承中能够起到巨大的作用。

二、当下重要的数字化技术

（一）360全景技术

（二）三维激光扫描

三维激光扫描技术是20实际90年代开始，逐渐发展而来的一种能够快速获取物体三维空间数据的技术，凭借激光测距的原理进行激光扫描，能够精确地获得被扫描物体在真实空间中的坐标位置，并自动生成三维点云数据。三维激光扫描的适应能力强，从大型的古建筑、遗迹，到小型的文物，三维激光扫描都能够很好的进行三维数据的获取，但由于光线都是沿直线进行，所以对复杂的物体，一般会通过变换不同的角度，多次扫描，以获得完整无误的数据，得到的数据在后期进行对齐与拼接，最终建立完整的三维数据模型。

（三）摄影测量建模技术

摄影测量建模技术是21世纪以来新型的一种数字化建模方式，这种技术通过多角度采集被摄物体的照片，在通过计算机专门软件进行处理，依照一定的算法来生成物体的点云数据，再由点云数据进而生成物体模型，并依据照片投射赋予贴图，达成完整的三维模型，效果也非常真实。由于这种建模技术依托于大量的摄影照片，技术和设备上的限制相比三维激光扫描小了非常多，现在的社会几乎人人都有手机可以随时随地进行拍摄，所以这种技术也就成为了最为高效、成本低、最容易推广的建模技术。

应用这种技术建模软件有很多，按照数据处理的方式来算分为两种类型，一种是云端计算，如Autodesk ReCap Phot，这种类型的软件需要把拍摄到的照片素材通过网络上传至软件的云端，然后云端的服务器再通过算法进行点云的计算、模型的生成，这种类型的好处是云端处理数据，不占用本地的电脑计算能力，并且计算速度更快，可以完成更高精度的模型重建。第二种类型是本地处理的软件，如Agisoft Metashape Professional，这款软件所有的计算不依靠网络，所有的数据处理由本地完成，所以数据处理的速度取决于设定的精度，以及电脑硬件的算力，在模型不那么复杂的情况下也能够很好的完成建模工作。

虽然摄影测量建模技术有不同的软件，但是其本质上的工作流程是一样的。（1）使用相机拍摄足够多角度的被摄物体照片。（2）在建模软件中导入照片。（3）使用软件对齐照片，计算出照片的拍摄角度，并生成三维空间坐标，以及初步的点云效果。（4）生成高质量的密集点云，使物体的细节得以体现。（5）优化点云效果，生成网格模型。（6）为模型生成纹理贴图。（7）完成模型创建，并根据需要，导出相应三维模型格式文件，如：stl、fbx、obj等格式。

鉴于摄影测量建模技术具备的多重优势，国内外的文化遗产的数字化保护工作，也越来越多的采用这种技术来进行。除了常规文物以外，地形测绘，建筑群等大型的三维重建工作，也开始借助无人机进行影像数据采集，利用这种数字化技术来快速进行模型的创建工作。

（四）虚拟现实与游戏引擎

虚拟现实技术，原英文名称为“Virtual Reality”，简称为“VR”。它是一种集计算机图形学、多媒体技术、网络传输技术的一种新的媒介。目前，虚拟现实现在可以分为两种，第一种是广义的虚拟现实，它主要说的是通过计算机三维软件对现实世界进行的虚拟仿真，在这一层含义下，三维技术是整个虚拟现实的主导，而三维模型的创建更是虚拟现实的一大基础。第二种就是狭义的虚拟现实，这种主要是以硬件设备来实现，主要常见的就是那些 VR投影设备、头戴式的 VR 眼镜、依靠手机等辅助设备实现的 VR 等等。在这种含义下，利用多部摄像机在不同视角下同时拍摄，再以技术手段拼接成全景视频，然后通过 VR 设备进行播放，此时人们眼睛观察到的虽然是经过处理的录像影像，是真实世界的影像作品，也可以通过扭头去观察其它角度，但它毕竟不是目前的真正的现实环境，所以它依然也是虚拟的现实影像。目前市面上绝大多数的虚拟现实大多数指的就是这第二种，也就是狭义的虚拟现实，上文中所提到的360全景图也属于此。

游戏引擎指一些已编写好的可编辑电脑游戏系统或者一些互交式实时图像应用程序的核心组件。这些系统为游戏设计者提供各种编写游戏所需的工具，其目的在于让游戏设计者能容易和快速地做出游戏程序而不用由零开始。

为什么提游戏引擎，原因是随着大型电脑游戏的快速发展，电脑硬件的变强，游戏引擎，特别是游戏引擎当中的代表：虚幻引擎（Unreal Engine）所展现出的实时渲染能力已经突破传统影视行业的认知。传统的虚拟现实技术受限于软硬件，在表现超写实虚拟场景的时候很难做到实时的交互和渲染，但是自第四代虚幻引擎（简称UE4）出现以后，强大的实时渲染能力使得超写实、仿真的虚拟场景可以流畅的展现出来，而且借助UE4，还可以实现很多的实时交互特性。这些优势很快突破了游戏引擎是专门做游戏的这种传统认知，并很快风靡了各个行业：如汽车模拟、产品模拟、建筑表现、虚拟拍摄、虚拟合成等领域，它还颠覆了影视特效行业的制作方式，即将淘汰影视行业传统的蓝绿背拍摄的标准流程。

常用的过氧化试剂有过氧甲酸、过氧乙酸、间氯过氧苯甲酸等。过氧酸是一种酸性比母体酸若千倍的弱酸，造成这一现象的原因主要是过氧酸分子内极易形成能量稳定的五元环所致。不过这不代表安全，长链过氧酸室温为固体，较为稳定。而短链液体过氧酸，受热易分解和爆炸，应避光低温妥善保存。过氧酸常常被用作引发剂、氧化剂[15]和消毒剂。

三、文化遗产的数字化展示案例

随着计算机技术的发展，自20世纪80年代以来，世界各国越来越重视文化遗产方面的保护与传承，数字化技术也开始越来越多的应用到了文化遗产的保护和传承当中，数字图书馆、数字化博物馆等等随之出现。

（一）数字虚拟卢浮宫

法国的数字虚拟卢浮宫项目，就是最早进行数字博物馆建设的案例，卢浮宫成为第一个把藏品从展馆搬到网络上进行展示的博物馆。最初，网站上只有简单的博物馆历史的简单介绍，数字虚拟卢浮宫在2004年在网上实现了对博物馆展厅的虚拟漫游，通过官网，下载指定的媒体播放器之后，人们就可以在网上进行虚拟参观，游览卢浮宫中的七大展馆，欣赏3.5万件管内公开展示的藏品。

（二）数字敦煌

“数字敦煌”是国内另一个有名的数字化展馆项目，该项目从20世纪80年代就提出了构想，旨在利用计算机和数字化技术实现敦煌石窟文物的永久保存和利用。2014年，敦煌莫高窟数字展示中心建成使用，通过数字化技术，向观众呈现莫高窟绚丽多彩的石窟艺术经典及气势恢宏的历史文化背景，游客们在游览莫高窟之前就可以对莫高窟进行全方位的观赏。借此方式，也可以适当减少石窟的开放数量，分散游客，并缩短其在洞窟内的游览时间，缓解参观活动对遗址造成的压力，对石窟遗址的保护与传承，起到重要作用。除了敦煌莫高窟数字展示中心以外，2016年5月，还上线了“数字敦煌”资源库，人们可以在网络上通过虚拟漫游的方式，游览和体验30个洞窟中的艺术经典。

（三）虚拟现实与数字博物馆

2019年4月15日 拥 有856年历史的巴黎圣母院，巴黎的地标性建筑，全人类的艺术瑰宝发生了大火，屋顶被烧毁、其哥特式建筑标志性的塔尖在大火中坍塌，索性巴黎圣母院的主体构造得以保留。还有值得庆幸的一点就是，2015年有团队利用三维激光扫描技术对巴黎圣母院进行过三维数据的获取，精确地三维激光扫描数据加上巴黎圣母院存留的完备的设计图纸，实现准确修复是不成问题的，这也说明了数字化技术在文化遗产资源的保护和传承起到的重要作用。

2019年法国政府在全力修复巴黎圣母院的时候，有虚拟现实制作公司推出了名为《巴黎圣母院：时光倒流旅程》的VR游览项目，并在联合国教科文组织总部（UNESCO）首度公开，成为了官方导览内容。该项目正式发布以后，人们可以通过电脑加上虚拟现实设备去游览、感受大火之前的巴黎圣母院这一经典古迹。这个项目基于游戏引擎进行制作，人们可以通过VR设备仔细游览“巴黎圣母院”这个古老的辉煌建筑，巴黎圣母院当中的各种细节都可以一览无余，除此以外， 该VR项目还提供了不同的游览方式，人们既可以进入到建筑物里慢慢游览，也可以通过搭乘热气球，在空中进行观赏。这种通过虚拟现实的手段进行参观巴黎圣母院的方式，也成为民众在巴黎圣母院重建修复完成前，进入内部游览的唯一选择。

通过这个案例，也体现出了基于虚拟现实技术进行数字化博物馆建设的巨大潜力，随时随地，不受地域、时间、空间的限制的沉浸式的游览体验，这种方式应该也是未来数字化虚拟博物馆发展的一种方向。

四、文化遗产数字化技术的应用流程

关于数字化技术在文化遗产保护与传承中的应用，可以分为不同的阶段来进行。

（一）基础资料的数字化

在这个阶段，首先要全面整理文化遗产项目相关的文史资料，收集文化遗产项目相关的所有故事和介绍，做好分类和索引。有缺失以及图片素材不清晰，可以选择使用专业相机进行影像数据采集，力争建立完善的图文音像数字化资料库。

（二）360全景漫游展示

360全景图技术是业内流行的文化场景展示方案，也有非常多成熟的案例可以借鉴，如数字虚拟卢浮宫、数字敦煌。从成本上来说相对较小，且传播方便，是一种非常容易实现的数字虚拟展示方式，文化遗产也可以选择这种数字化展示方案。

（三）文化遗产数字化虚拟博物馆

这一阶段的目的是建立一个三维化的文化遗产数字化虚拟博物馆，通过三维激光扫描及摄影测量建模技术，可以给文化遗产中的雕刻进行数字三维重建，得到单独的可从任何角度去观察的三维雕刻模型，然后用真实可信的三维模型为基础，搭配第一阶段整理好的图文音像数字化资料库。就可以建立一个更为生动形象，现代化的文化遗产展示系统。

（四）游戏引擎与数字化虚拟博物馆的建立

在做完上述各阶段的工作之后，进入到游戏引擎与数字化虚拟博物馆的建立这个环节。借助最新的第五代虚幻引擎，简称“虚幻5”首先对所有扫描得到的三维数据进行整合，建立一个完整的虚拟文化遗产场景。虚幻5引入了很多新的技术，其中最利好的是Nanite渲染技术，其能够直接在游戏引擎里表现出影视级别的超高精度模型。这种技术使利用摄影测量建模方式制作的模型，在未经任何压缩与优化的情况下，就可以直接进入到虚幻5引擎当中，极大的减少了后期优化的工作量。

整合了所有模型之后，我们这个虚拟的文化遗产场景基础搭建应该就基本完成了，再经过植被模型的导入，场景氛围的添加，可以逐步完善完整的、真实的数字虚拟文化遗产，并且可以在这个虚拟场景中自由的游览和观赏所有的建筑、雕刻、环境。

随后的工作是把前期整理的各项图文音像资料和场景做整合与关联，做到在虚拟场景中漫游时，也可以随时通过场景系统，调取并观看周围景象的详细资料。这就是笔者依据现有的数字技术手段所设想的文化遗产数字化虚拟博物馆。

五、结语

目前全世界对历史文化遗产的数字化保护都十分的重视，文中的各个案例也说明，文化遗产的数字化在永久保存其珍贵历史遗存的同时，在保护、研究和弘扬等方面都带来很大空间和新的可能性，具有深远的历史意义。通过目前强大的虚拟现实手段，可以建立文化遗产数字化虚拟场景、数字化博物馆，文化遗产的数字化对其传承、保护、研究和发展有着深远的意义，希望现实中的本地文化遗产也早日进行数字化应用。